数字通信 基础与应用PDF电子书下载

第1章 信号和频谱 1

1.1　数字通信信号处理 2

1.1.1　为什么要进行数字化 2

1.1.2　典型通信系统的方框图 3

1.1.3　基本的数字通信术语 8

1.1.4　数字通信与模拟通信的性能比较 9

1.2　信号分类 9

1.2.1　确定信号和随机信号 9

1.2.2　周期信号和非周期信号 10

1.2.3　连续信号和离散信号 10

1.2.4　能量信号和功率信号 10

1.2.5　单位冲激函数 11

1.3　频谱密度 12

1.3.1　能量谱密度 12

1.3.2　功率谱密度 12

1.4 自相关函数 14

1.4.1　能量信号的自相关函数 14

1.4.2　周期（功率）信号的自相关函数 14

1.5　随机信号 14

1.5.1　随机变量 15

1.5.2　随机过程 16

1.5.3　时间平均和各态遍历 18

1.5.4　随机过程的功率谱密度和自相关函数 19

1.5.5　通信系统中的噪声 22

1.6　线性系统的信号传输 24

1.6.1 冲激响应 25

1.6.2　频域传递函数 26

1.6.3　无失真传输 27

1.6.4　信号、电路和频谱 32

1.7　数字数据的带宽 34

1.7.1　基带与带通 34

1.7.2　带宽问题 35

1.8　小结 39

参考文献 39

习题 39

思考题 42

练习 42

第2章 格式化和基带调制 43

2.1 基带系统 45

2.2　格式化文本数据（字符编码） 45

2.3　消息、字符和码元 48

2.3.1 消息、字符和码元的例子 48

2.4　格化式模拟信息 49

2.4.1 采样定理 49

2.4.2　混叠 54

2.4.3　采用过采样的原因 57

2.4.4　数字系统的信号接口 59

2.5　干扰源 59

2.5.1　采样和量化的影响 59

2.5.2　信道的影响 60

2.5.3　量化脉冲的信噪比 60

2.6　脉冲编码调制 62

2.7　均匀量化和非均匀量化 63

2.7.1　语音幅度的统计 63

2.7.2　非均匀量化 64

2.7.3　压扩特性 64

2.8　基带传输 66

2.8.1　二进制数字的波形表示 66

2.8.2　PCM波形的类型 67

2.8.3　PCM波形的频谱特性 69

2.8.4　比特每PCM码字以及比特每码元 70

2.8.5　M进制脉冲调制波形 71

2.9　相关编码 73

2.9.1　双二进制信号 73

2.9.2　双二进制解码 74

2.9.3　预编码 74

2.9.4　双二进制码等效转移函数 75

2.9.5　二进制信号与双二进制信号的比较 77

2.9.6　多二进制信号 77

2.10　小结 77

参考文献 78

习题 78

思考题 80

练习 80

第3章 基带信号解调与检测 81

3.1　信号和噪声 82

3.1.1　通信系统中差错性能的劣化 82

3.1.2　解调和检测 82

3.1.3　信号和噪声的矢量表示 85

3.1.4　数字通信系统中的信噪比参数 90

3.1.5　Eb/N0作为度量指标的原因 91

3.2　高斯噪声干扰下二进制信号的检测 92

3.2.1　最大似然接收机结构 92

3.2.2　匹配滤波器 94

3.2.3　匹配滤波器的相关实现 96

3.2.4　最佳差错性能 98

3.2.5　二进制信号的差错概率性能 101

3.3　码间串扰 105

3.3.1 降低码间串扰的脉冲整形 107

3.3.2　差错性能劣化的两种类型 109

3.3.3　整形脉冲的解调／检测 112

3.4　均衡 115

3.4.1　信道特性 115

3.4.2　眼图 116

3.4.3　均衡滤波器的类型 117

3.4.4　预置式均衡与自适应均衡 121

3.4.5　滤波器更新率 123

3.5　小结 124

参考文献 124

习题 125

思考题 127

练习 127

第4章 带通调制和解调 128

4.1　为什么需要调制 128

4.2　数字带通调制技术 129

4.2.1　正弦信号的相量表示 131

4.2.2　相移键控 133

4.2.3　频移键控 134

4.2.4　幅移键控 134

4.2.5　振幅相位联合键控 134

4.2.6　波形振幅系数 135

4.3　高斯噪声背景下的信号检测 135

4.3.1　判决区域 135

4.3.2　相关接收机 136

4.4　相干检测 140

4.4.1　PSK的相干检测 140

4.4.2　采样匹配滤波器 141

4.4.3　多相相移键控的相干检测 145

