通信系统原理

本书以数字通信系统为重点讨论了通信系统分析与设计的基本原理，同时对模拟通信系统和相关数学基础给出了系统的介绍。主要内容包括：线性系统分析、概率及随机过程、幅度调制与角度调制两类模拟通信系统及其噪声性能分析、模拟数字转换、数字调制、多维数字调制、限带信道中的数字通信、多载波通信与OFDM系统、信息论、纠错编码、衰落多径信道数据传输及扩频通信系统。全书提供了许多实例以突出所述理论的工程应用，各章还配有大量难度不等的习题以及上机习题，帮助读者检验并巩固所学内容。本书可作为通信工程、电子工程及相关专业的本科生或研究生教材，也可以为工程技术人员分析与设计通信系统提供参考。

约翰 G.普罗克斯，美国东北大学及加州大学圣地亚哥分校教授，从事数字通信、数字信号处理、通信系统建模和仿真等研究与教学，研究兴趣涉及适应性滤波、适应性通信系统、适应性均衡技术、衰落多径信道通信、雷达检测、信号参数估计、很优化技术和统计分析等。著有《通信系统原理》《数字通信》《数字信号处理》等多部经典教材。
马苏德·萨莱希，美国东北大学教授，主要从事编码、信息论、数字通信及数据压缩的研究与教学。研究兴趣涉及网络信息论、单用户和多用户系统中的信源—信道匹配问题、数据压缩、Turbo码、衰落信道编码以及数字水印。著有《通信系统原理》《通信系统工程》及《现代通信系统Matlab与Simulink仿真》等多部经典教材。

出版者的话
译者序
前言
第1章引言1
1.1历史回顾1
1.2电气通信系统的组成3
1.3通信信道及其特征7
1.4通信信道的数学模型11
1.5小结与深入阅读12
第2章信号与线性系统13
2.1基本概念13
2.2傅里叶级数25
2.3傅里叶变换34
2.4滤波器设计48
2.5功率和能量51
2.6希尔伯特变换及其性质55
2.7低通和带通信号56
2.8小结及深入阅读58
习题58
上机习题63
第3章幅度调制65
3.1调制简介65
3.2幅度调制66
3.3幅度调制器和解调器的实现77
3.4信号多路复用80
3.5调幅无线电广播82
3.6小结及深入阅读83
附录3A：SSB调幅信号表达式的推导83
习题84
上机习题88
第4章角度调制90
4.1FM信号和PM信号的表示形式90
4.2调角信号的频谱特征92
4.3角度调制器和解调器的实现96
4.4调频无线电广播101
4.5小结及深入阅读102
习题102
上机习题105
第5章概率论与随机过程106
5.1概率与随机变量回顾106
5.2随机过程的基本概念118
5.3高斯过程和白过程128
5.4小结及深入阅读134
习题134
上机习题139
第6章模拟通信系统中噪声的影响142
6.1噪声对幅度调制系统的影响142
6.2噪声对角度调制系统的影响147
6.3模拟调制系统的比较156
6.4模拟通信系统中传输损耗和噪声的影响157
6.5小结及深入阅读162
习题162
上机习题164
第7章模数转换166
7.1信号抽样和由抽样重构信号166
7.2量化169
7.3编码175
7.4波形编码176
7.5分析合成技术182
7.6数字音频传输及记录184
7.7JPEG图像编码标准188
7.8小结及深入阅读190
习题191
上机习题195
第8章加性高斯白噪声信道中的数字调制方法196
8.1信号波形的几何表示196
8.2二进制调制方式199
8.3AWGN下的二进制调制信号的最佳接收机204
8.4M进制数字调制218
8.5M进制脉冲幅度调制226
8.6相移键控231
8.7正交幅度调制数字信号239
8.8载波相位估计245
8.9符号同步255
8.10再生中继器262
8.11小结及深入阅读262
习题263
上机习题269
第9章多维数字调制274
9.1M进制正交信号274
9.2双正交信号278
9.3单纯形信号281
9.4二进制编码信号282
9.5频移键控284
9.6有记忆的调制系统291
9.7调制方法比较299
9.8小结及深入阅读302
习题303
上机习题305
第10章限带AWGN信道中的数字传输308
10.1限带信道的特征与信号失真308
10.2数字调制信号的功率谱313
10.3限带信道的信号设计315
10.4部分响应信号的检测322
10.5存在信道失真的系统设计329
10.6小结及深入阅读343
附录10A：调制信号的功率谱344
习题345
上机习题350
第11章多载波调制与OFDM353
11.1正交频分复用353
11.2OFDM系统中的调制与解调353
11.3采用FFT算法实现OFDM系统355
11.4OFDM信号的频谱特性358
11.5OFDM系统的峰均功率比359
11.6OFDM系统的应用360
11.7小结及深入阅读362
习题363
上机习题364
第12章信息论概述365
12.1信源的数学建模365
12.2信源编码定理372
12.3信源编码算法373
12.4通信信道建模378
12.5信道容量379
12.6通信的容限383
12.7小结及深入阅读385
习题385
上机习题390
第13章可靠通信的编码392
13.1编码的优点392
13.2线性分组码395
13.3卷积码405
13.4基于组合码的优良编码413
13.5Turbo码及迭代译码415
13.6低密度奇偶校验码422
13.7带宽受限信道的编码426
13.8编码的应用实例432
13.9小结及深入阅读434
习题435
上机习题437
第14章衰落多径信道中的数据传输438
14.1无线信道的物理特性438
14.2时变多径信道模型439
14.3瑞利衰落信道的二进制调制性能445
14.4多天线系统452
14.5无线信道的链路预算分析461
14.6小结及深入阅读463
习题464
上机习题466
第15章扩频通信系统468
15.1扩频数字通信系统模型468
15.2直接序列扩频系统469
15.3直接序列扩频信号的应用474
15.4PN序列的生成477
15.5跳频扩频479
15.6扩频系统的同步482
15.7数字蜂窝通信系统487
15.8小结及深入阅读493
习题494
上机习题496
参考文献498
索引506

