数字通信系统设计

内容简介

本书从工程设计的角度对数字通信系统进行了全面论述。内容包括概率

论基础、信道噪声、信源编码、信道编码、检测理论、定时、基带传输、幅度调

制、频率调制、相位调制以及保密通信和计算机通信网。书中专设一章讨论工

程设计。各章给出许多数据、图表，所以本书对工程设计人员有较大的参考价

值。

本书叙述由浅入深，既适宜于工程设计人员阅读，也适宜于通信、遥测、

遥控以及相关专业的大学生、研究生阅读。

本书是数字通信领域一本优秀的经典教材，既论述了数字通信的基本理论，又对数字通信新技术进行了比较深入的分析。本书采用信号空间、随机过程的级数展开和等效低通等分析方法，根据最佳接收准则，先后讨论并分析了在加性高斯白噪声(AWGN)信道、带限信道(有符号间干扰和加性噪声)以及多径衰落信道等三种基本的典型信道条件下的数字信号可靠且高效传输及其最佳接收问题。从信号传输角度主要介绍了通信信号、数字调制、自适应均衡、多天线系统和最佳接收等内容;从信息传输角度介绍了信息论基础、信道容量和信道编码等内容。

数字通信是用数字信号作为载体来传输消息，或用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式。它可传输电报、数字数据等数字信号，也可传输经过数字化处理的语声和图像等模拟信号。

