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内容简介

数字通信是用数字基带信号或用数字信号调制的载波信号作为载体来传输消息的通信方式。本书介绍数字通信的基本理论与技术，主要内容包括数字通信的信号分析基础、信源和信道编码、信息论基础、信号的基带传输、调制解调技术、信道特性、差错控制编码、同步技术、扩频通信和信道复用与多址技术等。本书的特点是，注重理论分析和推导的严谨性，强调物理概念；此外，本书提供有配套的电子课件和习题解答，需要电子课件的教师请登录华信教育资源网www.hxedu.com.cn免费注册下载，需要习题解答的教师，请与te_service@phei.com.cn联系。

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ISBN：9787121173981

开本：16开

页数：520

字数：873

本书目录

目   录

第1章  绪论 1
1.1  引言 1
1.2  近代与现代通信技术的发展历史和现状 1
1.3  数字通信系统的基本组成 2
1.4  数字通信的特点 3
1.5  数字通信系统基本的性能指标及其度量参数 5
1.6  本书的内容安排 7
习题 8
主要参考文献 8
第2章  信号分析基础 9
2.1  引言 9
2.2  确定信号分析方法回顾 9
2.3  信号的矢量表示 12
2.4  希尔伯特变换及应用 14
2.5  随机信号的基本概念和特点 19
2.6  随机过程的主要统计特性 21
2.7  随机变量函数的分布及数字特征 23
2.8  平稳随机信号 24
2.9  信号功率密度谱 25
2.10  通信系统中几种常用的随机过程 27
2.11  平稳随机过程与时不变线性系统 32
2.12  循环平稳随机过程 35
2.13  匹配滤波器 38
2.14  信号的带宽 41
2.15  本章小结 44
习题 45
主要参考文献 46
第3章  模拟信号的数字编码 47
3.1  低通和带通信号抽样定理 47
3.1.1  低通信号理想抽样 47
3.1.2  低通信号自然抽样 48
3.1.3  混叠现象与低通抽样定理 49
3.1.4  带通抽样定理 51
3.2  模拟信号的量化 53
3.2.1  标量量化 54
3.2.2  矢量量化 55
3.2.3  均匀量化 56
3.2.4  非均匀量化 59
3.2.5  对数量化 63
3.3  脉冲编码调制 69
3.3.1  常用的PCM编码方式 69
3.3.2  A律与 律PCM编码 70
3.3.3  对数PCM与线性PCM间的变换 73
3.4  差分脉冲编码调制（DPCM） 75
3.4.1  预测编码的基本概念 75
3.4.2  信号预测的基本方法 77
3.4.3  自适应差分脉冲编码调制 81
3.5  增量调制（ΔM调制） 83
3.5.1  简单增量调制 83
3.5.2  增量总和调制——Δ-Σ调制 86
3.5.3  数字压扩自适应增量调制 88
3.6  不同编码方式的误码性能分析 90
3.6.1  增量调制编码的误码性能分析 90
3.6.2  线性PCM编码的误码性能分析 92
3.6.3  两种编码的抗误码性能比较 92
3.7  本章小结 93
习题 94
主要参考文献 95
第4章  信息论基础 96
4.1  引言 96
4.2  信息的度量 96
4.2.1  离散信源信息的度量 97
4.2.2  离散信源的平均信息量——信源的熵 98
4.2.3  熵的最大化 98
4.2.4  离散信源的联合熵与条件熵 101
4.3  离散信道及容量 102
4.3.1  信道的模型 102
4.3.2  互信息量 103
4.3.3  熵函数与平均互信息量之间的关系 104
4.3.4  离散信道的容量 105
4.3.5  离散无记忆对称信道及特性 108
4.4  连续信源、信道及容量 110
4.4.1  连续信源的相对熵 110
4.4.2  连续信源的相对条件熵和互信息量 112
4.4.3  连续信源的相对熵的最大化 113
4.4.4  加性高斯噪声干扰信道的容量 115
4.4.5  信道容量和信道带宽的归一化分析 118
4.5  信源编码基本方法 121
