编辑推荐
本书可供通信工程相关专业师生及射频系统设计工程师、射频集成电路工程师和无线系统工程师参考阅读。本书全面论述了射频系统设计的方法，并给出了整套的设计公式。该书主要针对移动终端发射机和接收机的射频系统设计，同时也适用于其他无线系统的应用，如无线局域网。本书涵盖了无线移动系统设计的详尽信息，指引了如何正确处理设计过程中的具体指标。此外，本书还涵盖以下内容：
（1）通信、信号和系统理论的基本知识；
（2）超外差、直接变频、低中频和带通采样四种无线电架构；
（3）频率规划、系统链接规划和发射机及接收机的性能评估；
（4）互调、干扰屏蔽和频谱再生及调制在内的非线性分析；
（5）基于自动增益控制、模/数转换动态范围和电源管理的移动系统中射频专用集成电路设计方法；
（6）从理论上和实践两个方面深度分析移动终端射频系统设计。
本书涉及了很宽泛的主题，涵盖了从基本的通信原理到特殊的多模移动系统。对于无线工程师，这将是一本很有价值的参考书。
内容简介
本书主要介绍了无线移动终端收发机的设计和分析，详细给出了射频接收机和发射机设计方法。此外，本书还系统介绍了超外差、零中频、低中频和带通采样无线电架构；详尽给出了频率规划、系统链接规划和发射机及接收机的性能评估；提出了包括互调、干扰屏蔽和频谱再生及调制在内的非线性分析；给出了基于自动增益控制、模/数转换动态范围和电源管理的移动系统中射频专用集成电路设计方法；给出了接收机性能评估的MATLAB文件和发射机放大器非线性特性计算代码；深度分析移动终端射频系统设计并给出了设计实例。本书适合作为通信工程、电子信息工程和微电子等专业本科生及研究生的教材，也适合作为从事射频系统、射频集成电路和无线系统设计工程技术人员的参考用书。
作者简介
Qizheng Gu（作者） 顾其诤,男，曾获复旦大学学士学位，后在日本获博士学位。1983－1993年在美国麻省理工学院任研究科学家，1993－1998年在美国太平洋通信公司和美国罗克韦尔实验室等机构工作，1998－2013年在美国 WiSpry公司担任射频系统设计部主管。
杨国敏（译者） 男，1979年5月出生于浙江余杭，2002年7月获西安理工大学电子工程系学士学位，2006年3月获上海交通大学电子工程系硕士学位，2010年5月获美国东北大学电子工程系博士学位。现为复旦大学信息科学与工程学院副教授，主要从事电磁场与微波技术领域研究工作。目前，主持项目包括：国家自然科学基金面上项目和青年科学基金项目各一项、上海市自然科学基金面上项目一项、教育部博士点基金一项、上海市白玉兰科技人才基金一项，等等。公开发表SCI论文33篇（其中第1作者IEEE Transactions 论文8篇），SCI检索他引超200次。学术兼任IEEE T-MTT、IEEE TAP、IEEE MWCL、IEEE AWPL等期刊审稿人，IEEE APS 2013分会场主席等。曾获奖项包括：2012年复旦大学信息科学与工程学院院长奖、2012年入选复旦大学第二批“卓学计划”、2013年获上海市自然科学三等奖、2014年获日本大川情报通信基金研究助成奖。
目录
译者序Ⅰ
前言Ⅲ
第1章简介
1.1无线系统
1.1.1移动通信系统
1.1.2无线局域网
1.1.3蓝牙技术
1.1.4全球定位系统
1.1.5超宽带通信
1.2系统设计的融合
1.3本书结构
参考文献
辅助参考文献
第2章系统设计基础
2.1线性系统与变换
2.1.1线性系统
2.1.2傅里叶级数与变换
2.1.3LTI系统的频率响应
2.1.4带通到低通的等效映射和希尔伯特变换
2.2非线性系统表征与分析方法
2.2.1无记忆非线性系统的表征
2.2.2多输入对于非线性系统的影响
2.2.3无记忆带通非线性系统与低通等效
2.3噪声与随机过程
2.3.1噪声功率与谱表征
2.3.2通过线性系统的噪声与随机过程
2.3.3窄带噪声表征
2.3.4噪声系数与噪声温度
2.4数字基带系统单元
2.4.1采样原理与采样过程
2.4.2采样抖动效应与量化噪声
2.4.3常用调制方法
2.4.4脉冲整形技术和码间干扰
2.4.5误码概率检测、信噪比与载噪比
2.4.6RAKE接收机
参考文献
辅助参考文献
第3章无线电架构与设计
3.1超外差结构
3.1.1超外差无线电结构
3.1.2频率规划
3.1.3超外差收发机的设计考虑
3.2直接变频结构
3.2.1直接变频无线电结构
3.2.2技术挑战
3.2.3直接变频收发机设计
3.3低中频结构
3.3.1低中频无线电结构
3.3.2获得高镜频抑制的方法
3.3.3一些设计考量
3.4带通采样无线电结构
3.4.1带通采样基础
3.4.2带通采样无线电结构的配置
3.4.3设计考虑
附录3A互调失真公式
附录3B二阶失真成分的有效干扰估计
附录3CI/Q失衡和镜频抑制公式
附录3D模数转换器等效噪声系数的估算
参考文献
辅助参考文献
第4章接收机系统分析与设计
4.1引言
4.2接收机灵敏度和噪声系数
4.2.1灵敏度计算
4.2.2级联噪声系数
4.2.3因发射机噪声在接收机频带散射的接收机钝化估计
4.2.4天线驻波对于接收机噪声系数的影响
4.3互调特性
4.3.1互调成分和截点
4.3.2级联输入截点
4.3.3接收机互调特性的计算
