數位通信：基礎與應用(附贈CD-ROM)

第1章 信號和頻譜
1.1 數字通信信號處理
1.1.1 為什麽要進行數字化
1.1.2 典型通信系統的方框圖
1.1.3 基本的數字通信術語
1.1.4 數字通信與模擬通信的性能比較
1.2 信號分類
1.2.1 確定信號和隨機信號
1.2.2 周期信號和非周期信號
1.2.3 連續信號和離散信號
1.2.4 能量信號和功率信號
1.2.5 單位沖激函數
1.3 頻譜密度
1.3.1 能量譜密度
1.3.2 功率譜密度
1.4 自相關函數
1.4.1 能量信號的自相關函數
1.4.2 周期（功率）信號的自相關函數
1.5 隨機信號
1.5.1 隨機變量
1.5.2 隨機過程
1.5.3 時間平均和各態遍歷
1.5.4 隨機過程的功率譜密度和自相關函數
1.5.5 通信系統中的噪聲
1.6 線性系統的信號傳輸
1.6.1 沖激響應
1.6.2 頻域傳遞函數
1.6.3 無失真傳輸
1.6.4 信號、電路和頻譜
1.7 數字數據的帶寬
1.7.1 基帶與帶通
1.7.2 帶寬問題
1.8 小結
參考文獻
習題
思考題
練習
第2章 格式化和基帶調制
2.1 基帶系統
2.2 格式化文本數據（字符編碼）
2.3 消息、字符和碼元
2.3.1 消息、字符和碼元的例子
2.4 格化式模擬信息
2.4.1 采樣定理
2.4.2 混疊
2.4.3 采用過采樣的原因
2.4.4 數字系統的信號接口
2.5 干擾源
2.5.1 采樣和量化的影響
2.5.2 信道的影響
2.5.3 量化脈沖的信噪比
2.6 脈沖編碼調制
2.7 均勻量化和非均勻量化
2.7.1 語音幅度的統計
2.7.2 非均勻量化
2.7.3 壓擴特性
2.8 基帶傳輸
2.8.1 二進制數字的波形表示
2.8.2 PCM波形的類型
2.8.3 PCM波形的頻譜特性
2.8.4 比特每PCM碼字以及比特每碼元
2.8.5 M進制脈沖調制波形
2.9 相關編碼
2.9.1 雙二進制信號
2.9.2 雙二進制解碼
2.9.3 預編碼
2.9.4 雙二進制碼等效轉移函數
2.9.5 二進制信號與雙二進制信號的比較
2.9.6 多二進制信號
2.10 小結
參考文獻
習題
思考題
練習
第3章 基帶信號解調與檢測
3.1 信號和噪聲
3.1.1 通信系統中差錯性能的劣化
3.1.2 解調和檢測
3.1.3 信號和噪聲的矢量表示
3.1.4 數字通信系統中的信噪比參數
3.1.5 Eb/N0作為度量指標的原因
3.2 高斯噪聲干擾下二進制信號的檢測
3.2.1 最大似然接收機結構
3.2.2 匹配濾波器
3.2.3 匹配濾波器的相關實現
3.2.4 最佳差錯性能
3.2.5 二進制信號的差錯概率性能
3.3 碼間串擾
3.3.1 降低碼間串擾的脈沖整形
3.3.2 差錯性能劣化的兩種類型
3.3.3 整形脈沖的解調/檢測
3.4 均衡
3.4.1 信道特性
3.4.2 眼圖
3.4.3 均衡濾波器的類型
3.4.4 預置式均衡與自適應均衡
3.4.5 濾波器更新率
3.5 小結
參考文獻
習題
思考題
練習
第4章 帶通調制和解調
4.1 為什麽需要調制
4.2 數字帶通調制技術
4.2.1 正弦信號的相量表示
4.2.2 相移鍵控
4.2.3 頻移鍵控
4.2.4 幅移鍵控
4.2.5 振幅相位聯合鍵控
4.2.6 波形振幅系數
4.3 高斯噪聲背景下的信號檢測
