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目录

1Signals and Spectra

1.1Digital Communication Signal 

Processing

1.1.1Why Digital

1.1.2Typical Block Diagram and Transformations

1.1.3Basic Digital Communication 

Nomenclature

1.1.4Digital Versus Analog Performance 

Criteria

1.2Classification of Signals

1.2.1Deterministic and Random 

Signals

1.2.2Periodic and Nonperiodic Signals

1.2.3Analog and Discrete Signals

1.2.4Energy and Power Signals

1.2.5The Unit Impulse Function

1.3Spectral Density

1.3.1Energy Spectral Density

1.3.2Power Spectral Density

1.4Autocorrelation

1.4.1Autocorrelation of an Energy 

Signal

1.4.2Autocorrelation of a Periodic(Power) Signal

1.5Random Signals

1.5.1Random Variables

1.5.2Random Processes

1.5.3Time Averaging and Ergodicity

1.5.4Power Spectral Density and Autocorrelation of a Random Process

1.5.5Noise in Communication 

Systems

1.6Signal Transmission Through Linear 

Systems

1.6.1Impulse Response

1.6.2Frequency Transfer Function

1.6.3Distortionless Transmission

1.6.4Signals, Circuits,and Spectra

1.7Bandwidth of Digital Data

1.7.1Baseband Versus Bandpass

1.7.2The Bandwidth Dilemma

1.8Conclusion

References

Problems

Questions

2Formatting and Baseband Modulation

2.1Baseband Systems

2.2Formatting Textual Data(Character 

Coding)

2.3Messages, Characters,and Symbols

2.3.1Example of Messages,Characters,

and Symbols

2.4Formatting Analog Information

2.4.1The Sampling Theorem

2.4.2Aliasing

2.4.3Why Oversample

2.4.4Signal Interface for a Digital 

System

2.5Sources of Corruption

2.5.1Sampling and Quantizing Effects

2.5.2Channel Effects

2.5.3SignaltoNoise Ratio for Quantized 

Pulses

2.6Pulse Code Modulation

2.7Uniform and Nonuniform 

Quantization

2.7.1Statistics of Speech Amplitudes

2.7.2Nonuniform Quantization

2.7.3Companding Characteristics

2.8Baseband Transmission

2.8.1Waveform Representation of 

Binary Digits

2.8.2PCM Waveform Types

2.8.3Spectral Attributes of PCM 

Waveforms

2.8.4Bits per PCM Word and Bits 

per Symbol

2.8.5Mary PulseModulation 

Waveforms

2.9Correlative Coding

2.9.1Duobinary Signaling

2.9.2Duobinary Decoding

2.9.3Precoding

2.9.4Duobinary Equivalent Transfer 

Function

2.9.5Comparison of Binary and Duobinary Signaling

2.9.6Polybinary Signaling

2.10Conclusion

References

Problems

Questions

3Baseband Demodulation/Detection

3.1Signals and Noise

3.1.1ErrorPerformance Degradation in Communication Systems

3.1.2Demodulation and Detection

3.1.3A Vectorial View of Signals and 

Noise

3.1.4The Basic SNR Parameter for Digital Communication Systems

3.1.5Why Eb/N0 is a Natural Figure 

of Merit

3.2Detection of Binary Signals in Gaussian 

Noise

3.2.1Maximum Likelihood Receiver 

Structure

3.2.2The Matched Filter

3.2.3Correlation Realization of the 

Matched Filter

3.2.4Optimizing Error Performance

3.2.5Error Probability Performance of 

Binary Signaling

3.3Intersymbol Interference

3.3.1Pulse Shaping to Reduce ISI

3.3.2Two Types of ErrorPerformance Degradation

3.3.3Demodulation/Detection of Shaped 

Pulses

3.4Equalization

3.4.1Channel Characterization

3.4.2Eye Pattern

3.4.3Equalizer Filter Types

3.4.4Preset and Adaptive 

Equalization

3.4.5Filter Update Rate

3.5Conclusion

References

Problems

Questions

4Bandpass Modulation and Demodulation/Detection

4.1Why Modulate

4.2Digital Bandpass Modulation 

Techniques

4.2.1Phasor Representation of a 

Sinusoid

4.2.2PhaseShift Keying

4.2.3FrequencyShift Keying

4.2.4Amplitude Shift Keying

4.2.5AmplitudePhase Keying

4.2.6Waveform Amplitude Coefficient

4.3Detection of Signals in Gaussian 

Noise

4.3.1Decision Regions

4.3.2Correlation Receiver

4.4Coherent Detection

4.4.1Coherent Detection of PSK

4.4.2Sampled Matched Filter

4.4.3Coherent Detection of Multiple 

PhaseShift Keying

4.4.4Coherent Detection of FSK

4.5Noncoherent Detection

4.5.1Detection of Differential PSK

4.5.2Binary Differential PSK 

Example

4.5.3Noncoherent Detection of FSK

4.5.4Required Tone Spacing for Noncoherent Orthogonal FSK Signaling

4.6Complex Envelope

4.6.1Quadrature Implementation of a 

Modulator

4.6.2D8PSK Modulator Example

4.6.3D8PSK Demodulator Example

4.7Error Performance for Binary 

Systems

4.7.1Probability of Bit Error for 

Coherently Detected BPSK

4.7.2Probability of Bit Error for Coherently 

Detected,Differentially Encoded 

Binary PSK

4.7.3Probability of Bit Error for Coherently 

Detected Binary Orthogonal FSK

4.7.4Probability of Bit Error for Noncoherently Detected Binary Orthogonal FSK

4.7.5Probability of Bit Error for 

Binary DPSK

4.7.6Comparison of BitError Performance 

for Various Modulation Types

4.8Mary Signaling and Performance

4.8.1Ideal Probability of BitError 

Performance

4.8.2Mary Signaling

4.8.3Vectorial View of MPSK 

Signaling

4.8.4BPSK and QPSK Have the Same 

BitError Probability

4.8.5Vectorial View of MFSK 

Signaling

4.9Symbol Error Performance for Mary 

Systems(M>2)

