數(shù)字通信基礎(chǔ)

前言

　　過去幾十年間，數(shù)字通信領(lǐng)域發(fā)展迅速，有關(guān)有線通信網(wǎng)（如數(shù)字用戶線、電纜、光纖）、無線通信（如蜂窩電話和無線局域網(wǎng)）以及存儲(chǔ)介質(zhì)（如光盤、硬盤）的商業(yè)應(yīng)用蓬勃展開。受這些應(yīng)用的驅(qū)使，大量本科生和研究生投身數(shù)字通信領(lǐng)域，但是他們常常被理解通信理論所必需的數(shù)學(xué)背景所嚇倒。數(shù)字通信領(lǐng)域的優(yōu)秀教師可以通過實(shí)例講解來減輕學(xué)生的這種恐懼，并且僅涉及直接與應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)的概念。本書的目的就是提供一本講稿式的數(shù)字通信教材，在保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐瑫r(shí)，還要使讀者容易理解。它也適合作為希望復(fù)習(xí)基本概念的工程師的自學(xué)參考。　　本書是數(shù)字通信課程的基礎(chǔ)教材，既可以用一門課講授，也可以用兩門連續(xù)的課程講授?！　”緯w了下列專題：信號(hào)和噪聲的復(fù)基帶表示（以及與現(xiàn)代收發(fā)機(jī)實(shí)現(xiàn)的關(guān)系）；調(diào)制（重點(diǎn)是線性調(diào)制）；解調(diào)（從檢測(cè)理論基礎(chǔ)開始）；色散信道上的通信，包括均衡和多載波調(diào)制；利用信息論的性能基準(zhǔn)計(jì)算；現(xiàn)代編碼策略基礎(chǔ)（包括卷積碼和turbo類碼）；以及有關(guān)無線通信的介紹。雖然對(duì)內(nèi)容的選擇反映了我的個(gè)人偏好，但是本書所涉及的概念涵蓋了大量本行業(yè)的知識(shí)。如果學(xué)生掌握了這些內(nèi)容，那么他就具備了通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)，可以利用研究論文和標(biāo)準(zhǔn)文檔等資源繼續(xù)進(jìn)行深入研究?！　”緯M織　　第1章簡要介紹了數(shù)字通信的概念。第2章和第3章分別介紹了調(diào)制和解調(diào)技術(shù)，并且包含了我認(rèn)為有助于理解現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)材料。另外，第2章還介紹了有關(guān)信號(hào)與系統(tǒng)的適當(dāng)背景知識(shí)，重點(diǎn)講解了通帶信號(hào)和系統(tǒng)的復(fù)基帶表示。把重點(diǎn)放在復(fù)基帶上面，是因?yàn)樗乾F(xiàn)代數(shù)字收發(fā)機(jī)算法設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。在研究生階段中，很多同學(xué)可能已經(jīng)對(duì)數(shù)字通信有了一定了解，老師可以選擇只在課堂上講述一些關(guān)鍵概念并讓同學(xué)們自學(xué)本章內(nèi)容。第3章重點(diǎn)介紹了檢測(cè)和估計(jì)理論的應(yīng)用以推出AWGN（Additive White Gaussian Noise，加性高斯白噪聲）信道的最佳接收機(jī)，并將不同調(diào)制策略的性能描述為E/N的函數(shù)形式。同時(shí)，還簡要介紹了軟判決和鏈路預(yù)算分析。　　一旦同學(xué)們牢固掌握了第2章和第3章的內(nèi)容，余下的章節(jié)或多或少都是自成體系的。第4章以AWGN中信號(hào)的似然比推導(dǎo)為開端，建立了對(duì)延時(shí)和相位等參數(shù)進(jìn)行估計(jì)的框架?；诖丝蚣埽茖?dǎo)了最優(yōu)非相干接收機(jī)。第5章描述了信道均衡中用到的關(guān)鍵思想，包括維特比算法中用到的MLSE（Maximum Likelihood Sequence Estimation，最大似然序列估計(jì)）、線性均衡和判決反饋均衡等。第6章簡要介紹了信息論，重點(diǎn)描述了性能基準(zhǔn)的計(jì)算。由于turbo類碼為各種信道模型提供了一個(gè)逼近信息論極限的框架，所以對(duì)于通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)者而言，性能基準(zhǔn)的計(jì)算顯得越來越重要。第7章介紹了信道編碼，重點(diǎn)是讓讀者理解turbo類碼的基本結(jié)構(gòu)和迭代譯碼算法。本章內(nèi)容包括卷積碼、串行級(jí)聯(lián)turbo碼和并行級(jí)聯(lián)turbo碼、LDPC（LOW DensityParity Check，低密度奇偶校驗(yàn)）碼。最后，第8章介紹了無線通信，討論了信道模型、衰落、分集以及無線系統(tǒng)中常用的調(diào)制樣式，如正交頻分復(fù)用、擴(kuò)譜、連續(xù)相位調(diào)制、多天線或空時(shí)通信等。無線通信這個(gè)話題涉及的內(nèi)容很多，適用領(lǐng)域也很廣，所有通信類的書都會(huì)介紹，所以本章的目標(biāo)僅限于介紹部分現(xiàn)有和新興無線系統(tǒng)鏈路設(shè)計(jì)概念。希望這種管中窺豹式的介紹能夠激發(fā)讀者深入探索的興趣。

