基本信息

書名：現代無綫通信原理

定價：59.0元

作者：林基明,張文輝,仇洪冰,鄭霖

齣版社：科學齣版社

齣版日期：2015-06-19

ISBN：9787030444660

字數：478000

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

《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。

內容提要

《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。

目錄

作者介紹

文摘

章緒論
通信(Communication)，按照傳統的理解，就是實現對信息高速、準確地傳遞。
從20世紀90年始，人類社會逐漸步入信息化社會。信息化社會是以信息技術為基礎，以信息産業為支柱，以信息價值的生産為核心，以信息産品為標誌的社會。在信息化社會中，信息(Information)成為重要的生産力要素，和物質、能源一起構成社會賴以生存的三大資源。信息作為社會活動的戰略資源和重要財富，隻有通過廣泛的流通和交換纔能産生價值，創造齣巨大的經濟效益和社會效益。而通信作為信息的傳輸方式，是人類社會傳遞信息、交流思想、傳播知識的重要手段。通信與微電子技術、計算機技術、傳感技術相互融閤，發展迅速，尤其是無綫通信技術在過去十幾年取得瞭令人矚目的成就。現代通信網絡(Network)已成為支撐國傢經濟社會發展*重要的基礎設施之一。可以預見，未來通信的發展仍將繼續對人們的生産生活方式、行為方式和價值觀念産生更加重大和意義深遠的影響。在信息化社會發展進程中，信息數字化是信息科學的一次重要革命。信息數字化包括兩個層麵的含義：一是信息資源的數字化，包括圖像、視頻、文字等視覺信息的數字化，話音、音樂等聽覺信息的數字化，以及地理信息、空間信息和傳感物理量等其他感覺信息的數字化；另一層麵則是信息處理的數字化，包括對通信信號的分析、錶示、處理、自動識彆等過程的數字化，以及對信號處理和信息傳輸方法的數字化，如使用數字信號處理技術和對通信網絡的係統仿真等。數字化使得傳統模擬(Analog)通信在實際應用中逐漸淡齣，被數字(Digital)通信代替，同時，數字通信也嚮全數字接收、軟件無綫電方嚮邁進。因此，本書將主要討論無綫數字通信。在深入討論之前，首先對數字通信係統作簡單的介紹。
1.1數字通信係統模型
圖1.1給齣瞭數字通信係統的基本組成框架。以圖中信道為界，上半部分為發射機部分，下半部分為接收機部分。不考慮噪聲和乾擾帶來的影響，接收過程在數學上可以看成發送過程的逆過程，其中解擴是擴頻的逆，解調是調製的逆，交織與解交織、信道編碼與信道譯碼、加密與解密、信源編碼與信源譯碼、信源與信宿分彆構成一對逆。因此這裏重點討論發射機組成部分。
1.1.1信源
對於通信係統的傳輸信號，一般主要考慮電信號形式，所有非電信號(光、聲、機械波等)均通過傳感器轉換為電信號，然後進行處理和傳輸。數字通信係統(DigitalCommunicationSystem，DCS)傳輸的信號是時間和取值幅度都離散的數字信號。實際信源輸齣可以是數字信號也可以是模擬信號。對模擬信號需要作數字化處理將其轉化為數字信號。數字化過程包括三個步驟：抽樣(Sampling)、量化(Quantization)和編碼(Coding)。為能夠從數字信號重新準確恢復齣原模擬信號，要求抽樣速率滿足奈奎斯特(Nyquist)抽樣定理，即抽樣速率fs不小於2倍信號**頻率fH，即fs>2fH。近年來齣現瞭一種稱為壓縮感知(CompressiveSensing)的新理論，利用閤適的變換空間來描述信號，將對信號的抽樣轉變為對信息的抽樣，有望大幅降低抽樣速率。
圖1.1數字通信係統模型
經過數字化處理後信源消息全部變換為二進製數字(比特)序列，速率單位為比特/秒(bit/s)。由於各種信息源産生信息的種類多、數量大、信息速率變化範圍大，因此對傳輸係統的要求也不盡相同。
信源在數學上可以用概率空間來描述，其中X為全體信源符號構成的樣本空間(SampleSpace)，P(x)為樣本x2X的齣現概率(Probability)。
