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图书内容

内容简介

本书系统地阐述现代数字调制的基础理论、技术原理、性能评估、实现方法、典型应用等，分为上、下两册。其中，上册第1～4章依次介绍数字调制概论、数字信号和系统分析、随机信号处理、基带数字信号传输等基础理论；第5～10章从已调信号相位路径分析入手，深入阐述恒包络数字调制与解调技术原理、关键技术、实现方案、功率谱与误码率分析等。下册重点介绍MPSK和MQAM等高阶调制和OFDM调制的基本原理、解调关键技术及其接收机设计方法，并简要介绍数字调制技术在宽带无线接入、新一代移动通信、数字卫星通信等领域的应用。

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ISBN：9787121269417

开本：16开

页数：580

字数：934

本书目录

目    录
第1章  绪论	1
1.1  数字调制的主要类型	2
1.2  现代数字调制的发展	2
1.3  与数字调制有关的几个重要概念	3
1.3.1  应用场景与信道模型	3
1.3.2  信号传输的基本要求	8
1.3.3  恒包络调制信号的特征	9
1.3.4  已调信号的相位路径	10
1.4  数字调制的主要技术指标及评估方法	11
1.4.1  已调信号的功率谱密度	11
1.4.2  解调误比特率	11
1.4.3  已调信号峰均比	12
1.4.4  已调信号的频谱效率	13
1.4.5  调制解调器的实现复杂度	14
1.5  本书主要内容	14
第2章  系统和信号分析	16
2.1  系统和信号	16
2.1.1  信号的分类	16
2.1.2  系统的分类	17
2.2  信号的傅里叶级数表达式	18
2.2.1  复指数傅里叶级数	18
2.2.2  周期信号的傅里叶级数表达式	19
2.3  信号傅里叶变换的表达式	22
2.3.1  非周期信号傅里叶变换的表达式	22
2.3.2  周期性功率信号的傅里叶变换	24
2.3.3  变换定理	25
2.4  功率谱密度	29
2.5  系统响应和滤波	32
2.5.1  冲激响应、阶跃响应和时域分析	32
2.5.2  传输函数及其频域分析	32
2.5.3  传输函数对频谱密度的影响	33
2.5.4  实际滤波器和理想滤波器	33
2.6  调制和解调运算的频谱分析	35
2.7  频谱测量和计算	37
2.7.1  频谱仪	37
2.7.2  傅里叶级数系数的数值计算	38
2.7.3  傅里叶变换的数值计算	39
2.8  带通信号及其系统的低通等效法	40
2.8.1  窄带带通信号	40
2.8.2  线性窄带带通系统	43
2.8.3  线性窄带带通系统的响应	44
2.8.4  带通信号的运算	46
2.8.5  带通信号的相关	47
2.9  本章小结	48
第3章  随机信号理论	50
3.1  引言	50
3.2  概率引论	51
3.2.1  定义	51
3.2.2  随机事件的概率	51
3.2.3  联合概率和条件概率	52
3.3  离散随机变量	54
3.3.1  概率质量函数	54
3.3.2  统计平均	55
3.3.3  概率质量函数的举例	56
3.4  连续随机变量	57
3.4.1  概率密度函数和统计平均	57
3.4.2  概率密度函数的举例	58
3.4.3  随机变量的变换	60
3.5  随机过程的理论基础	62
3.5.1  定义和符号	63
3.5.2  平稳性、时间平均和各态历经性	65
3.5.3  平稳随机过程的功率谱密度	66
3.5.4  复随机过程	72
3.5.5  带通平稳随机过程的低通等效法	73
3.6  高斯随机过程	75
3.7  马尔科夫序列	75
3.7.1  离散信源	75
3.7.2  马尔科夫序列（或链）的统计模型	77
3.8  循环平稳随机过程	85
3.8.1  问题的提出	85
3.8.2  循环平稳随机过程的定义	87
3.8.3  循环平稳随机过程的统计模型	88