4.9.1Probability of Symbol Error for 

MPSK

4.9.2Probability of Symbol Error for 

MFSK

4.9.3BitError Probability Versus Symbol Error Probability for Orthogonal 

Signals

4.9.4BitError Probability Versus Symbol Error Probability for MultiplePhase Signaling

4.9.5Effects of Intersymbol 

Interference

4.10Conclusion

References

Problems

Questions

5Communications Link Analysis

5.1What the System Link Budget Tells the System Engineer

5.2The Channel

5.2.1The Concept of Free Space

5.2.2ErrorPerformance Degradation

5.2.3Sources of Signal Loss and 

Noise

5.3Received Signal Power and Noise 

Power

5.3.1The Range Equation

5.3.2Received Signal Power as a 

Function of Frequency

5.3.3Path Loss is Frequency Dependent

5.3.4Thermal Noise Power

5.4Link Budget Analysis

5.4.1Two Eb/N0 Values of Interest

5.4.2Link Budgets are Typically 

Calculated in Decibels

5.4.3How Much Link Margin is 

Enough

5.4.4Link Availability

5.5Noise Figure,Noise Temperature,and System Temperature

5.5.1Noise Figure

5.5.2Noise Temperature

5.5.3Line Loss

5.5.4Composite Noise Figure and 

Composite Noise Temperature

5.5.5System Effective Temperature

5.5.6Sky Noise Temperature

5.6Sample Link Analysis

5.6.1Link Budget Details

5.6.2Receiver Figure of Merit

5.6.3Received Isotropic Power

5.7Satellite Repeaters

5.7.1Nonregenerative Repeaters

5.7.2Nonlinear Repeater Amplifiers

5.8System TradeOffs

5.9Conclusion

References

Problems

Questions

6Channel Coding: Part 1: Waveform Codes and Block Codes

6.1Waveform Coding and Structured 

Sequences

6.1.1Antipodal and Orthogonal 

Signals

6.1.2Mary Signaling

6.1.3Waveform Coding

6.1.4WaveformCoding System 

Example

6.2Types of Error Control

6.2.1Terminal Connectivity

6.2.2Automatic Repeat Request

6.3Structured Sequences

6.3.1Channel Models

6.3.2Code Rate and Redundancy

6.3.3ParityCheck Codes

6.3.4Why Use ErrorCorrection Coding

6.4Linear Block Codes

6.4.1Vector Spaces

6.4.2Vector Subspaces

6.4.3A(6,3) Linear Block Code 

Example

6.4.4Generator Matrix

6.4.5Systematic Linear Block Codes

6.4.6ParityCheck Matrix

6.4.7Syndrome Testing

6.4.8Error Correction

6.4.9Decoder Implementation

6.5ErrorDetecting and ErrorCorrecting Capability

6.5.1Weight and Distance of Binary 

Vectors

6.5.2Minimum Distance of a Linear 

Code

6.5.3Error Detection and Correction

6.5.4Visualization of a 6Tuple Space

6.5.5Erasure Correction

6.6Usefulness of the Standard Array

6.6.1Estimating Code Capability

6.6.2An (n,k) Example

6.6.3Designing the (8,2) Code

6.6.4Error Detection Versus Error 

Correction TradeOffs

6.6.5The Standard Array Provides 

Insight

6.7Cyclic Codes

6.7.1Algebraic Structure of Cyclic Codes

6.7.2Binary Cyclic Code Properties

6.7.3Encoding in Systematic Form

6.7.4Circuit for Dividing Polynomials

6.7.5Systematic Encoding with an (n-k)

Stage Shift Register

6.7.6Error Detection with an (n-k)