第1章 绪论 1

1.1 数字通信系统的基本组成部分 1

1.2 通信信道及其特征 2

1.3 通信信道的数学模型 6

1.4 数字通信发展的回顾与展望 8

1.5 本书概貌 10

1.6 文献注释与参考资料 10

第2章 确定与随机信号分析 11

2.1 带通与低通信号的表示 12

2.1.1 带通与低通信号 12

2.1.2 带通信号的等效低通 14

2.1.3 能量考虑 16

2.1.4 带通系统的等效低通 18

2.2 波形的信号空间表示 18

2.2.1 矢量空间概念 19

2.2.2 信号空间概念 20

2.2.3 信号的正交展开 21

2.2.4 格拉姆-施密特(Gram-Schmidt)过程 23

2.3 某些有用的随机变量 28

2.4 尾部概率的边界 41

2.5 随机变量总和极限定理 45

2.6 复随机变量 45

2.6.1 复随机矢量 46

2.7 随机过程 48

2.7.1 广义平稳随机过程 48

2.7.2 循环平稳随机过程 50

2.7.3 本征与环随机过程 51

2.7.4 马尔可夫链 51

2.8 随机过程的级数展开 53

2.8.1 带限随机过程的抽样定理 53

2.8.2 K-L(Karhunen-Loève)展开式 55

2.9 带通和低通随机过程 56

2.10 文献注释与参考资料 59

习题 59

第3章 数字调制方法 68

3.1 数字调制信号的表示 68

3.2 无记忆调制方法 69

3.2.1 脉冲幅度调制(PAM) 70

3.2.2 相位调制 72

3.2.3 正交幅度调制 74

3.2.4 多维信号传输 76

3.3 有记忆信号传输方式 81

3.3.1 连续相位频移键控(CPFSK) 82

3.3.2 连续相位调制(CPM) 83

3.4 数字调制信号的功率谱 91

3.4.1 有记忆数字调制信号的功率谱密度 92

3.4.2 线性调制信号的功率谱密度 93

3.4.3 有限记忆数字调制信号的功率谱密度 95

3.4.4 马尔可夫结构调制方式的功率谱密度 95

3.4.5 CPFSK和CPM信号的功率谱密度 97

3.5 文献注释与参考资料 103

习题 104

第4章 AWGN信道的最佳接收机 112

4.1 波形与矢量信道的模型 112

4.1.1 一般矢量信道的最佳检测 113

4.2 波形与矢量AWGN信道 116

4.2.1 矢量AWGN信道的最佳检测 118

4.2.2 AWGN信道最佳接收机的实现 123

4.2.3 最大似然检测错误概率的一致边界 127

4.3 带限信号传输的最佳检测和错误概率 130

4.3.1 ASK或PAM信号传输的最佳检测和错误概率 131

4.3.2 PSK信号传输方式的最佳检测和错误概率 132

4.3.3 QAM信号传输的最佳检测和错误概率 135

4.3.4 解调与检测 138

4.4 功限信号传输的最佳检测和错误概率 140

4.4.1 正交信号传输的最佳检测和错误概率 140

4.4.2 双正交信号传输的最佳检测和错误概率 143

4.4.3 单纯信号传输的最佳检测和错误概率 144

4.5 不确定情况下的最佳检测:非相干检测 144

4.5.1 载波调制信号的非相干检测 146

4.5.2 FSK调制信号的最佳非相干检测 148

4.5.3 正交信号传输非相干检测的错误概率 148

4.5.4 相关二进制信号包络检测的错误概率 151

4.5.5 差分PSK(DPSK) 152

4.6 数字信号传输方法的比较 155

4.7 格和基于格的星座图 157

4.7.1 格的介绍 158

4.7.2 基于格的信号星座图 162

4.8 有记忆信号传输方式的检测 166

4.8.1 最大似然序列检测器 166

4.9 CPM信号的最佳接收机 168

4.9.1 CPM的最佳解调和检测 169

4.9.2 CPM信号的性能 172

4.9.3 CPM信号的次最佳解调和检测 176

4.10 有线和无线通信系统的性能分析 177

4.10.1 再生中继器 177

4.10.2 无线通信系统中链路预算分析 178

4.11 文献注释与参考资料 180

习题 181

第5章 载波和符号同步 198

5.1 信号参数估计 198

5.1.1 似然函数 199

5.1.2 信号解调中的载波恢复与符号同步 199

5.2 载波相位估计 201

5.2.1 最大似然载波相位估计 202

5.2.2 锁相环 204

5.2.3 加性噪声对相位估计的影响 205

5.2.4 面向判决环 207

5.2.5 非面向判决环 211

5.3 符号定时估计 216

5.3.1 最大似然定时估计 216

5.3.2 非面向判决定时估计 217