4.4单频钝化
4.4.1交叉调制成分
4.4.2允许的单频干扰
4.5相邻/相间信道选择性和阻塞特性
4.5.1期望信号电平和允许降低
4.5.2相邻/相间信道的选择性和阻塞特性的计算公式
4.5.3双频阻塞和AM抑制特性
4.6接收机动态范围和自动增益控制
4.6.1接收机的动态范围
4.6.2接收机自动增益控制系统
4.6.3模数转换器动态范围和其他特性
4.7系统设计和性能评估
4.7.1接收机系统设计基础
4.7.2接收机系统中核心器件的基本要求
4.7.3接收机系统性能评估
附录4A功率dBm和电场强度dBμV/m之间的转换
附录4B关系式(4.4.6)的证明
附录4C无线移动最小性能要求比较
附录4D使用MATLAB评估接收机性能
参考文献
辅助参考文献
第5章发射机系统分析与设计
5.1引言
5.2发射功率和频谱
5.3调制精度
5.3.1误差矢量幅度和波形品质因数
5.3.2符号间或码片间干扰对误差矢量幅度的影响
5.3.3合成本振的近载波相位噪声对误差矢量幅度的影响
5.3.4载波泄漏所导致调制精度的降低
5.3.5由其他因素导致调制精度的降低
5.4相邻和相间信道功率
5.4.1低通等效模型的方法
5.4.2多频技术
5.4.3发射机链级联状态下的相邻信道功率比
5.5噪声散射的计算
5.5.1噪声散射计算公式
5.5.2噪声散射计算的一些重要注意事项
5.5.3电压表示的噪声
5.5.4噪声散射计算的例子
5.6系统设计中的一些重要考虑事项
5.6.1架构比较
5.6.2发射机链路增益分布和性能
5.6.3自动增益控制和电源管理
附录5Aρ和EVM间的近似关系
附录5B发射信号的镜像抑制
附录5C放大器非线性特性仿真： ACPR计算
参考文献
辅助参考文献
第6章系统设计的应用
6.1多模和多频段超外差收发机
6.1.1频率规划的选择
6.1.2接收机系统设计
6.1.3发射机系统设计
6.2直接变频收发机
6.2.1接收机系统设计
6.2.2发射机系统设计
参考文献
辅助参考文献
术语表
前言/序言
本书主要介绍了无线通信中的射频（radio frequency，RF）收发系统设计。目前大多数数字通信的教材主要集中在数字基带系统的设计而非射频电路部分。本书主要是为射频系统工程师以及射频集成电路设计工程师在设计数字通信系统中的射频电路而写的。同时也适用于电子工程的四年级本科生以及研究生。
本书系统地介绍了射频接收机和发射机设计方法，也相应地给出了一套全面综合的设计公式，同时对射频系统的分析也予以同等程度的关注。本书集中探讨了采用专用集成电路（application specific integrated circuits，ASIC）的移动通信系统，同时也适用于其他领域的无线系统的应用，诸如无线局域网 (wireless local area network，WLAN)、蓝牙和全球定位系统（global positioning system，GPS）。本书涉及很宽泛的主题，涵盖了从基本的通信原理到特殊的多模移动系统。阅读本书的前提是读者有着良好的射频知识背景、信号通信系统的扎实基础和模拟与混合信号电路的知识积累。
真诚地感谢那些鼓励并帮助过我的人，正是这些人的帮助和鼓励使得我能够完成此书。衷心感谢BjornBjerede博士，感谢他在我著书时对我不断地鼓励及很多有价值的建议和技术上的探讨。此外，我也深深感谢任职于加州大学圣地亚哥分校的Peter Asbeck教授，感谢他抽出时间审视整篇手稿，并提出了宝贵的意见与建议。很多射频领域的知识以及分析技巧都是我师从于麻省理工学院电子研究实验室电磁波理论与应用中心的Kong教授期间学到的，感谢导师为我提供了一个学习、科研与交流的环境。在PCSI、Rockwell半导体系统和Torrey通信公司工作期间，我学习并在实际设计中积累了大量的无线通信系统和射频接收机等方面的知识。我特别要感谢我的前同事Leon Lin博士传授用于非线性系统仿真的一些MATLAB程序。
除此之外，我要对审稿人Sule Ozev博士、Osama Wadie Ata教授、Paul D.Ewing先生、Rolf Vogt博士和Jaber Khoja博士表示衷心感谢，感谢他们的宝贵时间与建议。同时也感谢Springer的工作人员，尤其是编辑主任Alex Greene先生以及他的助理Melissa Guasch女士的支持与建议。最后也是最重要的是感谢我的妻子与家人的理解、耐心以及坚定不移的支持。
Qizheng Gu
