編輯推薦
本書可供通信工程相關專業師生及射頻係統設計工程師、射頻集成電路工程師和無綫係統工程師參考閱讀。本書全麵論述瞭射頻係統設計的方法，並給齣瞭整套的設計公式。該書主要針對移動終端發射機和接收機的射頻係統設計，同時也適用於其他無綫係統的應用，如無綫局域網。本書涵蓋瞭無綫移動係統設計的詳盡信息，指引瞭如何正確處理設計過程中的具體指標。此外，本書還涵蓋以下內容：
（1）通信、信號和係統理論的基本知識；
（2）超外差、直接變頻、低中頻和帶通采樣四種無綫電架構；
（3）頻率規劃、係統鏈接規劃和發射機及接收機的性能評估；
（4）互調、乾擾屏蔽和頻譜再生及調製在內的非綫性分析；
（5）基於自動增益控製、模/數轉換動態範圍和電源管理的移動係統中射頻專用集成電路設計方法；
（6）從理論上和實踐兩個方麵深度分析移動終端射頻係統設計。
本書涉及瞭很寬泛的主題，涵蓋瞭從基本的通信原理到特殊的多模移動係統。對於無綫工程師，這將是一本很有價值的參考書。
內容簡介
本書主要介紹瞭無綫移動終端收發機的設計和分析，詳細給齣瞭射頻接收機和發射機設計方法。此外，本書還係統介紹瞭超外差、零中頻、低中頻和帶通采樣無綫電架構；詳盡給齣瞭頻率規劃、係統鏈接規劃和發射機及接收機的性能評估；提齣瞭包括互調、乾擾屏蔽和頻譜再生及調製在內的非綫性分析；給齣瞭基於自動增益控製、模/數轉換動態範圍和電源管理的移動係統中射頻專用集成電路設計方法；給齣瞭接收機性能評估的MATLAB文件和發射機放大器非綫性特性計算代碼；深度分析移動終端射頻係統設計並給齣瞭設計實例。本書適閤作為通信工程、電子信息工程和微電子等專業本科生及研究生的教材，也適閤作為從事射頻係統、射頻集成電路和無綫係統設計工程技術人員的參考用書。
作者簡介
Qizheng Gu（作者） 顧其諍,男，曾獲復旦大學學士學位，後在日本獲博士學位。1983－1993年在美國麻省理工學院任研究科學傢，1993－1998年在美國太平洋通信公司和美國羅剋韋爾實驗室等機構工作，1998－2013年在美國 WiSpry公司擔任射頻係統設計部主管。
楊國敏（譯者） 男，1979年5月齣生於浙江餘杭，2002年7月獲西安理工大學電子工程係學士學位，2006年3月獲上海交通大學電子工程係碩士學位，2010年5月獲美國東北大學電子工程係博士學位。現為復旦大學信息科學與工程學院副教授，主要從事電磁場與微波技術領域研究工作。目前，主持項目包括：國傢自然科學基金麵上項目和青年科學基金項目各一項、上海市自然科學基金麵上項目一項、教育部博士點基金一項、上海市白玉蘭科技人纔基金一項，等等。公開發錶SCI論文33篇（其中第1作者IEEE Transactions 論文8篇），SCI檢索他引超200次。學術兼任IEEE T-MTT、IEEE TAP、IEEE MWCL、IEEE AWPL等期刊審稿人，IEEE APS 2013分會場主席等。曾獲奬項包括：2012年復旦大學信息科學與工程學院院長奬、2012年入選復旦大學第二批“卓學計劃”、2013年獲上海市自然科學三等奬、2014年獲日本大川情報通信基金研究助成奬。
目錄
譯者序Ⅰ
前言Ⅲ
第1章簡介
1.1無綫係統
1.1.1移動通信係統
1.1.2無綫局域網
1.1.3藍牙技術
1.1.4全球定位係統
1.1.5超寬帶通信
1.2係統設計的融閤
1.3本書結構
參考文獻
輔助參考文獻
第2章係統設計基礎
2.1綫性係統與變換
2.1.1綫性係統
2.1.2傅裏葉級數與變換
2.1.3LTI係統的頻率響應
2.1.4帶通到低通的等效映射和希爾伯特變換
2.2非綫性係統錶徵與分析方法
2.2.1無記憶非綫性係統的錶徵
2.2.2多輸入對於非綫性係統的影響
2.2.3無記憶帶通非綫性係統與低通等效
2.3噪聲與隨機過程
2.3.1噪聲功率與譜錶徵
2.3.2通過綫性係統的噪聲與隨機過程
2.3.3窄帶噪聲錶徵
2.3.4噪聲係數與噪聲溫度
2.4數字基帶係統單元
2.4.1采樣原理與采樣過程
2.4.2采樣抖動效應與量化噪聲
2.4.3常用調製方法
2.4.4脈衝整形技術和碼間乾擾
2.4.5誤碼概率檢測、信噪比與載噪比
2.4.6RAKE接收機
參考文獻
輔助參考文獻
第3章無綫電架構與設計
3.1超外差結構
3.1.1超外差無綫電結構
3.1.2頻率規劃
3.1.3超外差收發機的設計考慮
3.2直接變頻結構
3.2.1直接變頻無綫電結構
3.2.2技術挑戰
3.2.3直接變頻收發機設計
3.3低中頻結構
3.3.1低中頻無綫電結構
3.3.2獲得高鏡頻抑製的方法
3.3.3一些設計考量
3.4帶通采樣無綫電結構
3.4.1帶通采樣基礎
3.4.2帶通采樣無綫電結構的配置
3.4.3設計考慮
附錄3A互調失真公式
附錄3B二階失真成分的有效乾擾估計
附錄3CI/Q失衡和鏡頻抑製公式
附錄3D模數轉換器等效噪聲係數的估算
參考文獻
輔助參考文獻
第4章接收機係統分析與設計
4.1引言
4.2接收機靈敏度和噪聲係數
4.2.1靈敏度計算
4.2.2級聯噪聲係數
4.2.3因發射機噪聲在接收機頻帶散射的接收機鈍化估計
4.2.4天綫駐波對於接收機噪聲係數的影響
4.3互調特性
4.3.1互調成分和截點
4.3.2級聯輸入截點
4.3.3接收機互調特性的計算
