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电工技术

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电工基础理论

数字通信工程(科学出版社十四五普通高等教育研究生规划教材)

作者：马东堂，张晓瀛，赵海涛，熊俊，魏急波

出版社：科学出版社出版时间：2022-10-01

开本： 16开 页数： 342

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版权信息
内容简介
目录
节选

数字通信工程(科学出版社十四五普通高等教育研究生规划教材) 版权信息

ISBN：9787030729088
条形码：9787030729088 ; 978-7-03-072908-8
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
工业技术
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电工基础理论

数字通信工程(科学出版社十四五普通高等教育研究生规划教材) 内容简介

本书系统介绍数字通信系统的设计和分析方法，理论与工程实践相结合，兼顾系统性和优选性，通俗易懂，实用性强。全书共12章，主要内容包括绪论、信道建模与链路预算、数字调制方式的设计与分析、加性高斯白噪声信道下的很好接收机设计与分析、载波与符号同步、信道编码、自适应均衡、多载波和多天线系统、无线协同通信、物理层安全传输技术、多址接入技术和机器学习在数字通信物理层中的应用等。本书既可用作信息与通信工程学科和通信工程、新一代电子信息技术等专业领域研究生和高年级本科生的教材，又可供从事研究开发的相关工程技术人员参考和借鉴。