《无线通信的信号处理基石》 作者：[作者姓名] 出版社：[出版社名称] 出版日期：[出版日期] 第一章：绪论：数字信号处理在无线通信中的核心地位 在本章中，我们将深入探讨数字信号处理（DSP）在现代无线通信系统中所扮演的不可或缺的角色。从最早的模拟通信方式到如今高速、多功能、智能化互联的数字通信时代，信号处理技术的每一次飞跃都直接驱动了无线通信能力的指数级增长。我们将追溯这一演进历程，理解为何将通信信号转化为数字形式并加以处理，是实现高效、可靠、灵活通信的关键。 我们将首先阐述数字信号处理的基本概念，包括采样、量化和编码等核心过程。理解这些基础概念对于掌握后续的信号处理算法至关重要。我们将解释为何在数字域中进行信号处理能够带来诸多优势，例如精度高、稳定性好、易于实现复杂的算法、以及对环境变化的适应性强等。 接着，我们将详细分析无线通信系统中常见的信号类型，如语音、数据、视频等，并讨论它们在时域和频域的特性。理解这些信号的特性是设计有效的信号处理方案的前提。我们将重点关注信号的频谱特性，例如带宽、中心频率、功率谱密度等，以及它们如何影响通信系统的设计决策。 此外，本章还将概述数字信号处理在无线通信各个环节中的应用。从信号的生成（调制）到信号的接收（解调），从信道编码与纠错到多址接入技术，再到先进的信号增强与干扰抑制技术，DSP的身影无不贯穿其中。我们将简要介绍这些应用领域，为后续章节的学习打下基础。 最后，我们将展望数字信号处理在未来无线通信发展中的趋势。随着5G、6G技术的不断演进，以及物联网、人工智能等新兴应用的涌现，对信号处理能力的需求将更加严苛。本章将探讨大数据、机器学习、软件定义无线电（SDR）等技术与DSP的深度融合，预示着无线通信的未来发展方向。 第二章：离散时间信号与系统基础 本章将为您构建坚实的数字信号处理理论基础，重点关注离散时间信号的表示、性质以及它们与离散时间系统的交互。我们将从离散时间信号的定义出发，探讨其基本类型，包括单位冲激信号、单位阶跃信号、指数信号等。理解这些基本信号的数学表示和物理意义，是进行后续信号分析和系统建模的基础。 我们将深入研究离散时间信号的常用运算，如移位、翻转、尺度变换以及卷积。卷积运算尤其重要，它是描述线性时不变（LTI）系统输入与输出之间关系的数学工具，我们将通过大量实例来加深理解。 接下来，本章将详细介绍离散时间系统的概念。我们将区分因果系统、稳定系统、线性系统和时不变系统等关键属性，并阐述这些属性对系统性能的影响。特别是线性时不变（LTI）系统，作为无线通信中广泛使用的模型，我们将重点讲解其核心特性——冲激响应，以及如何利用冲激响应来完全表征一个LTI系统。 我们将介绍描述离散时间LTI系统的两种主要方法：差分方程和卷积。差分方程提供了一种递归的数学形式来描述系统行为，而卷积则提供了一种直接的数学关系来计算输出信号。我们将展示如何从差分方程推导出冲激响应，以及如何利用冲激响应和输入信号进行卷积来获得系统的输出。 此外，本章还将引入Z变换的概念。Z变换是离散时间信号的傅里叶变换的推广，它能够将时域的运算转化为频域的代数运算，极大地简化了信号和系统的分析。我们将讲解Z变换的定义、性质以及收敛域（ROC）的重要性。我们将展示如何利用Z变换来分析LTI系统的频率响应，并理解其在系统稳定性判断中的作用。 最后，本章将通过一些实际的无线通信场景示例，说明离散时间信号与系统基础知识的应用。例如，如何用离散时间系统模型来描述数字滤波器，或者如何分析一个简单的数字通信信道。这些示例将帮助读者将理论知识与实际问题联系起来，为后续更复杂的章节打下坚实基础。 第三章：傅里叶变换及其在信号频谱分析中的应用 傅里叶变换是理解和分析信号在不同频率成分构成方面最为强大的工具。本章将深入探讨傅里叶变换的各个方面，并重点阐述其在无线通信信号频谱分析中的核心应用。 我们将从连续时间傅里叶变换（CTFT）入手，理解一个连续信号如何被分解成一系列不同频率正弦和余弦波的叠加。我们将讲解傅里叶级数（FS）和傅里叶变换（FT）的区别与联系，特别是FS用于周期信号，而FT用于非周期信号。我们将详细阐述傅里叶变换的定义、性质，如线性、时移、频移、尺度变换、共轭对称性、帕斯瓦尔定理等，并解释这些性质在信号分析中的意义。 接着，我们将转向离散时间傅里叶变换（DTFT）。DTFT是分析离散时间信号频谱的数学工具，它将离散时间信号的频谱表示为连续的频率函数。我们将分析DTFT与CTFT之间的关系，以及DTFT在无限长离散信号分析中的作用。 本章的核心在于离散傅里叶变换（DFT）。DFT是计算机实现傅里叶分析的基础，它将无限长或有限长的离散时间信号的频谱表示为一系列离散的频率点上的值。我们将深入讲解DFT的定义，并重点介绍快速傅里叶变换（FFT）算法。FFT是DFT的高效实现，其计算复杂度远低于直接计算DFT，使得大规模信号的频谱分析成为可能。我们将阐述FFT算法的基本原理，例如蝶形运算和分治策略，并说明其在实际应用中的重要性。 在频谱分析方面，我们将详细讲解如何利用傅里叶变换来分析信号的频谱特性，包括信号的带宽、主瓣宽度、旁瓣能量、以及信号在不同频率上的功率分布。我们将解释如何通过频谱分析来识别信号的频率成分，判断信号的有效性，以及评估通信系统的性能。 此外，本章还将讨论傅里叶变换在信号滤波、系统分析以及调制解调等无线通信关键技术中的应用。例如，如何利用傅里叶变换来设计和分析数字滤波器，如何理解调制信号的频谱特性，以及如何通过频谱分析来识别和处理干扰。 通过本章的学习，读者将能够熟练运用傅里叶变换及其相关算法，对无线通信中的各种信号进行深入的频谱分析，为后续的信号设计和系统优化奠定坚实的理论基础。 第四章：数字滤波器设计与实现 数字滤波器是数字信号处理中用于选择性地去除或增强特定频率成分的关键工具，在无线通信系统中扮演着至关重要的角色。本章将深入探讨数字滤波器的设计原理、分类以及实现方法。 我们将从滤波器的基本概念出发，解释其在信号处理中的作用，例如去除噪声、分离信号、限带传输等。