Stage Shift Register

6.8WellKnown Block Codes

6.8.1Hamming Codes

6.8.2Extended Golay Code

6.8.3BCH Codes

6.9Conclusion

References

Problems

Questions

7Channel Coding: Part 2: Convolutional 

Codes and ReedSolomon Codes

7.1Convolutional Encoding

7.2Convolutional Encoder Representation

7.2.1Connection Representation

7.2.2State Representation and the 

State Diagram

7.2.3The Tree Diagram

7.2.4The Trellis Diagram

7.3Formulation of the Convolutional 

Decoding Problem

7.3.1Maximum Likelihood Decoding

7.3.2Channel Models: Hard Versus 

Soft Decisions

7.3.3The Viterbi Convolutional 

Decoding Algorithm

7.3.4An Example of Viterbi 

Convolutional Decoding

7.3.5Decoder Implementation

7.3.6Path Memory and 

Synchronization

7.4Properties of Convolutional Codes

7.4.1Distance Properties of 

Convolutional Codes

7.4.2Systematic and Nonsystematic Convolutional Codes

7.4.3Catastrophic Error Propagation in Convolutional Codes

7.4.4Performance Bounds for 

Convolutional Codes

7.4.5Coding Gain

7.4.6BestKnown Convolutional Codes

7.4.7Convolutional Code Rate 

TradeOff

7.4.8SoftDecision Viterbi Decoding

7.5Other Convolutional Decoding 

Algorithms

7.5.1Sequential Decoding

7.5.2Comparisons and Limitations of 

Viterbi and Sequential Decoding

7.5.3Feedback Decoding

7.6ReedSolomon Codes

7.6.1ReedSolomon Error Probability

7.6.2Why RS Codes Perform Well 

Against Burst Noise

7.6.3RS Performance as a Function of 

Size,Redundancy,and Code Rate

7.6.4Finite Fields

7.6.5ReedSolomon Encoding

7.6.6ReedSolomon Decoding

7.7Interleaving and Concatenated Codes

7.7.1Block Interleaving

7.7.2Convolutional Interleaving

7.7.3Concatenated Codes

7.8Coding and Interleaving Applied to the Compact Disc Digital Audio System

7.8.1CIRC Encoding

7.8.2CIRC Decoding

7.8.3Interpolation and Muting

7.9Conclusion

References

Problems

Questions

8Channel Coding: Part 3:Turbo Codes and 

LowDensity Parity Check(LDPC) Codes

8.1Turbo Codes

8.1.1Turbo Code Concepts

8.1.2LogLikelihood Algebra

8.1.3Product Code Example

8.1.4Encoding with Recursive 

Systematic Codes

8.1.5A Feedback Decoder

8.1.6The MAP Algorithm

8.1.7MAP Decoding Example

8.2LowDensity Parity Check(LDPC) 

Codes

8.2.1Background and Overview

8.2.2The ParityCheck Matrix

8.2.3Finding the BestPerforming 

Codes

8.2.4Decoding: An Overview

8.2.5Mathematical Foundations

8.2.6Decoding in the Probability Domain

8.2.7Decoding in the Logarithmic Domain

8.2.8ReducedComplexity Decoders

8.2.9LDPC Performance

8.2.10Conclusion

References

Problems

Questions

9Modulation and Coding TradeOffs

9.1Goals of the Communication System 

Designer

9.2ErrorProbability Plane

9.3Nyquist Minimum Bandwidth

9.4ShannonHartley Capacity Theorem

9.4.1Shannon Limit

9.4.2Entropy

9.4.3Equivocation and Effective 

Transmission Rate

9.5BandwidthEfficiency Plane

9.5.1Bandwidth Efficiency of MPSK and MFSK Modulation

9.5.2Analogies Between the BandwidthEfficiency and ErrorProbability 

Planes

9.6Modulation and Coding TradeOffs

9.7Defining, Designing,and Evaluating 

Digital Communication Systems

9.7.1Mary Signaling

9.7.2BandwidthLimited Systems

9.7.3PowerLimited Systems

9.7.4Requirements for MPSK and MFSK Signaling

9.7.5BandwidthLimited Uncoded System Example

9.7.6PowerLimited Uncoded System 

Example

9.7.7BandwidthLimited and Power

Limited Coded System Example

9.8BandwidthEfficient Modulation

9.8.1QPSK and Offset QPSK Signaling

9.8.2MinimumShift Keying

9.8.3Quadrature Amplitude Modulation

9.9TrellisCoded Modulation

9.9.1The Idea Behind TrellisCoded 

Modulation

9.9.2TCM Encoding

9.9.3TCM Decoding

9.9.4Other Trellis Codes

9.9.5TrellisCoded Modulation 

Example

9.9.6Multidimensional TrellisCoded 

Modulation

9.10Conclusion

References

Problems

Questions

10Synchronization

10.1Receiver Synchronization

10.1.1Why We Must Synchronize

10.1.2Alignment at the Waveform 

Level and Bit Stream Level

10.1.3CarrierWave Modulation

10.1.4Carrier Synchronization

10.1.5Symbol Synchronization

10.1.6Eye Diagrams and Constellations

10.2Synchronous Demodulation

10.2.1Minimizing Energy in the 

Difference Signal

10.2.2Finding the Peak of the Correlation Function

10.2.3The Basic Analog PhaseLocked 

Loop(PLL)

10.2.4PhaseLocking Remote Oscillators

10.2.5Estimating Phase Slope(Frequency)

10.3Loop Filters,Control Circuits,and 

Acquisition

10.3.1How Many Loop Filters are 

There in a System

10.3.2The Key Loop Filters

10.3.3Why We Want R Times Rdot

10.3.4The Phase Error SCurve

10.4PhaseLocked Loop Timing Recovery

10.4.1Recovering Carrier Timing from a Modulated Waveform

10.4.2Classical Timing Recovery 

Architectures

10.4.3TimingError Detection: Insight 

from the Correlation Function

10.4.4MaximumLikelihood TimingError Detection

10.4.5Polyphase Matched Filter and 

Derivative Matched Filter

10.4.6Approximate ML Timing Recovery 

PLL for a 32Path PLL

10.5Frequency Recovery Using a 

FrequencyLocked Loop(FLL)

10.5.1BandEdge Filters

10.5.2BandEdge Filter NonDataAided Timing Synchronization

10.6Effects of Phase and Frequency 

Offsets

10.6.1Phase Offset and No Spinning: 