內(nèi)容概要

　　《數(shù)字通信基礎(chǔ)》是數(shù)字通信領(lǐng)域內(nèi)的一本優(yōu)秀教材，系統(tǒng)介紹了調(diào)制、解調(diào)、非相干通信、信道均衡、信息論、信道編碼、無線通信等內(nèi)容?！稊?shù)字通信基礎(chǔ)》內(nèi)容新穎，結(jié)構(gòu)完整，每章后都附有大量習(xí)題，便于讀者進(jìn)一步學(xué)習(xí)和研究?！　　稊?shù)字通信基礎(chǔ)》適合作為電氣與計(jì)算機(jī)工程專業(yè)高年級(jí)本科生和研究生教材，對(duì)于通信業(yè)工程技術(shù)人員，《數(shù)字通信基礎(chǔ)》也極具參考價(jià)值。

作者簡介

　　麥德豪（Upamanyu Madlnow），博士，IEEE會(huì)士，無線通信和通信網(wǎng)領(lǐng)域知名學(xué)者。曾任職于貝爾通信實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)任加州大學(xué)圣巴巴拉分校電氣與計(jì)算機(jī)工程系教授，致力于無線通信新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。他擁有8項(xiàng)美國專利，并著有多篇頗有影響力的論文，被業(yè)內(nèi)人士廣泛引用。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 數(shù)字通信系統(tǒng)的組成1.2 本書結(jié)構(gòu)1.3 深入閱讀第2章 調(diào)制2.1 預(yù)備知識(shí)2.2 復(fù)基帶表示2.3 隨機(jī)過程的頻譜描述2.4 調(diào)制自由度2.5 線性調(diào)制2.5.1 線性調(diào)制的例子2.5.2 線性調(diào)制信號(hào)占用的頻譜2.5.3 奈奎斯特準(zhǔn)則：帶寬與符號(hào)率的關(guān)系2.5.4 以線性調(diào)制為基本模塊2.6 正交調(diào)制和雙正交調(diào)制2.7 差分調(diào)制2.8 深入閱讀2.9 習(xí)題2.9.1 信號(hào)與系統(tǒng)2.9.2 復(fù)基帶表示2.9.3 隨機(jī)過程2.9.4 調(diào)制第3章 解調(diào)3.1 高斯基礎(chǔ)3.2 假設(shè)檢驗(yàn)基礎(chǔ)3.3 信號(hào)空間概念3.4 AWGN下的最佳接收3.4.1 ML判決準(zhǔn)則的幾何結(jié)構(gòu)3.4.2 軟判決3.5 ML接收的性能分析3.5.1 二進(jìn)制信號(hào)的性能3.5.2 M進(jìn)制信號(hào)的性能3.6 比特級(jí)解調(diào)3.7 鏈路預(yù)算分析元素3.8 深入閱讀3.9 習(xí)題3.9.1 高斯基礎(chǔ)3.9.2 假設(shè)檢驗(yàn)基礎(chǔ)3.9.3 AWGN信道的接收機(jī)設(shè)計(jì)和性能分析3.9.4 鏈路預(yù)算分析3.9.5 一些數(shù)學(xué)推導(dǎo)第4章 同步與非相干通信4.1 接收機(jī)設(shè)計(jì)需求4.2 參數(shù)估計(jì)基礎(chǔ)4.3 同步參數(shù)估計(jì)4.4 非相干通信4.4.1 復(fù)合假設(shè)檢驗(yàn)4.4.2 最優(yōu)非相干解調(diào)4.4.3 差分調(diào)制和解調(diào)4.5 非相干通信的性能4.5.1 