我们将介绍滤波器的主要分类：无限冲激响应（IIR）滤波器和有限冲激响应（FIR）滤波器。我们将详细比较这两种滤波器的优缺点，包括它们的实现复杂度、相位响应特性、稳定性和计算量等。 对于IIR滤波器，我们将讲解其基于模拟滤波器原型（如Butterworth、Chebyshev、Elliptic）的设计方法。我们将介绍双线性变换法等常用的模拟到数字域的转换技术，以及如何根据所需的滤波器规格（如通带、阻带、过渡带的截止频率和衰减）来确定模拟滤波器原型参数，并将其转换为数字域的差分方程。我们将重点关注IIR滤波器的稳定性和极点零点配置对系统性能的影响。 对于FIR滤波器，我们将讲解其零冲激响应的特性，以及它能够实现线性相位响应的优点，这在许多通信应用中尤为重要，因为线性相位可以避免信号失真。我们将介绍几种常用的FIR滤波器设计方法，包括窗函数法（如矩形窗、汉宁窗、海明窗、凯泽窗）和频率采样法。我们将详细阐述不同窗函数的特性，以及如何选择合适的窗函数来平衡滤波器的过渡带宽度和阻带衰减。 本章还将深入探讨滤波器的实现结构。我们将介绍直接型、级联型、并联型等不同的实现方式，并分析它们在计算量、存储需求和数值稳定性方面的差异。特别地，我们将关注固定点和浮点运算在滤波器实现中的影响，以及如何进行量化和溢出处理以确保系统精度。 在实际应用方面，我们将结合无线通信的典型场景，讲解数字滤波器的具体应用。例如，如何利用低通滤波器来去除高频噪声，如何利用带通滤波器来选择特定的通信信道，如何利用陷波滤波器来抑制特定频率的干扰，以及如何利用匹配滤波器来最大化接收信号的信噪比。 通过本章的学习，读者将能够根据具体的通信需求，设计出满足性能指标的数字滤波器，并理解在不同硬件平台和精度要求下，如何选择合适的滤波器类型和实现结构，从而有效地处理和优化无线通信信号。 第五章：采样理论与混叠现象 采样是连接连续世界与数字世界的重要桥梁，是数字信号处理的基础。本章将深入剖析采样理论，并重点讲解混叠现象的产生机理、危害以及规避方法。 我们将从奈奎斯特-香侬采样定理出发，详细阐述其核心内容：要从一个带限信号中无失真地恢复原始信号，采样频率必须大于信号最高频率的两倍。我们将从数学上推导采样定理，并从能量和信息损失的角度来解释其重要性。我们将解释为何采样频率低于奈奎斯特频率会导致信息丢失和信号失真。 本章将重点讲解混叠现象（Aliasing）。我们将从频谱的角度来分析混叠是如何发生的。当采样频率不足时，原始信号频谱的高频分量会在采样后“折叠”到低频区域，与原始低频分量相互叠加，形成无法区分的混叠信号。我们将通过图示和数学推导来清晰地展示混叠的产生过程，并解释混叠信号在时域和频域上的表现。 我们将深入探讨混叠现象对无线通信系统造成的严重危害。在信号接收端，混叠会导致接收信号失真，使得后续的解调和解码变得困难，甚至不可能。在信号传输过程中，如果未经过抗混叠滤波，混叠可能会导致信号功率谱的改变，影响通信质量。我们将通过具体的通信场景，例如数字调制信号的采样，来展示混叠可能带来的问题。 为了有效规避混叠现象，本章将重点介绍抗混叠滤波器的设计与作用。我们将讲解抗混叠滤波器的类型和设计要求，即它是一个低通滤波器，其截止频率应设置为采样频率的一半（奈奎斯特频率），并且在奈奎斯特频率附近应有足够陡峭的衰减，以确保高于奈奎斯特频率的信号成分被充分抑制。我们将讨论如何选择合适的抗混叠滤波器类型（如Butterworth、Chebyshev）以及确定其滤波器阶数以满足设计要求。 此外，本章还将探讨欠采样（Undersampling）等更高级的采样技术，并简要介绍在特定场景下，例如对宽带信号进行采样时，如何利用欠采样结合数字信号处理来减小采样硬件的负担。 通过对采样理论和混叠现象的深入理解，读者将能够深刻认识到采样过程的严谨性，掌握如何正确设计和应用抗混叠滤波器，从而确保数字信号处理的有效性，为无线通信系统的可靠运行打下坚实基础。 第六章：调制与解调技术原理 调制与解调是无线通信系统中信息传输的核心环节，它们负责将原始信息信号“嵌入”到载波信号中进行传输，并在接收端将其“提取”出来。本章将全面深入地探讨各种主要的调制与解调技术原理。 我们将首先阐述调制的意义和必要性。我们将解释为何直接传输基带信号存在许多局限性，如天线尺寸过大、频谱利用率低、易受干扰等，而调制能够克服这些问题。我们将介绍调制的三个基本要素：幅度、频率和相位，并由此引出不同类型的调制技术。 幅度调制 (AM)：我们将详细讲解双边带调幅（DSB-AM）、单边带调幅（SSB-AM）和残留边带调幅（VSB-AM）的原理。我们将分析它们的频谱特性、功率效率和抗噪声性能。对于解调，我们将讲解包络检波和相干解调的方法，并分析它们各自的优缺点。 频率调制 (FM)：我们将深入探讨FM的原理，包括瞬时频率、调频指数、以及FM信号的频谱特性。我们将解释FM信号具有良好的抗噪声性能，并分析其所需的带宽。对于FM解调，我们将讲解鉴频器（如斜坡鉴频器、比例积分鉴频器）的工作原理。 相位调制 (PM)：我们将分析PM与FM之间的紧密联系，并讲解PM信号的生成和解调。我们将对比PM和FM在实际应用中的异同。 数字调制技术：随着数字通信的兴起，数字调制技术成为主流。