4.4單頻鈍化
4.4.1交叉調製成分
4.4.2允許的單頻乾擾
4.5相鄰/相間信道選擇性和阻塞特性
4.5.1期望信號電平和允許降低
4.5.2相鄰/相間信道的選擇性和阻塞特性的計算公式
4.5.3雙頻阻塞和AM抑製特性
4.6接收機動態範圍和自動增益控製
4.6.1接收機的動態範圍
4.6.2接收機自動增益控製係統
4.6.3模數轉換器動態範圍和其他特性
4.7係統設計和性能評估
4.7.1接收機係統設計基礎
4.7.2接收機係統中核心器件的基本要求
4.7.3接收機係統性能評估
附錄4A功率dBm和電場強度dBμV/m之間的轉換
附錄4B關係式(4.4.6)的證明
附錄4C無綫移動最小性能要求比較
附錄4D使用MATLAB評估接收機性能
參考文獻
輔助參考文獻
第5章發射機係統分析與設計
5.1引言
5.2發射功率和頻譜
5.3調製精度
5.3.1誤差矢量幅度和波形品質因數
5.3.2符號間或碼片間乾擾對誤差矢量幅度的影響
5.3.3閤成本振的近載波相位噪聲對誤差矢量幅度的影響
5.3.4載波泄漏所導緻調製精度的降低
5.3.5由其他因素導緻調製精度的降低
5.4相鄰和相間信道功率
5.4.1低通等效模型的方法
5.4.2多頻技術
5.4.3發射機鏈級聯狀態下的相鄰信道功率比
5.5噪聲散射的計算
5.5.1噪聲散射計算公式
5.5.2噪聲散射計算的一些重要注意事項
5.5.3電壓錶示的噪聲
5.5.4噪聲散射計算的例子
5.6係統設計中的一些重要考慮事項
5.6.1架構比較
5.6.2發射機鏈路增益分布和性能
5.6.3自動增益控製和電源管理
附錄5Aρ和EVM間的近似關係
附錄5B發射信號的鏡像抑製
附錄5C放大器非綫性特性仿真： ACPR計算
參考文獻
輔助參考文獻
第6章係統設計的應用
6.1多模和多頻段超外差收發機
6.1.1頻率規劃的選擇
6.1.2接收機係統設計
6.1.3發射機係統設計
6.2直接變頻收發機
6.2.1接收機係統設計
6.2.2發射機係統設計
參考文獻
輔助參考文獻
術語錶
前言/序言
本書主要介紹瞭無綫通信中的射頻（radio frequency，RF）收發係統設計。目前大多數數字通信的教材主要集中在數字基帶係統的設計而非射頻電路部分。本書主要是為射頻係統工程師以及射頻集成電路設計工程師在設計數字通信係統中的射頻電路而寫的。同時也適用於電子工程的四年級本科生以及研究生。
本書係統地介紹瞭射頻接收機和發射機設計方法，也相應地給齣瞭一套全麵綜閤的設計公式，同時對射頻係統的分析也予以同等程度的關注。本書集中探討瞭采用專用集成電路（application specific integrated circuits，ASIC）的移動通信係統，同時也適用於其他領域的無綫係統的應用，諸如無綫局域網 (wireless local area network，WLAN)、藍牙和全球定位係統（global positioning system，GPS）。本書涉及很寬泛的主題，涵蓋瞭從基本的通信原理到特殊的多模移動係統。閱讀本書的前提是讀者有著良好的射頻知識背景、信號通信係統的紮實基礎和模擬與混閤信號電路的知識積纍。
真誠地感謝那些鼓勵並幫助過我的人，正是這些人的幫助和鼓勵使得我能夠完成此書。衷心感謝BjornBjerede博士，感謝他在我著書時對我不斷地鼓勵及很多有價值的建議和技術上的探討。此外，我也深深感謝任職於加州大學聖地亞哥分校的Peter Asbeck教授，感謝他抽齣時間審視整篇手稿，並提齣瞭寶貴的意見與建議。很多射頻領域的知識以及分析技巧都是我師從於麻省理工學院電子研究實驗室電磁波理論與應用中心的Kong教授期間學到的，感謝導師為我提供瞭一個學習、科研與交流的環境。在PCSI、Rockwell半導體係統和Torrey通信公司工作期間，我學習並在實際設計中積纍瞭大量的無綫通信係統和射頻接收機等方麵的知識。我特彆要感謝我的前同事Leon Lin博士傳授用於非綫性係統仿真的一些MATLAB程序。
除此之外，我要對審稿人Sule Ozev博士、Osama Wadie Ata教授、Paul D.Ewing先生、Rolf Vogt博士和Jaber Khoja博士錶示衷心感謝，感謝他們的寶貴時間與建議。同時也感謝Springer的工作人員，尤其是編輯主任Alex Greene先生以及他的助理Melissa Guasch女士的支持與建議。最後也是最重要的是感謝我的妻子與傢人的理解、耐心以及堅定不移的支持。
Qizheng Gu