4.4.4　FSK的相干检测 147

4.5　非相干检测 149

4.5.1　差分PSK的检测 149

4.5.2　二进制差分PSK举例 151

4.5.3　FSK的非相干检测 152

4.5.4　非相干正交FSK信号需要的频率间隔 154

4.6　复包络 157

4.6.1 调制器的正交实现 158

4.6.2　D8PSK调制举例 158

4.6.3　D8PSK解调举例 160

4.7　二进制系统的差错性能 161

4.7.1　BPSK相干检测的误比特率 161

4.7.2　差分编码二进制PSK相干检测的误比特率 163

4.7.3　二进制正交FSK相干检测的误比特率 164

4.7.4　二进制正交FSK非相干检测的误比特率 164

4.7.5　二进制DPSK的误比特率 166

4.7.6　各种调制类型误比特率的比较 168

4.8　M进制信号及其性能 169

4.8.1　理想误比特率性能 169

4.8.2　M进制信号 169

4.8.3　MPSK信号的矢量图 171

4.8.4　BPSK和QPSK具有相同的误比特率 172

4.8.5　MFSK信号的矢量图 173

4.9　M进制系统的误码性能（M>2） 176

4.9.1　MPSK的误码率 176

4.9.2　MFSK的误码率 177

4.9.3　正交信号误比特率和误码率之比较 180

4.9.4　多相信号误比特率与误码率之比较 180

4.9.5　码间串扰的影响 181

4.10　小结 182

参考文献 182

习题 182

思考题 185

练习 185

第5章 通信链路分析 186

5.1　系统工程中的系统链路预算 186

5.2　信道 187

5.2.1 自由空间的概念 187

5.2.2　差错性能的降低 187

5.2.3　信号损耗和噪声的来源 188

5.3　接收信号功率和噪声功率 191

5.3.1　量程方程 191

5.3.2　接收信号功率与频率的函数关系 194

5.3.3　路径损耗与频率的关系 195

5.3.4　热噪声功率 197

5.4　链路预算分析 198

5.4.1　两个重要的Eb/N0值 200

5.4.2　链路预算的分贝形式 201

5.4.3　链路余量的充足值 201

5.4.4　链路可用率 202

5.5　噪声系数、噪声温度和系统温度 207

5.5.1　噪声系数 207

5.5.2　噪声温度 209

5.5.3　线路损耗 209

5.5.4　复合噪声系数和复合噪声温度 211

5.5.5　系统有效温度 212

5.5.6　天电噪声温度 216

5.6　采样链路分析 220

5.6.1　链路预算细节 220

5.6.2　接收机品质因素 222

5.6.3　各向同性接收功率 222

5.7　卫星中继 223

5.7.1　非再生中继 223

5.7.2　非线性中继放大器 227

5.8　系统权衡 228

5.9　小结 228

参考文献 229

习题 229

思考题 233

练习 233

第6章 信道编码（一） 234

6.1　波形编码 234

6.1.1　对极和正交信号 236

6.1.2　M进制信号处理 237

6.1.3　波形编码 237

6.1.4　波形编码系统举例 240

6.2　差错控制类型 242

6.2.1　终端连接 242

6.2.2　自动重发请求 243

6.3　结构化序列 244

6.3.1　信道模型 244

6.3.2　编码效率和冗余度 245

6.3.3　奇偶校验码 246

6.3.4　使用纠错编码的原因 248

6.4　线性分组码 252

6.4.1　矢量空间 252

6.4.2　矢量子空间 252

6.4.3 （6,3）线性分组码举例 253

6.4.4　生成矩阵 254

6.4.5　系统线性分组码 255

6.4.6　监督矩阵 256

6.4.7　伴随式检验 257

6.4.8　纠错 258

6.4.9　译码器的实现 261

6.5　检错和纠错能力 263

6.5.1　二进制矢量的重量和距离 263

6.5.2　线性码的最小距离 263

6.5.3　检错和纠错 263

6.5.4　6元组空间的视图 266

6.5.5　擦除纠正 268

6.6　标准阵的用途 268

6.6.1　估码能力 268

6.6.2 （n,k）码的一个例子 269

6.6.3 （8,2）码的设计 270

6.6.4　检错和纠错的权衡 271

6.6.5　标准阵提供的知识 274

6.7　循环码 274

6.7.1　循环码的代数结构 274