数字通信工程(科学出版社十四五普通高等教育研究生规划教材) 目录

目录
第1章　绪论　1
1.1　通信系统的组成　1
1.1.1　通信系统的一般模型　1
1.1.2　数字通信系统的组成　2
1.2　数字通信的信息论基础　4
1.2.1　信息的定义　4
1.2.2　信源的数学模型　5
1.2.3　信息的对数度量　6
1.3　数字通信系统的主要性能指标　10
1.3.1　有效性指标　10
1.3.2　可靠性指标　12
1.3.3　安全性指标　12
1.4　数字通信的发展历程和趋势　13
习题　15
第2章　信道建模与链路预算　16
2.1　通信信道的概念和实际信道　16
2.1.1　有线信道　16
2.1.2　电磁波的传播特性　17
2.1.3　无线信道　18
2.2　信道的输入/输出模型　20
2.2.1　加性噪声信道模型　21
2.2.2　线性时不变滤波器信道模型　22
2.2.3　线性时变滤波器信道模型　22
2.3　无线信道传播特性　23
2.3.1　大尺度衰落　23
2.3.2　小尺度衰落　24
2.3.3　等效低通信道　28
2.3.4　信道的系统函数　30
2.4　信道模型　32
2.4.1　电波传播损耗预测模型　32
2.4.2　常用平衰落信道模型　33
2.4.3　频率选择性衰落信道模型　36
2.5　链路预算　37
2.5.1　移动通信系统的链路预算　37
2.5.2　卫星通信系统的链路预算　39
习题　40
第3章　数字调制方式的设计与分析　41
3.1　数字已调信号的表征和信号空间　41
3.1.1　带通信号和带通系统的等效低通表示　42
3.1.2　波形的信号空间描述　46
3.2　无记忆调制方式　51
3.2.1　数字幅度调制　51
3.2.2　数字相位调制　54
3.2.3　正交幅度调制　56
3.2.4　正交多维调制　58
3.3　有记忆调制方式　62
3.3.1　有记忆线性调制　62
3.3.2　有记忆非线性调制　65
3.4　数字已调信号的功率谱密度　77
3.4.1　线性调制信号的功率谱密度　77
3.4.2　CPFSK和CPM信号的功率谱密度　81
习题　89
第4章　加性高斯白噪声信道下的*佳接收机设计与分析　94
4.1　加性高斯白噪声信道下的*佳接收机　94
4.1.1　相关型解调器　95
4.1.2　匹配滤波型解调器　99
4.1.3　*佳检测器　103
4.1.4　*大似然序列检测器　106
4.2　带宽受限信号的*佳检测和性能分析　110
4.2.1　BPSK信号的*佳检测和误码性能　110
4.2.2　MASK信号的*佳检测和误码性能　111
4.2.3　MPSK信号的*佳检测和误码性能　113
4.2.4　MQAM信号的*佳检测和误码性能　116
4.3　功率受限信号的*佳检测和性能分析　119
4.3.1　二进制正交信号的*佳检测和误码性能　119
4.3.2　M元正交信号的*佳检测和误码性能　120
4.3.3　M元双正交信号的*佳检测和误码性能　123
4.3.4　单纯信号的误码性能　124
4.3.5　不同数字调制方式的比较　125
4.4　有记忆调制信号的*佳检测和性能分析　127
4.4.1　DPSK信号的*佳检测和误码性能　127
4.4.2　CPM信号的*佳检测和误码性能　129
习题　134
第5章　载波与符号同步　137
5.1　信号参数估计　137
5.2　载波频率估计　139
5.2.1　数据辅助的频率估计　139
5.2.2　非数据辅助的频率估计　143
5.2.3　频率选择性信道下的载波频偏估计　145
5.3　载波相位估计　147
5.3.1　*大似然载波相位估计　147
5.3.2　*大似然相位估计性能分析　148
5.3.3　非数据辅助的载波相位估计　150
5.4　符号定时估计　152
5.4.1　面向判决的定时估计　152
5.4.2　非面向判决的定时估计　153
习题　155
第6章　信道编码　156
6.1　引言　156
6.2　线性分组码　157
6.2.1　线性分组码的概念　157
6.2.2　常用的线性分组码　161
6.2.3　线性分组码的译码　163
6.3　循环码　164
6.3.1　循环码的概念　164
6.3.2　循环码的编码　167
6.3.3　循环码的译码　168
6.3.4　循环码实例　169
6.4　卷积码　170
6.4.1　卷积码的结构　170
6.4.2　卷积码的Viterbi译码　173
6.4.3　删除卷积码　175
6.5　Turbo码　176
6.5.1　Turbo码的编码　176
6.5.2　Turbo码的迭代译码　177
6.5.3　Turbo码的EXIT图　184