《無綫通信的信號處理基石》 作者：[作者姓名] 齣版社：[齣版社名稱] 齣版日期：[齣版日期] 第一章：緒論：數字信號處理在無綫通信中的核心地位 在本章中，我們將深入探討數字信號處理（DSP）在現代無綫通信係統中所扮演的不可或缺的角色。從最早的模擬通信方式到如今高速、多功能、智能化互聯的數字通信時代，信號處理技術的每一次飛躍都直接驅動瞭無綫通信能力的指數級增長。我們將追溯這一演進曆程，理解為何將通信信號轉化為數字形式並加以處理，是實現高效、可靠、靈活通信的關鍵。 我們將首先闡述數字信號處理的基本概念，包括采樣、量化和編碼等核心過程。理解這些基礎概念對於掌握後續的信號處理算法至關重要。我們將解釋為何在數字域中進行信號處理能夠帶來諸多優勢，例如精度高、穩定性好、易於實現復雜的算法、以及對環境變化的適應性強等。 接著，我們將詳細分析無綫通信係統中常見的信號類型，如語音、數據、視頻等，並討論它們在時域和頻域的特性。理解這些信號的特性是設計有效的信號處理方案的前提。我們將重點關注信號的頻譜特性，例如帶寬、中心頻率、功率譜密度等，以及它們如何影響通信係統的設計決策。 此外，本章還將概述數字信號處理在無綫通信各個環節中的應用。從信號的生成（調製）到信號的接收（解調），從信道編碼與糾錯到多址接入技術，再到先進的信號增強與乾擾抑製技術，DSP的身影無不貫穿其中。我們將簡要介紹這些應用領域，為後續章節的學習打下基礎。 最後，我們將展望數字信號處理在未來無綫通信發展中的趨勢。隨著5G、6G技術的不斷演進，以及物聯網、人工智能等新興應用的湧現，對信號處理能力的需求將更加嚴苛。本章將探討大數據、機器學習、軟件定義無綫電（SDR）等技術與DSP的深度融閤，預示著無綫通信的未來發展方嚮。 第二章：離散時間信號與係統基礎 本章將為您構建堅實的數字信號處理理論基礎，重點關注離散時間信號的錶示、性質以及它們與離散時間係統的交互。我們將從離散時間信號的定義齣發，探討其基本類型，包括單位衝激信號、單位階躍信號、指數信號等。理解這些基本信號的數學錶示和物理意義，是進行後續信號分析和係統建模的基礎。 我們將深入研究離散時間信號的常用運算，如移位、翻轉、尺度變換以及捲積。捲積運算尤其重要，它是描述綫性時不變（LTI）係統輸入與輸齣之間關係的數學工具，我們將通過大量實例來加深理解。 接下來，本章將詳細介紹離散時間係統的概念。我們將區分因果係統、穩定係統、綫性係統和時不變係統等關鍵屬性，並闡述這些屬性對係統性能的影響。特彆是綫性時不變（LTI）係統，作為無綫通信中廣泛使用的模型，我們將重點講解其核心特性——衝激響應，以及如何利用衝激響應來完全錶徵一個LTI係統。 我們將介紹描述離散時間LTI係統的兩種主要方法：差分方程和捲積。差分方程提供瞭一種遞歸的數學形式來描述係統行為，而捲積則提供瞭一種直接的數學關係來計算輸齣信號。我們將展示如何從差分方程推導齣衝激響應，以及如何利用衝激響應和輸入信號進行捲積來獲得係統的輸齣。 此外，本章還將引入Z變換的概念。Z變換是離散時間信號的傅裏葉變換的推廣，它能夠將時域的運算轉化為頻域的代數運算，極大地簡化瞭信號和係統的分析。我們將講解Z變換的定義、性質以及收斂域（ROC）的重要性。我們將展示如何利用Z變換來分析LTI係統的頻率響應，並理解其在係統穩定性判斷中的作用。 最後，本章將通過一些實際的無綫通信場景示例，說明離散時間信號與係統基礎知識的應用。例如，如何用離散時間係統模型來描述數字濾波器，或者如何分析一個簡單的數字通信信道。這些示例將幫助讀者將理論知識與實際問題聯係起來，為後續更復雜的章節打下堅實基礎。 第三章：傅裏葉變換及其在信號頻譜分析中的應用 傅裏葉變換是理解和分析信號在不同頻率成分構成方麵最為強大的工具。本章將深入探討傅裏葉變換的各個方麵，並重點闡述其在無綫通信信號頻譜分析中的核心應用。 我們將從連續時間傅裏葉變換（CTFT）入手，理解一個連續信號如何被分解成一係列不同頻率正弦和餘弦波的疊加。我們將講解傅裏葉級數（FS）和傅裏葉變換（FT）的區彆與聯係，特彆是FS用於周期信號，而FT用於非周期信號。我們將詳細闡述傅裏葉變換的定義、性質，如綫性、時移、頻移、尺度變換、共軛對稱性、帕斯瓦爾定理等，並解釋這些性質在信號分析中的意義。 接著，我們將轉嚮離散時間傅裏葉變換（DTFT）。DTFT是分析離散時間信號頻譜的數學工具，它將離散時間信號的頻譜錶示為連續的頻率函數。我們將分析DTFT與CTFT之間的關係，以及DTFT在無限長離散信號分析中的作用。 本章的核心在於離散傅裏葉變換（DFT）。DFT是計算機實現傅裏葉分析的基礎，它將無限長或有限長的離散時間信號的頻譜錶示為一係列離散的頻率點上的值。我們將深入講解DFT的定義，並重點介紹快速傅裏葉變換（FFT）算法。FFT是DFT的高效實現，其計算復雜度遠低於直接計算DFT，使得大規模信號的頻譜分析成為可能。我們將闡述FFT算法的基本原理，例如蝶形運算和分治策略，並說明其在實際應用中的重要性。 在頻譜分析方麵，我們將詳細講解如何利用傅裏葉變換來分析信號的頻譜特性，包括信號的帶寬、主瓣寬度、旁瓣能量、以及信號在不同頻率上的功率分布。我們將解釋如何通過頻譜分析來識彆信號的頻率成分，判斷信號的有效性，以及評估通信係統的性能。 此外，本章還將討論傅裏葉變換在信號濾波、係統分析以及調製解調等無綫通信關鍵技術中的應用。例如，如何利用傅裏葉變換來設計和分析數字濾波器，如何理解調製信號的頻譜特性，以及如何通過頻譜分析來識彆和處理乾擾。 通過本章的學習，讀者將能夠熟練運用傅裏葉變換及其相關算法，對無綫通信中的各種信號進行深入的頻譜分析，為後續的信號設計和係統優化奠定堅實的理論基礎。 第四章：數字濾波器設計與實現 數字濾波器是數字信號處理中用於選擇性地去除或增強特定頻率成分的關鍵工具，在無綫通信係統中扮演著至關重要的角色。本章將深入探討數字濾波器的設計原理、分類以及實現方法。 我們將從濾波器的基本概念齣發，解釋其在信號處理中的作用，例如去除噪聲、分離信號、限帶傳輸等。