6.7.2　二进制循环码的特性 276

6.7.3　系统形式的编码 276

6.7.4　多项式除法电路 278

6.7.5 （n-k）级移位寄存器的系统编码 279

6.7.6 （n-k）级移位寄存器检错 281

6.8　常用分组码 282

6.8.1　汉明码 282

6.8.2　扩展格雷码 285

6.8.3　BCH码 285

6.9　小结 288

参考文献 288

习题 288

思考题 292

练习 292

第7章　信道编码（二） 293

7.1 卷积编码 293

7.2　卷积编码器表示 295

7.2.1 连接表示 295

7.2.2　状态描述和状态图 298

7.2.3　树图 300

7.2.4　网格图 301

7.3　卷积译码公式 303

7.3.1　最大似然译码 303

7.3.2　信道模型：硬判决和软判决的比较 304

7.3.3　维特比卷积译码算法 307

7.3.4　维特比卷积译码算法举例 307

7.3.5　译码器的实现 310

7.3.6　路径记忆与同步 312

7.4　卷积码的特性 313

7.4.1　卷积码的距离特性 313

7.4.2　系统卷积码和非系统卷积码 316

7.4.3　卷积码中的灾难性错误传播 316

7.4.4　卷积码的性能界限 317

7.4.5　编码增益 318

7.4.6　最常用的卷积码 319

7.4.7　卷积码的编码效率权衡 321

7.4.8　软判决维特比译码 321

7.5　其他卷积译码算法 322

7.5.1　序贯译码 322

7.5.2　维特比译码和序贯译码的比较及限制 325

7.5.3　反馈译码 326

7.6　小结 328

参考文献 328

习题 330

思考题 333

练习 333

第8章　信道编码（三） 334

8.1　里德-索罗蒙码 334

8.1.1　里德-索罗蒙码的差错概率 335

8.1.2　突发噪声情况下R-S码性能良好的原因 337

8.1.3　作为分组大小、冗余度和编码效率函数的R-S性能 338

8.1.4　有限域 340

8.1.5　里德-索罗蒙编码 345

8.1.6　里德-索罗蒙码的译码 348

8.2　交织及链接码 354

8.2.1 分组交织 354

8.2.2　卷积交织 358

8.2.3　链接码 358

8.3　应用于激光唱盘数字音频系统中的编码和交织技术 360

8.3.1　CIRC编码 361

8.3.2　CIRC译码 362

8.3.3　内插和静音 364

8.4　Turbo码 366

8.4.1　Turbo码概念 366

8.4.2　对数似然代数学 369

8.4.3　乘积码举例 369

8.4.4　递归系统码的编码 375

8.4.5　反馈译码器 379

8.4.6　MAP算法 382

8.4.7　MAP译码举例 387

8.5　小结 391

附录8A　对数似然比求和 392

参考文献 393

习题 394

思考题 399

练习 399

第9章　调制和编码的权衡 400

9.1 通信系统设计的目标 400

9.2　差错概率平面 401

9.3　奈奎斯特最小带宽 401

9.4　香农-哈特莱容量定理 403

9.4.1　香农极限 406

9.4.2　熵 407

9.4.3　疑义度和有效传输率 409

9.5　带宽-效率平面 411

9.5.1　MPSK、MFSK调制的带宽效率 411

9.5.2　带宽效率平面与差错概率平面的相似性 412

9.6　调制和编码的权衡 413

9.7　数字通信系统的定义、设计和评估 414

9.7.1　M进制信号处理 414

9.7.2　带宽受限系统 415

9.7.3　功率受限系统 416

9.7.4　MPSK和MFSK信号的要求 416

9.7.5　未编码带宽受限系统举例 417

9.7.6　未编码功率受限系统举例 419

9.7.7　带宽受限和功率受限编码系统举例 420

9.8　高效带宽调制 426

9.8.1　QPSK和偏移QPSK 426

9.8.2　最小频移键控 429

9.8.3　正交振幅调制 432

9.9　带宽受限信道的调制与编码 435

9.9.1　商用电话调制解调器 435

9.9.2　信号星座图边界 436

9.9.3　更高维数的信号星座图 436

9.9.4　高密度网格结构 439

9.9.5　综合增益：N维球体映射和密集网格 440

9.10　网格编码调制 440

9.10.1　网格编码调制的思想 441

9.10.2　TCM编码 442

9.10.3　TCM译码 445