4.3.1 判決區域
4.3.2 相關接收機
4.4 相干檢測
4.4.1 PSK的相干檢測
4.4.2 采樣匹配濾波器
4.4.3 多相相移鍵控的相干檢測
4.4.4 FSK的相干檢測
4.5 非相干檢測
4.5.1 差分PSK的檢測
4.5.2 二進制差分PSK舉例
4.5.3 FSK的非相干檢測
4.5.4 非相干正交FSK信號需要的頻率間隔
4.6 復包絡
4.6.1 調制器的正交實現
4.6.2 D8PSK調制舉例
4.6.3 D8PSK解調舉例
4.7 二進制系統的差錯性能
4.7.1 BPSK相干檢測的誤比特率
4.7.2 差分編碼二進制PSK相干檢測的誤比特率
4.7.3 二進制正交FSK相干檢測的誤比特率
4.7.4 二進制正交FSK非相干檢測的誤比特率
4.7.5 二進制DPSK的誤比特率
4.7.6 各種調制類型誤比特率的比較
4.8 M進制信號及其性能
4.8.1 理想誤比特率性能
4.8.2 M進制信號
4.8.3 MPSK信號的矢量圖
4.8.4 BPSK和QPSK具有相同的誤比特率
4.8.5 MFSK信號的矢量圖
4.9 M進制系統的誤碼性能（M > 2）
4.9.1 MPSK的誤碼率
4.9.2 MFSK的誤碼率
4.9.3 正交信號誤比特率和誤碼率之比較
4.9.4 多相信號誤比特率與誤碼率之比較
4.9.5 碼間串擾的影響
4.10 小結
參考文獻
習題
思考題
練習
第5章 通信鏈路分析
5.1 系統工程中的系統鏈路預算
5.2 信道
5.2.1 自由空間的概念
5.2.2 差錯性能的降低
5.2.3 信號損耗和噪聲的來源
5.3 接收信號功率和噪聲功率
5.3.1 量程方程
5.3.2 接收信號功率與頻率的函數關系
5.3.3 路徑損耗與頻率的關系
5.3.4 熱噪聲功率
5.4 鏈路預算分析
5.4.1 兩個重要的Eb/N0值
5.4.2 鏈路預算的分貝形式
5.4.3 鏈路余量的充足值
5.4.4 鏈路可用率
5.5 噪聲系數、噪聲溫度和系統溫度
5.5.1 噪聲系數
5.5.2 噪聲溫度
5.5.3 線路損耗
5.5.4 復合噪聲系數和復合噪聲溫度
5.5.5 系統有效溫度
5.5.6 天電噪聲溫度
5.6 采樣鏈路分析
5.6.1 鏈路預算細節
5.6.2 接收機品質因素
5.6.3 各向同性接收功率
5.7 衛星中繼
5.7.1 非再生中繼
5.7.2 非線性中繼放大器
5.8 系統權衡
5.9 小結
參考文獻
習題
思考題
練習
第6章 信道編碼（一）
6.1 波形編碼
6.1.1 對極和正交信號
6.1.2 M進制信號處理
6.1.3 波形編碼
6.1.4 波形編碼系統舉例
6.2 差錯控制類型
6.2.1 終端連接
6.2.2 自動重發請求
6.3 結構化序列
6.3.1 信道模型
6.3.2 編碼效率和冗余度
6.3.3 奇偶校驗碼
6.3.4 使用糾錯編碼的原因
6.4 線性分組碼
6.4.1 矢量空間
6.4.2 矢量子空間
6.4.3 （6，3）線性分組碼舉例
6.4.4 生成矩陣
6.4.5 系統線性分組碼
6.4.6 監督矩陣
6.4.7 伴隨式檢驗
6.4.8 糾錯
6.4.9 譯碼器的實現
6.5 檢錯和糾錯能力
6.5.1 二進制矢量的重量和距離
6.5.2 線性碼的最小距離
6.5.3 檢錯和糾錯
6.5.4 6元組空間的視圖
6.5.5 擦除糾正
6.6 標准陣的用途
6.6.1 估碼能力
