內容簡介
《現代無綫通信原理》以衰落信道效應和相應傳輸性能改善方法為主綫,以通信信號分析與設計為基本方法,以通信傳輸係統模型框架為章節劃分依據,重點論述當前各類無綫通信傳輸係統中具有普遍性和代錶性的基本理論、基本概念和分析方法。主要內容包括:通信信號與係統的錶徵、無綫傳輸信道、無綫信道容量、數字調製信號及其功率譜密度、平坦衰落信道數字傳輸的接收與性能、分集技術等。
《現代無綫通信原理》內容豐富、概念清楚、取材新穎、係統性強,充分反映瞭國際上近年來先進無綫通信技術領域的新理論、新技術和新方法。
《現代無綫通信原理》可作為高等院校信息與通信工程一級學科下各專業以及電子與通信工程專業領域的研究生、高年級本科生的教材,也可作為信息與通信工程領域的工程技術人員和科研人員的參考書。
內頁插圖
目錄
前言
第1章 緒論
1.1 數字通信係統模型
1.1.1 信源
1.1.2 信源編碼
1.1.3 加密與信道編碼
1.1.4 數據調製與擴頻調製
1.1.5 載波調製
1.1.6 信道
1.1.7 同步與均衡
1.2 信道
1.2.1 加性噪聲信道
1.2.2 綫性濾波器信道
1.2.3 綫性時變濾波器信道
1.3 雙工、復用與多址
1.3.1 雙工
1.3.2 復用
1.3.3 多址
1.4 MIMO與空時處理
1.4.1 MIMO
1.4.2 空時處理
1.5 全數字接收機
1.6 通信係統的主要性能指標
1.7 無綫信道的鏈路估算
第2章 通信信號與係統的錶徵
2.1 帶通信號及係統的復基帶錶示
2.1.1 確知信號
2.1.2 帶通信號的復基帶錶示
2.1.3 綫性帶通係統的復基帶錶示
2.2 信號空間錶示法
2.2.1 矢量空間
2.2.2 信號空間概念
2.2.3 信號波形的矢量錶示
2.3 隨機信號
2.3.1 平穩與周期平穩隨機過程
2.3.2 帶通平穩隨機過程的錶示
2.3.3 帶限白高斯噪聲
習題
第3章 無綫傳輸信道
3.1 傳播模型
3.1.1 傳播特性
3.1.2 大尺度路徑損耗經驗模型
3.1.3 陰影慢衰落
3.2 平坦衰落信道
3.2.1 綫性時變信道模型
3.2.2 信號包絡相關與多普勒譜
3.2.3 信號包絡分布
3.2.4 信號相位分布
3.2.5 組閤衰落陰影分布
3.2.6 電平交叉率
3.2.7 平均衰落時段
3.2.8 空時相關
3.2.9 移動到移動信道
3.3 頻率選擇性衰落信道
3.3.1 確定綫性時變信道的係統函數
3.3.2 隨機綫性時變信道特徵
3.3.3 隨機綫性時變信道分類
3.3.4 頻率選擇性衰落信道特徵參數
3.3.5 頻率選擇性衰落信道模型
3.4 方嚮性衰落信道
3.4.1 雙嚮衝激響應
3.4.2 統計描述
3.4.3 MIMO信道響應矩陣
3.5 衰落信道仿真
3.5.1 窄帶(平坦)衰落信道的仿真
3.5.2 寬帶衰落信道仿真
3.5.3 M2M衰落信道仿真
習題
第4章 無綫信道容量
4.1 信道模型
4.1.1 無記憶離散信道
4.1.2 離散輸入連續輸齣信道
4.1.3 離散時間AWGN信道
4.1.4 AWGN波形信道
4.2 信息度量
4.2.1 離散信源
4.2.2 連續信源
4.3 加性高斯噪聲信道容量
4.3.1 功率約束高斯噪聲信道
4.3.2 帶限白高斯噪聲信道
4.3.3 香農信道容量公式
4.3.4 並行白高斯噪聲信道
4.3.5 並行色高斯噪聲信道
4.3.6 非理想綫性濾波信道
4.4 平坦衰落信道容量
4.4.1 含信道狀態信息的衰落信道容量
4.4.2 功率控製衰落信道容量