9.10.4　其他网格编码 447

9.10.5　网格编码调制举例 448

9.10.6　多维网格编码调制 452

9.11　小结 452

参考文献 452

习题 454

思考题 457

练习 457

第10章 同步 458

10.1　简介 458

10.1.1 同步定义 458

10.1.2　代价和收益 459

10.1.3　途径和假设 460

10.2　接收机同步 460

10.2.1　频率和相位同步 460

10.2.2　码元同步——离散码元调制 477

10.2.3　连续相位调制同步 481

10.2.4　帧同步 486

10.3　网同步 489

10.3.1　开环发射机同步 490

10.3.2　闭环发射机同步 492

10.4　小结 494

参考文献 494

习题 495

思考题 497

练习 497

第11章 多路复用和多址接入 498

11.1　通信资源的分配 498

11.1.1　频分复用／频分多址 499

11.1.2　时分复用／时分多址 505

11.1.3　通信资源信道化 507

11.1.4　FDMA和TDMA的性能比较 508

11.1.5　码分多址 511

11.1.6　空间分割和极化分割多址技术 513

11.2　多址通信系统及其结构 513

11.2.1　多址接入信息流 513

11.2.2　按需分配多址接入 515

11.3　接入算法 516

11.3.1　Aloha 516

11.3.2　时隙ALOHA 518

11.3.3　预约ALOHA 519

11.3.4　S-ALOHA和R-ALOHA的性能比较 520

11.3.5　轮询技术 522

11.4　国际通信卫星机构（INTELSAT）使用的多址技术 524

11.4.1　FDM/FM/FDMA或MCPC中的预分配 525

11.4.2　接入INTELSAT卫星的MCPC模式 525

11.4.3　SPADE操作 527

11.4.4　INTELSAT的TDMA 531

11.4.5　INTELSAT中的卫星交换TDMA 537

11.5　局域网的多址接入技术 539

11.5.1 载波侦听多址接入网 539

11.5.2　令牌环网 540

11.5.3　CSMA/CD与令牌环网的性能比较 542

11.6　小结 543

参考文献 543

习题 544

思考题 546

练习 546

第12章　扩频技术 547

12.1　扩频技术概述 547

12.1.1　扩频系统的优点 548

12.1.2　扩频技术的种类 550

12.1.3　直接序列扩频抗干扰模型 552

12.1.4　历史背景 552

12.2　伪噪声序列 554

12.2.1 随机特征 554

12.2.2　移位寄存器序列 554

12.2.3　PN序列的自相关函数 555

12.3　直接序列扩频系统 556

12.3.1　直接序列举例 558

12.3.2　处理增益和性能 559

12.4　跳频系统 561

12.4.1　跳频系统举例 562

12.4.2　鲁棒性 563

12.4.3　分集跳频 563

12.4.4　快跳频与慢跳频 564

12.4.5　FFH/MFSK解调器 566

12.4.6　处理增益 566

12.5　同步 566

12.5.1　捕获 566

12.5.2　跟踪 571

12.6　干扰分析 573

12.6.1　干扰与抗干扰的竞赛 573

12.6.2　宽带噪声干扰 577

12.6.3　部分频带噪声干扰 578

12.6.4　多音干扰 580

12.6.5　脉冲干扰 581

12.6.6　往返干扰 583

12.6.7 BLADES系统 584

12.7　商业应用 584

12.7.1　码分多址 584

12.7.2　多径信道 586

12.7.3　FCC第15部分扩频系统规范 587

12.7.4　直接序列扩频与跳频扩频的比较 588

12.8　蜂窝系统 589

12.8.1　直接序列CDMA 590

12.8.2　模拟调频、TDMA以及CDMA的比较 592

12.8.3　干扰限制系统与尺度限制系统的比较 593

12.8.4　IS-95 CDMA数字蜂窝系统 594

12.9　小结 602

参考文献 603

习题 604

思考题 608

练习 608

第13章　信源编码 609

13.1 信源 609

13.1.1　离散信源 609

13.1.2　波形源 613

13.2　幅值量化 614

13.2.1　量化噪声 616

13.2.2　均匀量化 618