正則復(fù)高斯4.5.2 二進(jìn)制非相干通信的性能4.5.3 M進(jìn)制非相干正交信號(hào)的性能4.5.4 DPSK的性能4.5.5 分組非相干解調(diào)4.6 深入閱讀4.7 習(xí)題第5章 信道均衡5.1 信道模型5.2 接收機(jī)前端5.3 眼圖5.4 MLSE5.5 次優(yōu)均衡器設(shè)計(jì)的幾何模型5.6 線性均衡5.6.1 自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)5.6.2 性能分析5.7 判決反饋均衡5.8 MLSE的性能分析5.8.1 聯(lián)合界5.8.2 轉(zhuǎn)移函數(shù)界5.9 均衡技術(shù)的數(shù)值比較5.10 深入閱讀5.11 習(xí)題第6章 信息論極限及其計(jì)算6.1 AwGN信道的容量：建模與幾何6.1.1 從連續(xù)時(shí)間到離散時(shí)間6.1.2 離散時(shí)間AWGN信道的容量6.1.3 從離散時(shí)間到連續(xù)時(shí)間6.1.4 離散時(shí)間AwGN模型的總結(jié)6.2 香農(nóng)理論基礎(chǔ)6.2.1 熵、互信息和散度6.2.2 信道編碼理論6.3 一些容量計(jì)算6.3.1 標(biāo)準(zhǔn)星座的容量6.3.2 并行高斯信道和注水原理6.4 輸入分布優(yōu)化6.4.1 凸優(yōu)化6.4.2 最優(yōu)輸入分布的表征6.4.3 計(jì)算最優(yōu)輸入分布6.5 深入閱讀6.6 習(xí)題第7章 信道編碼7.1 二進(jìn)制卷積碼7.1.1 非遞歸非系統(tǒng)編碼7.1.2 遞歸系統(tǒng)編碼7.1.3 最大似然譯碼7.1.4 ML譯碼性能分析7.1.5 量化觀測(cè)的性能分析7.2 turbo碼及迭代譯碼7.2.1 BCJR算法：軟入，軟出譯碼7.2.2 對(duì)數(shù)BCJR算法7.2.3 源自卷積碼的turbo結(jié)構(gòu)7.2.4 turbo碼的BER性能7.2.5 外部信息轉(zhuǎn)移圖7.2.6 turbo碼碼重枚舉7.3 LDPC碼7.3.1 編碼理論的一些術(shù)語7.3.2 規(guī)則LDPC碼7.3.3 非規(guī)則LDPC碼7.3.4 消息傳遞及密度進(jìn)化7.3.5 置信傳播7.3.6 高斯近似7.4 帶寬有效編碼調(diào)制7.4.1 BICM7.4.2 TCM7.5 代數(shù)碼7.6 深入閱讀7.7 習(xí)題第8章 無線通信8.1 信道建模8.2 衰落與分集8.2.1 瑞利衰落的影響8.2.2 編碼與交織實(shí)現(xiàn)分集8.2.3 接收分集技術(shù)8.3 正交頻分復(fù)用8.4 直接序列擴(kuò)頻技術(shù)8.4.1 Rake接收機(jī)8.4.2 擴(kuò)頻序列選擇8.4.3 CDMA系統(tǒng)傳統(tǒng)接收性能8.4.4 DS—CDMA系統(tǒng)多用戶檢測(cè)技術(shù)8.5 跳頻擴(kuò)頻8.6 連續(xù)相位調(diào)制8.6.1 GMSK8.6.2 勞倫特?cái)U(kuò)展與接收機(jī)設(shè)計(jì)8.7 空時(shí)通信8.7.1 空時(shí)信道建模8.7.2 信息論極限8.7.3 空間復(fù)用8.7.4 空時(shí)編碼8.7.5 發(fā)射波束形成8.8 深入閱讀8.9 習(xí)題附錄A 概率、隨機(jī)變量和隨機(jī)過程附錄B Chemoff界附錄C 詹森不等式參考文獻(xiàn)索引