我们将重点讲解以下几种数字调制方式： 幅移键控 (ASK)：解释其二进制和多进制形式，以及幅度电平的选取。 频移键控 (FSK)：讲解其不同频率的映射关系，以及二进制和多进制FSK。 相移键控 (PSK)：重点讲解二进制相移键控（BPSK）、正交相移键控（QPSK）及其变种（如8-PSK）。我们将分析PSK信号的星座图，并解释其在数据传输速率和抗噪声性能上的权衡。 正交幅度调制 (QAM)：将QAM视为ASK和PSK的结合，深入讲解其原理，例如16-QAM、64-QAM等。我们将分析QAM星座图的特点，以及它如何实现高阶调制以提高频谱效率。 最小频移键控 (MSK)：作为一种特殊的FSK，它具有连续相位和恒定包络的优点，我们将分析其频谱特性和在移动通信中的应用。 对于每种数字调制技术，我们将详细介绍其相应的解调方法，包括非相干解调（如包络检波、幅度比较）和相干解调（如匹配滤波器、同步解调）。我们将重点分析相干解调在提高解调性能方面的优势。 本章还将简要提及一些先进的调制技术，如自适应调制和编码（AMC），以及OFDM（正交频分复用）中的子载波调制。 通过本章的学习，读者将能够全面掌握各种模拟和数字调制解调技术的基本原理，理解它们在频谱效率、功率效率、抗噪声能力和实现复杂度等方面的权衡，为设计和分析高效的无线通信系统奠定坚实基础。 第七章：通信信道模型与噪声分析 无线通信系统在传输过程中不可避免地会受到各种不利因素的影响，其中通信信道模型和噪声是影响通信质量的关键要素。本章将深入探讨通信信道的特性、建模方法以及各种噪声的产生机理与分析。 我们将首先从宏观角度介绍通信信道的概念，并将其分类。我们将讨论理想信道与实际信道的区别，并重点关注实际信道中存在的各种失真和衰落效应。 无线信道模型： 衰落信道：我们将详细介绍各种类型的衰落，包括平坦衰落（Flat Fading）和频率选择性衰落（Frequency Selective Fading）。我们将探讨这些衰落是如何由多径传播（Multipath Propagation）引起的，以及它们对信号幅度和相位的影响。我们将介绍常见的衰落模型，如瑞利衰落模型（Rayleigh Fading）和莱斯衰落模型（Rician Fading），并分析它们的概率密度函数。 多径效应：我们将深入分析多径传播的形成机制，即信号经过反射、散射、绕射等传播路径到达接收端，形成延迟、衰减和相位变化的多个副本。我们将讨论多径效应导致的符号间干扰（ISI）问题，以及它对数据传输速率的限制。 多普勒效应：当通信双方存在相对运动时，会产生多普勒频移。我们将解释多普勒效应如何改变信号的频率，并分析其对通信系统的影响，特别是对高速移动通信的影响。 噪声分析： 加性白高斯噪声 (AWGN)：我们将详细讲解AWGN模型，包括其功率谱密度（均匀分布）和幅度服从高斯分布的特性。我们将分析AWGN在无线通信系统中的产生来源，如热噪声（Thermal Noise）、散粒噪声（Shot Noise）等，并解释其对接收信号造成的影响。 干扰 (Interference)：我们将区分同频干扰、邻频干扰和外部干扰等不同类型的干扰。我们将分析干扰的来源，如其他无线设备、电子设备产生的电磁辐射等，并解释它们对信号质量的损害。 量化噪声 (Quantization Noise)：在模拟信号数字化过程中引入的量化误差，也将被视为一种噪声。我们将分析量化噪声的产生机理，并讨论其与量化比特数的关系。 信噪比 (SNR)：我们将详细介绍信噪比的概念，以及它是衡量通信系统性能的关键指标。我们将分析信噪比如何影响误码率（BER），并讨论提高信噪比的方法，如增大发射功率、优化天线、选择高效的调制解调方案等。 信道估计与均衡：本章还将简要介绍信道估计和信道均衡技术。我们将解释信道估计的目的是获取信道的瞬时信息，以便进行后续的均衡处理。我们将简述均衡器（如零强迫均衡器、MMSE均衡器）的作用，它们旨在抵消多径效应和符号间干扰，从而改善信号质量。 通过本章的学习，读者将能够深入理解无线通信信道的复杂性，掌握各种信道模型和噪声的特性，并能分析它们对系统性能的影响，为后续的信道编码、均衡和系统优化设计提供重要的理论依据。 第八章：信道编码与纠错技术 在充满噪声和干扰的无线通信环境中，可靠地传输数据是一项巨大的挑战。信道编码技术应运而生，它通过在传输的数据中添加冗余信息，使得接收端能够在一定程度上检测和纠正传输过程中产生的错误。本章将深入探讨信道编码与纠错技术的核心原理和常用方法。 我们将首先阐述信道编码的意义和目的：提高数据的可靠性，降低误码率，从而在较低的信噪比下实现可靠通信。我们将区分编码（Encoding）和解码（Decoding）过程。 错误检测码： 奇偶校验码 (Parity Check Code)：我们将讲解简单的奇偶校验码，包括行奇偶校验和列奇偶校验，并分析其只能检测偶数个错误的能力。 循环冗余校验码 (CRC)：我们将详细介绍CRC的原理，包括生成多项式、多项式除法运算。我们将分析CRC在错误检测方面的强大能力，以及它在各种通信协议中的广泛应用。 错误纠错码： 线性分组码 (Linear Block Codes)： 汉明码 (Hamming Code)：我们将详细讲解汉明码的设计原理，包括校验位和数据位的关系，以及如何利用汉明距离来检测和纠正单个比特错误。