本书主要是为电气工程专业本科生编写的通信系统原理教材。主要目标是介绍现代通信系统中采用的基本技术，提供系统设计和分析需要的基础工具与方法。本书同时也可为工程技术人员提供参考，或作为自学材料。
本书的重点是数字通信系统，这些内容具体在第7～15章介绍。现代通信系统，包括新几代无线通信系统、卫星通信系统及数据传输网络，其主干就是这些数字通信系统。第3、4、6章对传统的模拟通信系统进行了适当的介绍。此外，本书以两章的篇幅对课程所需要的背景知识给出了详细介绍，第2章是关于线性系统分析的，重点是频域分析方法和傅里叶方法；第5章讨论概率、随机变量和随机过程。虽然现在这些内容会分别在电气工程专业的不同主干课程中讨论，但作者的经验是学生在学习通信系统原理之前，往往需要复习这些知识，因此在此对这些相关课程中的背景知识进行简要回顾很重要。学生学习这门课还需要具备微积分、线性代数和电子电路基础的背景知识。
新版更新内容
下面是本书第2版的主要更新内容：
基于信号的几何表示对数字调制技术的内容进行了大幅度的重新组织。
增加了对载波相位估计和符号同步的讨论。
增加了第7章“多载波调制与OFDM”。
增加并扩展了Turbo码的迭代译码及LDPC码的内容。
增加了144节“多天线系统”。
增加了第15章“扩频通信系统”。
本书的结构安排
本书第1章首先给出通信系统的简要概述，第2章接着描述时域及频域的信号表示和系统分析方法，重点是信号的傅里叶级数和傅里叶变换表示，以及线性系统分析中变换的运用。
第3章和第4章介绍模拟信号的调制与解调。第3章讨论幅度调制（AM）。第4章讨论频率调制（FM）和相位调制（PM）。这两章也讨论AM和FM无线电广播。
第5章讨论概率和随机过程的基本定义和概念。重点分析可以对加性噪声分布数学建模的高斯随机过程，并且讨论时域及频域的随机信号表示。
第6章分析调幅、调角（调频和调相）模拟信号解调过程中加性噪声的影响，根据信噪比性能对比这些模拟信号调制技术。并且给出模拟通信系统中热噪声的特征和传输损耗的影响。
第7章介绍模拟数字转换。首先介绍抽样定理和量化技术，接着讨论包括PCM、DPCM和DM在内的波形编码技术。这一章最后简要讨论LPC语音编码技术和JPEG图像压缩标准。
第8章介绍基本数字调制技术及其在AWGN信道中的性能。讨论二进制对极和正交信号、M进制脉冲幅度调制（PAM）、相移键控（PSK）和正交幅度调制（QAM）技术。这些类型的数字信号都可以用几何表示方法描述。这些技术的最佳解调方法基于最大后验准则和最大似然准则。此外，还描述利用锁相环（PLL）进行载波相位估计的方法和符号同步方法。
第9章基于信号的几何表示讨论多维数字调制信号，以及这些信号在AWGN信道中的传输性能。考虑的信号类型包括正交信号、双正交信号、单纯形信号、二进制编码信号和频移键控（FSK）信号。对连续相位FSK（CPFSK）信号及其频谱特征也进行讨论。