章節(jié)摘錄

　　信道通信信道的物理特性千差萬別，良好的信道模型對(duì)于設(shè)計(jì)高效的通信系統(tǒng)是至關(guān)重要的。雖然接收機(jī)熱噪聲對(duì)大多數(shù)通信系統(tǒng)都有損害，但是由信道引起的發(fā)射波形的失真程度在不同設(shè)置下有顯著區(qū)別。有線通信信道可以很好地建模為一個(gè)線性時(shí)不變系統(tǒng)，因?yàn)樵阪溌方㈦A段可以從接收機(jī)得到反饋信息，所以通常假設(shè)發(fā)射機(jī)端已知調(diào)制器工作頻帶的傳遞函數(shù)。例如，在雙絞線上的高速DSL（Digital Subscriber Line，數(shù)字用戶線）系統(tǒng)中，利用了信道反饋選擇信道增益高的頻率以發(fā)送更多信息。另一方面，對(duì)于無線移動(dòng)通信，由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，信道是時(shí)刻變化的，這對(duì)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)和接收機(jī)設(shè)計(jì)都會(huì)造成影響。（對(duì)于發(fā)射機(jī)來說，無法得到準(zhǔn)確的信道反饋；對(duì)于接收機(jī)來說，要么必須估計(jì)信道特性，要么必須使用不需要準(zhǔn)確估計(jì)信道特性的設(shè)計(jì)方案。）此外，由于無線信道是一個(gè)廣播媒介，必須避免由于同時(shí)傳送信息所引起的多址干擾。避免多址干擾的方法有兩種：一是選擇恰當(dāng)?shù)馁Y源共享機(jī)制，二是設(shè)計(jì)干擾條件下性能健壯的發(fā)射信號(hào)波形和接收機(jī)?！　〗庹{(diào)器和信道譯碼器解調(diào)器處理的是發(fā)射波形失真并疊加了噪聲后到達(dá)接收機(jī)的模擬波形。解調(diào)器的一個(gè)關(guān)鍵任務(wù)是同步：必須考慮到信道可能產(chǎn)生相位、頻率和時(shí)間偏移的實(shí)際情況，并且發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的時(shí)鐘或晶振有可能事先沒有進(jìn)行同步校準(zhǔn)。解調(diào)器的另一個(gè)任務(wù)可能是信道均衡，也就是補(bǔ)償色散信道引起的ISI（InterSymbol Interference，碼間干擾）。解調(diào)器的最終目標(biāo)是對(duì)傳輸給信道譯碼器的符號(hào)進(jìn)行嘗試性的判決。判決可能是“硬”判決（例如，解調(diào)器將某個(gè)特定比特判為0或1），也可能是“軟”判決（例如，解調(diào)器估計(jì)某個(gè)特定比特為0或1的概率）。信道譯碼器利用信道編碼中的見余信息來改善解調(diào)器輸出碼元序列的質(zhì)量，最終目標(biāo)是重構(gòu)輸入給信道編碼器的原始信息符號(hào)序列。在傳統(tǒng)的接收機(jī)設(shè)計(jì)中，解調(diào)器和譯碼器是獨(dú)立工作的，然而最近的編碼和通信理論研究表明，解調(diào)器和譯碼器之間的反復(fù)信息交換可顯著提升接收機(jī)的性能。

媒體關(guān)注與評(píng)論

　　“進(jìn)入通信行業(yè)多年，我已經(jīng)成功設(shè)計(jì)了不少數(shù)字通信系統(tǒng)。可以說，如果不是受益于Madhow博士直觀有效的講解方式，我不可能這么牢固地掌握數(shù)字通信基礎(chǔ)知識(shí)，甚至不可能像今天這樣游刃有余地工作?！薄　　x者評(píng)論

編輯推薦

　　近十年來，數(shù)字通信技術(shù)發(fā)展迅猛，已經(jīng)深入人們?nèi)粘Ｉ畹拿總€(gè)角落，如寬帶上網(wǎng)、手機(jī)、數(shù)字電視等。受這些應(yīng)用的驅(qū)使，大量人才投身數(shù)字通信行業(yè)，但他們常常被通信理論所需的數(shù)學(xué)知識(shí)嚇倒?！　adhow博士擁有多年科研和教學(xué)工作經(jīng)驗(yàn)，深知如何通過講解實(shí)例來減輕這種恐懼?！稊?shù)字通信基礎(chǔ)》在保持知識(shí)嚴(yán)謹(jǐn)性的同時(shí)。通過各種方式讓讀者輕松掌握通信理論。書中首先建立了調(diào)制和解調(diào)的經(jīng)典基礎(chǔ)概念，接著介紹了同步、非相干通信、信道均衡、信息論、信道編碼、無線通信等高級(jí)概念；此外，還涵蓋了turbo碼和LDPC碼的相關(guān)內(nèi)容，讀者既可以據(jù)此實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行性能評(píng)估，也可以僅僅以它們?yōu)樾阅芑鶞?zhǔn)進(jìn)行性能對(duì)比。　　《數(shù)字通信基礎(chǔ)》特色：使用復(fù)基帶表示作為收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的統(tǒng)一框架；包括空時(shí)通信等不同調(diào)制樣式的無線鏈路設(shè)計(jì)；非相干通信和均衡的幾何內(nèi)涵。

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