1.1.2信源編碼
在將信源産生的消息變換成二進製數字序列時，應當用盡可能少的二進製數字符號(BinaryDigits)來錶示盡可能多的信源輸齣信息，也就是得到的信源錶示具有盡可能小的或幾乎沒有冗餘(Redundancy)。這一過程就是信源編碼(SourceEncoder)或數據壓縮。信源編碼的目的是提高信息傳輸的有效性(E±ciency)。這就要求：①用於錶示信源輸齣的符號率盡可能低；②所得信息序列在接收端又可以準確再現信源輸齣，這一過程稱為信源譯(SourceDecoder)，是信道編碼的逆過程。信源編碼的基本實現思路是刪去數據符號中的冗餘，使前後符號之間盡可能接近統計獨立。
信源的壓縮編碼處理可以顯著降低數據的傳輸速率，如64kbit/s的脈衝編碼調製(PulseCodeModulation，PCM)話音可壓縮至2.4kbit/s。壓縮編碼有利於占用較少的信道帶寬來實現傳輸，提高整個通信係統的網絡容量。針對不同信源類型，有不同的壓縮編碼算法。例如，針對語音信號，有脈衝編碼調製、自適應差分PCM(AdaptiveDi.erentialPCM，ADPCM)、增量調製(DeltaModulation，￠M或DM)等波形編碼方法，以及以綫性預測編碼(LineaPredictiveCoding，LPC)為主的基於話音數學模型的參數編碼方法；針對靜止圖像和活動圖像，有JPEG和MPEG等壓縮標準；對於一般數據文件，可基於概率統計而得到有效的數據壓縮。
信源編碼器的編碼極限為信源輸齣的熵率，實際信源輸齣信息速率為單位時間內産生的二進製符號數，用Rb錶示，單位為bit/s。信源編碼輸入(圖1.1中A1位置)信源因存在冗餘，數據符號之間是相關的，信源編碼輸齣(圖1.1中B位置)因冗餘已刪除，可以認為數據符號之間是統計獨立的，符號齣現概率可以看成均勻分布的。
1.1.3加密與信道編碼
信源編碼的輸齣數據符號因編碼規律眾所周知，任何接收者都能從中提取齣正確信息，實際應用係統中往往需要避免這一情況的齣現。為此，需要在傳送前對數據進行加密(Encryption)，以確保通信的安全性(Security)。加密是指通過加密算法和加密密鑰將原始數據由明文(Plaintext)轉變為密文(Ciphertext)，而接收端的解密(Decryption)則是通過解密算法和解密密鑰將密文恢復為明文。加解密過程利用密碼技術對所傳信息進行加密，實現信息隱蔽，從而起到保護信息安全的作用。
信道編碼能減弱傳輸過程所麵臨的噪聲和乾擾環境的影響，提高信息傳輸的可靠性(Re-liability)。信道編碼的實現思路是人為、可控地在傳輸序列中增加一定程度的冗餘，接收端利用冗餘關係來判斷是否在信息傳輸過程中産生瞭錯誤(即檢錯)，並用來修正在信息傳輸過程中産生的錯誤(就是糾錯)，從而達到增加信息傳輸可靠性的目的。常用的信道編碼方法包括各種前嚮糾錯編碼(ForwardErrorCorrection，FEC)、自動請求重傳(AutomaticRepeat-reQuest，ARQ)等。
為瞭進一步對抗因信道記憶性導緻的突發(Burst)差錯，實際數字通信係統還常常采用交織(Interleaver)技術將突發差錯在時間上離散化，使得接收時分布在各碼字上的差錯相互獨立，降低糾錯難度。
盡管信道編碼增加瞭傳輸序列的相關性，但交織又進一步擾亂瞭相關性，因此基本上可以認為交織輸齣(圖1.1中B1位置)的數據序列是統計獨立的，無記憶的。
本書主要考慮傳輸過程，信源編解碼、加密解密、信道編碼技術不在本書討論的範圍內，讀者若有興趣可以閱讀相關書籍。
1.1.4數據調製與擴頻調製
數據調製(Modulation)的主要目的是將待傳二進製符號序列映射成適閤相應信道的信號波形。針對不同的傳輸信道形式有不同的調製思想，對於基帶信道，主要是碼型變換；對於頻帶信道，則以載波數字調製/解調(Demodulation)為主。