4.5.1  离散无记忆信源 121
4.5.2  离散无记忆信源的等长编码* 123
4.5.3  离散无记忆信源的不等长编码* 129
4.5.4  霍夫曼（Huffman）编码 135
4.6  率失真理论 139
4.6.1  平均失真度 139
4.6.2  率失真函数 140
4.7  本章小结 147
习题 148
主要参考文献 150
第5章  数字基带传输系统 151
5.1  引言 151
5.2  基带传输系统基本模型 151
5.3  基带信号的波形设计与编码 152
5.3.1  基带信号的波形设计原则 152
5.3.2  基带信号的基本波形 152
5.3.3  常用的基带信号传输码型 154
5.4  基带信号的功率谱 157
5.4.1  二进制纯随机序列基带信号的功率谱 157
5.4.2  二进制平稳序列基带信号的功率谱 160
5.5  码间串扰与波形传输无失真的条件 162
5.5.1  基带信道的传输特性与码间串扰 162
5.5.2  奈奎斯特第一准则 163
5.5.3  奈奎斯特第二准则 169
5.5.4  奈奎斯特第三准则 172
5.6  部分响应基带传输系统 173
5.6.1  部分响应系统的信号波形特性 173
5.6.2  预编码和相关编码 177
5.7  基带信号的检测与最佳接收 180
5.7.1  加性高斯白噪声干扰下的信号检测 180
5.7.2  基带信号的最佳接收 184
5.7.3  基带传输系统特性的眼图观测方法 188
5.8  本章小结 189
习题 189
主要参考文献 192
第6章  数字载波调制传输系统 193
6.1  引言 193
6.2  数字载波调制与解调的基本原理 194
6.2.1  数字载波调制的基本原理 194
6.2.2  数字载波调制信号的功率谱分析 196
6.2.3  数字载波调制信号解调的基本原理 198
6.3  二进制数字载波调制传输系统 201
6.3.1  2ASK调制解调系统 201
6.3.2  2PSK调制解调系统 210
6.3.3  2DPSK调制解调系统 215
6.3.4  2FSK调制解调系统 220
6.3.5  二进制调制解调系统的性能比较 226
6.4  多进制数字载波调制传输系统 227
6.4.1  信号统计判决的基本原理 228
6.4.2  MASK调制解调系统 231
6.4.3  MPSK调制解调系统 235
6.4.4  MQAM调制解调系统 238
6.4.5  MFSK调制解调系统 242
6.5  恒包络连续相位调制 246
6.5.1  MSK调制解调系统 246
6.5.2  GMSK调制解调系统 254
6.6  正交频分复用载波调制传输系统 262
6.6.1  并行传输的基本概念 262
6.6.2  OFDM的基本原理 263
6.6.3  OFDM信号的时间保护间隔与循环前缀 266
6.6.4  OFDM信号的功率谱及OFDM信号的特点 268
6.7  本章小结 269
习题 270
主要参考文献 272
第7章  传输信道 273
7.1  信道的定义和分类 273
7.1.1  信道的定义 273
7.1.2  恒参信道 273
7.1.3  随参信道 274
7.2  信道的损耗与衰落特性 276
7.2.1  自由空间传输损耗模型 276
7.2.2  传输路径损耗模型 277
7.2.3  传输信道阴影衰落模型 278
7.2.4  路径损耗与阴影衰落综合模型 279
7.3  信道的统计多径模型 279
7.3.1  多普勒频移与多径接收信号 279
7.3.2  窄带衰落模型 281
7.3.3  宽带衰落模型* 285
7.4  信道的容量分析 291
7.4.1  平坦衰落信道的容量 292
7.4.2  频率选择性衰落信道容量 294
7.5  信道估计与均衡 296
7.5.1  信道估计与均衡的基本概念 296
7.5.2  最大似然序列估计法 299
7.5.3  数字时域均衡的基本原理 301
7.5.4  数字时域均衡的常用方法 302
7.5.5  自适应均衡器 306
7.6  本章小结 308
习题 308
主要参考文献 309
第8章  差错控制编码 310
8.1  引言 310
