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第1章 信号和频谱1

1.1 数字通信信号处理2

1.1.1 为什么要进行数字化2

1.1.2 典型通信系统的方框图3

1.1.3 基本的数字通信术语8

1.1.4 数字通信与模拟通信的性能比较9

1.2 信号分类9

1.2.1 确定信号和随机信号9

1.2.2 周期信号和非周期信号10

1.2.3 连续信号和离散信号10

1.2.4 能量信号和功率信号10

1.2.5 单位冲激函数11

1.3 频谱密度12

1.3.1 能量谱密度12

1.3.2 功率谱密度12

1.4 自相关函数14

1.4.1 能量信号的自相关函数14

1.4.2 周期（功率）信号的自相关函数14

1.5 随机信号14

1.5.1 随机变量15

1.5.2 随机过程16

1.5.3 时间平均和各态遍历18

1.5.4 随机过程的功率谱密度和自相关函数19

1.5.5 通信系统中的噪声22

1.6 线性系统的信号传输24

1.6.1 冲激响应25

1.6.2 频域传递函数26

1.6.3 无失真传输27

1.6.4 信号、电路和频谱32

1.7 数字数据的带宽34

1.7.1 基带与带通34

1.7.2 带宽问题35

1.8 小结39

参考文献39

习题39

思考题42

练习42

第2章 格式化和基带调制43

2.1 基带系统45

2.2 格式化文本数据（字符编码）45

2.3 消息、字符和码元48

2.3.1 消息、字符和码元的例子48

2.4 格化式模拟信息49

2.4.1 采样定理49

2.4.2 混叠54

2.4.3 采用过采样的原因57

2.4.4 数字系统的信号接口59

2.5 干扰源59

2.5.1 采样和量化的影响59

2.5.2 信道的影响60

2.5.3 量化脉冲的信噪比60

2.6 脉冲编码调制62

2.7 均匀量化和非均匀量化63

2.7.1 语音幅度的统计63

2.7.2 非均匀量化64

2.7.3 压扩特性64

2.8 基带传输66

2.8.1 二进制数字的波形表示66

2.8.2 PCM波形的类型67

2.8.3 PCM波形的频谱特性69

2.8.4 比特每PCM码字以及比特每码元70

2.8.5 M进制脉冲调制波形71

2.9 相关编码73

2.9.1 双二进制信号73

2.9.2 双二进制解码74

2.9.3 预编码74

2.9.4 双二进制码等效转移函数75

2.9.5 二进制信号与双二进制信号的比较77

2.9.6 多二进制信号77

2.10 小结77

参考文献78

习题78

思考题80

练习80

第3章 基带信号解调与检测81

3.1 信号和噪声82

3.1.1 通信系统中差错性能的劣化82

3.1.2 解调和检测82

3.1.3 信号和噪声的矢量表示85

3.1.4 数字通信系统中的信噪比参数90

3.1.5 Eb/No作为度量指标的原因91

3.2 高斯噪声干扰下二进制信号的检测92

3.2.1 最大似然接收机结构92

3.2.2 匹配滤波器94

3.2.3 匹配滤波器的相关实现96

3.2.4 最佳差错性能98

3.2.5 二进制信号的差错概率性能101

3.3 码间串扰105

3.3.1 降低码间串扰的脉冲整形107

3.3.2 差错性能劣化的两种类型109

3.3.3 整形脉冲的解调／检测112

3.4 均衡115

3.4.1 信道特性115

3.4.2 眼图116

3.4.3 均衡滤波器的类型117

3.4.4 预置式均衡与自适应均衡121

3.4.5 滤波器更新率123

3.5 小结124

参考文献124

习题125

思考题127

练习127

第4章 带通调制和解调128

4.1 为什么需要调制128

4.2 数字带通调制技术129

4.2.1 正弦信号的相量表示131

4.2.2 相移键控133

4.2.3 频移键控134

4.2.4 幅移键控134

4.2.5 振幅相位联合键控134

4.2.6 波形振幅系数135

4.3 高斯噪声背景下的信号检测135

4.3.1 判决区域135

4.3.2 相关接收机136

4.4 相干检测140

4.4.1 PSK的相干检测140

4.4.2 采样匹配滤波器141