我們將介紹濾波器的主要分類：無限衝激響應（IIR）濾波器和有限衝激響應（FIR）濾波器。我們將詳細比較這兩種濾波器的優缺點，包括它們的實現復雜度、相位響應特性、穩定性和計算量等。 對於IIR濾波器，我們將講解其基於模擬濾波器原型（如Butterworth、Chebyshev、Elliptic）的設計方法。我們將介紹雙綫性變換法等常用的模擬到數字域的轉換技術，以及如何根據所需的濾波器規格（如通帶、阻帶、過渡帶的截止頻率和衰減）來確定模擬濾波器原型參數，並將其轉換為數字域的差分方程。我們將重點關注IIR濾波器的穩定性和極點零點配置對係統性能的影響。 對於FIR濾波器，我們將講解其零衝激響應的特性，以及它能夠實現綫性相位響應的優點，這在許多通信應用中尤為重要，因為綫性相位可以避免信號失真。我們將介紹幾種常用的FIR濾波器設計方法，包括窗函數法（如矩形窗、漢寜窗、海明窗、凱澤窗）和頻率采樣法。我們將詳細闡述不同窗函數的特性，以及如何選擇閤適的窗函數來平衡濾波器的過渡帶寬度和阻帶衰減。 本章還將深入探討濾波器的實現結構。我們將介紹直接型、級聯型、並聯型等不同的實現方式，並分析它們在計算量、存儲需求和數值穩定性方麵的差異。特彆地，我們將關注固定點和浮點運算在濾波器實現中的影響，以及如何進行量化和溢齣處理以確保係統精度。 在實際應用方麵，我們將結閤無綫通信的典型場景，講解數字濾波器的具體應用。例如，如何利用低通濾波器來去除高頻噪聲，如何利用帶通濾波器來選擇特定的通信信道，如何利用陷波濾波器來抑製特定頻率的乾擾，以及如何利用匹配濾波器來最大化接收信號的信噪比。 通過本章的學習，讀者將能夠根據具體的通信需求，設計齣滿足性能指標的數字濾波器，並理解在不同硬件平颱和精度要求下，如何選擇閤適的濾波器類型和實現結構，從而有效地處理和優化無綫通信信號。 第五章：采樣理論與混疊現象 采樣是連接連續世界與數字世界的重要橋梁，是數字信號處理的基礎。本章將深入剖析采樣理論，並重點講解混疊現象的産生機理、危害以及規避方法。 我們將從奈奎斯特-香儂采樣定理齣發，詳細闡述其核心內容：要從一個帶限信號中無失真地恢復原始信號，采樣頻率必須大於信號最高頻率的兩倍。我們將從數學上推導采樣定理，並從能量和信息損失的角度來解釋其重要性。我們將解釋為何采樣頻率低於奈奎斯特頻率會導緻信息丟失和信號失真。 本章將重點講解混疊現象（Aliasing）。我們將從頻譜的角度來分析混疊是如何發生的。當采樣頻率不足時，原始信號頻譜的高頻分量會在采樣後“摺疊”到低頻區域，與原始低頻分量相互疊加，形成無法區分的混疊信號。我們將通過圖示和數學推導來清晰地展示混疊的産生過程，並解釋混疊信號在時域和頻域上的錶現。 我們將深入探討混疊現象對無綫通信係統造成的嚴重危害。在信號接收端，混疊會導緻接收信號失真，使得後續的解調和解碼變得睏難，甚至不可能。在信號傳輸過程中，如果未經過抗混疊濾波，混疊可能會導緻信號功率譜的改變，影響通信質量。我們將通過具體的通信場景，例如數字調製信號的采樣，來展示混疊可能帶來的問題。 為瞭有效規避混疊現象，本章將重點介紹抗混疊濾波器的設計與作用。我們將講解抗混疊濾波器的類型和設計要求，即它是一個低通濾波器，其截止頻率應設置為采樣頻率的一半（奈奎斯特頻率），並且在奈奎斯特頻率附近應有足夠陡峭的衰減，以確保高於奈奎斯特頻率的信號成分被充分抑製。我們將討論如何選擇閤適的抗混疊濾波器類型（如Butterworth、Chebyshev）以及確定其濾波器階數以滿足設計要求。 此外，本章還將探討欠采樣（Undersampling）等更高級的采樣技術，並簡要介紹在特定場景下，例如對寬帶信號進行采樣時，如何利用欠采樣結閤數字信號處理來減小采樣硬件的負擔。 通過對采樣理論和混疊現象的深入理解，讀者將能夠深刻認識到采樣過程的嚴謹性，掌握如何正確設計和應用抗混疊濾波器，從而確保數字信號處理的有效性，為無綫通信係統的可靠運行打下堅實基礎。 第六章：調製與解調技術原理 調製與解調是無綫通信係統中信息傳輸的核心環節，它們負責將原始信息信號“嵌入”到載波信號中進行傳輸，並在接收端將其“提取”齣來。本章將全麵深入地探討各種主要的調製與解調技術原理。 我們將首先闡述調製的意義和必要性。我們將解釋為何直接傳輸基帶信號存在許多局限性，如天綫尺寸過大、頻譜利用率低、易受乾擾等，而調製能夠剋服這些問題。我們將介紹調製的三個基本要素：幅度、頻率和相位，並由此引齣不同類型的調製技術。 幅度調製 (AM)：我們將詳細講解雙邊帶調幅（DSB-AM）、單邊帶調幅（SSB-AM）和殘留邊帶調幅（VSB-AM）的原理。我們將分析它們的頻譜特性、功率效率和抗噪聲性能。對於解調，我們將講解包絡檢波和相乾解調的方法，並分析它們各自的優缺點。 頻率調製 (FM)：我們將深入探討FM的原理，包括瞬時頻率、調頻指數、以及FM信號的頻譜特性。我們將解釋FM信號具有良好的抗噪聲性能，並分析其所需的帶寬。對於FM解調，我們將講解鑒頻器（如斜坡鑒頻器、比例積分鑒頻器）的工作原理。 相位調製 (PM)：我們將分析PM與FM之間的緊密聯係，並講解PM信號的生成和解調。我們將對比PM和FM在實際應用中的異同。 數字調製技術：隨著數字通信的興起，數字調製技術成為主流。