3.8.4  循环平稳随机过程的自相关函数	89
3.8.5  循环平稳过程的功率谱密度	98
3.9  系统和随机信号	114
3.9.1  无记忆系统的响应	114
3.9.2  线性非时变系统的响应	115
3.10  通信系统中的噪声	117
3.10.1  热噪声	117
3.10.2  窄带噪声的时域表示式	119
3.10.3  信噪比和误差概率	124
3.10.4  噪声等效带宽、等效噪声温度和噪声系数	125
3.11  小结	130
第4章  基带数字信号传输	131
4.1  引言	131
4.2  基带二进制PAM系统与奈奎斯特第一准则	133
4.2.1  基带脉冲形成	133
4.2.2  最佳发送和接收滤波器	136
4.2.3  设计方法举例	140
4.2.4  奈奎斯特第一准则	141
4.3  部分响应系统与奈奎斯特第二准则	142
4.3.1  双二进制基带PAM系统工作原理	142
4.3.2  改进的双极制系统	149
4.3.3  部分响应技术	153
4.3.4  各类部分响应系统的性能比较	157
4.4  奈奎斯特第三准则	158
4.5  发送信号频谱的形成	160
4.5.1  预编码对信号频谱的影响	160
4.5.2  用数字方法形成脉冲	165
4.6  均衡	166
4.7  眼图	169
4.7.1  眼图的基本概念	169
4.7.2  几个重要参数的定量分析	170
4.7.3  眼图	176
4.8  简单的布尔运算引入的误码扩散	178
4.9  小结	181
第5章  不连续相位路径的数字调制（I）	182
5.1  二进制数字调制的一般概念	182
5.2  二进制数字调制信号的最佳检测	183
5.2.1  误比特率Pe的表达式	183
5.2.2  最佳接收滤波器的传递函数	186
5.2.3  最佳检测接收机	187
5.3  二相相移键控（2PSK）	189
5.3.1  绝对移相（BPSK）	189
5.3.2  相对移相（DPSK）	191
5.3.3  二相PSK信号的功率谱密度	192
5.4  二相PSK信号解调	193
5.4.1  相干PSK解调	193
5.4.2  差分相干PSK解调	194
5.4.3  载波提取	197
5.4.4  位同步提取	202
5.5  小结	208
第6章  不连续相位路径的数字调制（II）	210
6.1  四相相移键控（QPSK）	210
6.1.1  QPSK调制	210
6.1.2  QPSK相干解调	212
6.1.3  DQPSK解调	214
6.2  QPSK的码变换逻辑	214
6.2.1  QPSK的相位逻辑	215
6.2.2  调制器与解调器的相位逻辑	218
6.2.3  QPSK的差分编/译码器	221
6.2.4  DQPSK中调制解调器以及差分编/译码器之间的配合	236
6.3  DQPSK的误码扩散	238
6.3.1  差分译码器输出误码率的通用表达式	238
6.3.2  三种不同差分译码器的误码率	239
6.3.3  三种差分译码器误码扩散的比较	247
6.4  四相系统QPSK系统的载波同步	247
6.4.1  四次方环	247
6.4.2  科斯塔斯环	248
6.4.3  逆调制环	250
6.4.4  判决反馈环	253
6.5  交错正交相移键控（OQPSK）	254
6.5.1  OQPSK的基本特点	255
6.5.2  OQPSK原理	255
6.5.3  OQPSK信号的解调	258
6.6  小结	258
第7章  线性连续相位路径的数字调制	259
7.1  二进制频移键控（FSK）	259
7.1.1  相干FSK	261
7.1.2  非相干FSK	262
7.2  最小频移键控（MSK）	263
7.2.1  快速频移键控（FFSK）	263
7.2.2  最小频移键控（MSK）	278
7.2.3  MSK与FFSK之间的关系	285
7.3  MSK调制/解调器的实现方法	289
7.3.1  MSK调制器	289
7.3.2  MSK解调器	292