4.4.3 多相相移键控的相干检测145

4.4.4 FSK的相干检测147

4.5 非相干检测149

4.5.1 差分PSK的检测149

4.5.2 二进制差分PSK举例151

4.5.3 FSK的非相干检测152

4.5.4 非相干正交FSK信号需要的频率间隔154

4.6 复包络157

4.6.1 调制器的正交实现158

4.6.2 D8PSK调制举例158

4.6.3 D8PSK解调举例160

4.7 二进制系统的差错性能161

4.7.1 BPSK相干检测的误比特率161

4.7.2 差分编码二进制PSK相干检测的误比特率163

4.7.3 二进制正交FSK相干检测的误比特率164

4.7.4 二进制正交FSK非相干检测的误比特率164

4.7.5 二进制DPSK的误比特率166

4.7.6 各种调制类型误比特率的比较168

4.8 M进制信号及其性能169

4.8.1 理想误比特率性能169

4.8.2 M进制信号169

4.8.3 MPSK信号的矢量图171

4.8.4 BPSK和QPSK具有相同的误比特率172

4.8.5 MFSK信号的矢量图173

4.9 M进制系统的误码性能（M＞2）176

4.9.1 MPSK的误码率176

4.9.2 MFSK的误码率177

4.9.3 正交信号误比特率和误码率之比较180

4.9.4 多相信号误比特率与误码率之比较180

4.9.5 码间串扰的影响181

4.10 小结182

参考文献182

习题182

思考题185

练习185

第5章 通信链路分析186

5.1 系统工程中的系统链路预算186

5.2 信道187

5.2.1 自由空间的概念187

5.2.2 差错性能的降低187

5.2.3 信号损耗和噪声的来源188

5.3 接收信号功率和噪声功率191

5.3.1 量程方程191

5.3.2 接收信号功率与频率的函数关系194

5.3.3 路径损耗与频率的关系195

5.3.4 热噪声功率197

5.4 链路预算分析198

5.4.1 两个重要的Eb/No值200

5.4.2 链路预算的分贝形式201

5.4.3 链路余量的充足值201

5.4.4 链路可用率202

5.5 噪声系数、噪声温度和系统温度207

5.5.1 噪声系数207

5.5.2 噪声温度209

5.5.3 线路损耗209

5.5.4 复合噪声系数和复合噪声温度211

5.5.5 系统有效温度212

5.5.6 天电噪声温度216

5.6 采样链路分析220

5.6.1 链路预算细节220

5.6.2 接收机品质因素222

5.6.3 各向同性接收功率222

5.7 卫星中继223

5.7.1 非再生中继223

5.7.2 非线性中继放大器227

5.8 系统权衡228

5.9 小结228

参考文献229

习题229

思考题233

练习233

第6章 信道编码（一）234

6.1 波形编码234

6.1.1 对极和正交信号236

6.1.2 M进制信号处理237

6.1.3 波形编码237

6.1.4 波形编码系统举例240

6.2 差错控制类型242

6.2.1 终端连接242

6.2.2 自动重发请求243

6.3 结构化序列244

6.3.1 信道模型244

6.3.2 编码效率和冗余度245

6.3.3 奇偶校验码246

6.3.4 使用纠错编码的原因248

6.4 线性分组码252

6.4.1 矢量空间252

6.4.2 矢量子空间252

6.4.3 （6,3）线性分组码举例253

6.4.4 生成矩阵254

6.4.5 系统线性分组码255

6.4.6 监督矩阵256

6.4.7 伴随式检验257

6.4.8 纠错258

6.4.9 译码器的实现261

6.5 检错和纠错能力263

6.5.1 二进制矢量的重量和距离263

6.5.2 线性码的最小距离263

6.5.3 检错和纠错263

6.5.4 6元组空间的视图266

6.5.5 擦除纠正268

6.6 标准阵的用途268

6.6.1 估码能力268

6.6.2 （n,k）码的一个例子269

6.6.3 （8,2）码的设计270

6.6.4 检错和纠错的权衡271

6.6.5 标准阵提供的知识274

6.7 循环码274