5.4 载波相位和符号定时的联合估计 220

5.5 最大似然估计器的性能特征 222

5.6 文献注释与参考资料 224

习题 224

第6章 信息论基础 227

6.1 信源的数学模型 227

6.2 信息的对数度量 228

6.3 信源的无损编码 230

6.3.1 无损信源编码定理 231

6.3.2 无损编码算法 233

6.4 有损数据压缩 239

6.4.1 连续随机变量的熵和互信息 240

6.4.2 率失真函数 241

6.5 信道模型和信道容量 244

6.5.1 信道模型 244

6.5.2 信道容量 247

6.6 用正交信号集获取信道容量 253

6.7 信道可靠性函数 254

6.8 信道截止速率 255

6.8.1 Bhattacharyya界和Chernov界 256

6.8.2 随机编码 257

6.9 文献注释与参考资料 261

习题 261

第7章 线性分组码 275

7.1 基本定义 275

7.1.1 有限域的结构 277

7.1.2 矢量空间 282

7.2 线性分组码的一般性质 282

7.2.1 生成矩阵和校验矩阵 283

7.2.2 线性分组码的重量与距离特性 284

7.2.3 重量分布多项式 285

7.2.4 线性分组码的差错概率 287

7.3 一些特殊的线性分组码 288

7.3.1 重复码 289

7.3.2 汉明码 289

7.3.3 最大长度码 289

7.3.4 Reed-Muller码 289

7.3.5 哈达玛码 290

7.3.6 高莱码 291

7.4 线性分组码的最佳软判决译码 291

7.5 线性分组码的硬判决译码 295

7.5.1 分组码的检错和纠错能力 297

7.5.2 硬判决译码的码组和比特差错概率 298

7.6 硬判决与软判决译码的性能比较 300

7.7 线性分组码最小距离的边界 302

7.7.1 辛格尔顿界 303

7.7.2 汉明界 303

7.7.3 普洛特金界 304

7.7.4 埃利斯界 305

7.7.5 McEliece-Rodemich-Rumsey-Welch(MRRW)界 305

7.7.6 乌沙莫夫吉尔伯特界 305

7.8 修改的线性分组码 306

7.8.1 缩短和伸长 306

7.8.2 删余和扩展 307

7.8.3 删信和增广 308

7.9 循环码 308

7.9.1 循环码定义和基本性质 308

7.9.2 系统循环码 312

7.9.3 循环码编码器 314

7.9.4 循环码的译码 315

7.9.5 循环码实例 317

7.10 BCH码 319

7.10.1 BCH码的结构 319

7.10.2 BCH码译码 322

7.11 里德-所罗门码 324

7.12 突发差错信道的编码 327

7.13 组合码 328

7.13.1 乘积码 328

7.13.2 级联码 329

7.14 文献注释与参考资料 331

习题 332

第8章 基于网格和图形的编码 338

8.1 卷积码的结构 338

8.1.1 树、网格和状态图 341

8.1.2 卷积码的转移函数 344

8.1.3 系统的、非递归的和递归的卷积码 347

8.1.4 卷积编码器的逆与恶性码 348

8.2 卷积码的译码 350

8.2.1 卷积码的最大似然译码--维特比算法 350

8.2.2 卷积码最大似然译码的差错概率 352

8.3 二进制卷积码的距离特性 354

8.4 删余卷积码 357

8.4.1 码率兼容的删余卷积码 359

8.5 卷积码的其他译码算法 361

8.6 卷积码应用的实际考虑 366

8.7 非二进制的双k码和级联码 369

8.8 卷积码的最大后验概率译码--BCJR算法 372

8.9 Turbo码和迭代译码 378

8.9.1 Turbo码的性能限 378

8.9.2 Turbo码的迭代译码 380

8.9.3 迭代译码的EXIT图研究 382

8.10 因子图与和-积算法 384

8.10.1 Tanner图 384

8.10.2 因子图 386

8.10.3 和-积算法 387

8.10.4 利用和-积算法的MAP译码 389

8.11 低密度奇偶校验码LDPC 390

8.11.1 LDPC译码 392

8.12 带限信道的编码--网格编码调制TCM 392

8.12.1 格和网格编码调制 401

8.12.2 Turbo编码的高带宽效率调制 402

8.13 文献注释与参考资料 404

习题 405

第9章 通过带限信道的数字通信 410

9.1 带限信道的特征 410

9.2 带限信道的信号设计 413

9.2.1 无符号间干扰的带限信号的设计--奈奎斯特准则 415