4.4.3 采用接收分集的信道容量
4.5 MIMO信道容量
4.5.1 MIMO信道模型
4.5.2 一般算法
4.5.3 CSI/CSI模式下MIMO信道容量
4.5.4 CDI/CSI模式下MIMO信道容量
習題
第5章 數字調製信號及其功率譜密度
5.1 奈奎斯特脈衝成形
5.2 數字調製信號錶示
5.2.1 無記憶調製信號
5.2.2 有記憶調製信號
5.3 調製信號功率譜
5.3.1 調製信號復包絡的功率譜密度
5.3.2 綫性調製信號功率譜
5.3.3 廣義CPM信號功率譜
5.3.4 完全響應CPM信號功率譜
習題
第6章 平坦衰落信道數字傳輸的接收與性能
6.1 接收信號的矢量錶示
6.2 一般矢量信道中的最優檢測
6.3 AWGN信道中相乾接收性能
6.3.1 PSK信號的差錯概率性能
6.3.2 M-QAM信號的差錯概率性能
6.3.3 正交信號的差錯概率
6.3.4 OFDM信號的檢測
6.3.5 MSK的差錯概率
6.3.6 AWGN信道中差分相乾檢測性能
6.4 AWGN信道中非相乾接收性能
6.4.1 AWGN信道中的最佳非相乾檢測器
6.4.2 M元正交信號的差錯概率
6.4.3 相關二進製信號包絡檢測的差錯概率
6.5 AWGN信道中cPM信號的檢測
6.5.1 相乾CPM解調器
6.5.2 非相乾CPM解調器
6.6 平坦慢衰落信道中的接收性能
6.6.1 相乾接收性能
6.6.2 非相乾接收性能
習題
第7章 分集技術
7.1 最大比閤並
7.1.1 瑞利衰落信道
7.1.2 Nakgami-m衰落信道
7.2 等增益閤並
7.2.1 相乾等增益閤並
7.2.2 差分檢測等增益閤並
7.2.3 非相乾平方律閤並
7.3 選擇閤並
7.3.1 相乾檢測選擇閤並
7.3.2 非相乾選擇閤並
7.4 切換閤並
7.5 最佳閤並
7.6 發送分集
習題
附錄A 通信係統分析中的常用概率分布
A.1 定義
A.1.1 連續隨機變量分布的描述
A.1.2 連續隨機變量的統計特性描述
A.2 二項式分布
A.3 泊鬆分布
A.4 高斯(正態)分布
A.5 對數正態分布
A.6 中心x2分布和伽馬分布
A.7 非中心x2分布
A.8 瑞利分布
A.9 萊斯分布
A.10 Nakagami-m分布
A.11 韋伯分布
A.12 Suzuki分布
A.13 隨機變量的仿真
A.14 尾部概率的邊界
A.14.1 切比雪夫不等式
A.14.2 馬爾可夫不等式
A.14.3 契爾諾夫上邊界
附錄B 復隨機矢量
B.1 復隨機變量
B.2 復隨機矢量的協方差
B.3 完全復隨機矢量
B.4 循環對稱復隨機矢量
參考文獻
前言/序言
近年來,無綫通信發展非常迅速,大量新標準、新係統不斷湧現。伴隨著這些具體標準和係統齣現的是大量的新技術、新理論和分析問題的新方法。目前關於無綫通信的書籍很多,但大部分是介紹具體標準和具體係統。然而以講述基本理論為主,適閤用作信息與通信工程學科的本科生和研究生教材的書籍並不多。目前比較流行的通信專業教材以西安電子科技大學樊昌信教授的《通信原理》和清華大學曹誌剛教授的《現代通信原理》為主。目前國內各高校信息與通信工程學科研究生大多使用Proakis的DigitalCom,munications(《數字通信》)作為教材,Proakis的《數字通信》內容很全麵,信源編碼、糾錯編碼、擴頻等內容均包括在內,內容豐富但較深,用於自學比較睏難,其內容涵蓋廣泛,使得初學者在學習過程中容易忽略對通信傳輸核心要義的把握。近年來,作者為信息與通信工程學科研究生開設“現代通信原理”學位課程,同時也為通信工程專業本科生開設“通信原理”課程。在參考國內外主要書籍的基礎上,根據上課效果逐漸形成一套講稿,同時又得到桂林電子科技大學研究生精品課程建設的支持,在講稿基礎上經多次修改,曆時三年多完善纔形成本書。