6.6.2 （n，k）碼的一個例子
6.6.3 （8，2）碼的設計
6.6.4 檢錯和糾錯的權衡
6.6.5 標准陣提供的知識
6.7 循環碼
6.7.1 循環碼的代數結構
6.7.2 二進制循環碼的特性
6.7.3 系統形式的編碼
6.7.4 多項式除法電路
6.7.5 （n-k）級移位寄存器的系統編碼
6.7.6 （n-k）級移位寄存器檢錯
6.8 常用分組碼
6.8.1 漢明碼
6.8.2 擴展格雷碼
6.8.3 BCH碼
6.9 小結
參考文獻
習題
思考題
練習
第7章 信道編碼（二）
7.1 卷積編碼
7.2 卷積編碼器表示
7.2.1 連接表示
7.2.2 狀態描述和狀態圖
7.2.3 樹圖
7.2.4 網格圖
7.3 卷積譯碼公式
7.3.1 最大似然譯碼
7.3.2 信道模型：硬判決和軟判決的比較
7.3.3 維特比卷積譯碼算法
7.3.4 維特比卷積譯碼算法舉例
7.3.5 譯碼器的實現
7.3.6 路徑記憶與同步
7.4 卷積碼的特性
7.4.1 卷積碼的距離特性
7.4.2 系統卷積碼和非系統卷積碼
7.4.3 卷積碼中的災難性錯誤傳播
7.4.4 卷積碼的性能界限
7.4.5 編碼增益
7.4.6 最常用的卷積碼
7.4.7 卷積碼的編碼效率權衡
7.4.8 軟判決維特比譯碼
7.5 其他卷積譯碼算法
7.5.1 序貫譯碼
7.5.2 維特比譯碼和序貫譯碼的比較及限制
7.5.3 反饋譯碼
7.6 小結
參考文獻
習題
思考題
練習
第8章 信道編碼（三）
8.1 里德-索羅蒙碼
8.1.1 里德-索羅蒙碼的差錯概率
8.1.2 突發噪聲情況下R-S碼性能良好的原因
8.1.3 作為分組大小、冗余度和編碼效率函數的R-S性能
8.1.4 有限域
8.1.5 里德-索羅蒙編碼
8.1.6 里德-索羅蒙碼的譯碼
8.2 交織及鏈接碼
8.2.1 分組交織
8.2.2 卷積交織
8.2.3 鏈接碼
8.3 應用於激光唱盤數字音頻系統中的編碼和交織技術
8.3.1 CIRC編碼
8.3.2 CIRC譯碼
8.3.3 內插和靜音
8.4 Turbo碼
8.4.1 Turbo碼概念
8.4.2 對數似然代數學
8.4.3 乘積碼舉例
8.4.4 遞歸系統碼的編碼
8.4.5 反饋譯碼器
8.4.6 MAP算法
8.4.7 MAP譯碼舉例
8.5 小結
附錄8A 對數似然比求和
參考文獻
習題
思考題
練習
第9章 調制和編碼的權衡
9.1 通信系統設計的目標
9.2 差錯概率平面
9.3 奈奎斯特最小帶寬
9.4 香農-哈特萊容量定理
9.4.1 香農極限
9.4.2 熵
9.4.3 疑義度和有效傳輸率
9.5 帶寬-效率平面
9.5.1 MPSK、MFSK調制的帶寬效率
9.5.2 帶寬效率平面與差錯概率平面的相似性
9.6 調制和編碼的權衡
9.7 數字通信系統的定義、設計和評估
9.7.1 M進制信號處理
9.7.2 帶寬受限系統
9.7.3 功率受限系統
9.7.4 MPSK和MFSK信號的要求
9.7.5 未編碼帶寬受限系統舉例
9.7.6 未編碼功率受限系統舉例
9.7.7 帶寬受限和功率受限編碼系統舉例
9.8 高效帶寬調制
9.8.1 QPSK和偏移QPSK
9.8.2 最小頻移鍵控
9.8.3 正交振幅調制
9.9 帶寬受限信道的調制與編碼
9.9.1 商用電話調制解調器
9.9.2 信號星座圖邊界
9.9.3 更高維數的信號星座圖