8.2  差错控制编码的主要类型和方式 310
8.2.1  差错控制编码的主要类型 310
8.2.2  差错控制的方式 310
8.3  简单的差错控制方法 311
8.3.1  奇偶校验码 311
8.3.2  重复码 312
8.3.3  水平奇偶校验码 313
8.4  信道编码的基本概念和定理* 314
8.5  线性分组码的代数基础* 323
8.6  线性分组码的基本性质 331
8.6.1  码距的概念 331
8.6.2  码距与检错纠错能力的关系 332
8.6.3  线性分组码的生成矩阵与监督矩阵 334
8.6.4  线性分组码的最小码距与最小码重的关系 339
8.6.5  线性分组码的标准阵、陪集首和陪集 341
8.6.6  汉明码 342
8.6.7  线性分组码纠错能力分析 346
8.7  循环码 348
8.7.1  循环码的基本概念和定理 348
8.7.2  系统码结构的循环码 352
8.7.3  汉明循环码 359
8.7.4  BCH码* 361
8.8  卷积码 370
8.8.1  卷积码编码器的构造和表示方法 370
8.8.2  卷积码的卷积关系、生成矩阵与生成多项式 371
8.8.3  卷积码的监督矩阵与监督多项式矩阵 378
8.8.4  卷积码的伴随式与代数译码 380
8.8.5  卷积码的状态图、树图与网格图描述 385
8.8.6  卷积码的距离特性与转移函数 388
8.8.7  卷积码的概率译码原理 394
8.8.8  卷积码的维特比译码 396
8.8.9  维特比译码器的性能分析* 406
8.8.10  卷积码的码率变换操作——凿孔卷积码* 410
8.9  调制与编码的权衡 414
8.9.1  调制方式的权衡问题 414
8.9.2  带宽受限系统与功率受限系统 416
8.9.3  带宽与功率均受限的系统 417
8.10  本章小结 421
习题 421
主要参考文献 424
第9章  同步原理与技术 425
9.1  引言 425
9.2  锁相环 425
9.2.1  锁相环的组成 425
9.2.2  锁相环的工作原理 426
9.2.3  锁相环的基本性能分析 427
9.3  载波同步 430
9.3.1  直接提取法 430
9.3.2  插入导频法 435
9.3.3  载波相位的似然估计法* 436
9.4  符号同步 439
9.4.1  直接提取法 439
9.4.2  插入导频法 441
9.4.3  符号同步的似然估计法 441
9.4.4  载波相位和符号同步的联合估计 442
9.5  帧同步 444
9.5.1  帧同步标识符的周期性插入法 444
9.5.2  帧同步标识符的相关搜索法 447
9.6  本章小结 449
习题 450
主要参考文献 451
第10章  扩展频谱通信技术 453
10.1  扩频系统的基本概念 453
10.1.1  扩频系统的基本原理 453
10.1.2  扩频系统的分类 454
10.1.3  扩频系统的技术指标 456
10.1.4  扩频系统的优点 457
10.2  伪随机序列 457
10.2.1  m序列 458
10.2.2  Gold序列 462
10.3  直接序列扩频技术 463
10.3.1  BPSK直接序列扩频 463
10.3.2  QPSK直接序列扩频 465
10.4  跳频技术 466
10.4.1  跳频系统工作原理 466
10.4.2  跳频器 468
10.5  扩频系统的同步 470
10.5.1  扩频码的捕获 471
10.5.2  扩频码的跟踪 473
10.6  扩频技术的应用 476
10.6.1  扩频技术在军事通信中的应用 476
10.6.2  扩频技术在民用通信中的应用 477
10.7  本章小结 479
习题 479
主要参考文献 480
第11章  信道复用与多址技术 481
11.1  引言 481
11.2  频分复用与频分多址 482
11.3  时分复用与时分多址 483
11.4  码分复用与码分多址 485
11.5  空分复用与空分多址 487
11.6  统计复用与随机多址 488
11.7  综合复用 494
11.8  本章小结 495
习题 495
主要参考文献 496
附录  缩写索引表 497