我們將重點講解以下幾種數字調製方式： 幅移鍵控 (ASK)：解釋其二進製和多進製形式，以及幅度電平的選取。 頻移鍵控 (FSK)：講解其不同頻率的映射關係，以及二進製和多進製FSK。 相移鍵控 (PSK)：重點講解二進製相移鍵控（BPSK）、正交相移鍵控（QPSK）及其變種（如8-PSK）。我們將分析PSK信號的星座圖，並解釋其在數據傳輸速率和抗噪聲性能上的權衡。 正交幅度調製 (QAM)：將QAM視為ASK和PSK的結閤，深入講解其原理，例如16-QAM、64-QAM等。我們將分析QAM星座圖的特點，以及它如何實現高階調製以提高頻譜效率。 最小頻移鍵控 (MSK)：作為一種特殊的FSK，它具有連續相位和恒定包絡的優點，我們將分析其頻譜特性和在移動通信中的應用。 對於每種數字調製技術，我們將詳細介紹其相應的解調方法，包括非相乾解調（如包絡檢波、幅度比較）和相乾解調（如匹配濾波器、同步解調）。我們將重點分析相乾解調在提高解調性能方麵的優勢。 本章還將簡要提及一些先進的調製技術，如自適應調製和編碼（AMC），以及OFDM（正交頻分復用）中的子載波調製。 通過本章的學習，讀者將能夠全麵掌握各種模擬和數字調製解調技術的基本原理，理解它們在頻譜效率、功率效率、抗噪聲能力和實現復雜度等方麵的權衡，為設計和分析高效的無綫通信係統奠定堅實基礎。 第七章：通信信道模型與噪聲分析 無綫通信係統在傳輸過程中不可避免地會受到各種不利因素的影響，其中通信信道模型和噪聲是影響通信質量的關鍵要素。本章將深入探討通信信道的特性、建模方法以及各種噪聲的産生機理與分析。 我們將首先從宏觀角度介紹通信信道的概念，並將其分類。我們將討論理想信道與實際信道的區彆，並重點關注實際信道中存在的各種失真和衰落效應。 無綫信道模型： 衰落信道：我們將詳細介紹各種類型的衰落，包括平坦衰落（Flat Fading）和頻率選擇性衰落（Frequency Selective Fading）。我們將探討這些衰落是如何由多徑傳播（Multipath Propagation）引起的，以及它們對信號幅度和相位的影響。我們將介紹常見的衰落模型，如瑞利衰落模型（Rayleigh Fading）和萊斯衰落模型（Rician Fading），並分析它們的概率密度函數。 多徑效應：我們將深入分析多徑傳播的形成機製，即信號經過反射、散射、繞射等傳播路徑到達接收端，形成延遲、衰減和相位變化的多個副本。我們將討論多徑效應導緻的符號間乾擾（ISI）問題，以及它對數據傳輸速率的限製。 多普勒效應：當通信雙方存在相對運動時，會産生多普勒頻移。我們將解釋多普勒效應如何改變信號的頻率，並分析其對通信係統的影響，特彆是對高速移動通信的影響。 噪聲分析： 加性白高斯噪聲 (AWGN)：我們將詳細講解AWGN模型，包括其功率譜密度（均勻分布）和幅度服從高斯分布的特性。我們將分析AWGN在無綫通信係統中的産生來源，如熱噪聲（Thermal Noise）、散粒噪聲（Shot Noise）等，並解釋其對接收信號造成的影響。 乾擾 (Interference)：我們將區分同頻乾擾、鄰頻乾擾和外部乾擾等不同類型的乾擾。我們將分析乾擾的來源，如其他無綫設備、電子設備産生的電磁輻射等，並解釋它們對信號質量的損害。 量化噪聲 (Quantization Noise)：在模擬信號數字化過程中引入的量化誤差，也將被視為一種噪聲。我們將分析量化噪聲的産生機理，並討論其與量化比特數的關係。 信噪比 (SNR)：我們將詳細介紹信噪比的概念，以及它是衡量通信係統性能的關鍵指標。我們將分析信噪比如何影響誤碼率（BER），並討論提高信噪比的方法，如增大發射功率、優化天綫、選擇高效的調製解調方案等。 信道估計與均衡：本章還將簡要介紹信道估計和信道均衡技術。我們將解釋信道估計的目的是獲取信道的瞬時信息，以便進行後續的均衡處理。我們將簡述均衡器（如零強迫均衡器、MMSE均衡器）的作用，它們旨在抵消多徑效應和符號間乾擾，從而改善信號質量。 通過本章的學習，讀者將能夠深入理解無綫通信信道的復雜性，掌握各種信道模型和噪聲的特性，並能分析它們對係統性能的影響，為後續的信道編碼、均衡和係統優化設計提供重要的理論依據。 第八章：信道編碼與糾錯技術 在充滿噪聲和乾擾的無綫通信環境中，可靠地傳輸數據是一項巨大的挑戰。信道編碼技術應運而生，它通過在傳輸的數據中添加冗餘信息，使得接收端能夠在一定程度上檢測和糾正傳輸過程中産生的錯誤。本章將深入探討信道編碼與糾錯技術的核心原理和常用方法。 我們將首先闡述信道編碼的意義和目的：提高數據的可靠性，降低誤碼率，從而在較低的信噪比下實現可靠通信。我們將區分編碼（Encoding）和解碼（Decoding）過程。 錯誤檢測碼： 奇偶校驗碼 (Parity Check Code)：我們將講解簡單的奇偶校驗碼，包括行奇偶校驗和列奇偶校驗，並分析其隻能檢測偶數個錯誤的能力。 循環冗餘校驗碼 (CRC)：我們將詳細介紹CRC的原理，包括生成多項式、多項式除法運算。我們將分析CRC在錯誤檢測方麵的強大能力，以及它在各種通信協議中的廣泛應用。 錯誤糾錯碼： 綫性分組碼 (Linear Block Codes)： 漢明碼 (Hamming Code)：我們將詳細講解漢明碼的設計原理，包括校驗位和數據位的關係，以及如何利用漢明距離來檢測和糾正單個比特錯誤。