6.7.1 循环码的代数结构274

6.7.2 二进制循环码的特性276

6.7.3 系统形式的编码276

6.7.4 多项式除法电路278

6.7.5 （n-k）级移位寄存器的系统编码279

6.7.6 （n-k）级移位寄存器检错281

6.8 常用分组码282

6.8.1 汉明码282

6.8.2 扩展格雷码285

6.8.3 BCH码285

6.9 小结288

参考文献288

习题288

思考题292

练习292

第7章 信道编码（二）293

7.1 卷积编码293

7.2 卷积编码器表示295

7.2.1 连接表示295

7.2.2 状态描述和状态图298

7.2.3 树图300

7.2.4 网格图301

7.3 卷积译码公式303

7.3.1 最大似然译码303

7.3.2 信道模型：硬判决和软判决的比较304

7.3.3 维特比卷积译码算法307

7.3.4 维特比卷积译码算法举例307

7.3.5 译码器的实现310

7.3.6 路径记忆与同步312

7.4 卷积码的特性313

7.4.1 卷积码的距离特性313

7.4.2 系统卷积码和非系统卷积码316

7.4.3 卷积码中的灾难性错误传播316

7.4.4 卷积码的性能界限317

7.4.5 编码增益318

7.4.6 最常用的卷积码319

7.4.7 卷积码的编码效率权衡321

7.4.8 软判决维特比译码321

7.5 其他卷积译码算法322

7.5.1 序贯译码322

7.5.2 维特比译码和序贯译码的比较及限制325

7.5.3 反馈译码326

7.6 小结328

参考文献328

习题330

思考题333

练习333

第8章 信道编码（三）334

8.1 里德-索罗蒙码334

8.1.1 里德-索罗蒙码的差错概率335

8.1.2 突发噪声情况下R-S码性能良好的原因337

8.1.3 作为分组大小、冗余度和编码效率函数的R-S性能338

8.1.4 有限域340

8.1.5 里德-索罗蒙编码345

8.1.6 里德-索罗蒙码的译码348

8.2 交织及链接码354

8.2.1 分组交织354

8.2.2 卷积交织358

8.2.3 链接码358

8.3 应用于激光唱盘数字音频系统中的编码和交织技术360

8.3.1 CIRC编码361

8.3.2 CIRC译码362

8.3.3 内插和静音364

8.4 Turbo码366

8.4.1 Turbo码概念366

8.4.2 对数似然代数学369

8.4.3 乘积码举例369

8.4.4 递归系统码的编码375

8.4.5 反馈译码器379

8.4.6 MAP算法382

8.4.7 MAP译码举例387

8.5 小结391

附录8A 对数似然比求和392

参考文献393

习题394

思考题399

练习399

第9章 调制和编码的权衡400

9.1 通信系统设计的目标400

9.2 差错概率平面401

9.3 奈奎斯特最小带宽401

9.4 香农-哈特莱容量定理403

9.4.1 香农极限406

9.4.2 熵407

9.4.3 疑义度和有效传输率409

9.5 带宽-效率平面411

9.5.1 MPSK、MFSK调制的带宽效率411

9.5.2 带宽效率平面与差错概率平面的相似性412

9.6 调制和编码的权衡413

9.7 数字通信系统的定义、设计和评估414

9.7.1 M进制信号处理414

9.7.2 带宽受限系统415

9.7.3 功率受限系统416

9.7.4 MPSK和MFSK信号的要求416

9.7.5 未编码带宽受限系统举例417

9.7.6 未编码功率受限系统举例419

9.7.7 带宽受限和功率受限编码系统举例420

9.8 高效带宽调制426

9.8.1 QPSK和偏移QPSK426

9.8.2 最小频移键控429

9.8.3 正交振幅调制432

9.9 带宽受限信道的调制与编码435

9.9.1 商用电话调制解调器435

9.9.2 信号星座图边界436

9.9.3 更高维数的信号星座图436

9.9.4 高密度网格结构439

9.9.5 综合增益：N维球体映射和密集网格440

9.10 网格编码调制440

9.10.1 网格编码调制的思想441

9.10.2 TCM编码442

9.10.3 TCM译码445