第10章讨论限带AWGN信道中的数字信号传输。说明信道失真对传输信号的影响导致了符号间干扰（ISI）现象。接着描述消除或抑制符号间干扰的信号设计技术。最后讨论在信道失真的接收信号中消除或抑制ISI的自适应均衡器的设计方法。
第11章主要讨论多载波调制和正交频分复用（OFDM）的数字信号传输。给出了基于FFT算法的OFDM调制器和解调器的实现。此外还讨论OFDM信号的频域特征和OFDM信号中峰均功率比（PAR）的降低方法。最后给出OFDM在当前数字通信系统中的几个应用。
第12章给出信息通信的基本限制，包括无记忆源的信息量、信源输出的有效编码和AWGN信道容量。描述两种常用的数字信源输出编码技术，即霍夫曼（Huffman）编码算法和LempelZiv算法。
第13章讨论信道编码和译码。描述在AWGN信道中增强数字通信系统性能的线性分组码和卷积码。讨论分组码和卷积码的硬判决和软判决译码。也讨论限带信道的编码（栅格编码调制）、Turbo码、低密度奇偶校验码（LDPC）。
第14章讨论无线物理信道的特征和时变衰落多径信道数学模型的构建。确定瑞利（Rayleigh）衰落信道中的二进制调制性能，分析信号多样性对抗信号衰落的优势。描述RAKE解调器及其在频率选择性信道中的性能。介绍在无线通信系统中获得信号多样性的多发送及多接收天线的作用。介绍数字信号到多天线传输的映射方法，包括分组编码技术，例如Alamouti码和网格（trellis）码。最后讨论无线信道链路预算分析。
本书最后一章介绍扩频数字通信技术及其在抗干扰方面的应用，包括有意识（扰码）和无意识两类，后者来自信道的其他用户。具体介绍直接序列（DS）扩频和跳频（FH）技术及其在有干扰环境下的性能。另外还讨论实现传输信号扩频的伪随机序列的产生方法。最后描述在第2、3和4代（2G、3G、4G）数字蜂窝系统中扩频技术的应用。
本书贯穿很多实例，用以阐述根据理论所发展出来的技术在实际中的应用。在每章后面有大量难度各异的习题以及上机习题，上机习题通常使用MATLAB仿真实现利用该章知识的相关算法。MATLAB习题的答案在wwwpearsonhigheredcom网站提供。
致谢
我们希望感谢本书第1版和第2版的审阅者（密歇根州立大学的Selin Aviyente，得克萨斯农工大学的Costas Georghiades，马萨诸塞大学的Dennis Goeckel，维拉诺瓦大学的Bijan Mobasseri，圣何塞州立大学的Robert MorelosZaragoza，弗吉尼亚理工学院的Ahmad SafaaiJazi，中佛罗里达大学的Lei Wei，以及弗吉尼亚大学的Stephen Wilson），感谢他们的评价和建议。他们的意见对本书各部分内容的提高有重要帮助。

John GProakis
加州大学圣地亚哥分校兼职教授，美国东北大学荣誉教授
Masoud Salehi
美国东北大学