我们将展示汉明码的编码和解码过程。 BCH码 (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem Code)：我们将介绍BCH码作为一种更强大的纠错码，能够纠正多个比特错误。我们将简述其生成和解码的复杂性，以及它在CDMA、卫星通信等领域的应用。 里德-所罗门码 (Reed-Solomon Code)：我们将重点讲解RS码，它是一种非二元分组码，在纠正突发错误方面表现出色。我们将分析RS码在CD光盘、条形码、数字电视和深空通信等领域的成功应用。 卷积码 (Convolutional Codes)： 我们将介绍卷积码与分组码的区别，它将信息比特序列编码成码字序列，码字长度与信息长度相关。 我们将讲解卷积码的生成矩阵、码流图（Trellis Diagram）和状态图。 我们将重点介绍维特比算法（Viterbi Algorithm），它是解码卷积码最常用的高效算法。我们将展示维特比算法如何通过搜索最优路径来恢复原始信息。 现代纠错码 (Modern Error-Correcting Codes)： Turbo码 (Turbo Codes)：我们将介绍Turbo码作为一种高效的纠错码，其性能接近香农极限，在3G、4G通信标准中得到广泛应用。我们将简述其迭代解码的原理。 低密度奇偶校验码 (LDPC Codes)：我们将介绍LDPC码，其性能也接近香农极限，并因其良好的并行解码特性而在Wi-Fi、5G等标准中占据重要地位。我们将简述其稀疏校验矩阵和迭代解码的特点。 本章还将讨论编码增益（Coding Gain）的概念，以及它如何衡量信道编码在降低误码率方面的效果。我们还将简要提及交织（Interleaving）技术，它与信道编码协同工作，能够有效地对抗突发错误。 通过本章的学习，读者将能够深入理解信道编码的基本原理，掌握各种经典和现代纠错码的设计思想和解码算法，并能根据不同的通信场景和性能需求，选择合适的信道编码方案，从而提高无线通信系统的鲁棒性和可靠性。 第九章：多址接入技术 在现代无线通信系统中，允许多个用户同时共享有限的无线频谱资源是一项基本需求。多址接入（Multiple Access）技术正是为了解决这一问题而设计的。本章将详细探讨各种主流的多址接入技术，分析它们的原理、优缺点以及在不同通信系统中的应用。 我们将首先阐述多址接入的必要性，即如何在有限的资源下满足不断增长的用户需求。我们将介绍多址接入技术的核心思想——如何区分不同的用户信号。 频分多址 (FDMA)： 我们将详细介绍FDMA的原理，即将整个通信频带划分为若干个不重叠的子频带，每个用户分配一个独立的频带进行通信。 我们将分析FDMA的优缺点，例如实现简单、用户间干扰小，但频谱利用率相对较低，且对滤波器的要求较高。 我们将讨论FDMA在早期蜂窝通信系统、固定无线接入等场景中的应用。 时分多址 (TDMA)： 我们将讲解TDMA的原理，即将通信时间划分为若干个不重叠的时间槽，每个用户分配一个或多个时间槽进行通信。 我们将分析TDMA的优缺点，例如频谱利用率相对较高，但需要精确的时间同步，且用户间可能存在干扰。 我们将介绍同步TDMA和异步TDMA的概念，并讨论其在GSM、DECT等系统中的应用。 码分多址 (CDMA)： 我们将深入探讨CDMA的原理，它允许多个用户在同一时间和同一频带内通信，但每个用户使用一个独特的扩频码来区分。 我们将解释扩频码（如伪随机码）的作用，以及如何通过码分复用来分离不同用户的信号。 我们将分析CDMA的优缺点，例如高频谱利用率、抗干扰能力强、保密性好，但对扩频码的设计和同步要求较高，且存在近远端效应。 我们将讨论CDMA在CDMAOne (IS-95)、WCDMA等蜂窝通信系统中的应用。 空分多址 (SDMA)： 我们将介绍SDMA的基本思想，即利用空间维度来区分用户。它通常结合了天线阵列技术。 我们将解释如何通过波束形成（Beamforming）等技术，将信号聚焦到特定用户方向，从而实现用户分离。 我们将分析SDMA的优势，如提高频谱效率、增强信号强度、减少干扰，并讨论其在MIMO（多输入多输出）技术中的重要作用。 OFDM (正交频分复用) ： 我们将讲解OFDM的原理，它将高速数据流分割成多个低速数据流，并在多个相互正交的子载波上进行传输。 我们将分析OFDM的优势，如高频谱效率、对频率选择性衰落的鲁棒性好、易于实现MIMO等。 我们将讨论OFDM在Wi-Fi、4G LTE、5G NR等现代通信标准中的广泛应用。OFDM本身并不直接是多址技术，但它常与其他多址技术（如OFDMA）结合使用。 OFDMA (正交频分多址)： 我们将解释OFDMA是如何将OFDM与FDMA结合的，即在OFDM的框架下，将子载波也进行划分，分配给不同的用户。 我们将分析OFDMA的灵活性和高效性，它能够根据用户需求动态分配子载波资源。 我们将讨论OFDMA在4G LTE、5G NR等下一代移动通信系统中的核心地位。 本章还将简要提及一些混合多址接入技术，以及未来可能出现的新型多址接入方案。 