我們將展示漢明碼的編碼和解碼過程。 BCH碼 (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem Code)：我們將介紹BCH碼作為一種更強大的糾錯碼，能夠糾正多個比特錯誤。我們將簡述其生成和解碼的復雜性，以及它在CDMA、衛星通信等領域的應用。 裏德-所羅門碼 (Reed-Solomon Code)：我們將重點講解RS碼，它是一種非二元分組碼，在糾正突發錯誤方麵錶現齣色。我們將分析RS碼在CD光盤、條形碼、數字電視和深空通信等領域的成功應用。 捲積碼 (Convolutional Codes)： 我們將介紹捲積碼與分組碼的區彆，它將信息比特序列編碼成碼字序列，碼字長度與信息長度相關。 我們將講解捲積碼的生成矩陣、碼流圖（Trellis Diagram）和狀態圖。 我們將重點介紹維特比算法（Viterbi Algorithm），它是解碼捲積碼最常用的高效算法。我們將展示維特比算法如何通過搜索最優路徑來恢復原始信息。 現代糾錯碼 (Modern Error-Correcting Codes)： Turbo碼 (Turbo Codes)：我們將介紹Turbo碼作為一種高效的糾錯碼，其性能接近香農極限，在3G、4G通信標準中得到廣泛應用。我們將簡述其迭代解碼的原理。 低密度奇偶校驗碼 (LDPC Codes)：我們將介紹LDPC碼，其性能也接近香農極限，並因其良好的並行解碼特性而在Wi-Fi、5G等標準中占據重要地位。我們將簡述其稀疏校驗矩陣和迭代解碼的特點。 本章還將討論編碼增益（Coding Gain）的概念，以及它如何衡量信道編碼在降低誤碼率方麵的效果。我們還將簡要提及交織（Interleaving）技術，它與信道編碼協同工作，能夠有效地對抗突發錯誤。 通過本章的學習，讀者將能夠深入理解信道編碼的基本原理，掌握各種經典和現代糾錯碼的設計思想和解碼算法，並能根據不同的通信場景和性能需求，選擇閤適的信道編碼方案，從而提高無綫通信係統的魯棒性和可靠性。 第九章：多址接入技術 在現代無綫通信係統中，允許多個用戶同時共享有限的無綫頻譜資源是一項基本需求。多址接入（Multiple Access）技術正是為瞭解決這一問題而設計的。本章將詳細探討各種主流的多址接入技術，分析它們的原理、優缺點以及在不同通信係統中的應用。 我們將首先闡述多址接入的必要性，即如何在有限的資源下滿足不斷增長的用戶需求。我們將介紹多址接入技術的核心思想——如何區分不同的用戶信號。 頻分多址 (FDMA)： 我們將詳細介紹FDMA的原理，即將整個通信頻帶劃分為若乾個不重疊的子頻帶，每個用戶分配一個獨立的頻帶進行通信。 我們將分析FDMA的優缺點，例如實現簡單、用戶間乾擾小，但頻譜利用率相對較低，且對濾波器的要求較高。 我們將討論FDMA在早期蜂窩通信係統、固定無綫接入等場景中的應用。 時分多址 (TDMA)： 我們將講解TDMA的原理，即將通信時間劃分為若乾個不重疊的時間槽，每個用戶分配一個或多個時間槽進行通信。 我們將分析TDMA的優缺點，例如頻譜利用率相對較高，但需要精確的時間同步，且用戶間可能存在乾擾。 我們將介紹同步TDMA和異步TDMA的概念，並討論其在GSM、DECT等係統中的應用。 碼分多址 (CDMA)： 我們將深入探討CDMA的原理，它允許多個用戶在同一時間和同一頻帶內通信，但每個用戶使用一個獨特的擴頻碼來區分。 我們將解釋擴頻碼（如僞隨機碼）的作用，以及如何通過碼分復用來分離不同用戶的信號。 我們將分析CDMA的優缺點，例如高頻譜利用率、抗乾擾能力強、保密性好，但對擴頻碼的設計和同步要求較高，且存在近遠端效應。 我們將討論CDMA在CDMAOne (IS-95)、WCDMA等蜂窩通信係統中的應用。 空分多址 (SDMA)： 我們將介紹SDMA的基本思想，即利用空間維度來區分用戶。它通常結閤瞭天綫陣列技術。 我們將解釋如何通過波束形成（Beamforming）等技術，將信號聚焦到特定用戶方嚮，從而實現用戶分離。 我們將分析SDMA的優勢，如提高頻譜效率、增強信號強度、減少乾擾，並討論其在MIMO（多輸入多輸齣）技術中的重要作用。 OFDM (正交頻分復用) ： 我們將講解OFDM的原理，它將高速數據流分割成多個低速數據流，並在多個相互正交的子載波上進行傳輸。 我們將分析OFDM的優勢，如高頻譜效率、對頻率選擇性衰落的魯棒性好、易於實現MIMO等。 我們將討論OFDM在Wi-Fi、4G LTE、5G NR等現代通信標準中的廣泛應用。OFDM本身並不直接是多址技術，但它常與其他多址技術（如OFDMA）結閤使用。 OFDMA (正交頻分多址)： 我們將解釋OFDMA是如何將OFDM與FDMA結閤的，即在OFDM的框架下，將子載波也進行劃分，分配給不同的用戶。 我們將分析OFDMA的靈活性和高效性，它能夠根據用戶需求動態分配子載波資源。 我們將討論OFDMA在4G LTE、5G NR等下一代移動通信係統中的核心地位。 本章還將簡要提及一些混閤多址接入技術，以及未來可能齣現的新型多址接入方案。 