6.6　低密度奇偶校验码（LDPC）　187
6.6.1　LDPC码的概念　187
6.6.2　LDPC码的译码　189
6.6.3　LDPC码的应用　192
6.7　Polar码　194
习题　198
第7章　自适应均衡　199
7.1　时域均衡的基本原理与准则　199
7.1.1　时域均衡的基本原理　199
7.1.2　均衡准则　201
7.2　自适应线性均衡器　203
7.2.1　迫零算法　203
7.2.2　LMS算法　204
7.2.3　LMS算法的收敛特性　207
7.3　提高LMS算法收敛速度　208
7.3.1　提高LMS算法的初始收敛速率　208
7.3.2　自适应均衡的递推*小二乘算法　210
7.4　盲均衡　214
7.4.1　随机梯度算法　214
7.4.2　基于*大似然准则的盲均衡　216
7.4.3　基于二阶和高阶信号统计量的盲均衡算法　219
习题　220
第8章　多载波和多天线系统　221
8.1　多载波通信　221
8.1.1　单载波和多载波调制　221
8.1.2　*佳功率注水分配　225
8.1.3　正交频分复用（OFDM）的概念　226
8.1.4　OFDM 系统的FFT 实现　229
8.1.5　OFDM的调制解调系统框图　229
8.1.6　OFDM的降峰均比技术　232
8.1.7　同步误差对OFDM系统的影响　234
8.2　多输入多输出（MIMO）技术　240
8.2.1　MIMO系统的信道模型　241
8.2.2　MIMO信道的容量　243
8.2.3　MIMO的复用　247
8.2.4　MIMO的编码　249
8.2.5　MIMO技术的应用　254
习题　255
第9章　无线协同通信　256
9.1　无线协同通信系统模型　256
9.1.1　单源单中继系统模型　256
9.1.2　单源多中继系统模型　257
9.1.3　多源多中继系统模型　257
9.2　无线协同通信的关键问题　258
9.3　协同通信的方式　259
9.3.1　固定中继协议　259
9.3.2　自适应中继协议　261
9.4　协同分集与合并技术　263
9.4.1　分集技术　263
9.4.2　合并技术　264
9.5　协同中继选择技术　266
9.5.1　中继节点选择的性能指标　266
9.5.2　中继选择策略　267
习题　276
第10章　物理层安全传输技术　277
10.1　物理层安全的基本概念和模型　278
10.1.1　香农保密通信模型　278
10.1.2　Wyner窃听信道模型　280
10.2　无密钥的安全传输技术　281
10.2.1　基本窃听信道和保密容量　281
10.2.2　基于波束成形的安全传输技术　283
10.2.3　人工噪声辅助的安全传输技术　284
10.2.4　物理层安全编码　285
10.3　基于无线信道的密钥生成技术　286
10.3.1　密钥生成的主要步骤　286
10.3.2　密钥生成技术　288
10.3.3　密钥生成性能评估　289
10.4　射频指纹识别技术　290
10.4.1　射频指纹特征参数　292
10.4.2　射频指纹识别方法　292
习题　293
第11章　多址接入技术　295
11.1　常用多址技术　296
11.1.1　频分多址（FDMA）　296
11.1.2　时分多址（TDMA）　298
11.1.3　码分多址（CDMA）　300
11.2　随机多址　304
11.2.1　ALOHA协议　305
11.2.2　载波侦听多址技术（CSMA）　308
11.2.3　冲突避免的载波侦听多址接入（CSMA/CA）　313
11.3　非正交多址（NOMA）技术　315
11.3.1　NOMA技术概述　315
11.3.2　几种典型的NOMA技术　316
习题　319
第12章　机器学习在数字通信物理层中的应用　321
12.1　使用机器学习的条件　321
12.2　打开深度神经网络在数字通信物理层应用的黑盒子　321
12.2.1　从信号传输的角度理解自编码器　323
12.2.2　编码器：*佳星座映射　323
12.2.3　解码器：信号推理　325
12.2.4　神经网络中的信息流　326
12.3　基于机器学习的信道估计的性能分析　329
12.3.1　信道估计　329
12.3.2　基于机器学习的信道估计　330
12.3.3　基于机器学习的信道估计的理论分析　331
12.3.4　训练数据量与性能的解析关系　333
12.4　一种可在线训练的低复杂度学习型信道估计方法　333
12.4.1　线性学习型信道估计器　334
12.4.2　训练数据生成方式　335
习题　337
参考文献　338
附录　误差函数、互补误差函数表　341