9.9.4 高密度網格結構
9.9.5 綜合增益：N維球體映射和密集網格
9.10 網格編碼調制
9.10.1 網格編碼調制的思想
9.10.2 TCM編碼
9.10.3 TCM譯碼
9.10.4 其他網格編碼
9.10.5 網格編碼調制舉例
9.10.6 多維網格編碼調制
9.11 小結
參考文獻
習題
思考題
練習
第10章 同步
10.1 簡介
10.1.1 同步定義
10.1.2 代價和收益
10.1.3 途徑和假設
10.2 接收機同步
10.2.1 頻率和相位同步
10.2.2 碼元同步——離散碼元調制
10.2.3 連續相位調制同步
10.2.4 幀同步
10.3 網同步
10.3.1 開環發射機同步
10.3.2 閉環發射機同步
10.4 小結
參考文獻
習題
思考題
練習
第11章 多路復用和多址接入
11.1 通信資源的分配
11.1.1 頻分復用/頻分多址
11.1.2 時分復用/時分多址
11.1.3 通信資源信道化
11.1.4 FDMA和TDMA的性能比較
11.1.5 碼分多址
11.1.6 空間分割和極化分割多址技術
11.2 多址通信系統及其結構
11.2.1 多址接入信息流
11.2.2 按需分配多址接入
11.3 接入算法
11.3.1 Aloha
11.3.2 時隙ALOHA
11.3.3 預約ALOHA
11.3.4 S-ALOHA和R-ALOHA的性能比較
11.3.5 輪詢技術
11.4 國際通信衛星機構（INTELSAT）使用的多址技術
11.4.1 FDM/FM/FDMA或MCPC中的預分配
11.4.2 接入INTELSAT衛星的MCPC模式
11.4.3 SPADE 操作
11.4.4 INTELSAT的TDMA
11.4.5 INTELSAT中的衛星交換TDMA
11.5 局域網的多址接入技術
11.5.1 載波偵聽多址接入網
11.5.2 令牌環網
11.5.3 CSMA/CD與令牌環網的性能比較
11.6 小結
參考文獻
習題
思考題
練習
第12章 擴頻技術
12.1 擴頻技術概述
12.1.1 擴頻系統的優點
12.1.2 擴頻技術的種類
12.1.3 直接序列擴頻抗干擾模型
12.1.4 歷史背景
12.2 偽噪聲序列
12.2.1 隨機特征
12.2.2 移位寄存器序列
12.2.3 PN序列的自相關函數
12.3 直接序列擴頻系統
12.3.1 直接序列舉例
12.3.2 處理增益和性能
12.4 跳頻系統
12.4.1 跳頻系統舉例
12.4.2 魯棒性
12.4.3 分集跳頻
12.4.4 快跳頻與慢跳頻
12.4.5 FFH/MFSK解調器
12.4.6 處理增益
12.5 同步
12.5.1 捕獲
12.5.2 跟蹤
12.6 干擾分析
12.6.1 干擾與抗干擾的競賽
12.6.2 寬帶噪聲干擾
12.6.3 部分頻帶噪聲干擾
12.6.4 多音干擾
12.6.5 脈沖干擾
12.6.6 往返干擾
12.6.7 BLADES系統
12.7 商業應用
12.7.1 碼分多址
12.7.2 多徑信道
12.7.3 FCC第15部分擴頻系統規范
12.7.4 直接序列擴頻與跳頻擴頻的比較
12.8 蜂窩系統
12.8.1 直接序列CDMA
12.8.2 模擬調頻、TDMA以及CDMA的比較
12.8.3 干擾限制系統與尺度限制系統的比較
12.8.4 IS-95 CDMA數字蜂窩系統