13.2.3　饱和 622

13.2.4　抖动 623

13.2.5　非均匀量化 626

13.3　差分脉冲编码调制 633

13.3.1　一阶预测 636

13.3.2　N阶预测 637

13.3.3　增量调制 639

13.3.4　增量总和（∑-△）调制 639

13.3.5　∑-△ A/D转换器 643

13.3.6 ∑-△ D/A转换器 644

13.4 自适应预测 645

13.4.1　前向自适应 645

13.4.2　合成／分解编码 646

13.5　分组编码 647

13.5.1　矢量量化 647

13.6　变换编码 649

13.6.1　变换编码的量化 649

13.6.2　子带编码 650

13.7　数字数据的信源编码 651

13.7.1　编码特性 652

13.7.2　霍夫曼编码 653

13.7.3　游程编码 655

13.8　信源编码举例 659

13.8.1　音频压缩 659

13.8.2　图像压缩 663

13.9　小结 668

参考文献 669

习题 670

思考题 672

练习 673

第14章　加密和解密 674

14.1　模型、目标和早期的密码系统 674

14.1.1　加密和解密过程的模型 674

14.1.2　系统目标 675

14.1.3　常见威胁 676

14.1.4　古典密码 676

14.2　密码系统的保密性 679

14.2.1　理想保密性 679

14.2.2　熵与疑义度 681

14.2.3　代码的编码效率和冗余度 682

14.2.4　惟一性距离和理想保密性 683

14.3　实用安全性 684

14.3.1　混淆和扩散 685

14.3.2　替代 685

14.3.3　置换 686

14.3.4　乘积密码系统 686

14.3.5　数据加密标准 688

14.4　流加密 693

14.4.1　使用线性反馈移位寄存器生成密钥举例 693

14.4.2　线性反馈移位寄存器的弱点 694

14.4.3　同步和自同步流加密系统 696

14.5　公共密钥密码系统 697

14.5.1　公共密钥密码系统签名认证 697

14.5.2　陷门单向函数 698

14.5.3　Rivest-Shamir-Adelman系统 698

14.5.4　背包问题 700

14.5.5　基于陷门背包的公共密钥密码系统 702

14.6　Pretty Good Privacy标准 704

14.6.1　三重DES,CAST和IDEA 705

14.6.2　Diffie-Hellman（Elgamal变形）和RSA 708

14.6.3　PGP消息加密 709

14.6.4　PGP认证和签名 710

14.7　小结 711

参考文献 712

习题 712

思考题 714

练习 714

第15章　衰落信道 715

15.1　衰落信道对通信的影响 715

15.2　无线移动信道传播特性 716

15.2.1　大规模衰落 719

15.2.2　小规模衰落 721

15.3　信号时间扩展 725

15.3.1　时延域上的信号时间扩展 725

15.3.2　时间扩展信号在频域中的特征 726

15.3.3　平坦衰落和频率选择性衰落示例 729

15.4　移动引起的信道时变性 731

15.4.1　在时域中分析信道的时变性 731

15.4.2　多普勒频移域中的时变性 732

15.4.3　瑞利信道慢衰落和平坦衰落的性能 736

15.5　降低衰落影响的方法 739

15.5.1　抗频率选择性失真的方法 740

15.5.2　抗快衰落失真的方法 742

15.5.3　减少信噪比损耗的方法 742

15.5.4　分集技术 743

15.5.5　衰落信道的调制类型 745

15.5.6　交织器的作用 745

15.6　衰落信道的主要参数 748

15.6.1　快衰落失真：情况1 748

15.6.2　频率选择性衰落失真：情况2 749

15.6.3　快衰落和频率选择性衰落失真：情况3 749

15.7　应用：减少频率选择性衰落的影响 751

15.7.1 GSM系统中的维特比均衡器 751

15.7.2　直接序列扩频（DS/SS）系统中的Rake接收机 754

15.8　小结 755

参考文献 755

习题 758

思考题 762

练习 762

附录A　傅里叶变换技术回顾 763

附录B　统计判决理论基础 782

附录C 相关器对白噪声的响应 792

附录D　常用等式 794

附录E　s域，z域和数字滤波 796

附录F　符号列表 813

索引 816