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数字通信工程(科学出版社十四五普通高等教育研究生规划教材) 节选

第1章绪论　　通信工程是指以实现信息的传输与交换为目标，应用通信领域有关的科学知识和技术手段，将现有资源转化为通信产品、系统或网络的过程。在当今信息化和智能化的社会，社会生产活动中的各类信息由声音、文字、图像、数据和视频等多种媒体承载，并通过通信网络将信息传递到各类信息应用系统，实现信息资源的共享和基于信息的社会生产。数字传输是通信网络支持各种通信服务的基础，数字通信工程重点讨论数字通信系统的工程设计中涉及的基础理论和关键技术。　　本章主要介绍数字通信系统的组成、数字通信的信息论基础、数字通信系统的主要性能指标，以及数字通信的发展历程和趋势，旨在使读者对数字通信系统及其发展有一个初步的认识。　　1.1通信系统的组成　　1.1.1通信系统的一般模型　　传递信息所需的一切设备的总和称为通信系统。一个点对点的信息传输系统可以简单分为发射机、信道和接收机三个部分，其中发射机是将承载信息的消息转化为适合于传输的信号，并将信号能量注入传输媒介（或信道）中，接收机从传输媒介（或信道）中接收信号，并将接收到的信号转化为用户需要的形式。发射机分为信源和发送设备，接收机分为接收设备和信宿，就得到通信系统的一般模型，如图1-1 所示。　　通信系统的一般模型中，各模块的功能和作用如下。　　1.信源和信宿　　信源是指信息的发送者，信宿是指信息的接收者。信源可以分为模拟信源和数字信源两类，模拟信源输出特征值（如幅度、频率和相位等）取值连续的信号，即模拟信号；数字信源输出特征值取值离散的信号，即数字信号。如果模拟信号通过数字通信系统传输，则需要将模拟信号转换为数字信号。　　2.发送设备　　发送设备的作用是将信源产生的信号变换为适合在信道中传输的形式。变换的方式有多种，如放大、滤波、编码、调制和混频等，发送设备还可以包含特殊的处理模块，如多路复用和加密等。　　3.信道　　狭义上，信道就是指传输信号的通道，是从发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒介，可以是有线信道，如双绞线、同轴电缆或光纤等，也可以是无线信道，如短波信道、陆地移动信道和卫星信道等。信道既给信号提供传输通路，同时也会带来各种干扰和噪声，主要的噪声类型有热噪声、信号衰减、相位噪声和多径噪声等。影响信道利用率的主要因素有发射机功率、接收机灵敏度和信道容量等。广义上，发送设备和接收设备的一部分都可以和传输媒介一起视为广义信道，如调制信道和编码信道等。　　4.接收设备　　接收设备的基本功能是完成发送过程的反变换，即将信号放大并进行滤波、解调、检测、变频和译码等，其目的是从带有噪声和干扰的信号中恢复出发送端发送的原始信息。对于多路复用信号，还包括多路解复用处理，实现正确分路功能；此外，在接收设备设计中，还需要尽可能减小噪声与干扰所带来的影响。　　以上所述是一个单向通信系统。很多情况下，信源兼为信宿，通信的双方需要交互信息，需要实现双向通信。在双向通信中，要求通信双方都有发送设备和接收设备，如果两个方向有各自的传输媒介，则双方可以独立进行发送和接收。若共用同一传输媒介，则通常釆用频率、时间或其他通信资源分割的方法来共享信道。　　1.1.2数字通信系统的组成　　数字通信系统的组成如图1-2所示。　　图1-2数字通信系统的组成　　数字通信系统包括信源编码与译码、信道编码与译码、加密与解密、信道和同步等模块，下面分别进行介绍。　　1.信源编码与译码　　信源编码主要完成模拟信号的数字化。如果信源产生的信号是模拟信号，首先需要对模拟信号进行数字化，一般包括采样、量化和编码三个过程。数字电话系统中话音信号的脉冲编码调制（PulseCode Modulation，PCM）就是一个典型的模拟信号数字化过程。信源编码的另外一个功能是通过压缩编码来提高信息传输效率，压缩编码的方法可分为波形编码、参数编码和混合编码等。例如，数字电话系统中采用PCM编码的单路语音信息速率为64Kbit/s，进行压缩编码后单路话音的速率可以降到32Kbit/s或更低。　　2.信道编码与译码　　信道编码的目的是增强信息传输的可靠性。由于信号在信道传输时受到噪声和干扰的影响，接收端恢复数字信息时可能会出现差错，为了减小接收信息的差错概率，信道编码器对传输的信息按照一定的规则进行差错控制编码，接收端的信道译码器按照相应的逆规则进行信道译码，从而实现纠错或检错。在计算机系统中广泛使用的奇偶校验码就是一种简单的差错控制编码方式，它具有1bit的检错能力。　　3.加密与解密　　为了保证信息传输的安全性，按照一定的规则将要传输的信号加上密码，即加密。接收端（通常是授权或指定的接收机）对接收到的数字序列解密，恢复明文信息。在需要保证信息传输的私密性的场合通常需要有加密与解密模块，加密与解密技术在军事通信中被广泛采用。随着信息安全的需求日益迫切，近年来，物理层安全传输技术迅速发展，可以作为上层加密技术的一种安全增强和有益补充。　　4.调制与解调　　基本的数字调制方式有幅移键控（Amplitude Shift Keying，ASK）、频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）和相移键控（Phase Shift Keying，PSK）。在接收端可以米用相干解调或非相干解调的方法进行信号的解调，此外，还有在这三种基本调制方式基础上发展起来的其他数字调制方式，如正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）、*小频移键控（Minimum Shift Keying，MSK）、连续相位调制（Continuous PhaseModulation，CPM）等。