12.9 小結
參考文獻
習題
思考題
練習
第13章 信源編碼
13.1 信源
13.1.1 離散信源
13.1.2 波形源
13.2 幅值量化
13.2.1 量化噪聲
13.2.2 均勻量化
13.2.3 飽和
13.2.4 抖動
13.2.5 非均勻量化
13.3 差分脈沖編碼調制
13.3.1 一階預測
13.3.2 N階預測
13.3.3 增量調制
13.3.4 增量總和（*-* ）調制
13.3.5 *-* A/D轉換器
13.3.6 *-* D/A轉換器
13.4 自適應預測
13.4.1 前向自適應
13.4.2 合成/分解編碼
13.5 分組編碼
13.5.1 矢量量化
13.6 變換編碼
13.6.1 變換編碼的量化
13.6.2 子帶編碼
13.7 數字數據的信源編碼
13.7.1 編碼特性
13.7.2 霍夫曼編碼
13.7.3 游程編碼
13.8 信源編碼舉例
13.8.1 音頻壓縮
13.8.2 圖像壓縮
13.9 小結
參考文獻
習題
思考題
練習
第14章 加密和解密
14.1 模型、目標和早期的密碼系統
14.1.1 加密和解密過程的模型
14.1.2 系統目標
14.1.3 常見威脅
14.1.4 古典密碼
14.2 密碼系統的保密性
14.2.1 理想保密性
14.2.2 熵與疑義度
14.2.3 代碼的編碼效率和冗余度
14.2.4 惟一性距離和理想保密性
14.3 實用安全性
14.3.1 混淆和擴散
14.3.2 替代
14.3.3 置換
14.3.4 乘積密碼系統
14.3.5 數據加密標准
14.4 流加密
14.4.1 使用線性反饋移位寄存器生成密鑰舉例
14.4.2 線性反饋移位寄存器的弱點
14.4.3 同步和自同步流加密系統
14.5 公共密鑰密碼系統
14.5.1 公共密鑰密碼系統簽名認證
14.5.2 陷門單向函數
14.5.3 Rivest-Shamir-Adelman系統
14.5.4 背包問題
14.5.5 基於陷門背包的公共密鑰密碼系統
14.6 Pretty Good Privacy標准
14.6.1 三重DES，CAST和IDEA
14.6.2 Diffie-Hellman（Elgamal變形）和RSA
14.6.3 PGP消息加密
14.6.4 PGP認證和簽名
14.7 小結
參考文獻
習題
思考題
練習
第15章 衰落信道
15.1 衰落信道對通信的影響
15.2 無線移動信道傳播特性
15.2.1 大規模衰落
15.2.2 小規模衰落
15.3 信號時間擴展
15.3.1 時延域上的信號時間擴展
15.3.2 時間擴展信號在頻域中的特征
15.3.3 平坦衰落和頻率選擇性衰落示例
15.4 移動引起的信道時變性
15.4.1 在時域中分析信道的時變性
15.4.2 多普勒頻移域中的時變性
15.4.3 瑞利信道慢衰落和平坦衰落的性能
15.5 降低衰落影響的方法
15.5.1 抗頻率選擇性失真的方法
15.5.2 抗快衰落失真的方法
15.5.3 減少信噪比損耗的方法
15.5.4 分集技術
15.5.5 衰落信道的調制類型
15.5.6 交織器的作用
15.6 衰落信道的主要參數
15.6.1 快衰落失真：情況1
15.6.2 頻率選擇性衰落失真：情況2
15.6.3 快衰落和頻率選擇性衰落失真：情況3
15.7 應用：減少頻率選擇性衰落的影響
15.7.1 GSM系統中的維特比均衡器
