通信原理

本书是普通高等教育“十一五”规划教材。本书通过对模拟和数字通信系统工作原理的讲述及其性能分析，阐述通信基本理论。主要内容包括：随机信号和噪声分析、模拟调制方法、模拟信号数字化、数字基带传输、均衡原理、数字调制技术、纠检错编码和佳接收方案。全书叙述严谨，物理概念清楚，数学分析详实，方便阅读。每章均有必要的例题和适量的习题，便于教学使用。本书是通信工程、电子工程和信息工程等专业教科书，也可以作为IT领域研发人员的参考书。

前言
第1章 通信系统概论1
1.1 通信系统的模型1
1.1.1 通信系统的组成1
1.1.2 模拟通信、数字通信和数据通信2
1.2 通信系统的质量指标4
1.2.1 模拟通信系统的质量指标4
1.2.2 数字通信系统的质量指标4
1.3 传输信道6
1.3.1 无记忆信道6
1.3.2 恒参信道8
1.3.3 变参信道10
1.4 信息的度量与信道容量11
1.4.1 信息的度量11
1.4.2 信道容量14
习题17
第2章 随机信号和噪声19
2.1 随机过程基本概念19
2.1.1 随机过程的定义19
2.1.2 随机过程的概率分布函数和概率密度函数20
2.1.3 随机过程的数字特征函数21
2.1.4 随机过程分类25
2.2 广义平稳过程及各态遍历性26
2.2.1 广义平稳过程相关函数的性质26
2.2.2 时间平均及各态遍历性29
2.3 随机过程的功率谱密度30
2.3.1 功率谱密度的定义31
2.3.2 功率谱密度与自相关函数的关系32
2.3.3 功率谱密度的性质33
2.3.4 互功率谱密度及其性质34
2.4 线性系统对随机信号的响应35
2.4.1 输出过程统计特性35
2.4.2 输出输入过程相互关系36
2.4.3 线性组合网络36
2.5 高斯过程和白噪声过程37
2.5.1 高斯过程37
2.5.2 白噪声过程39
2.6 离散时间随机信号43
2.6.1 相关函数和协方差函数43
2.6.2 相关函数（序列）的Z变换以及功率谱45
2.6.3 随机序列通过线性系统46
2.7 窄带随机过程47
2.7.1 平稳窄带过程的正交表示47
2.7.2 窄带高斯过程的包络和相位表示51
2.8 正弦信号加窄带噪声的包络和相位53
2.8.1 包络A（t）的分布54
2.8.2 相位ψ（t）的分布55
习题56
第3章 模拟调制系统64
3.1 幅度调制64
3.1.1 双边带调制65
3.1.2 振幅调制67
3.1.3 单边带调制70
3.1.4 残留边带调制73
3.2 幅度调制系统的抗噪声性能74
3.2.1 基带系统74
3.2.2 DSB系统的抗噪声性能76
3.2.3 SSB系统的抗噪声性能77
3.2.4 AM系统的抗噪声性能78
3.3 角度调制81
3.3.1 角度调制的一般概念81
3.3.2 频率调制82
3.3.3 FM信号的产生和解调85
3.3.4 相位调制88
3.4 角度调制系统的抗噪声性能89
3.4.1 角度调制系统的输出信噪比90
3.4.2 角度调制系统的门限效应93
3.5 加重技术 94
3.6 频分多路复用96
习题98
第4章 模拟信号的数字传输102
4.1 模拟信号的取样102
4.1.1 取样定理102
4.1.2 带通信号的取样103
4.2 模拟信号的量化104
4.2.1 量化原理104
4.2.2 均匀量化105
4.2.3 非均匀量化107
4.3 编码110
4.3.1 A87.6／13折线压缩律111
4.3.2 码元的排列112
4.4 PCM通信系统115
4.4.1 PCM通信系统的组成115
4.4.2 PCM信号的带宽116
4.4.3 PCM系统的噪声116
4.4.4 PCM时分复用118
4.5 增量调制120
4.5.1 DM的原理120
4.5.2 DM的量化噪声122
4.5.3 改进型DM123
4.6 差分脉冲编码调制125
4.6.1 DPCM编码原理125
4.6.2 预测器127
4.6.3 自适应量化128
4.6.4 自适应差分脉冲编码调制130
习题131
第5章 数字基带传输和时域均衡134
5.1 基带传输码型134