通过本章的学习，读者将能够全面掌握各种多址接入技术的工作原理，理解它们在区分用户、共享资源和提高系统容量方面的不同策略，并能根据实际通信场景的需求，选择和设计最合适的多址接入方案。 第十章：多天线技术与MIMO系统 在现代无线通信中，多天线技术，特别是MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术，已经成为提升系统性能、突破频谱效率瓶颈的关键。本章将深入探讨多天线技术的原理、不同MIMO配置的优势，以及它们在实际系统中的应用。 我们将首先阐述单天线系统的局限性，并引入多天线系统的概念。我们将解释为何在发射端和/或接收端使用多个天线能够显著改善通信性能。 MIMO系统的基本原理： 分集 (Diversity)：我们将解释空间分集的概念，即通过使用多个天线，利用无线信号传播路径的多样性来降低衰落的影响。我们将介绍不同类型的分集技术，如空间重复（Space-Time Coding - STC），以及它如何通过编码来增加信号的鲁棒性。 复用 (Multiplexing)：我们将深入讲解空间复用（Spatial Multiplexing）的原理，即在不增加额外带宽的情况下，利用多个天线同时传输多路独立的数据流，从而极大地提高数据传输速率。我们将介绍不同数量天线配置下的空间复用增益，例如2x2 MIMO、4x4 MIMO等。 波束形成 (Beamforming)：我们将再次提及波束形成技术，并解释如何利用天线阵列在特定方向上增强信号，同时抑制其他方向的干扰。我们将讨论其在提高传输距离、降低功耗和减少干扰方面的作用。 不同MIMO配置的优势： SIMO (Single-Input Multiple-Output)：虽然不是MIMO，但作为一种引入分集概念的单发多收系统，我们将简要介绍其通过多接收天线来提高接收灵敏度和抗衰落能力。 MISO (Multiple-Input Single-Output)：我们将介绍MISO系统，它通过多发射天线来增强信号的鲁棒性或实现定向传输，常用于上行链路。 MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)：重点讲解MIMO系统，将分集、复用和波束形成等技术相结合，实现高数据率和高可靠性的双重目标。 MIMO系统的关键技术： 信道状态信息 (CSI)：我们将解释CSI在MIMO系统中的重要性，即了解多天线之间的信道特性，这对于实现高效的空间复用和波束形成至关重要。我们将介绍CSI的获取方式，例如通过训练序列。 预编码 (Precoding)：我们将讲解预编码技术，它在发射端根据CSI来调整发送信号的相位和幅度，以实现空间复用或波束形成。 最大比值合并 (MRC)：在接收端，我们将讲解MRC技术，它是一种有效的分集合并技术，能够最大化接收信号的信噪比。 MIMO系统在实际通信标准中的应用： 我们将探讨MIMO技术在Wi-Fi（如802.11n/ac/ax）、4G LTE、5G NR等标准中的具体实现和性能提升。 我们将简要介绍大规模MIMO（Massive MIMO）的概念，即使用大量天线阵列来实现更高的频谱效率和更好的用户覆盖。 本章还将讨论MIMO系统的挑战，如信道估计的复杂性、硬件成本的增加以及功耗等问题。 通过本章的学习，读者将能够深刻理解多天线技术，特别是MIMO系统在提升无线通信性能方面的巨大潜力。读者将掌握MIMO系统的核心原理、不同配置的优势，以及如何通过各种关键技术来实现高性能的多天线通信，为设计和分析下一代无线通信系统打下坚实基础。 第十一章：软件定义无线电（SDR）与认知无线电（CR） 软件定义无线电（SDR）和认知无线电（CR）代表了无线通信领域未来发展的重要方向，它们将硬件功能的灵活性与软件的智能性相结合，极大地提升了无线系统的适应性和效率。本章将深入探讨SDR和CR的核心理念、关键技术以及它们对无线通信的深远影响。 软件定义无线电 (SDR)： 核心理念：我们将解释SDR的基本思想，即将传统无线电系统中大部分的信号处理功能（如调制、解调、滤波、编码、解码等）从专用的硬件电路转移到软件层面。 硬件架构：我们将介绍SDR的典型硬件架构，包括高性能的模数/数模转换器（ADC/DAC）、可编程的数字信号处理器（DSP）或现场可编程门阵列（FPGA），以及通用处理器。 SDR的优势：我们将详细阐述SDR带来的诸多优势，例如： 灵活性和可升级性：通过软件更新即可实现新功能、新标准的支持，无需更换硬件。 易于开发和测试：软件化的实现使得算法的开发、验证和部署更加便捷。 成本效益：在某些场景下，SDR可以降低硬件成本。 支持多标准和多模式：一个SDR平台可以同时支持多种通信标准和工作模式。 SDR的应用：我们将列举SDR在军事通信、应急通信、科研实验、软件无线电开发平台等领域的广泛应用。 认知无线电 (CR)： 核心理念：我们将介绍CR的基本思想，即无线设备能够感知其所处的无线环境（包括频谱利用情况、用户活动、信道状态等），并根据感知结果智能地调整其通信参数（如载波频率、传输功率、调制方案、多址接入方式等），以在不干扰授权用户的情况下，更有效地利用频谱资源。 CR的关键技术： 频谱感知 (Spectrum Sensing)：我们将详细讲解CR如何通过多种技术（如能量检测、特征检测、匹配滤波检测）来探测未被占用的频谱机会。 