15.7.2 直接序列擴頻（DS/SS）系統中的Rake接收機
15.8 小結
參考文獻
習題
思考題
練習
附錄A 傅里葉變換技術回顧
附錄B 統計判決理論基礎
附錄C 相關器對白噪聲的響應
附錄D 常用等式
附錄E s域，z域和數字濾波
附錄F 符號列表
索引

計算機網絡與通信網絡的相互融合促進了因特網和通信技術的迅猛發展。數十年采，無線通信尤其是移動通信）取得了突出的成就，而互聯網也成為全球信息高速公路事實上的平台，二者結合的需求越來越迫切，這對如何更加有效、可靠地進行信息傳輸提出了許多新課題。通信網是因特網的基礎，有理由相信，隨著數字通信技術的發展，必將推動個人通信和超高速通信網絡的進一步發展，成為21世紀國際社會和全球經濟新的強大推動力。

學習通信的專業知識不但需要扎實的基礎理論，還要掌握廣泛的現代通信技術和理論。本書的作者Bernard Sklar博士曾在美國加州大學等多所大學執教工程課程，並為來自世界各地的工程師進行專業培訓，他具有40多年技術工作和管理工作的經驗，先後任職於美岳民航系統、宇航公司等機構，參與研究開發了軍事衛星系統，目前是多個先進系統項目的負責人。豐富的個人鬩歷使他的著作在理論論述和實際應用方面都極具特色。

我們翻譯的Bcrnard Sklar的《數字通信——基礎與應用》（第二版）全面系統地論述了數字通信的基本理論，給出了數字通信領域的許多新技術、新應用，是作者多年教學和科研工作的總結。書中的內容包括信號及頻譜、格式化和基帶調制、基帶信號的解調和檢測、帶通調制和解調、通信鏈路分析、信道編碼、交織及鏈接碼、調制和編碼權衡、同步、多路復用和多址接人、擴頻技術、信源編碼、加密和解密、衰落信道等。本書的第二版對以前的版本做了較大修正，主要是擴展了糾考編碼的內容，特別是里德一索羅蒙碼、Turbo碼以及網格編碼調制的內容；與第一版相比，第二皈增加了衰落信道章節並介紹了衰落劣化效應及其對策，對數字通信基本概念的解釋和描述也更為深人細致。書中豐富的例題，與實際應用關系緊密，既有助於加深對所學內容的理解，又具有一定的實用價值。本書的習題和每章給出的問題也很有特色，隨書附送的ELANIX設計軟件SystemView的教育版本光盤，包含有200多道習題以及數字信號處理（DSP）的簡明指導，會有助於加強對課本知識的理解。全書內容深人淺出，概念清晰，理論分析嚴謹，邏輯性強，不僅是一本面向本科高年級學生或低年級研究生的教科書，也是一本比較全面、系統、深入的數字通信方面的專著，對通信領域的科研技術人員以及相關專業的教師和學生是一本很好的參考書。

本書的翻譯，第1~6章由徐平平負責，第7~11章由宋鐵成負責，其余由葉芝慧負責，鮑淑娣、楊茂彬、朱慧芬、張宏澤、吳浩、周瑋寧、瞿慧、董麗君、施榮、錢祺、歐陽永艷、吉峰、唐賽郎、董自建、陳江濤、宋楊、胡靜、錢小勇、許國軍、周雋、劉彤、傅永生、吉華芳、李菲、胡淼、郭亞琴等分別協助翻譯了相關章節；全書先由鮑淑娣、楊茂彬負責初校，然後由徐平平、葉芝慧和沈連豐負責統稿和校對，其中徐平平、葉芝慧做了大量的具體工作，最後由沈連豐負責審校。因此，本書的翻譯出版是集體智慧的結晶並滲透著眾人的汗水。在此，對所有為這本書的出版提供了幫助的人們表示誠摯的感謝！

譯稿對原書中的錯誤和遺漏之處做了更正和注釋。由於譯審者水平有限，加之時間倉促，譯文中難免有不妥之處，敬請讀者不吝指正。

譯者
2002年6月
於東南大學移動通信國家重點實驗室