9.2.2 具有受控ISI的带限信号设计--部分响应信号 418

9.2.3 对受控ISI的数据检测 421

9.2.4 有失真信道的信号设计 425

9.3 有ISI和AWGN信道的最佳接收机 428

9.3.1 最佳最大似然接收机 428

9.3.2 具有ISI信道的离散时间模型 430

9.3.3 离散时间白噪声滤波器模型的维特比算法 432

9.3.4 具有ISI信道的MLSE性能 434

9.4 线性均衡 441

9.4.1 峰值失真准则 441

9.4.2 均方误差(MSE)准则 445

9.4.3 MSE均衡器的性能特征 448

9.4.4 分数间隔均衡器 451

9.4.5 基带和带通线性均衡器 454

9.5 判决反馈均衡器 455

9.5.1 系数最佳化 456

9.5.2 DFE的性能特征 457

9.5.3 预测判决反馈均衡器 459

9.5.4 发送机的均衡--Tomlinson-Harashima 预编码 461

9.6 降低复杂性的ML检测器 462

9.7 迭代均衡和译码--Turbo均衡 464

9.8 文献注释与参考资料 465

习题 466

第10章 自适应均衡 477

10.1 自适应线性均衡 477

10.1.1 迫零算法 477

10.1.2 LMS算法 478

10.1.3 LMS算法的收敛特性 481

10.1.4 由有噪梯度估计值引起的过剩MSE 482

10.1.5 加速LMS算法的初始收敛速率 484

10.1.6 自适应分数间隔均衡器--抽头泄漏算法 486

10.1.7 用于ML序列检测的自适应信道估计器 487

10.2 自适应判决反馈均衡器 489

10.3 网格编码信号的自适应均衡 490

10.4 自适应均衡的递推最小二乘算法 492

10.4.1 递推最小二乘(卡尔曼)算法 493

10.4.2 线性预测和格型滤波器 496

10.5 自恢复(盲)均衡 500

10.5.1 基于最大似然准则的盲均衡 500

10.5.2 随机梯度算法 503

10.5.3 基于二阶和高阶信号统计量的盲均衡算法 507

10.6 文献注释与参考资料 508

习题 509

第11章 多信道和多载波系统 512

11.1 在AWGN信道中的多信道数字通信 512

11.1.1 二进制信号 514

11.1.2 M元正交信号 515

11.2 多载波通信 516

11.2.1 单载波和多载波调制 517

11.2.2 非理想线性滤波器信道的容量 517

11.2.3 正交频分复用(OFDM) 518

11.2.4 OFDM系统的调制和解调 519

11.2.5 OFDM系统的FFT算法实现 521

11.2.6 多载波信号的谱特征 523

11.2.7 多载波调制中的比特和功率的分配 525

11.2.8 多载波调制中的峰均比 527

11.2.9 多载波调制中的信道编码的考虑 528

11.3 文献注释与参考资料 528

习题 529

第12章 数字通信用扩频信号 531

12.1 扩频数字通信系统的模型 532

12.2 直接序列扩频信号 533

12.2.1 译码器的差错率性能 535

12.2.2 DS扩频信号的一些应用 542

12.2.3 脉冲干扰对DS扩频系统的影响 545

12.2.4 DS扩频系统中窄带干扰的删除 550

12.2.5 PN序列的生成 554

12.3 跳频扩频信号 558

12.3.1 AWGN信道中的FH扩频信号的性能 560

12.3.2 部分频带干扰下FH扩频信号的性能 561

12.3.3 基于FH 扩频信号的CDMA系统 566

12.4 其他类型的扩频信号 567

12.5 扩频系统的同步 568

12.6 文献注释与参考资料 572

习题 574

第13章 衰落信道I:信道特征与信号传输 578

13.1 多径衰落信道的特征 578

13.1.1 信道相关函数和功率谱 580

13.1.2 衰落信道的统计模型 584

13.2 信号特征对信道模型选择的影响 587

13.3 频率非选择性慢衰落信道 588

13.4 多径衰落信道的分集技术 591

13.4.1 二进制信号 592

13.4.2 多相信号 597

13.4.3 M元正交信号 598

13.5 频率选择性慢衰落信道中的信号传输:RAKE解调器 603

13.5.1 抽头延迟线信道模型 603

13.5.2 RAKE解调器 604

13.5.3 RAKE解调器的性能 606

13.5.4 符号间干扰信道的接收机结构 612

13.6 多载波调制(OFDM) 613

13.6.1 多普勒扩展引起的OFDM系统性能的减损 614

13.6.2 OFDM系统中ICI的抑制 617

13.7 文献注释与参考资料 618