5.1.1 基本码型134
5.1.2 数字基带信号的功率谱135
5.1.3 基带码型变换137
5.2 数字基带传输系统及符号间干扰140
5.2.1 数字基带传输系统的组成140
5.2.2 符号间干扰分析140
5.3 无ISI的带限信号设计——奈奎斯特准则141
5.3.1 小带宽142
5.3.2 升余弦频谱143
5.4 部分响应信号145
5.4.1 双二进制信号系统145
5.4.2 修正双二进制信号系统147
5.4.3 部分响应系统149
5.5 时域均衡及其佳准则151
5.5.1 时域均衡原理152
5.5.2 两种佳准则154
5.6 横向均衡器的结构155
5.6.1 前向均衡器155
5.6.2 反馈均衡器155
5.6.3 前向和反馈组合均衡器156
5.6.4 判决反馈均衡器156
5.6.5 前向与判决反馈结合的均衡器157
5.7 眼图157
习题159
第6章 匹配滤波器162
6.1 最大信噪比准则——匹配滤波器162
6.1.1 信噪比的表达163
6.1.2 MF的导出163
6.2 匹配滤波器的性质164
6.3 时间相关函数167
6.3.1 MF等效于相关器167
6.3.2 相关积分的定义及性质167
6.3.3 相关系数169
6.4 匹配滤波器的计算170
6.5 有色噪声条件下的匹配滤波器174
6.6 匹配滤波器的实现175
6.6.1 动态滤波器175
6.6.2 用横向滤波器实现177
6.6.3 MF的近似实现178
习题180
第7章 佳接收183
7.1 判决理论183
7.1.1 最大后验概率准则183
7.1.2 似然比检验184
7.1.3 单次观测信号检测184
7.1.4 多次观测186
7.1.5 多元信号检测187
7.2 确知信号的佳接收188
7.2.1 确知信号的佳接收——相关接收机模型188
7.2.2 数字通信接收机的性能190
7.2.3 相关接收的实现194
7.3 随相信号的佳接收194
7.3.1 随相信号的佳接收机结构195
7.3.2 正交接收机的等效实现197
7.4 准佳接收198
习题201
第8章 数字信号带通传输204
8.1 二进制幅度键控204
8.1.1 2ASK信号的产生及其功率谱205
8.1.2 2ASK信号解调207
8.2 二进制频移键控210
8.2.1 2FSK信号的产生及其功率谱210
8.2.2 2FSK信号解调213
8.3 二进制移相键控216
8.3.1 BPSK信号的产生和功率谱216
8.3.2 BPSK信号解调217
8.3.3 二进制差分移相键控218
8.3.4 二进制数字调制系统的性能比较222
8.4 多进制数字调制223
8.5 四相移相键控226
8.5.1 QPSK信号的时域表示和频谱226
8.5.2 四相绝对移相键控228
8.5.3 四相相对移相键控229
8.5.4 QPSK的误码性能231
8.6 正交幅度调制232
8.6.1 QAM信号的时域表示和功率谱233
8.6.2 16QAM的调制与解调236
8.6.3 相位模糊与差分编码238
8.6.4 比特差错性能239
8.6.5 部分响应正交幅度调制239
8.7 小频移键控240
8.7.1 三个特点的分析241
8.7.2 MSK信号的正交表示及产生243
8.7.3 MSK信号解调244
8.7.4 MSK信号功率谱245
习题246
第9章 同步248
9.1 锁相环的基本知识248
9.1.1 模拟锁相环249
9.1.2 数字锁相环251
9.2 载波同步252
9.2.1 插入导频法252
9.2.2 抑制载波双边带信号的载波提取253
9.2.3 多进制信号的载波提取256
9.3 载波同步系统的性能257
9.3.1 稳态相差257
9.3.2 随机相差258
9.3.3 同步建立和保持时间260
9.4 码元同步261
9.4.1 非线性变换法262
9.4.2 数字锁相环法262
9.4.3 超前滞后门法264
9.5 码元同步系统的性能266
9.5.1 相位误差266
9.5.2 同步建立时间266