Effect on Constellation

10.6.2Slow Spinning Effect on 

Constellation

10.6.3Fast Spinning Effect on 

Constellation

10.7Conclusion

References

Problems

Questions

11Multiplexing and Multiple Access

11.1Allocation of the Communications 

Resource

11.1.1FrequencyDivision Multiplexing/Multiple Access

11.1.2TimeDivision Multiplexing/

Multiple Access

11.1.3Communications Resource 

Channelization

11.1.4Performance Comparison of 

FDMA and TDMA

11.1.5CodeDivision Multiple Access

11.1.6SpaceDivision and Polarization

Division Multiple Access

11.2MultipleAccess Communications 

System and Architecture

11.2.1MultipleAccess Information Flow

11.2.2DemandAssignment Multiple 

Access

11.3Access Algorithms

11.3.1ALOHA

11.3.2Slotted ALOHA

11.3.3Reservation ALOHA

11.3.4Performance Comparison of 

SALOHA and RALOHA

11.3.5Polling Techniques

11.4MultipleAccess Techniques Employed 

with INTELSAT

11.4.1Preassigned FDM/FM/FDMA or 

MCPC Operation

11.4.2MCPC Modes of Accessing an INTELSAT Satellite

11.4.3SPADE Operation

11.4.4TDMA in INTELSAT

11.4.5SatelliteSwitched TDMA in 

INTELSAT

11.5MultipleAccess Techniques for 

Local Area Networks

11.5.1CarrierSense MultipleAccess 

Networks

11.5.2TokenRing Networks

11.5.3Performance Comparison of CSMA/CD 

and TokenRing Networks

11.6Conclusion

References

Problems

Questions

12SpreadSpectrum Techniques

12.1SpreadSpectrum Overview

12.1.1The Beneficial Attributes of 

SpreadSpectrum Systems

12.1.2A Catalog of Spreading Techniques

12.1.3Model for DirectSequence Spread

Spectrum Interference Rejection

12.1.4Historical Background

12.2Pseudonoise Sequences

12.2.1Randomness Properties

12.2.2Shift Register Sequences

12.2.3PN Autocorrelation Function

12.3DirectSequence SpreadSpectrum 

Systems

12.3.1Example of Direct Sequencing

12.3.2Processing Gain and Performance

12.4FrequencyHopping Systems

12.4.1FrequencyHopping Example

12.4.2Robustness

12.4.3Frequency Hopping with Diversity

12.4.4Fast Hopping Versus Slow Hopping

12.4.5FFH/MFSK Demodulator

12.4.6Processing Gain

12.5Synchronization

12.5.1Acquisition

12.5.2Tracking

12.6Jamming Considerations

12.6.1The Jamming Game

12.6.2Broadband Noise Jamming

12.6.3PartialBand Noise Jamming

12.6.4MultipleTone Jamming

12.6.5Pulse Jamming

12.6.6RepeatBack Jamming

12.6.7BLADES System

12.7Commercial Applications

12.7.1CodeDivision Multiple Access

12.7.2Multipath Channels

12.7.3The FCC Part 15 Rules for 

SpreadSpectrum Systems

12.7.4Direct Sequence Versus Frequency Hopping

12.8Cellular Systems

12.8.1DirectSequence CDMA

12.8.2Analog FM Versus TDMA 

Versus CDMA

12.8.3InterferenceLimited Versus 

DimensionLimited Systems

12.8.4IS95 CDMA Digital Cellular 

System

12.9Conclusion

References

Problems

Questions

13Source Coding

13.1Sources

13.1.1Discrete Sources

13.1.2Waveform Sources

13.2Amplitude Quantizing

13.2.1Quantizing Noise

13.2.2Uniform Quantizing

13.2.3Saturation

13.2.4Dithering

13.2.5Nonuniform Quantizing

13.3Pulse Code Modulation

13.3.1Differential Pulse Code Modulation

13.3.2OneTap Prediction

13.3.3NTap Prediction

13.3.4Delta Modulation

13.3.5ΣΔ Modulation

13.3.6ΣΔ AtoD Converter(ADC)

13.3.7ΣΔ DtoA Converter(DAC)

13.4Adaptive Prediction

13.4.1Forward Adaptation

13.4.2Synthesis/Analysis Coding

13.5Block Coding

13.5.1Vector Quantizing

13.6Transform Coding

13.6.1Quantization for Transform 

Coding

13.6.2Subband Coding

13.7Source Coding for Digital Data

13.7.1Properties of Codes

13.7.2Huffman Code

13.7.3RunLength Codes

13.8Examples of Source Coding

13.8.1Audio Compression

13.8.2Image Compression

13.9Conclusion

References

Problems

Questions

14Fading Channels

14.1The Challenge of Communicating over Fading Channels

14.2Characterizing MobileRadio 

Propagation

14.2.1LargeScale Fading

14.2.2SmallScale Fading

14.3Signal Time Spreading

14.3.1Signal Time Spreading Viewed in 

the TimeDelay Domain

14.3.2Signal Time Spreading Viewed in 

the Frequency Domain

14.3.3Examples of Flat Fading and FrequencySelective Fading

14.4Time Variance of the Channel 

Caused by Motion

14.4.1Time Variance Viewed in the 

Time Domain

14.4.2Time Variance Viewed in the 

DopplerShift Domain

14.4.3Performance over a Slow and 

FlatFading Rayleigh Channel

14.5Mitigating the Degradation Effects 

of Fading

14.5.1Mitigation to Combat FrequencySelective Distortion

14.5.2Mitigation to Combat FastFading Distortion

14.5.3Mitigation to Combat Loss in 

SNR

14.5.4Diversity Techniques

14.5.5Modulation Types for Fading 

Channels

14.5.6The Role of an Interleaver

14.6Summary of the Key Parameters Characterizing Fading Channels

14.6.1FastFading Distortion: Case 1

14.6.2FrequencySelective Fading 

Distortion: Case 2

14.6.3FastFading and FrequencySelective Fading Distortion: Case 3

14.7Applications: Mitigating the Effects of FrequencySelective Fading

14.7.1The Viterbi Equalizer as Applied 

to GSM

14.7.2The Rake Receiver Applied to DirectSequence SpreadSpectrum(DS/SS) Systems

14.8Conclusion

References

Problems

Questions

15The ABCs of OFDM(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing)

15.1What is OFDM

15.2Why OFDM

15.3Getting Started with OFDM

15.4Our Wish List(Preference for Flat 

Fading and Slow Fading)

15.4.1OFDMs Most Important Contribution 

to Communications over Multipath 

Channels

15.5Conventional MultiChannel FDM 

Versus MultiChannel OFDM

15.6The History of the Cyclic Prefix(CP)