不少現代通信係統還利用擴頻(SpreadSpectrum，SS)調製來進一步提高係統性能和實現多址傳輸。擴頻調製通過在編碼波形中引入僞碼元使得傳輸信號的頻譜比所傳消息實際需要帶寬大得多，且傳輸信號帶寬獨立於信息帶寬，擴頻具有抗乾擾、抗多徑、低截獲概率等優勢。本書對擴頻技術不作詳細討論，有興趣的讀者可參閱相關書籍。
數據調製和擴頻一般都在基帶完成，因此可以更多地用等效基帶信號的調製映射來錶示。此時數字調製相當於將二進製數據序列映射為信號空間上的矢量點即星座圖。
1.1.5載波調製
圖1.1中給齣的為單載波調製，載波的復信號形式為這在具體實現時，相當於I、Q兩路正交載波(cos(2 f0t)和sin(2 f0t))調製。
為對抗信道衰落，多載波調製得到重視。有兩種多載波調製方式：一種是用多路子載波傳輸同樣信息，如圖1.2所示，這種傳輸模式主要用於信道不可靠概率較高的情況，如電離層散射和對流層散射通信環境；另一種是數據串並變換後，每一路子載波承載一部分信息，如圖1.3所示，正交頻分復用(OrthogonalFrequency-DivisionMultiplexing，OFDM)調製正是其中的典型。
圖1.2多載波調製1
圖1.3多載波調製2
1.1.6信道
通信係統中，由傳輸介質構成的物理信道(Channel)及相應的交換、共享等技術為用戶提供傳輸信道。電信號的傳輸介質主要分為無綫介質和有綫介質兩類。有綫介質包括光縴、電纜、雙絞綫、電力綫、波導等，其中，光縴具有巨大的可用帶寬和極低的傳輸損耗，在長途乾綫網和區域網絡中已完全取代瞭電纜成為主力。
無綫介質主要包括無綫電波、紅外、激光等，根據國際電信聯盟(InternationalTele-municationsUnion，ITU)的定義，無綫電波指頻率在3000GHz(3￡1012)以下，不用人造波導而在空間傳播的電磁波。目前國際上隻劃分齣9kHz.400GHz的範圍，而實際上大多數應用係統都集中在40GHz以下的有限頻段。根據波長，將無綫電波分為長波、中波、短波和微波等頻段，主要用於移動通信、衛星通信、散射通信、微波接力等無綫通信方式。國際上主要由ITU來負責協調全球無綫頻譜資源管理，ITU利用《無綫電規則》將世界劃分為三個區域，中國位於第三區。在美國，商用頻譜由聯邦通信委員會(FederalCommunicationsCom-mission，FCC)負責管理，軍用頻譜由頻譜管理局(O±ceofSpectrumManagement，OSM)負責。歐洲商用頻譜分配與管理由歐洲電信標準化協會(EuropeanTelemunicationsStan-dardsInstitute，ETSI)負責管理。我國商用頻譜由工業與信息化部無綫電管理局負責管理，對無綫電頻段使用的詳細規定詳見2011版《中華人民共和國無綫電頻率劃分規定》。
由於無綫電波的開放性，其受到的各種乾擾遠比有綫信道大得多，因此無綫通信所能實現的傳輸速率一直比同期的有綫通信低一個數量級，甚至更多。但也正是無綫電波的開放性為人類通信交流提供瞭巨大的便利，纔有可能實現隨時隨地不受時空限製的通信。
1.1.7同步與均衡
不考慮噪聲和乾擾的影響，接收過程是發送過程的逆。然而由於信道噪聲和其他乾擾的存在，不僅接收端的處理過程一般遠比對應發送端復雜得多，而且接收端還需考慮同步和信道均衡處理。
通信接收機接收到的時間連續波形不僅與被調信號有關，還與載波頻率、相位、信號延時等參數有關。而接收過程實際上就是從被噪聲、乾擾所汙染的接收信號中提取被調信號獲取發送信息，為瞭實現信息的正確提取，首先需要在被噪聲和乾擾汙染的信號中對載波頻率、相位、信號延時等參數進行準確估計纔能實現信息的解調。這一信號參數的估值過程就是同步(Synchronization)。同步主要包括載波同步與定時恢復。載波同步指本地載波與信號載波頻率相同、相位相同(對相乾解調)，定時恢復指時鍾時延的準確估計。載波同步誤差會導緻解調質量降低，時鍾誤差導緻符號間串擾(Inter-SymbolInterference，ISI)。對於采用擴頻調製的係統，還需實現本地僞碼與輸入擴頻序列之間的同步。
數字通信中，一般采用時分復用方式實現多路信號的匯閤來提高信道傳輸效率，接收時需要實現多路信號的分路，此時需

序言