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本书可作为高等学校通信工程、电子信息工程等相关专业作为教材使用。

内容简介

本书以现代通信技术为背景，全面、系统地论述了通信的基本理论，包括信号、信道、调制解调技术、信源编码、数字信号特征、同步技术、扩频技术等。在内容安排上，既全面论述了通信的基本理论，又深入分析了现代通信系统，包括无线通信、光纤通信、网络通信等系统的原理和架构。本书可作为高等学校通信工程、电子信息工程等相关专业作为教材使用。

作者简介

谢慧，海军工程大学，副教授，廖巍，海军工程大学，副教授

目录

第1章信号与系统概述
1��1引言
1��2信号的描述与分类
1��2��1信号的描述
1��2��2信号的分类
1��3系统的描述与分类
1��3��1系统的描述
1��3��2系统的分类
1��4典型信号
1��4��1典型连续时间信号
1��4��2典型离散时间信号
1��5信号的基本运算
1��5��1信号的加减、相乘
与卷积
1��5��2信号的平移、反折
与展缩
1��5��3连续信号的微分与积分
1��5��4离散信号的差分与累加
小结
习题
第2章信号通过LTI系统的时域分析
2��1LTI连续时间系统的时域
描述
2��2LTI离散时间系统的时域
描述
2��3LTI连续系统的经典时域
分析法
2��3��1系统的微分方程及其
求解
2��3��2零输入响应与零状态
响应
2��3��3单位冲激响应和单位阶跃
响应

2��4LTI离散系统的经典时域
分析法
2��4��1差分方程及其求解
2��4��2零输入响应与零状态
响应
2��4��3单位序列响应与单位阶跃
序列响应
2��5卷积积分的计算
2��5��1卷积的计算
2��5��2卷积的性质
2��5��3奇异信号的卷积
小结
习题
第3章信号通过LTI系统的频域分析
3��1周期信号的傅里叶级数
3��1��1三角函数型傅里叶级数
3��1��2指数型傅里叶级数
3��2周期信号的频谱
3��2��1周期信号频谱的概念及
特点
3��2��2周期信号的功率谱
3��3连续非周期信号的频谱——
傅里叶变换
3��3��1傅里叶变换的定义
3��3��2典型非周期信号的频谱
3��3��3傅里叶变换的性质
3��4连续信号通过LTI系统的频域
分析
3��4��1基本信号激励下LTI系统
的频域分析
3��4��2周期信号激励下LTI系统
的频域分析
3��4��3非周期信号激励下LTI
系统的频域分析
3��5离散信号的频域分析
3��5��1周期序列的离散时间傅里
叶级数（DTFS）
3��5��2非周期序列的离散时间傅
里叶级数（DTFT）
3��5��3离散傅里叶变换
（DFT）
小结
习题
第4章通信导论
4��1通信系统的组成
4��1��1通信系统的一般模型
4��1��2模拟通信模型和数字通信
模型
4��2通信系统的分类及通信
方式
4��2��1通信系统分类
4��2��2通信方式
4��3通信的发展史和发展趋势
4��3��1通信的发展史
4��3��2国内外通信系统
的现状
小结
习题
第5章通信的基本概念和原理
5��1信息论与编码基础
5��1��1信息及其度量
5��1��2离散信息源的熵
5��1��3通信系统的性能指标
5��2信道与噪声
5��2��1信道
5��2��2信道容量
5��3编码基础
5��3��1纠错编码的概念
5��3��2纠错编码的几种方法
5��4信道复用与多址技术
5��4��1频分复用
5��4��2时分复用
5��4��3码分复用
5��4��4多址技术
小结
习题
第6章模拟信号的调制技术
6��1线性调制技术
6��1��1振幅调制（AM）
6��1��2双边带调制（DSB）
6��1��3单边带调制（SSB）
6��1��4残留边带调制（VSB）
6��2非线性调制技术
6��2��1调频技术
6��2��2调相技术
6��2��3非线性调制信号的产生与
解调
小结
习题
第7章数字通信技术
7��1模拟信号的数字传输
7��1��1模拟信号的抽样
7��1��2抽样信号的量化
7��1��3抽样信号的PCM编码
7��2数字基带传输技术
7��2��1数字基带信号的常用
码型
7��2��2数字基带传输系统
性能
7��3数字频带传输技术
7��3��1二进制振幅键控
（2ASK）
7��3��2二进制频移键控
（2FSK）
7��3��3二进制相移键控
（2PSK）
7��3��4二进制差分相移键控
（2DPSK）
小结
习题
第8章卫星通信系统
8��1卫星通信概述
8��1��1卫星通信的定义及
特点
8��1��2卫星通信系统的组成
8��1��3卫星通信的工作频段
8��2卫星通信的关键技术
8��2��1卫星通信体制概述
8��2��2卫星通信中的调制技术
8��3卫星通信系统
8��3��1移动卫星通信系统
8��3��2VSAT卫星通信系统
小结
习题
第9章光纤通信系统
9��1光纤概述
9��1��1光纤通信发展简史
9��1��2光纤的结构
9��1��3光纤的基本特性
9��2光纤传输设备
9��2��1光发送机
9��2��2光接收机
9��2��3光中继器
9��3光纤通信新技术
9��3��1光孤子通信
9��3��2相干光通信
9��3��3全光通信网
9��3��4超长波红外光纤通信
小结
习题
第10章短波通信系统
10��1短波通信概述
10��1��1短波传播的方式
10��1��2短波在电离层中的传播
特性
10��1��3短波天线
10��2短波信道技术
10��2��1短波自适应通信技术
10��2��2短波扩跳频通信技术
10��3短波通信网技术
10��3��1短波通信网拓扑结构
10��3��2短波自组网路由协议
小结
习题
参考文献