为了进一步提高频谱利用效率，高阶调制（如512QAM）已被广泛应用。　　5.同步　　同步是使收发两端的信号在时间上保持步调一致，是保证数字通信系统有序、准确和可靠工作的前提条件，可以分为载波同步、符号同步和帧同步等不同类型，在数字化接收机中通常采用参数估计的方法来实现。　　需要指出的是，图1-2给出的只是点到点数字通信系统的一般组成，实际数字通信系统不一定包括所有的模块，例如，只有需要保证通信私密性的数字通信系统才需要加密与解密模块；实际通信系统也可能增加一些模块，如多路传输的情况下会在信道编码前增加数字复接模块，并在信道译码后进行数字分接。　　数字通信已成为当今通信技术发展的主流。与模拟通信相比，数字通信具有以下优点。　　（1）抗干扰能力强，且中继传输过程中不存在噪声积累。在数字通信系统中，接收机的设计目标不是精确还原信号波形，而是从受到噪声污染的信号中判断发射机发送的是哪一个波形。以二进制数字通信系统为例，发射机发送的信号波形有两种，分别对应二进制信息“1”和“0”，接收机通过判断收到的是哪一种信号波形来恢复所传输的二进制信息。在数字中继通信系统中，各个中继站可以采用再生式中继转发，在多级中继转发过程中，信号噪声不积累。而在模拟中继传输中，要求接收机能够以尽量小的失真度重现原信号波形，每一级中继站不仅将信号进行了放大，同时还将前面每一级中继站的带内噪声进行了放大，噪声是逐级积累的。　　（2）传输差错可控。在数字通信系统中，可以通过信道编码技术进行检错与纠错，降低误码率，提高信息传输的可靠性。　　（3）便于用现代数字信号处理技术对信号进行处理、交换和存储。采用数字信号处理技术能够实现数字基带信号频谱成形、同步参数估计、信号复用/解复用等功能。　　（4）易于集成化和小型化，使通信设备小型化、功耗低、重量轻。数字通信大量采用大规模集成电路技术，可以极大地减小通信设备的功耗和体积。　　（5）易于进行加密处理，且保密性高。　　数字通信系统也存在不足，一般比模拟通信系统需要占用更大的传输带宽。以话音传输为例，单边带模拟话音信号通常占据的带宽约为3.4kHz，而1路同样话音质量的标准PCM数字电话信号的无码间串扰传输约需要占用32kHz的带宽。另外，数字通信系统对于同步的要求和实现的复杂度比模拟通信系统高。　　1.2数字通信的信息论基础　　1.2.1信息的定义　　什么是信息？谁释放信息？谁传播信息？谁接收信息？这些都是数字通信系统设计中的基础概念问题。　　关于信息的定义有很多种说法，科恩-塔诺季（GCohen-Tannoudji）认为信息是一种物理实体，尽管它不是一种粒子，它可能比较类似于场或力的概念，是一种抽象的但确实具有物理意义的量。阿列克谢格林鲍姆（Alexei Grinbaum）认为，信息是一种语言，不具备物理实质，是一种解决我们遇到的理论障碍的办法；米歇尔勒贝拉克认为，信息是信息学及算法学的一个数学概念。1948年，香农（C.E.Shannon）在W Mathematical Theory of（通信的数学理论）一文中给出了信息的定量表示，香农信息反映的是事物的不确定性。这里我们主要讨论香农信息。　　关于信息的释放者，以爱因斯坦（A.Einstein）为代表的现实主义者认为，信息是由物理学应该描述的一种基本现实释放的。以玻尔（N.H.D.Bohr）为代表的流派认为，不能确定是否存在释放信息的基本现实，只有进行测量才会出现信息，探究谁是信息的释放者是徒劳的；约翰惠勒（John A.Wheeler）认为现实始于信息，著名物理学家霍金（S.W.Hawking）也是这一观点的支持者。　　关于谁传播信息的问题，有一种观点认为信息本身是一种实体，可以被提取出来，可以直接传播而不必借助于某些外在的物理载体（光子、电子和辐射波等）；另一种观点认为，并不存在纯粹状态的物理信息比特。这样，信息要得以传播就需要一个物理载体，如电磁波、声波或某种粒子的量子态等。　　关于信息的接收者，任何被观察的物理现象都会向观察者提供一些信息。恒星闪耀时，会告诉天文学家、物理学家关于其结构、温度等的信息，如果没有人能够从理论上解读从恒星发来的光，这些光是否还在“讲述”关于这颗恒星构造的信息呢？这仍是一个尚无定论的问题。　　下面讨论信息、消息和信号的关系。信息是消息中包含的某种有意义的抽象的东西。消息是对事件的具体描述，可以是一组有序符号序列，如状态、字母、文字或数字等，也可以是连续时间函数，如语音、图像或视频等。前者称为离散消息，后者称为连续消息。信号是消息的具体物理表现形式，如声信号、光信号和电信号等。因此，消息和信号是信息的载体，信息是消息的内涵。一份电报、一句话、一段文字和报纸上登载的一则新闻都是消息，只有消息中包含接收者未知的内容才构成信息。如果某个事件对于接收者是确知的，则对于接收者而言，该消息没有任何价值。　　虽然消息的传递意味着信息的传递，但是对于接收者而言，某些消息比起另外一些消息却包含有更多的信息，如果某个概率很小的事件实际发生了，会使人感到十分惊讶或引起更多的关注，则该事件包含的信息量大。如果概率很大的事件发生了，人们会觉得不足为奇，这说明消息中所包含的信息量与消息所描述事件的发生概率是密切相关的。　　1.2.2信源的数学醒　　数字通信中，信源的输出总是随机的，需要采用统计的方法进行定性描述。微课本节主要讨论离散信源和连续信源的数学模型。　　*简单的离散信源输出的是一串取自有限符号集的符号序列。若字符集包含n个可能的字符，如，则该离散信源的输出是选自该字符集的符号序列。假设字符集的第1个字符出现的概率为则离散信源输出符号序列可用概率分布集合来描述：　　若，出现的概率相等，则。　　若离散信源输出序列的各符号之间满足统计独立的条件，则称为离散无记忆信源（Discrete Memoryless Source，DMS）。

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