7.4  串行MSK（SMSK）	306
7.4.1  串行MSK的特点	306
7.4.2  变换滤波器的设计	306
7.4.3  变换滤波器的等效低通实现	309
7.4.4  用于MSK的匹配滤波器	310
7.5  频移交错正交调制（FSOQ）	312
7.5.1  FSOQ原理	312
7.5.2  相干载波和定时恢复	317
7.6  小结	319
第8章  非线性连续相位路径的数字调制	320
8.1  正弦频移键控（SFSK）	320
8.1.1  引言	320
8.1.2  正弦频移键控	321
8.1.3 “阿莫罗索（AMOROSO）型”OQPSK	326
8.2  平滑调频（TFM）	330
8.2.1  引言	330
8.2.2  TFM的工作原理	331
8.2.3  TFM系统的实现	339
8.3  无符号间干扰和抖动—交错正交相移键控（IJF-OQPSK）	344
8.3.1  引言	344
8.3.2  IJF的工作原理	346
8.3.3  IJF-OQPSK调制与解调	355
8.3.4  部分响应(PR)-LJF-OQPSK调制	361
8.4  互相关相移键控（XPSK）	363
8.4.1  调制与解调方案	364
8.4.2  XPSK系统的性能	370
8.5  调制前高斯滤波的MSK（GMSK）	372
8.5.1  GMSK的基本原理	373
8.5.2  GMSK调制/解调的实现	379
8.6  载波恢复	386
8.6.1  两种类型的载波恢复原理	386
8.6.2  四相判决反馈环提取TFM相干载波的原理	387
8.7  小结	398
第9章  理论频谱和误比特率	399
9.1  数字调角信号功率谱密度的分析方法	399
9.1.1  一阶马尔科夫链方法	400
9.1.2  矩阵方法	400
9.1.3  最易实现的数值计算方法	438
9.2  各种调制方式的信号表示	460
9.3  QPSK的功率谱密度	462
9.3.1  QPSK基带数字信号	462
9.3.2  QPSK低通复包络信号	464
9.4  OQPSK的功率谱密度	468
9.5  MSK和SFSK的功率谱密度	474
9.5.1  MSK	475
9.5.2  SFSK	483
9.6  IJF-OQPSK的功率谱密度	485
9.6.1  IJF基带信号的功率谱密度	486
9.6.2  IJF-OQPSK信号的低通等效功率谱密度	491
9.7  FSOQ的功率谱密度	494
9.8  TFK和GMSK的功率谱密度	498
9.8.1  计算CPFSK信号功率谱密度的程序框图	498
9.8.2  TFM的功率谱密度	500
9.8.3  GMSK的功率谱密度	502
9.9  几种调制方式频谱特性的比较	502
9.10  频谱形状的物理解释	505
9.11  理论误比特率	510
9.12  小结	516
第10章  实际频谱及误比特率	517
10.1  带限非线性信道的描述	517
10.1.1  信道模型	517
10.1.2  非线性特性的描述	518
10.2  带限硬限幅下的频谱	523
10.2.1  OQPSK（QPSK）、MSK、SFSK的实际频谱	523
10.2.2  IJF-OQPSK和PR-IJF-OQPSK的实际频谱	533
10.2.3  理想硬限幅与饱和高功放引起信号频谱的扩展	537
10.3  带限软限幅下的频谱	538
10.4  带限非线性信道下的实际误比特率	542
10.4.1  OQPSK（QPSK）和MSK的实际误比特性能	542
10.4.2  IJF-OQPSK和PR-IJF-OQPSK的实际误比特率	544
10.4.3  非线性多信道下XPSK系统的误比特率性能	552
10.5  小结	553
附录A	554
A.1  频段划分	554
A.2  傅里叶变换	554
A.3  Q函数	555
A.4  误差函数	556
A.5  式（7.24）和式（7.25）的证明	559
A.6  最大似然接收的误比特率	560
A.7  带通和等效低通信号功率谱密度之间的关系	561
参考文献