前言/序言

《数字通信系统分析与设计》 引言 在当今信息爆炸的时代，通信技术已成为现代社会发展的基石，深刻地影响着我们的工作、生活乃至整个文明的进程。从早期的电报电话，到如今覆盖全球的移动通信网络和高速互联网，通信技术的进步速度令人惊叹。而这一切的背后，是无数工程师和科学家们对通信原理的深入研究和对工程实现的不断突破。《数字通信系统分析与设计》旨在为读者提供一个全面而深入的视角，理解和掌握现代数字通信系统的核心理论、关键技术以及实际设计中的挑战与解决方案。本书并非对某一本特定教材的复述，而是融合了数字通信领域多年来积累的知识精华，力求以一种系统化、理论与实践相结合的方式，帮助读者构建起扎实的数字通信知识体系。 本书的理论基石 本书的开篇将从数字通信最根本的数学和概率论基础入手，这是理解后续所有内容的前提。我们将深入探讨随机过程的统计特性，包括平稳性、遍历性等，并重点分析噪声的统计模型，如高斯白噪声，理解其在通信系统中的不可避免性和影响。在此基础上，我们将详细阐述信息论的基本概念，如信息熵、互信息、信道容量等，这有助于我们理解信息传输的极限和通信系统的效率。 接着，本书将进入数字信号处理的核心内容。傅里叶变换及其在信号分析中的应用将是重点，包括离散傅里叶变换（DFT）、快速傅里叶变换（FFT）等算法，它们是理解信号频谱特性的关键。滤波器的设计与实现，包括FIR和IIR滤波器，将详细介绍各种设计方法及其性能指标，为后续的信号处理奠定基础。采样定理和量化理论也将被深入剖析，这对于将模拟信号转化为数字信号至关重要，理解过采样、欠采样以及不同量化器的原理和优缺点。 数字调制与解调的艺术 本书的很大一部分篇幅将专门用于探讨数字调制与解调技术。我们将从最基本的数字基带传输开始，分析线性调制和带通调制技术。线性调制方面，我们将详细介绍幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）的基本原理，以及它们在不同应用场景下的优缺点。例如，ASK简单易实现但抗噪声能力较弱，FSK在一定程度上可以提高抗噪声能力，而PSK则通过相位变化来编码信息，有多种变体如BPSK、QPSK、8PSK等，每种都有其特定的性能优势和权衡。 我们还将深入研究更为高级的调制方案，如正交幅度调制（QAM）。QAM通过同时改变幅度和相位来承载信息，能够显著提高频谱利用率，是现代高速数据传输如Wi-Fi、4G/5G移动通信等广泛采用的关键技术。本书将详细分析不同阶数的QAM（如16QAM、64QAM、256QAM）的星座图、功率谱密度以及在有噪声信道下的误码率性能。 在解调部分，我们将详细讲解相干解调和非相干解调的技术。对于相干解调，我们将探讨载波同步的重要性以及各种载波恢复技术，如PLL（锁相环）。对于非相干解调，我们将分析其实现方式和性能限制。此外，对于匹配滤波器和最优接收机的概念，以及它们如何最大程度地降低错误概率，也将进行深入的理论推导和实例分析。 信道编码与纠错机制 在实际通信系统中，信道噪声和干扰是不可避免的，它们会导致信息的失真甚至错误。信道编码技术是抵抗这些不利因素，提高通信可靠性的关键。本书将从信道编码的基本原理出发，介绍线性分组码，如汉明码，以及它们的译码方法。 然后，我们将重点介绍卷积码。卷积码在信息论的早期研究中占据重要地位，其编码过程是通过移位寄存器和模二加法器实现的。