9.10.4 其他网格编码447

9.10.5 网格编码调制举例448

9.10.6 多维网格编码调制452

9.11 小结452

参考文献452

习题454

思考题457

练习457

第10章 同步458

10.1 简介458

10.1.1 同步定义458

10.1.2 代价和收益459

10.1.3 途径和假设460

10.2 接收机同步460

10.2.1 频率和相位同步460

10.2.2 码元同步——离散码元调制477

10.2.3 连续相位调制同步481

10.2.4 帧同步486

10.3 网同步489

10.3.1 开环发射机同步490

10.3.2 闭环发射机同步492

10.4 小结494

参考文献494

习题495

思考题497

练习497

第11章 多路复用和多址接入498

11.1 通信资源的分配498

11.1.1 频分复用／频分多址499

11.1.2 时分复用／时分多址505

11.1.3 通信资源信道化507

11.1.4 FDMA和TDMA的性能比较508

11.1.5 码分多址511

11.1.6 空间分割和极化分割多址技术513

11.2 多址通信系统及其结构513

11.2.1 多址接入信息流513

11.2.2 按需分配多址接入515

11.3 接入算法516

11.3.1 Aloha516

11.3.2 时隙ALOHA518

11.3.3 预约ALOHA519

11.3.4 S-ALOHA和R-ALOHA的性能比较520

11.3.5 轮询技术522

11.4 国际通信卫星机构（INTELSAT）使用的多址技术524

11.4.1 FDM/FM/FDMA或MCPC中的预分配525

11.4.2 接入INTELSAT卫星的MCPC模式525

11.4.3 SPADE操作527

11.4.4 INTELSAT的TDMA531

11.4.5 INTELSAT中的卫星交换TDMA537

11.5 局域网的多址接入技术539

11.5.1 载波侦听多址接入网539

11.5.2 令牌环网540

11.5.3 CSMA/CD与令牌环网的性能比较542

11.6 小结543

参考文献543

习题544

思考题546

练习546

第12章 扩频技术547

12.1 扩频技术概述547

12.1.1 扩频系统的优点548

12.1.2 扩频技术的种类550

12.1.3 直接序列扩频抗干扰模型552

12.1.4 历史背景552

12.2 伪噪声序列554

12.2.1 随机特征554

12.2.2 移位寄存器序列554

12.2.3 PN序列的自相关函数555

12.3 直接序列扩频系统556

12.3.1 直接序列举例558

12.3.2 处理增益和性能559

12.4 跳频系统561

12.4.1 跳频系统举例562

12.4.2 鲁棒性563

12.4.3 分集跳频563

12.4.4 快跳频与慢跳频564

12.4.5 FFH/MFSK解调器566

12.4.6 处理增益566

12.5 同步566

12.5.1 捕获566

12.5.2 跟踪571

12.6 干扰分析573

12.6.1 干扰与抗干扰的竞赛573

12.6.2 宽带噪声干扰577

12.6.3 部分频带噪声干扰578

12.6.4 多音干扰580

12.6.5 脉冲干扰581

12.6.6 往返干扰583

12.6.7 BLADES系统584

12.7 商业应用584

12.7.1 码分多址584

12.7.2 多径信道586

12.7.3 FCC第15部分扩频系统规范587

12.7.4 直接序列扩频与跳频扩频的比较588

12.8 蜂窝系统589

12.8.1 直接序列CDMA590

12.8.2 模拟调频、TDMA以及CDMA的比较592

12.8.3 干扰限制系统与尺度限制系统的比较593

12.8.4 IS-95 CDMA数字蜂窝系统594

12.9 小结602

参考文献603

习题604

思考题608

练习608

第13章 信源编码609

13.1 信源609

13.1.1 离散信源609

13.1.2 波形源613

13.2 幅值量化614

13.2.1 量化噪声616

13.2.2 均匀量化618