展开

前言

前    言
数字通信已经为现代通信系统的一项基本技术。近几十年来，国内外出版了大量的有关通信原理和通信系统、特别是针对数字通信原理方面的教材，其中不乏优秀著作。这些教材各具特色，培养了一代又一代通信等领域的工程技术人员。随着20世纪末和21世纪初电子技术、信息技术和通信网络等工程应用技术的迅速发展，在高等学校中，信息与通信领域专业课程和教学内容的设置，也发生了许多变化。其中，最明显的改变是增设了许多基于计算机技术的各种专业课程，而原有包括通信原理在内的许多经典课程的教学课时数不得不受到压缩。同时，互联网的普及应用也使得学生获取各类知识的来源和内容变得更加丰富与多元化。因此，需要考虑如何在有限的课时内以更有效的方式介绍数字通信原理的内容。另外，随着计算机与数字信号处理软/硬件技术、可编程阵列器件和集成电路等技术的发展，通信系统，特别是数字通信系统的物理实现方式，也发生了很大的变化。通信系统中要实现的各种功能，已经极少以单元电路的形式出现，这些变化日益凸显通信系统的理论与各种算法的重要性。本书的编著者在撰写本书时，考虑了上述这些变化的因素。本书具有如下特点：
（1）本书对于学生在大学阶段需要掌握的数字通信的基本原理，进行了详尽的叙述。对于有关定理和重要的结论，只要其证明过程是在本科阶段本专业学生的数学知识能够接受的范围内，就都给出了完整的分析。其中对有些我们认为学生较难理解的知识点和重要方法的讨论，甚至到了不厌其烦的程度。通过这种方式，我们试图达到如下目的：让教师在本课程的有限课堂教学的学时中，重点讲授基本原理、物理概念和其他一些实例，而省略详细的证明过程。有关定理证明过程的所有数学分析和推导，基本上都以让学生自己在课后通过阅读本教材获得。
（2）考虑到数字通信原理是一门有关通信系统和技术的基础性课程，同时注意到现代通信系统主要基于专用的集成电路、计算机、高速数字信号处理器以及可编程阵列器件等方法构建和物理实现的特点，本书在内容安排上，除非涉及解释原理和概念的需要，基本上不涉及有关通信系统中某个功能单元电路的具体实现方面的问题。有关这些方面知识的了解，我们设想学生可以在了解基本原理的基础上，通过与数字通信原理课程配套的实验或课程设计等方式来达到。
（3）书中采用了大量的图示方法，如原理框图、频谱特性和信号波形等，来解释和描述通信过程中的各种物理现象，用以形象地反映通信系统中各种信号的特征，使读者可更好地加深对其物理概念的理解。
（4）注意到正交频分复用（OFDM）已经成为宽带无线通信系统的一项基本技术，本书与许多近期出版的通信原理教材一样，增加了有关这方面的内容。另外，考虑到无线通信的应用日益广泛，在介绍传输信道时突出了对无线信道特性的分析。同时，为强调信道特性对信号正确接收和解调的密切关联性，将信道均衡部分的内容整合到了传输信道这一章中。
（5）对于数字通信原理课程中原有的经典内容，在信息论基础方面，增加了有关信源编码方面的讨论。考虑到目前应用广泛的MSK和GMSK等信号的重要性，本书对其进行了详细讨论，对于其中难以用数学公式解释的信号解调过程，通过示例进行了分析和说明。同时，考虑到差错控制编码在数字通信系统中的重要性，本书对于线性分组码和卷积码的内容，特别是对BCH码的译码、卷积码的软译码和凿孔码等方面的内容，进行了较大的加强。另外，在同步方面，也讨论了更多的方法和技术。
（6）本书努力吸收了现有一些国外教材中有利于学生对加深数字通信原理的理解认识和知识的应用等方面的内容，如第2章中有关信号带宽的描述、第7章中有关信道特性的内容、第8章中有关调制与编码的权衡等。
（7）为提示读者对每一知识点的关注和阅读过程中对问题的理解，文中对每个较为重要的问题的讨论，前面都采用了文字经加重的标题，对每一段文字中首次出现的关键字，通常都用加重的楷体字体对其加以凸显。
本书对内容的表述和定理的证明力图详尽，对此我们也担心自学的读者在阅读过程中，可能会陷入对分析证明过程的细节的过于关注，反而忽略了对基本概念的方法和原理的理解与掌握。所以我们希望读者在学习过程中，要谨记最重要的不是了解一些定理证明或者解题的技巧，而是掌握数字通信的基本概念、基本原理和基本方法。而这些关键的知识，主要包含在定义、定理等基本内容中，所有有关细节的叙述、分析和讨论，都是为理解定义、定理等基本内容服务的。