本书将详细讲解卷积码的编码器结构、状态图、码树以及维特比译码算法。维特比算法是一种最大似然译码算法，能够有效地从带有噪声的接收信号中恢复原始信息。 我们还将探讨更强大的纠错码，如Turbo码和LDPC码。Turbo码是早期准零差错的编码技术，其核心思想是并行级联两个简单的卷积码，并使用迭代译码来逼近香农限。LDPC码（低密度奇偶校验码）是另一类高性能的纠错码，它具有良好的渐进性能，并且可以通过并行译码实现高吞吐量，在5G通信、卫星通信等领域得到广泛应用。本书将深入分析这些码的结构、译码原理以及它们在实际系统中的性能表现。 多址接入技术与现代通信系统 在许多通信场景中，多个用户需要共享同一通信信道。多址接入技术应运而生，以允许多个终端有效地接入和使用网络资源。本书将全面介绍几种主要的多址接入技术。 首先是频分多址（FDMA），它将通信频带划分为若干个子频带，每个用户分配一个或多个子频带。接着是时分多址（TDMA），它将时间划分为若干个时隙，每个用户在指定时隙内发送数据。然后是码分多址（CDMA），它利用正交的扩频码来区分不同的用户，允许用户在同一频带和同一时间内进行通信。CDMA因其良好的抗干扰能力和频率复用效率在移动通信领域曾扮演重要角色。 最后，我们将重点介绍正交频分复用（OFDM）。OFDM是一种将高速数据流分解为多个低速数据流，并在多个正交的子载波上并行传输的技术。OFDM克服了多径衰落对传统单载波系统的严重影响，并能有效地提高频谱利用率，是Wi-Fi、4G、5G移动通信以及数字电视广播等现代通信系统的核心技术。本书将详细阐述OFDM的原理、IFFT/FFT的实现、循环前缀的作用以及其在实际系统中的应用。 多径传播与均衡技术 无线通信环境的复杂性在于信道的非理想性，其中最突出的问题之一是多径传播。信号在传播过程中会遇到各种障碍物（如建筑物、地形），产生反射、折射和衍射，导致信号沿多条路径到达接收端。这些不同路径到达的时间差和衰减差异会导致接收信号产生严重的衰落和失真，形成码间串扰（ISI）。 本书将深入分析多径传播的统计模型，包括瑞利衰落和莱斯衰落模型，并探讨这些衰落对通信系统性能的影响。为了克服多径传播带来的码间串扰，均衡技术至关重要。我们将介绍各种均衡器，如线性均衡器（如DFE，判决反馈均衡器）和非线性均衡器。此外，自适应均衡器的概念及其在动态变化信道中的应用也将被详细讲解。 先进通信技术展望 随着通信技术的飞速发展，本书还将对一些前沿领域进行初步的探讨。包括： MIMO（多输入多输出）技术：利用多根天线来提高通信容量和可靠性。 认知无线电：智能化的无线通信系统，能够感知周围的无线电环境并动态调整自身的通信参数。 软件定义无线电（SDR）：通过软件来灵活实现各种无线通信功能，提高系统的可重构性和可升级性。 人工智能在通信中的应用：利用机器学习和深度学习技术来优化信道估计、信号检测、资源分配等。 结论 《数字通信系统分析与设计》旨在为读者提供一个系统、深入的数字通信学习体验。本书将理论与实际工程问题紧密结合，通过严谨的数学推导和丰富的实例分析，帮助读者理解数字通信系统的每一个环节。无论您是通信工程专业的学生，还是希望深入了解现代通信技术原理的工程师，本书都将是您宝贵的参考。通过对本书的学习，读者将能够掌握设计、分析和优化现代数字通信系统的核心能力，为未来通信技术的创新与发展贡献力量。