15.6.1Examining the Lengthened 

Symbol in OFDM

15.6.2The Length of the CP

15.7OFDM System Block Diagram

15.8Zooming in on the IDFT

15.9An Example of OFDM Waveform 

Synthesis

15.10Summarizing OFDM Waveform 

Synthesis

15.11Data Constellation Points Distributed 

over the Subcarrier Indexes

15.11.1Signal Processing in the OFDM 

Receiver

15.11.2OFDM SymbolTime Duration

15.11.3Why DC is Not Used as a 

Subcarrier in Real Systems

15.12Hermitian Symmetry

15.13How Many Subcarriers are Needed

15.14The Importance of the Cyclic 

Prefix(CP) in OFDM

15.14.1Properties of Continuous and 

Discrete Fourier Transforms

15.14.2Reconstructing the OFDM 

Subcarriers

15.14.3A Property of the Discrete Fourier Transform(DFT)

15.14.4Using Circular Convolution for Reconstructing an OFDM Subcarrier

15.14.5The Trick That Makes Linear Convolution Appear Circular

15.15An Early OFDM Application: WiFi Standard 802.11a

15.15.1Why the Transform Size N Needs 

to Be Larger Than the Number of Subcarriers

15.16Cyclic Prefix(CP) and Tone 

Spacing

15.17LongTerm Evolution(LTE) Use 

of OFDM

15.17.1LTE Resources: Grid,Block,and Element

15.17.2OFDM Frame in LTE

15.18Drawbacks of OFDM

15.18.1Sensitivity to Doppler

15.18.2PeaktoAverage Power Ratio 

(PAPR) and SCOFDM

15.18.3Motivation for Reducing 

PAPR

15.19SingleCarrier OFDM(SCOFDM) for 

Improved PAPR Over Standard OFDM

15.19.1SCOFDM Signals Have Short Mainlobe Durations

15.19.2Is There an Easier Way to 

Implement SCOFDM

15.20Conclusion

References

Problems

Questions

16The Magic of MIMO(Multiple Input/

Multiple Output)

16.1What is MIMO

16.1.1MIMO Historical Perspective

16.1.2Vectors and Phasors

16.1.3MIMO Channel Model

16.2Various Benefits of Multiple 

Antennas

16.2.1Array Gain

16.2.2Diversity Gain

16.2.3SIMO Receive Diversity 

Example

16.2.4MISO Transmit Diversity 

Example

16.2.5TwoTime Interval MISO 

Diversity Example

16.2.6Coding Gain

16.2.7Visualization of Array Gain,Diversity 

Gain,and Coding Gain

16.3Spatial Multiplexing

16.3.1Basic Idea of MIMOSpatial Multiplexing(MIMOSM)

16.3.2Analogy Between MIMOSM 

and CDMA

16.3.3When Only the Receiver Has Channel

State Information(CSI)

16.3.4Impact of the Channel Model

16.3.5MIMO and OFDM Form a Natural Coupling

16.4Capacity Performance

16.4.1Deterministic Channel 

Modeling

16.4.2Random Channel Models

16.5Transmitter ChannelState 

Information(CSI)

16.5.1Optimum Power Distribution

16.6SpaceTime Coding

16.6.1Block Codes in MIMO Systems

16.6.2Trellis Codes in MIMO Systems

16.7MIMO TradeOffs

16.7.1Fundamental TradeOff

16.7.2TradeOff Yielding Greater 

Robustness for PAM and QAM

16.7.3TradeOff Yielding Greater 

Capacity for PAM and QAM

16.7.4Tools for Trading Off Multiplexing Gain and Diversity Gain

16.8MultiUser MIMO(MUMIMO)

16.8.1What is MUMIMO

16.8.2SUMIMO and MUMIMO 

Notation

16.8.3A Real Shift in MIMO 

Thinking

16.8.4MUMIMO Capacity

16.8.5SumRate Capacity Comparison for Various Precoding Strategies

16.8.6MUMIMO Versus SUMIMO Performance

16.9Conclusion

References

Problems

Questions

The Following Elements Will be Online Only

17Encryption and Decryption

Appendix AA Review of Fourier Techniques

Appendix BFundamentals of Statistical Decision Theory

Appendix CResponse of a Correlator to White Noise

Appendix DOftenUsed Identities

Appendix EsDomain, zDomain,and Digital Filtering

Appendix FOFDM Symbol Formation with an NPoint Inverse Discrete Fourier Transform (IDFT)

Appendix GList of Symbols

These online elements can be found at informit.com/ title/9780134588568.