习题 618

第14章 衰落信道II:容量与编码 624

14.1 衰落信道的容量 625

14.1.1 有限状态信道的容量 627

14.2 遍历与中断容量 628

14.2.1 瑞利衰落信道的遍历容量 629

14.2.2 瑞利衰落信道的中断容量 634

14.3 衰落信道的编码 637

14.4 衰落信道中编码系统的性能 638

14.4.1 全交织信道模型的编码 638

14.5 衰落信道的网格编码调制 645

14.5.1 衰落信道的TCM系统 645

14.5.2 多重网格编码调制(MTCM) 647

14.6 比特交织编码调制 649

14.7 频率域编码 654

14.7.1 线性二进制分组码软判决译码的差错概率 654

14.7.2 线性分组码硬判决译码的差错概率 656

14.7.3 用于瑞利衰落信道的卷积码性能的上边界 656

14.7.4 衰落信道中恒重码和级联码的应用 658

14.8 衰落信道的信道截止速率 663

14.8.1 接收机具有CSI的全交织衰落信道的信道截止速率 663

14.9 文献注释与参考资料 665

习题 666

第15章 多天线系统 669

15.1 多天线系统的信道模型 669

15.1.1 慢衰落频率非选择性MIMO信道中的信号传输 670

15.1.2 MIMO系统中数据符号检测 671

15.1.3 通过慢衰落频率选择性MIMO信道的信号传输 675

15.2 MIMO信道的容量 680

15.2.1 数学准备知识 680

15.2.2 频率非选择性确定性MIMO信道的容量 681

15.2.3 频率非选择性遍历随机MIMO信道的容量 682

15.2.4 中断容量 684

15.2.5 发送机知道信道时MIMO信道的容量 685

15.3 扩频信号与多码传输 687

15.3.1 正交扩频序列 687

15.3.2 复用增益与分集增益 690

15.3.3 多码MIMO系统 691

15.4 MIMO信道的编码 694

15.4.1 瑞利衰落信道中时间编码SISO系统的性能 694

15.4.2 MIMO信道的比特交织时间编码 696

15.4.3 MIMO信道的空时分组码 698

15.4.4 空时码的成对差错概率 704

15.4.5 MIMO信道的空时网格码 705

15.4.6 级联空时码和Turbo码 707

15.5 文献注释与参考资料 708

习题 709

第16章 多用户通信 714

16.1 多址技术 714

16.2 多址方式的容量 716

16.3 CDMA系统的多用户检测 719

16.3.1 CDMA信号与信道模型 719

16.3.2 最佳多用户接收机 720

16.3.3 次最佳检测器 724

16.3.4 连续干扰抵消 728

16.3.5 其他类型的多用户检测器 729

16.3.6 检测器的性能特征 730

16.4 广播信道的多用户MIMO系统 732

16.4.1 发送信号的线性预编码 733

16.4.2 发送信号的非线性预编码--QR分解 735

16.4.3 非线性矢量预编码 739

16.4.4 预编码的格压缩技术 741

16.5 随机接入方式 743

16.5.1 ALOHA系统和协议 743

16.5.2 载波侦听系统和协议 746

16.6 文献注释和参考资料 749

习题 750

附录A 矩阵 755

A.1 矩阵的特征值和特征矢量 755

A.2 奇异值分解 756

A.3 矩阵的范数和条件数 757

A.4 Moore-Penrose伪逆 758

附录B 多信道二进制信号的差错概率 759

附录C M相信号自适应接收的错误概率 763

C.1 M相信号通信系统的数学模型 763

C.2 相位 的特征函数和概率密度函数 764

C.3 瑞利慢衰落信道的差错概率 766

C.4 时不变与赖斯衰落信道的差错概率 769

附录D 平方根分解 771

参考文献与资料 773

中英文人名对照表 806

词汇表 812

数字通信系统的优点:

(1) 抗干扰能力强，传输质量好。

(2) 可以用再生中继，传输距离长。

(3) 适用各种业务的传输，灵活性大。

(4) 容易实现高强度的保密通信。

(5) 数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现小型化、微量化，增强设备可靠性，降低成本。

数字通信系统的缺点:

(1) 占用频带比较宽，系统的频带利用率不高。

(2) 对非线性失真不敏感

(3) 在通信全程中，即使有多次中继、失真(包括线性失真和非线性失真)和噪音也不会累积

(4) 对光源的线性要求和接收信噪比的要求都不高

(5) 适合长距离、大容量和高质量的信息传输