本書的宗旨是希望能夠適應無綫通信迅速發展的形勢,不局限於描述具體係統或標準的具體設計細節,而側重深入講述現代無綫通信傳輸係統的基本理論、概念和分析問題的方法,期望通過它使學生能在無綫通信理論方麵打下堅實的基礎,以便進一步從事相關的研究和技術工作。本書以衰落信道效應和相應傳輸性能改善方法為主綫,以通信信號分析與設計為基本方法,以通信傳輸係統模型框架為章節劃分依據,重點論述當前各類無綫通信傳輸係統中具有普遍性和代錶性的基本知識。
本書主要內容安排如下。
第1章:緒論。給齣數字通信係統模型框架,通過模型的介紹確定隨後章節的主要內容,將本書的重點鎖定在傳輸過程,信源編碼、信道編碼、擴頻等均不作詳細討論。介紹雙工、復用、多址等信道資源分配概念,簡述多輸入多輸齣(MIMO)技術、空時處理、全數字接收、軟件無綫電等新的發展趨勢,給齣係統性能指標的定義和鏈路估算的方法。
第2章:通信信號與係統的錶徵。以復基帶錶示和信號空間為主,並擴展到隨機信號。從確定信號齣發給齣確定性帶通信號和係統的復基帶錶示,從矢量空間概念齣發給齣信號空間概念和信號波形的矢量錶示方法,簡述平穩隨機過程和周期平穩隨機過程的概念,在此基礎上結閤帶通信號的復基帶錶示得到帶通平穩隨機過程的復錶示。後續章節中的信號分析是基於本章給齣的復基帶和矢量錶示。
第3章:無綫傳輸信道。主要討論衰落信道的特性與模型,包括傳播模型、平坦衰落信道、頻率選擇性衰落信道、方嚮性衰落信道和衰落信道仿真五個部分。平坦衰落信道包括基站到移動站信道、空時相關的上下行信道、移動到移動信道,詳細討論平坦衰落信道的各種特性;頻率選擇性衰落信道部分詳細介紹信道的分類、信道特徵參數以及信道模型;方嚮性衰落信道部分重點介紹雙嚮衝激響應和MIMO信道響應矩陣。
第4章:無綫信道容量。從離散信道和信息度量齣發,從帶限白高斯噪聲信道的信道容量分析齣發,擴展到並行白高斯和色高斯信道以及非理想綫性濾波信道的容量分析;對於平坦衰落信道,主要分析包含信道狀態信息、功率控製和采用接收分集條件下的信道容量分析;詳細分析不同信道信息狀態下的MIMO信道容量。
第5章:數字調製信號及其功率譜密度。詳細介紹目前比較常用的幾種無記憶調製和有記憶調製方法,包括正交頻分復用(OFDM)調製,在此基礎上詳細分析各種調製信號的功率譜密度。
第6章:平坦衰落信道數字傳輸的接收與性能。本章以統一的方法來分析加性白高斯噪聲(AWGN)信道和平坦衰落信道中數字調製信號的佳接收與差錯性能。首先給齣一般矢量信道中的佳檢測分析,在此基礎上對AWGN信道中相乾接收、非相乾接收以及連續相位調製(CPM)信號的接收進行性能分析,最後給齣瑞利和Nakagami-m兩種衰落形式下信號接收的性能分析方法,並給齣各種調製方式在相乾或非相乾接收下的接收性能結果。
第7章:分集技術。詳細分析各種接收分集閤並技術,針對瑞利和Naka,gami-m兩種衰落信道,在第6章性能分析的基礎上,詳細給齣比閤並、等增益閤並、選擇閤並、切換閤並和佳閤並下的性能分析,最後針對多天綫係統討論發送分集技術的實現。
附錄A介紹通信係統分析中常用概率分布的定義和相應的統計特性。
附錄B介紹本書在分析中經常用到的完全復隨機矢量和循環對稱復隨機矢量的定義和特性。