本书介绍的主要是大学本科阶段通信原理课程的基本内容。全书共分11章，第1章绪论介绍通信的发展概况、通信系统的基本组成、数字通信的特点及通信系统的主要参数；第2章信号分析基础讨论本书中主要用到的信号分析和处理方法；第3章模拟信号的数字编码分析通信系统中模拟信号变为数字信号过程中的有关问题，引入各类脉冲编码调制的方法；第4章信息论基础介绍信息的定义、信息的度量、信源编码的基本概念和方法、香农有关信道容量的概念；第5章数字基带传输系统介绍信号波形设计和编码的基本原理、基带信号功率谱的分析方法、基带信号传输的基本准则和最佳接收的方法；第6章数字载波调制传输讨论各种数字载波调制与解调的原理以及各种方法的性能；第7章传输信道简要分析通信系统中各类信道的特性、不同条件下信道容量的估算以及信道估计与均衡的基本方法；第8章差错控制编码介绍实现差错控制的基本概念，讨论差错控制编码中最基本的线性分组码和卷积码编译码方法；第9章同步原理与技术分析锁相环的基本原理，研究载波同步、符号同步与帧同步等方法和技术；第10章扩展频谱通信技术介绍扩频的基本概念和作用，介绍直接序列扩频和跳频扩频的基本原理与方法；第11章信道复用与多址接入介绍信道复用与多用户如何接入到系统的基本概念和方法。本书中加“*”号的是内容加深的部分，初学者可以跳过而不会影响后面的学习。
本书中包含的基本内容，如各种编码与调制解调方式、香农定理、奈奎斯特准则、差错控制编码等，都是数字通信原理中最经典的内容，几乎会出现在任何一本通信原理的教科书中，因此本书中未列出这些经典内容的原始参考文献的出处。本书中每一章之后给出的参考文献，主要是在内容的表述方面对本书影响较大，或者是读者要对相关部分做进一步深入了解而需要阅读的文献，有些则是书中某些重要曲线或参数表的出处。毫无疑问，本书在撰写过程中参阅了国内外许多同行的著作，其中许多章节内容的表述方法都会受到这些著作的影响。特别是书中采用的习题，来自许多不同的教材和习题集中比较有代表性的题目，其中许多习题在各种教材中和习题集中反复出现。因此很难将这些文献详细列出，对这些文献的作者，在此一并深表感谢。
本书主要由冯穗力编撰，余翔宇参加了第3章和第11章的编写，柯峰参加了第5章的编写，余荣参加了第6章和第9章的编写，胡洁参加了习题部分的整理，刘圣海编写了第10章。全书由冯穗力整理、完善和定稿。余翔宇在书的编撰过程中做了许多与出版社间的协调工作，并参与了书稿最后的整理。
本书在编写过程中，得到了本书主编的研究生的大力支持，书中其中所有需要用公式计算得到的原始曲线均由周雄同学绘制，周珮诗、刘梦华、郭销淳和周雄等同学对本书的文字校订做了大量繁复的工作。没有他们的努力，要完成本书的编撰显然是困难的。本书在出版之前，曾作为讲义在华南理工大学2008级、2009级的信息工程专业（1）、（2）、（3）和（4）班的“数字通信原理”课程中使用，在此过程中同学们提出了许多宝贵的意见，其中解可可同学对同学们反映的问题做了特别多的整理和记录工作。在本书作为讲义使用期间，得到了华南理工大学电子与信息学院才建东和徐向民两位老师的大量支持和帮助，在此我们深表感谢。感谢叶梧老师对本书编撰过程中的指导工作。我们要特别感谢电子工业出版社高等教育分社对本教材出版的支持，高等教育分社的谭海平老师在全书的编撰过程中，对本书的风格、内容和篇幅取舍等方面给予了大量宝贵的指导意见。
本书提供有辅助教学的材料和习题的全部解答，使用本教材的老师可通过华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）免费注册获取，或通过邮件tan02@phei.com.cn获取。限于本书编著者的水平，书中一定存在许多有待完善之处甚至错误，欢迎读者通过出版社或各种方式提出指正问题的宝贵意见。
本书的编撰得到了华南理工大学教学改革项目资金的资助。



冯穗力     
于广州五山华工校园
2012年6月

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