13.2.3 饱和622

13.2.4 抖动623

13.2.5 非均匀量化626

13.3 差分脉冲编码调制633

13.3.1 一阶预测636

13.3.2 N阶预测637

13.3.3 增量调制639

13.3.4 增量总和（∑-△）调制639

13.3.5 ∑-△A/D转换器643

13.3.6 ∑-A D/A转换器644

13.4 自适应预测645

13.4.1 前向自适应645

13.4.2 合成／分解编码646

13.5 分组编码647

13.5.1 矢量量化647

13.6 变换编码649

13.6.1 变换编码的量化649

13.6.2 子带编码650

13.7 数字数据的信源编码651

13.7.1 编码特性652

13.7.2 霍夫曼编码653

13.7.3 游程编码655

13.8 信源编码举例659

13.8.1 音频压缩659

13.8.2 图像压缩663

13.9 小结668

参考文献669

习题670

思考题672

练习673

第14章 加密和解密674

14.1 模型、目标和早期的密码系统674

14.1.1 加密和解密过程的模型674

14.1.2 系统目标675

14.1.3 常见威胁676

14.1.4 古典密码676

14.2 密码系统的保密性679

14.2.1 理想保密性679

14.2.2 熵与疑义度681

14.2.3 代码的编码效率和冗余度682

14.2.4 惟一性距离和理想保密性683

14.3 实用安全性684

14.3.1 混淆和扩散685

14.3.2 替代685

14.3.3 置换686

14.3.4 乘积密码系统686

14.3.5 数据加密标准688

14.4 流加密693

14.4.1 使用线性反馈移位寄存器生成密钥举例693

14.4.2 线性反馈移位寄存器的弱点694

14.4.3 同步和自同步流加密系统696

14.5 公共密钥密码系统697

14.5.1 公共密钥密码系统签名认证697

14.5.2 陷门单向函数698

14.5.3 Rivest-Shamir-Adelman系统698

14.5.4 背包问题700

14.5.5 基于陷门背包的公共密钥密码系统702

14.6 Pretty Good Privacy标准704

14.6.1 三重DES,CAST和IDEA705

14.6.2 Diffie-Hellman（Elgamal变形）和RSA708

14.6.3 PGP消息加密709

14.6.4 PGP认证和签名710

14.7 小结711

参考文献712

习题712

思考题714

练习714

第15章 衰落信道715

15.1 衰落信道对通信的影响715

15.2 无线移动信道传播特性716

15.2.1 大规模衰落719

15.2.2 小规模衰落721

15.3 信号时间扩展725

15.3.1 时延域上的信号时间扩展725

15.3.2 时间扩展信号在频域中的特征726

15.3.3 平坦衰落和频率选择性衰落示例729

15.4 移动引起的信道时变性731

15.4.1 在时域中分析信道的时变性731

15.4.2 多普勒频移域中的时变性732

15.4.3 瑞利信道慢衰落和平坦衰落的性能736

15.5 降低衰落影响的方法739

15.5.1 抗频率选择性失真的方法740

15.5.2 抗快衰落失真的方法742

15.5.3 减少信噪比损耗的方法742

15.5.4 分集技术743

15.5.5 衰落信道的调制类型745

15.5.6 交织器的作用745

15.6 衰落信道的主要参数748

15.6.1 快衰落失真：情况1748

15.6.2 频率选择性衰落失真：情况2749

15.6.3 快衰落和频率选择性衰落失真：情况3749

15.7 应用：减少频率选择性衰落的影响751

15.7.1 GSM系统中的维特比均衡器751

15.7.2 直接序列扩频（DS/SS）系统中的Rake接收机754

15.8 小结755

参考文献755

习题758

思考题762

练习762

附录A 傅里叶变换技术回顾763

附录B 统计判决理论基础782

附录C 相关器对白噪声的响应792

附录D 常用等式794

附录E s域，z域和数字滤波796

附录F 符号列表813

索引816