展开

前言

前    言
数字调制位于通信协议的最低层——物理层，譬如作为互联网基本协议的TCP/IP，数字调制位于该协议的物理层（网络接口层的子层）。为了实现物理层协议，需要在物理层中采用多种技术措施，而数字调制则是其中最重要的一种。该协议要求层中的数据按帧结构排列，每帧都由前导码和数据码组成。前导码是帧同步头，数据码是来自数据链路层的数据帧（data frame）。为了能够在物理层中有效和可靠地传输数据码，需要把数字调制与信道编码作为一个整体进行设计，并称它为调制和编码方案（MCS），通常把MCS看成物理层中的“引擎”。选择MCS时应以数字调制为主，即首先根据物理层需要传输的数据速率和允许系统占用的带宽来选择数字调制方式，而后再根据系统对误比特率的要求来选择与数字调制相适应的信道编码方式。
选择数字调制方式首先需要满足信道频带利用率的要求，提高信道频带利用率有两种方法。第一种是在信息传输速率一定的条件下，通过对已调波形的设计，使已调信号的频谱尽量变窄，这样就可减少占用的信道带宽，从而提高信道频带利用率。第二种是在占用信道带宽一定的条件下，通过对已调波形的设计，使其传输的信息速率尽量提高，从而也可以提高信道频带利用率，而且所得到的信道频带利用率往往要高于第一种方法。
除了需要满足信道频带利用率要求外，选择数字调制方式时还应考虑系统的功率转换效率这一性能指标。由于信道频带利用率和功率转换效率这两个性能指标是相互矛盾而不可兼得的，只能以一个指标为主兼顾另一个指标，因此实用中选择调制方式也有以下两种方案。
方案1：高功率转换效率——恒包络调制
为了实现高的功率转换效率，系统中的高功放只能在非线性状态下工作。由于这个原因，凡是利用信号幅度来传送信息的调制方式都不能使用，而只能使用恒包络或准恒包络的调制方式。高阶调制QAM是幅度和相位联合调制，因而不能应用，故方案1的信道频带利用率较低。按照已调信号相位路径的不同，恒包络调制又可划分为连续相位路径和非连续相位路径两类。方案1用于卫星通信和深空通信中。
在方案1中，提高信道频带利用率采用了前述的第一种方法，这也就是本书上册所要讨论的主要内容。上册第1～4章为基础部分，第5～10章专门讨论恒包络或准恒包络的数字调制。
方案2：高信道频带利用率——高阶调制
为了传输视频信号，特别是高清（high definition）和在线（on-line）的视频信号，要求系统必须能够传送较高的数据速率，但系统允许占用的频带又是有限的。在这种情况下，就要求选用高阶调制（如MQAM）进行映射，把输入的二进制比特序列转变为输出的多进制符号序列，使得一个符号中含有若干个比特。高阶QAM调制的幅度也是用来传送信息的，因此高功放必须在线性状态下工作，故方案2的功率转换效率较低。此外，方案2中的另外一个问题是：由于高阶调制一个符号中包含有若干个比特，当发射机功率受限时，就会使每比特的能量信噪比下降，从而造成系统误比特率增大。为了使系统误比特率达到要求，MCS中必须采用强有力的纠/检错的措施，为此国际电信联盟（ITU）规定，移动通信系统中的MCS必须采用Turbo码。方案2用于移动通信和无线局域网（WLAN）中。
在方案2中，提高信道频带利用率采用了前述的第二种方法，这也就是本书下册所要讨论的主要内容。下册第1～4章专门讨论高阶调制（MPSK和QAM）和正交频分复用（OFDM），第5章讨论数字调制在WLAN、移动通信和卫星通信中的应用。
虽然本书涉及内容较广、深度较深，但在编写时非常注意条理性和前后内容的连贯性，因此只要认真、耐心地读下去，其中的难点都是可以克服的。
最后，向本书参考文献中所有的作者们深表谢意，从你们的著作和论文中学到了大量的知识，这对完成本书的编写给予了极大的帮助。
此外，需要指出的是：
1．作者王士林教授和蔡云飞高级工程师在TCL集团任职期间所积累的理论和实际知识在本书下册中都有所体现；
2．本书上册第10章中的仿真工作是由解放军理工大学讲师许魁博士带领王飞同学协助完成的；
3．本书的电子版制作及校验得到解放军理工大学王健博士的全力帮助，同时也得到了陈刚、李来扛、田辉、随楠楠、曹天威、王雨榕、沈先丽等研究生同学和王玲莉女士的大力帮助；
4．本书编写过程中，得到解放军理工大学徐友云教授研究团队的张冬梅、马文峰、谢威、王聪、李宁等教员的支持和帮助；
5．本书编写过程中，一直得到解放军理工大学李广侠、傅麒麟、钱关海、张杭、张更新、杨婷等教授和电子工业出版社编辑的支持和帮助；
6．本书编写过程中始终得到林英玲女士给予的精神上的鼓励和生活上的关心。
在此，对以上单位和个人，作者一并表示感谢！
由于作者水平有限，谬误之处敬请指正！

作  者      
2015年5月     

电子邮箱：
徐友云：yyxu@vip.sina.com
蔡云飞：caiyf1962@163.com
王士林：18014720309@163.com

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