1信号与频谱1

1.1数字通信信号

处理2

1.1.1为什么要数字化2

1.1.2典型框图与

变换3

1.1.3数字通信基本

术语6

1.1.4数字通信与模拟通信的

性能准则8

1.2信号分类8

1.2.1确定信号与随机

信号8

1.2.2周期信号与非周期信号8

1.2.3模拟信号与离散信号8

1.2.4能量信号与功率信号9

1.2.5单位冲激函数10

1.3谱密度10

1.3.1能量谱密度10

1.3.2功率谱密度11

1.4自相关函数12

1.4.1能量信号的自相关

函数12

1.4.2周期(功率)信号的自

相关函数12

1.5随机信号13

1.5.1随机变量13

1.5.2随机过程14

1.5.3时间平均与遍历性16

1.5.4随机过程的功率谱密度

和自相关函数17

1.5.5通信系统中的

噪声20

1.6信号通过线性

系统22

1.6.1冲激响应22

1.6.2频域传递函数23

1.6.3无失真传输24

1.6.4信号、电路和频谱28

1.7带宽30

1.7.1基带与带通30

1.7.2关于带宽31

1.8小结33

参考文献34

习题34

思考题36

2格式化和基带调制37

2.1基带系统38

2.2文本数据的格式化(字符

编码)39

2.3消息、字符与符号39

2.3.1消息、字符与符号

示例40

2.4模拟信息的格式化41

2.4.1采样定理41

2.4.2混叠46

2.4.3为什么要过采样48

2.4.4数字系统的信号

接口50

2.5信号受损的因素51

2.5.1采样与量化的影响51

2.5.2信道的影响52

2.5.3量化脉冲的

信噪比52

2.6脉冲编码调制53

2.7均匀与非均匀

量化54

2.7.1语音幅度的统计特性54

2.7.2非均匀量化55

2.7.3压扩特性56

2.8基带传输57

2.8.1二进制数字的波形

表示57

2.8.2PCM波形类型58

2.8.3PCM波形的频谱

特性60

2.8.4每PCM码字的比特数与

每符号的比特数60

2.8.5M进制脉冲调制

波形61

2.9相关编码63

2.9.1双二进制信号63

2.9.2双二进制信号译码64

2.9.3预编码65

2.9.4双二进制的等效传递

函数66

2.9.5二进制信号与双二进制

信号比较66

2.9.6多二进制信号67

2.10小结68

参考文献68

习题68

思考题70

3基带解调与检测71

3.1信号与噪声72

3.1.1通信系统中差错性能

的恶化72

3.1.2解调与检测73

3.1.3信号与噪声的矢量

表示76

3.1.4数字通信系统中的信噪比

参数81

3.1.5为什么Eb/N0是自然的

性能指标81

3.2高斯噪声中的二进制信号

检测82

3.2.1最大似然接收机

结构82

3.2.2匹配滤波器84

3.2.3匹配滤波器的相关

实现85

3.2.4优化差错性能87

3.2.5二进制信号的差错概率

性能90

3.3符号间干扰94

3.3.1用脉冲成形减少ISI96

3.3.2两种差错性能

恶化98

3.3.3成形脉冲的解调

检测101

3.4均衡104

3.4.1信道特性104

3.4.2眼图105

3.4.3均衡滤波器的类型105

3.4.4预置式均衡与自适应

均衡110

3.4.5滤波器的更新速率112

3.5小结112

参考文献112

习题113

思考题115

4带通调制和解调与

检测116

4.1为什么要调制117

4.2数字带通调制

技术117

4.2.1正弦波的相量

表示118

4.2.2移相键控119

4.2.3移频键控120

4.2.4幅移键控121

4.2.5幅相键控121

4.2.6波形的幅度系数121

4.3高斯噪声中的信号

检测122

4.3.1判决域122

4.3.2相关接收机123

4.4相干检测126

4.4.1PSK相干检测126

4.4.2匹配滤波器采样127

4.4.3多进制相移键控

相干检测131

4.4.4FSK相干检测133

4.5非相干检测135

4.5.1差分PSK检测135

4.5.2二进制差分PSK

示例136

4.5.3FSK非相干检测137

4.5.4非相干正交FSK信号

所需的频差139

4.6复包络142

4.6.1调制器的正交

实现142

4.6.2D8PSK调制示例144

4.6.3D8PSK解调示例145

4.7二进制系统的差错

性能146

4.7.1BPSK相干检测的

误比特率146

4.7.2差分二进制PSK相干

检测的误比特率147

4.7.3二进制正交FSK相干

检测的误比特率148

4.7.4二进制正交FSK非相干

检测的误比特率149

4.7.5二进制DPSK的误比

特率151

4.7.6不同调制的误比特率

性能比较152

4.8M进制信号及其性能153

4.8.1理想误比特率

性能153

4.8.2M进制信号153

4.8.3MPSK信号的矢量

表示155

4.8.4BPSK和QPSK的

误比特率相同156

4.8.5MFSK信号的矢量

表示157

4.9M进制系统的误符号

性能(M>2)160

4.9.1MPSK的误

符号率160

4.9.2MFSK的误

符号率161

4.9.3正交信号的误比特率

与误符号率162

4.9.4多相信号的误比特率

与误符号率164

4.9.5符号间干扰的

影响165

4.10小结165

参考文献165

习题166

思考题168

5通信链路分析170

5.1系统链路预算对工程师

的意义171

5.2信道171

5.2.1自由空间的概念172

5.2.2差错性能恶化172

5.2.3信号损耗与噪声

的来源172

5.3接收信号功率与噪声

功率176

5.3.1距离方程176

5.3.2接收信号功率是频率的

函数179

5.3.3路径损耗与频率有关180

5.3.4热噪声功率181

5.4链路预算分析182

5.4.1两个关键Eb/N0值184

5.4.2链路预算通常按分贝

计算185

5.4.3需要多少链路

裕量185

5.4.4链路可用性187

5.5噪声系数、噪声温度和

系统温度190

5.5.1噪声系数190

5.5.2噪声温度191

5.5.3线路损耗192

5.5.4复合噪声系数与复合

噪声温度194

5.5.5系统有效温度195

5.5.6天空噪声温度198

5.6链路分析示例200

5.6.1链路预算细节201