本書沒有將OFDM、MIMO等新技術單獨成章,而是根據通信係統模型框架將其分解到相應的各部分,形成統一思路。如對於MIMO係統,將MIMO係統的傳輸信道特性放到無綫信道一章,在傳統衰落信道分析方法的基礎上,考慮傳播方嚮性來構建MIMO信道模型,這樣既有利於學生對MIMO信道分析的理解,又有利於加深對衰落信道分析基本方法的掌握。
本書的MIMO信道容量(4,5節)中給齣的麯綫直接引用瞭Yang的著作Multicarrier Commun,ications-書和他在University of Southampton所用課件中的內容,其餘各章節中所繪麯綫全由作者通過數值計算或仿真得到。
本書內容豐富、概念清楚、取材新穎、係統性強,充分反映瞭國際上近年來先進無綫通信技術領域的新理論、新技術和新方法。全書內容由淺入深,定性分析與定量分析並舉,以適應不同層次的教學需求,在幾屆研究生的教學過程中反映良好。
本書的主要對象為信息與通信工程等相關學科的研究生.也可嚮下兼容大學高年級本科生(主要講授書中定性分析內容),嚮上兼容博士生(主要講授本書中定量分析內容和新技術),還可作為從事本專業研製、開發、維護專業技術人員的主要技術參考書。
本書得到桂林電子科技大學研究生精品課程建設的支持,本書的編寫工作得到桂林電子科技大學信息與通信學院、認知無綫電與信息處理省部共建教育部重點實驗室以及廣西無綫寬帶通信與信號處理重點實驗室的大力支持,特此緻謝。
由於作者纔疏學淺,書中不妥之處在所難免,熱切希望廣大讀者多提寶貴意見和具體修正意見,以便進一步修改完善。
作者的電子郵件地址:914854024@qq.com。
作者
2014年12月
《信息洪流中的奧秘:穿越電波的智慧》 在信息爆炸的時代,我們早已習慣瞭指尖輕觸便能連接世界,語音交談跨越山海,高清視頻實時呈現。然而,在這看似尋常的便利背後,隱藏著怎樣一套精巧絕倫的科學體係?《信息洪流中的奧秘:穿越電波的智慧》將帶您一同深入探索,揭開現代通信技術背後那層神秘的麵紗,領略人類智慧如何駕馭無形的電波,構建起如今高度互聯的社會。 本書並非一本枯燥的技術手冊,而是一次充滿啓發性的思想之旅。我們將從最基礎的物理原理齣發,逐步剖析信息是如何被編碼、調製、發射,又如何在復雜的環境中穿梭,最終被準確無誤地接收和解碼。這本書的核心在於“理解”而非“記憶”,它旨在幫助讀者建立起對無綫通信係統整體運作的深刻認知,體會其中蘊含的科學之美與工程之巧。 第一部分:信息傳遞的基石——從原子到信號 一切的起點,是構成世界的微觀粒子。我們將從認識電磁波的本質談起,瞭解它們是如何産生、傳播,以及與物質的相互作用。您會驚嘆於自然界中看似無處不在的電磁現象,如何被科學傢們巧妙地捕捉和利用。從基礎的振蕩電路,到復雜的信號生成技術,我們將一步步搭建起信息傳遞的“橋梁”。 電磁波的誕生: 學習法拉第和麥剋斯韋的偉大發現,理解電場和磁場如何相互激發,形成奔騰不息的電磁波。我們將探討不同頻率的電磁波在宇宙中的角色,以及它們如何成為信息傳遞的天然載體。 信號的語言: 信息需要載體,而載體需要“語言”。本書將詳細介紹數字信號和模擬信號的區彆,以及它們在通信中的不同應用。您將瞭解到,我們所發送的每一個文本、每一段語音,最終都將轉化為一係列有序的電脈衝或波形。 編碼與解碼的藝術: 如何將復雜的信息轉化為簡潔的信號?我們將深入淺齣地講解各種編碼技術,例如二進製編碼、ASCII編碼等,讓您理解信息在傳輸前的“變身”過程。同時,解碼的原理也同樣重要,它決定瞭接收端如何“聽懂”發送端的話。 第二部分:電波的舞蹈——調製與多路復用 光有信號是不夠的,還需要將它們“送上”電波這輛高速列車。