通過本章的學習，讀者將能夠全麵掌握各種多址接入技術的工作原理，理解它們在區分用戶、共享資源和提高係統容量方麵的不同策略，並能根據實際通信場景的需求，選擇和設計最閤適的多址接入方案。 第十章：多天綫技術與MIMO係統 在現代無綫通信中，多天綫技術，特彆是MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術，已經成為提升係統性能、突破頻譜效率瓶頸的關鍵。本章將深入探討多天綫技術的原理、不同MIMO配置的優勢，以及它們在實際係統中的應用。 我們將首先闡述單天綫係統的局限性，並引入多天綫係統的概念。我們將解釋為何在發射端和/或接收端使用多個天綫能夠顯著改善通信性能。 MIMO係統的基本原理： 分集 (Diversity)：我們將解釋空間分集的概念，即通過使用多個天綫，利用無綫信號傳播路徑的多樣性來降低衰落的影響。我們將介紹不同類型的分集技術，如空間重復（Space-Time Coding - STC），以及它如何通過編碼來增加信號的魯棒性。 復用 (Multiplexing)：我們將深入講解空間復用（Spatial Multiplexing）的原理，即在不增加額外帶寬的情況下，利用多個天綫同時傳輸多路獨立的數據流，從而極大地提高數據傳輸速率。我們將介紹不同數量天綫配置下的空間復用增益，例如2x2 MIMO、4x4 MIMO等。 波束形成 (Beamforming)：我們將再次提及波束形成技術，並解釋如何利用天綫陣列在特定方嚮上增強信號，同時抑製其他方嚮的乾擾。我們將討論其在提高傳輸距離、降低功耗和減少乾擾方麵的作用。 不同MIMO配置的優勢： SIMO (Single-Input Multiple-Output)：雖然不是MIMO，但作為一種引入分集概念的單發多收係統，我們將簡要介紹其通過多接收天綫來提高接收靈敏度和抗衰落能力。 MISO (Multiple-Input Single-Output)：我們將介紹MISO係統，它通過多發射天綫來增強信號的魯棒性或實現定嚮傳輸，常用於上行鏈路。 MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)：重點講解MIMO係統，將分集、復用和波束形成等技術相結閤，實現高數據率和高可靠性的雙重目標。 MIMO係統的關鍵技術： 信道狀態信息 (CSI)：我們將解釋CSI在MIMO係統中的重要性，即瞭解多天綫之間的信道特性，這對於實現高效的空間復用和波束形成至關重要。我們將介紹CSI的獲取方式，例如通過訓練序列。 預編碼 (Precoding)：我們將講解預編碼技術，它在發射端根據CSI來調整發送信號的相位和幅度，以實現空間復用或波束形成。 最大比值閤並 (MRC)：在接收端，我們將講解MRC技術，它是一種有效的分集閤並技術，能夠最大化接收信號的信噪比。 MIMO係統在實際通信標準中的應用： 我們將探討MIMO技術在Wi-Fi（如802.11n/ac/ax）、4G LTE、5G NR等標準中的具體實現和性能提升。 我們將簡要介紹大規模MIMO（Massive MIMO）的概念，即使用大量天綫陣列來實現更高的頻譜效率和更好的用戶覆蓋。 本章還將討論MIMO係統的挑戰，如信道估計的復雜性、硬件成本的增加以及功耗等問題。 通過本章的學習，讀者將能夠深刻理解多天綫技術，特彆是MIMO係統在提升無綫通信性能方麵的巨大潛力。讀者將掌握MIMO係統的核心原理、不同配置的優勢，以及如何通過各種關鍵技術來實現高性能的多天綫通信，為設計和分析下一代無綫通信係統打下堅實基礎。 第十一章：軟件定義無綫電（SDR）與認知無綫電（CR） 軟件定義無綫電（SDR）和認知無綫電（CR）代錶瞭無綫通信領域未來發展的重要方嚮，它們將硬件功能的靈活性與軟件的智能性相結閤，極大地提升瞭無綫係統的適應性和效率。本章將深入探討SDR和CR的核心理念、關鍵技術以及它們對無綫通信的深遠影響。 軟件定義無綫電 (SDR)： 核心理念：我們將解釋SDR的基本思想，即將傳統無綫電係統中大部分的信號處理功能（如調製、解調、濾波、編碼、解碼等）從專用的硬件電路轉移到軟件層麵。 硬件架構：我們將介紹SDR的典型硬件架構，包括高性能的模數/數模轉換器（ADC/DAC）、可編程的數字信號處理器（DSP）或現場可編程門陣列（FPGA），以及通用處理器。 SDR的優勢：我們將詳細闡述SDR帶來的諸多優勢，例如： 靈活性和可升級性：通過軟件更新即可實現新功能、新標準的支持，無需更換硬件。 易於開發和測試：軟件化的實現使得算法的開發、驗證和部署更加便捷。 成本效益：在某些場景下，SDR可以降低硬件成本。 支持多標準和多模式：一個SDR平颱可以同時支持多種通信標準和工作模式。 SDR的應用：我們將列舉SDR在軍事通信、應急通信、科研實驗、軟件無綫電開發平颱等領域的廣泛應用。 認知無綫電 (CR)： 核心理念：我們將介紹CR的基本思想，即無綫設備能夠感知其所處的無綫環境（包括頻譜利用情況、用戶活動、信道狀態等），並根據感知結果智能地調整其通信參數（如載波頻率、傳輸功率、調製方案、多址接入方式等），以在不乾擾授權用戶的情況下，更有效地利用頻譜資源。 CR的關鍵技術： 頻譜感知 (Spectrum Sensing)：我們將詳細講解CR如何通過多種技術（如能量檢測、特徵檢測、匹配濾波檢測）來探測未被占用的頻譜機會。 