5.6.2接收机品质因数203

5.6.3全向接收功率203

5.7卫星中继203

5.7.1非再生中继204

5.7.2非线性中继放大器208

5.8系统权衡208

5.9小结209

参考文献209

习题210

思考题213

6信道编码Ⅰ: 波形编码和

分组码214

6.1波形编码与结构

化序列215

6.1.1对极信号与正交

信号215

6.1.2M进制信号216

6.1.3波形编码216

6.1.4波形编码系统

示例219

6.2差错控制类型221

6.2.1终端连接方式221

6.2.2自动重传请求221

6.3结构化序列223

6.3.1信道模型223

6.3.2码率与冗余度224

6.3.3奇偶校验码225

6.3.4为什么要用纠错码227

6.4线性分组码230

6.4.1矢量空间231

6.4.2矢量子空间231

6.4.3(6,3)线性分组码

示例232

6.4.4生成矩阵232

6.4.5系统线性分组码233

6.4.6校验矩阵235

6.4.7伴随式检验235

6.4.8纠错236

6.4.9译码器实现239

6.5检错能力与纠错

能力240

6.5.1二进制矢量的重量

和距离240

6.5.2线性码的最小

距离241

6.5.3检错与纠错241

6.5.46元组空间图示244

6.5.5纠删245

6.6标准阵列的用途246

6.6.1码的能力估计246

6.6.2(n,k)码示例247

6.6.3设计(8,2)码248

6.6.4检错与纠错的

权衡248

6.6.5标准阵列的

机理250

6.7循环码251

6.7.1循环码的代数结构251

6.7.2二进制循环码的特性252

6.7.3系统码编码253

6.7.4多项式除法电路254

6.7.5用(n-k)级移位寄存器进行

系统编码256

6.7.6用(n-k)级移位寄存器

检错257

6.8常用分组码258

6.8.1汉明码258

6.8.2扩展格雷码260

6.8.3BCH码261

6.9小结264

参考文献265

习题265

思考题269

7信道编码Ⅱ: 卷积码和里德

所罗门码270

7.1卷积编码271

7.2卷积编码器的表示273

7.2.1连接表示273

7.2.2状态表示及

状态图276

7.2.3树图278

7.2.4格图278

7.3卷积码的译码

问题281

7.3.1最大似然译码281

7.3.2信道模型: 硬判决与

软判决282

7.3.3维特比卷积译码

算法285

7.3.4维特比译码

示例286

7.3.5译码器的实现289

7.3.6路径存储与

同步290

7.4卷积码的特性291

7.4.1卷积码的距离

特性291

7.4.2系统卷积码与非系统

卷积码294

7.4.3卷积码中的灾难性差错

传播294

7.4.4卷积码的

性能界295

7.4.5编码增益296

7.4.6常用卷积码298

7.4.7卷积码的码率权衡

因素299

7.4.8软判决维特比译码299

7.5其他卷积码译码

算法301

7.5.1序贯译码301

7.5.2维特比译码和序贯译码的

比较及局限性303

7.5.3反馈译码305

7.6里德所罗门码306

7.6.1里德所罗门码的差错率307

7.6.2为什么里德所罗门码抗突发

噪声性能突出308

7.6.3RS码的性能是码长、冗余度

和码率的函数310

7.6.4有限域312

7.6.5里德所罗门码的编码316

7.6.6里德所罗门码的译码319

7.7交织与级联码324

7.7.1分组交织325

7.7.2卷积交织327

7.7.3级联码328

7.8编码和交织在光盘数字音频系统中

的应用329

7.8.1CIRC编码330

7.8.2CIRC译码332

7.8.3插值与静音333

7.9小结334

参考文献334

习题336

思考题339

8信道编码Ⅲ: Turbo码和低密度校验

(LDPC)码340

8.1Turbo码341

8.1.1Turbo码的概念341

8.1.2对数似然代数344

8.1.3乘积码示例344

8.1.4递归系统码的

编码349

8.1.5反馈译码器353

8.1.6MAP算法356

8.1.7MAP译码示例361

8.2低密度校验

(LDPC)码364

8.2.1背景与概述364

8.2.2校验矩阵364

8.2.3寻找性能最佳

的编码366

8.2.4译码概述368

8.2.5数学基础371

8.2.6概率域译码374

8.2.7对数域译码380

8.2.8低复杂度译码器383

8.2.9LDPC码的性能384

8.2.10小结386

参考文献389

习题391

思考题395

9调制与编码的权衡396

9.1通信系统设计的

目标397

9.2差错概率平面397

9.3奈奎斯特最小带宽398

9.4香农哈特莱容量定理400

9.4.1香农极限401

9.4.2熵402

9.4.3疑义度与有效

传输率403

9.5带宽效率平面405

9.5.1MPSK与MFSK调制的

频谱效率406

9.5.2带宽效率平面与差错率

平面的类比407

9.6调制与编码的权衡407

9.7数字通信系统的定义、设计与

评估409

9.7.1M进制信号设计409

9.7.2带宽受限系统410

9.7.3功率受限系统411

9.7.4MPSK及MFSK传输

要求412

9.7.5带宽受限的无编码系统

示例412

9.7.6功率受限的无编码系统

示例414

9.7.7带宽与功率同时受限的编码

系统示例415

9.8高频谱效率调制421

9.8.1QPSK与OQPSK422

9.8.2最小移频键控424

9.8.3正交幅度调制427

9.9格码调制429

9.9.1格码调制的

思想430

9.9.2TCM编码431

9.9.3TCM译码434

9.9.4其他格码436

9.9.5格码调制

示例438

9.9.6多维格码

调制440

9.10小结441

参考文献441

习题442

思考题445

10同步446

10.1接收同步447

10.1.1同步的必要性447

10.1.2波形级与比特流级

的对齐447

10.1.3载波调制447

10.1.4载波同步447

10.1.5符号同步450

10.1.6眼图与星座图451

10.2同步解调452

10.2.1最小化信号之差

的能量453

10.2.2找出相关函数

的峰值453