這一部分將聚焦於調製技術,這是將信息“嫁接”到載波上的關鍵步驟。您將瞭解到,不同的調製方式如何決定信號的傳輸效率、抗乾擾能力以及頻譜利用率。 幅度、頻率與相位的秘密: AM、FM、PM,這些看似簡單的縮寫背後,蘊含著豐富的數學和物理原理。我們將詳細解析這些基本的調製技術,並探討它們在廣播、電視等領域的應用。 數字調製的飛躍: 隨著數字通信的興起,QAM、PSK等更復雜的數字調製技術應運而生。本書將以生動的圖示和通俗的語言,揭示這些技術如何實現更高的信息密度和更強的抗噪聲能力,為我們提供更清晰、更快速的數據傳輸。 同舟共濟:多路復用技術: 在有限的頻譜資源下,如何讓更多用戶同時使用通信網絡?多路復用技術是解決這一難題的關鍵。我們將介紹頻分復用(FDM)、時分復用(TDM)、碼分復用(CDM)以及正交頻分復用(OFDM)等核心技術,讓您理解不同用戶和不同信號如何“和諧共存”,實現資源的最大化利用。 第三部分:穿越迷宮——無綫信道的挑戰與應對 電波的傳播並非一帆風順,它們會遇到空氣、牆壁、雨雪等各種障礙,經曆反射、摺射、衍射和散射。這些因素都會導緻信號的衰減、失真甚至丟失。本書的這一部分將帶領您深入瞭解無綫信道的復雜性,以及科學傢們為剋服這些挑戰所設計的智慧。 信號的衰減與多徑傳播: 理解信號強度隨距離衰減的規律,以及信號在傳播過程中由於反射和摺射形成的“多徑效應”。您將瞭解到,正是多徑效應導緻瞭信號的失真和“ the fading”(衰落)。 抗衰落的“盾牌”: 為瞭對抗信號衰落,研究人員發明瞭各種巧妙的技術。我們將重點介紹分集技術(如空間分集、頻率分集)和糾錯編碼,它們如何通過冗餘信息和多樣化的接收路徑,最大限度地減少衰落的影響,保證通信的可靠性。 乾擾的“陰影”: 無綫頻譜是共享的,這意味著信號會受到來自其他設備的乾擾。本書將探討各種乾擾的來源,以及濾波器、均衡器等技術如何在接收端“淨化”信號,提取齣純淨的信息。 第四部分:現代通信的脊梁——關鍵技術與係統架構 在掌握瞭基本原理之後,我們將進入現代通信係統的核心。這一部分將聚焦於支撐起我們信息生活的關鍵技術和係統架構,讓您對手機、Wi-Fi、藍牙等背後的原理有一個更清晰的認識。 蜂窩通信的奧秘: 從第一代到如今的第五代,蜂窩通信技術經曆瞭翻天覆地的變革。我們將深入剖析其“小區”劃分、頻率復用、切換等核心機製,理解手機是如何在移動中保持穩定連接的。 Wi-Fi 與藍牙:近距離的無綫革命: 您每天使用的Wi-Fi和藍牙,是如何在傢庭和辦公室環境中實現高效通信的?本書將為您揭示其頻段選擇、協議設計以及功率控製等關鍵技術,讓您瞭解這些“看不見的手”如何連接您的設備。 未來通信的展望: 隨著技術的發展,6G、物聯網、衛星通信等新興領域正在不斷湧現。我們將對這些前沿技術進行簡要介紹,展望信息通信的未來發展方嚮,以及它們將如何繼續改變我們的生活。 《信息洪流中的奧秘:穿越電波的智慧》 是一本為所有對現代科技充滿好奇的讀者量身打造的書籍。無論您是希望更深入地理解日常通信工具的原理,還是對信息科學領域感興趣的學生,亦或是尋求拓展知識視野的專業人士,這本書都將為您打開一扇通往信息世界的大門。 本書力求用最直觀、最生動的方式,將復雜的科學原理轉化為易於理解的知識。通過豐富的實例、生動的比喻和清晰的圖示,您將不再被晦澀的公式和術語所睏擾,而是能真正體會到信息傳遞的魅力。 在這場穿越電波的智慧之旅中,您將不僅學到科學知識,更能培養一種科學思維方式,學會如何分析問題、解決問題,並從中發現隱藏在信息洪流中的無限可能。準備好,一同聆聽電波的低語,感受信息傳遞的澎湃力量吧!