9.5.3 同步保持时间267
9.5.4 同步带宽267
9.6 帧同步268
9.6.1 起止式同步268
9.6.2 采用特殊字符建立帧同步268
9.7 帧同步系统的性能271
9.7.1 集中插入同步法的性能指标272
9.7.2 帧同步的保护273
习题274
第10章 差错控制编码276
10.1 基本概念276
10.1.1 差错控制方式和纠错码分类276
10.1.2 差错控制编码的基本原理277
10.2 常用检错码279
10.2.1 奇偶校验码279
10.2.2 行列校验码279
10.2.3 恒比码280
10.3 线性分组码281
10.3.1 汉明码281
10.3.2 监督矩阵H283
10.3.3 生成矩阵G284
10.3.4 伴随式译码285
10.4 循环码286
10.4.1 基本概念与原理286
10.4.2 循环码的编码器291
10.4.3 循环码的译码器293
10.5 卷积码295
10.5.1 卷积码基本概念与结构296
10.5.2 卷积码的描述方法及编码297
10.5.3 卷积码的维特比译码300
习题303
第11章 正交频分复用系统306
11.1 OFDM技术基本概念306
11.2 OFDM系统的工作原理307
11.3 OFDM系统的主要特点310
11.4 OFDM的关键技术311
习题314
附录A Q函数、误差函数和互补误差函数315
附录B 随机变量的统计平均317
附录C 英汉名称对照表319
主要参考文献321

通信原理是信息与通信工程专业的一门主干专业课，主要讲述通信系统如何传输信息，以及如何传输得更好。该课程内容覆盖信息传输必需的共性问题，而把各种通信系统具体的个性问题留给后续专业课。通信原理是进入信息传输领域学习的一门重要基础课程。    本教材是普通高等教育“十一五”国家级规划教材《通信原理》2008年版的修订本。依据多年教学实践，本次修订对原版教材内容进行了梳理与完善。基于本书以理论研究为主，因此删除了一些与实现电路有关的部分，新增了随机信号的统计特性，眼图，正交信号分析以及第11章等内容。本教材适合在64学时内学完，适当删减后也适合在48学时内学完。本书每章备有适量习题，可供练习使用，此次修订也对部分习题进行了增减和更新。学习本课程必要的先修课程包括信号与线性系统、通信电子线路，以及工程数学概率论。本书也可供IT领域相关研发人员参考。    全书共分11章。第1章简述通信系统模型，介绍通信理论的重要概念。第2章介绍随机信号分析方法，主要讲述平稳随机过程，这是后续通信系统性能分析的基础。第3章讲解模拟调制系统的工作原理及其抗噪声性能分析。第4章叙述模拟信号数字化方法，重点是分析PCM的取样、量化和编码过程。第5章阐述数字基带传输的基本原理，包括码间干扰问题、奈奎斯特准则、部分响应信号和均衡技术。第6章和第7章论述最佳接收原理，内容涉及匹配滤波器、信号检测原理和相关接收机等。第8章讨论数字调制的带通传输方法，重点讲解几种典型的数字调制技术。第9章主要解决通信中接收端同步信号获取的问题，包括本地载波的提取、数字位同步产生和帧同步方法。第10章介绍信道编码，讲述纠检错编码的基本方法，包括线性分组码、循环码和卷积码。第11章对现代通信中应用非常广泛的正交频分复用（OFDM）技术作了介绍。    《通信原理》是我校电子信息和电气工程学院使用多年的教材。曾于1994年由水利电力出版社出版《现代通信原理》（王维一主编）一书，2008年版《通信原理》中的第1～4章就是在该书基础上修订而成的，其余章节则重新编写。其中，第5～7章和8.1～8.6节由韩声栋编写，8.7节和第9章由刘伟编写，第10章由蒋铃鸽编写。全书由韩声栋统稿和审校。    本次修订版教材，第1～3章和第10章和附录B由蒋铃鸽修订，第4～6章和第9章由刘伟修订，第7～8章和第11章以及附录A、C由刘静修订。其中5.7节关于眼图的波形图由袁炎提供，在此表示感谢。    本书的修订获得上海市精品课程建设项目和上海交通大学本科教学改革研究项目的资助。编者在此深表谢意！    由于水平有限，不妥之处敬请批评指正。    编者    2017年5月于上海交通大学