頻譜決策 (Spectrum Decision)：我們將探討CR如何根據感知結果，智能地選擇最適閤的頻譜資源和通信參數。 頻譜共享 (Spectrum Sharing)：我們將分析CR如何實現授權用戶與非授權用戶之間的動態頻譜共享，以提高頻譜利用率。 動態頻譜接入 (Dynamic Spectrum Access - DSA)：我們將講解DSA的概念，即CR設備能夠動態地接入和離開未使用的頻譜。 CR的優勢： 提高頻譜利用率：有效解決頻譜資源短缺的問題。 增強係統的自適應性：能夠應對動態變化的無綫環境。 提升通信性能：通過智能選擇最優的通信參數。 CR的應用：我們將探討CR在智能電網通信、無綫傳感器網絡、動態頻譜接入係統以及應對軍事通信中的乾擾等方麵的潛在應用。 SDR與CR的融閤： 我們將強調SDR為CR提供瞭實現其智能功能的硬件平颱。通過SDR的靈活性，CR可以方便地實現復雜的感知、決策和控製算法。 我們將展望SDR和CR結閤所帶來的更先進的無綫通信係統，例如能夠自主學習和優化的智能無綫網絡。 本章還將簡要提及認知無綫電的挑戰，如感知精度、決策復雜性、安全性以及與現有頻譜管理機製的協調等問題。 通過本章的學習，讀者將能夠理解SDR和CR的顛覆性意義，掌握它們的核心技術和應用前景，並能認識到它們在構建未來智能化、自適應無綫通信係統中的關鍵作用。 第十二章：無綫通信係統的性能評估與優化 理解無綫通信係統的性能並對其進行優化是設計和實現高效、可靠通信係統的關鍵環節。本章將聚焦於無綫通信係統的性能評估指標、分析方法以及常見的優化策略。 我們將從整體層麵齣發，迴顧無綫通信係統各個環節的性能要求，並指齣這些性能指標之間的相互影響。 關鍵性能評估指標： 誤碼率 (Bit Error Rate - BER)：我們將深入分析BER的定義，以及它如何直接反映瞭數字通信的可靠性。我們將討論BER與信噪比（SNR）、信道編碼、調製方式等參數的關係，並給齣一些典型調製解調方案在AWGN信道下的理論BER麯綫。 吞吐量 (Throughput)：我們將解釋吞吐量，即單位時間內成功傳輸的比特數，是衡量係統數據傳輸效率的關鍵指標。我們將討論吞吐量與帶寬、調製階數、編碼效率、信道利用率以及協議開銷等因素的關係。 頻譜效率 (Spectrum Efficiency)：我們將定義頻譜效率，即單位帶寬內能夠傳輸的最大比特率，通常以bps/Hz或比特/秒/赫茲錶示。我們將分析不同調製解調方案、MIMO技術以及多址接入技術對頻譜效率的影響。 端到端延遲 (End-to-End Delay)：我們將討論端到端延遲，即信號從源端發射到目的端接收所花費的時間，這對於實時通信應用（如語音、視頻會議）至關重要。我們將分析延遲的組成部分，包括傳播延遲、處理延遲、排隊延遲等。 連接可靠性 (Connection Reliability)：我們將探討連接可靠性，即通信鏈路保持連接狀態的概率，通常與信道衰落、用戶移動性等因素相關。 性能分析方法： 理論分析：我們將介紹如何利用數學工具（如概率論、隨機過程、信息論）對通信係統的性能進行理論推導和建模。 仿真分析：我們將討論利用計算機仿真軟件（如MATLAB、Simulink、NS-3）來模擬通信係統，並對各種場景下的性能進行評估。仿真能夠方便地測試不同參數組閤和復雜環境下的係統行為。 實測分析：我們將強調實際係統測試的重要性，通過在真實無綫環境中進行測量，來驗證理論模型和仿真結果，並發現實際係統中的潛在問題。 係統優化策略： 功率控製 (Power Control)：我們將討論功率控製的原理，即根據用戶與基站的距離、信道條件等動態調整發射功率，以減小乾擾、提高頻譜效率並延長電池壽命。 資源調度 (Resource Scheduling)：我們將介紹如何根據用戶的業務需求、信道質量、優先級等因素，在時域、頻域或空域上動態地分配係統資源（如時隙、子載波、天綫端口），以優化吞吐量、延遲和公平性。 自適應調製與編碼 (Adaptive Modulation and Coding - AMC)：我們將詳細闡述AMC技術，即根據瞬時的信道條件，動態地選擇最適閤的調製方式和編碼率，以在不同信道環境下最大化吞吐量或保證最低的誤碼率。 信道均衡與乾擾抑製：我們將迴顧信道均衡技術（如MMSE均衡）如何抵消多徑效應，以及乾擾抑製技術（如乾擾協調、波束形成）如何減小來自其他用戶的乾擾。 切換策略 (Handover/Handoff Strategy)：我們將討論在移動通信中，當用戶移動到蜂窩小區邊緣時，如何平滑地將用戶連接從一個基站切換到另一個基站，以保證通信的連續性。 本章還將簡要提及係統性能的標準化以及性能優化在未來5G/6G通信係統中的重要性，例如服務質量（QoS）的保證、網絡切片等概念。 通過本章的學習，讀者將能夠建立起對無綫通信係統性能的全麵認識，掌握進行性能評估和分析的有效方法，並能針對具體的設計需求，選擇和應用恰當的優化策略，從而構建齣高效、可靠且滿足特定應用場景要求的無綫通信係統。
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