频谱决策 (Spectrum Decision)：我们将探讨CR如何根据感知结果，智能地选择最适合的频谱资源和通信参数。 频谱共享 (Spectrum Sharing)：我们将分析CR如何实现授权用户与非授权用户之间的动态频谱共享，以提高频谱利用率。 动态频谱接入 (Dynamic Spectrum Access - DSA)：我们将讲解DSA的概念，即CR设备能够动态地接入和离开未使用的频谱。 CR的优势： 提高频谱利用率：有效解决频谱资源短缺的问题。 增强系统的自适应性：能够应对动态变化的无线环境。 提升通信性能：通过智能选择最优的通信参数。 CR的应用：我们将探讨CR在智能电网通信、无线传感器网络、动态频谱接入系统以及应对军事通信中的干扰等方面的潜在应用。 SDR与CR的融合： 我们将强调SDR为CR提供了实现其智能功能的硬件平台。通过SDR的灵活性，CR可以方便地实现复杂的感知、决策和控制算法。 我们将展望SDR和CR结合所带来的更先进的无线通信系统，例如能够自主学习和优化的智能无线网络。 本章还将简要提及认知无线电的挑战，如感知精度、决策复杂性、安全性以及与现有频谱管理机制的协调等问题。 通过本章的学习，读者将能够理解SDR和CR的颠覆性意义，掌握它们的核心技术和应用前景，并能认识到它们在构建未来智能化、自适应无线通信系统中的关键作用。 第十二章：无线通信系统的性能评估与优化 理解无线通信系统的性能并对其进行优化是设计和实现高效、可靠通信系统的关键环节。本章将聚焦于无线通信系统的性能评估指标、分析方法以及常见的优化策略。 我们将从整体层面出发，回顾无线通信系统各个环节的性能要求，并指出这些性能指标之间的相互影响。 关键性能评估指标： 误码率 (Bit Error Rate - BER)：我们将深入分析BER的定义，以及它如何直接反映了数字通信的可靠性。我们将讨论BER与信噪比（SNR）、信道编码、调制方式等参数的关系，并给出一些典型调制解调方案在AWGN信道下的理论BER曲线。 吞吐量 (Throughput)：我们将解释吞吐量，即单位时间内成功传输的比特数，是衡量系统数据传输效率的关键指标。我们将讨论吞吐量与带宽、调制阶数、编码效率、信道利用率以及协议开销等因素的关系。 频谱效率 (Spectrum Efficiency)：我们将定义频谱效率，即单位带宽内能够传输的最大比特率，通常以bps/Hz或比特/秒/赫兹表示。我们将分析不同调制解调方案、MIMO技术以及多址接入技术对频谱效率的影响。 端到端延迟 (End-to-End Delay)：我们将讨论端到端延迟，即信号从源端发射到目的端接收所花费的时间，这对于实时通信应用（如语音、视频会议）至关重要。我们将分析延迟的组成部分，包括传播延迟、处理延迟、排队延迟等。 连接可靠性 (Connection Reliability)：我们将探讨连接可靠性，即通信链路保持连接状态的概率，通常与信道衰落、用户移动性等因素相关。 性能分析方法： 理论分析：我们将介绍如何利用数学工具（如概率论、随机过程、信息论）对通信系统的性能进行理论推导和建模。 仿真分析：我们将讨论利用计算机仿真软件（如MATLAB、Simulink、NS-3）来模拟通信系统，并对各种场景下的性能进行评估。仿真能够方便地测试不同参数组合和复杂环境下的系统行为。 实测分析：我们将强调实际系统测试的重要性，通过在真实无线环境中进行测量，来验证理论模型和仿真结果，并发现实际系统中的潜在问题。 系统优化策略： 功率控制 (Power Control)：我们将讨论功率控制的原理，即根据用户与基站的距离、信道条件等动态调整发射功率，以减小干扰、提高频谱效率并延长电池寿命。 资源调度 (Resource Scheduling)：我们将介绍如何根据用户的业务需求、信道质量、优先级等因素，在时域、频域或空域上动态地分配系统资源（如时隙、子载波、天线端口），以优化吞吐量、延迟和公平性。 自适应调制与编码 (Adaptive Modulation and Coding - AMC)：我们将详细阐述AMC技术，即根据瞬时的信道条件，动态地选择最适合的调制方式和编码率，以在不同信道环境下最大化吞吐量或保证最低的误码率。 信道均衡与干扰抑制：我们将回顾信道均衡技术（如MMSE均衡）如何抵消多径效应，以及干扰抑制技术（如干扰协调、波束形成）如何减小来自其他用户的干扰。 切换策略 (Handover/Handoff Strategy)：我们将讨论在移动通信中，当用户移动到蜂窝小区边缘时，如何平滑地将用户连接从一个基站切换到另一个基站，以保证通信的连续性。 本章还将简要提及系统性能的标准化以及性能优化在未来5G/6G通信系统中的重要性，例如服务质量（QoS）的保证、网络切片等概念。 通过本章的学习，读者将能够建立起对无线通信系统性能的全面认识，掌握进行性能评估和分析的有效方法，并能针对具体的设计需求，选择和应用恰当的优化策略，从而构建出高效、可靠且满足特定应用场景要求的无线通信系统。
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