10.2.3基本模拟锁相环

(PLL)455

10.2.4锁相于远端振荡器455

10.2.5相位斜率(频率)估计456

10.3环路滤波器、控制电路及

捕获457

10.3.1系统中有多少环路滤

波器457

10.3.2关键环路滤波器457

10.3.3为什么需要R×R·

457

10.3.4相位误差S曲线458

10.4锁相环定时恢复459

10.4.1从已调波形中恢复载

波定时459

10.4.2经典定时恢复

架构460

10.4.3定时误差检测: 基于

相关函数的机理462

10.4.4最大似然定时误差

检测463

10.4.5多相匹配滤波器与微分

匹配滤波器464

10.4.632路锁相环的近似ML

定时恢复468

10.5锁频环(FLL)恢复

频率471

10.5.1带边滤波器472

10.5.2非数据辅助的带边滤波器

定时同步476

10.6相位与频率偏移

的影响479

10.6.1星座图相位偏移

无旋转480

10.6.2星座图慢

旋转481

10.6.3星座图快

旋转483

10.7小结485

参考文献486

习题487

思考题490

11复用与多址491

11.1通信资源

分配492

11.1.1频分复用与频分

多址493

11.1.2时分复用与时分

多址497

11.1.3通信资源信

道化499

11.1.4FDMA与TDMA的性能

比较499

11.1.5码分多址502

11.1.6空分与极化

多址503

11.2多址通信系统与

架构504

11.2.1多址信息流505

11.2.2按需分配

多址505

11.3接入算法506

11.3.1ALOHA506

11.3.2时隙ALOHA508

11.3.3预约ALOHA509

11.3.4SALOHA和RALOHA

性能对比510

11.3.5轮询技术511

11.4INTELSAT采用的

多址技术512

11.4.1预分配FDM/FM/FDMA或

MCPC操作513

11.4.2INTELSAT卫星中的

MCPC多址接入模式514

11.4.3SPADE操作515

11.4.4INTELSAT中的TDMA518

11.4.5INTELSAT卫星交换

TDMA523

11.5局域网中的多址

技术525

11.5.1载波侦听多址

接入网络525

11.5.2令牌环网络527

11.5.3CSMA/CD与令牌环网络

性能对比528

11.6小结529

参考文献529

习题530

思考题532

12扩频技术533

12.1扩频概述534

12.1.1扩频系统的

优点534

12.1.2扩频技术的分类537

12.1.3直接序列扩频干扰抑制

模型537

12.1.4历史背景538

12.2伪噪声序列539

12.2.1随机特性539

12.2.2移位寄存器序列540

12.2.3PN序列的自相关函数541

12.3直接序列扩频

系统541

12.3.1直接序列扩频示例543

12.3.2处理增益与性能544

12.4跳频系统546

12.4.1跳频示例547

12.4.2鲁棒性548

12.4.3分集跳频549

12.4.4快跳频与慢跳频549

12.4.5FFH/MFSK解调551

12.4.6处理增益551

12.5同步551

12.5.1捕获552

12.5.2跟踪555

12.6干扰问题557

12.6.1干扰游戏557

12.6.2宽带噪声干扰561

12.6.3部分频带噪声干扰562

12.6.4多音干扰564

12.6.5脉冲干扰564

12.6.6转发式干扰565

12.6.7BLADES系统567

12.7商业应用568

12.7.1码分多址568

12.7.2多径信道569

12.7.3FCC第15部分关于扩频

系统的规范570

12.7.4直接序列扩频与跳频扩频

比较571

12.8蜂窝系统572

12.8.1直接序列CDMA572

12.8.2模拟FM、TDMA及CDMA

比较575

12.8.3干扰受限系统与维度受限

系统比较576

12.8.4IS95 CDMA数字蜂窝

系统578

12.9小结586

参考文献586

习题588

思考题591

13信源编码592

13.1信源593

13.1.1离散信源593

13.1.2波形信源596

13.2幅度量化597

13.2.1量化噪声599

13.2.2均匀量化601

13.2.3饱和604

13.2.4抖动606

13.2.5非均匀量化608

13.3脉冲编码调制611

13.3.1差分脉冲编码调制611

13.3.2单抽头预测613

13.3.3N抽头预测614

13.3.4增量调制615

13.3.5ΣΔ调制616

13.3.6ΣΔ模数转换(ADC)620

13.3.7ΣΔ数模转换(DAC)621

13.4自适应预测622

13.4.1前向自适应622

13.4.2综合/分析编码623

13.5分组编码624

13.5.1矢量量化624

13.6变换编码626

13.6.1变换编码的

量化627

13.6.2子带编码627

13.7数字数据的信源编码628

13.7.1编码特性629

13.7.2哈夫曼编码631

13.7.3游程编码633

13.8信源编码示例637

13.8.1音频压缩637

13.8.2图像压缩641

13.9小结647

参考文献647

习题648

思考题650

14衰落信道651

14.1衰落信道对通信

的挑战652

14.2移动无线传播

特性653

14.2.1大尺度衰落656

14.2.2小尺度衰落657

14.3信号的时间扩展660

14.3.1时间扩展在时延域

的体现660

14.3.2时间扩展在频域

的体现662

14.3.3平衰落与频率选择性衰落

示例664

14.4运动引起的信道

时变666

14.4.1时变性在时域

的体现666

14.4.2时变性在多普勒频移

域的体现668

14.4.3慢平瑞利衰落下

的性能673

14.5降低衰落

的影响675

14.5.1抗频率选择性

失真676

14.5.2抗快衰落

失真678

14.5.3克服低信噪比

损失678

14.5.4分集技术680

14.5.5适合衰落信道的

调制类型681

14.5.6交织器的作用682

14.6标准衰落信道的

主要参数685

14.6.1案例1: 快衰落失真685

14.6.2案例2: 频率选择性衰落

失真686

14.6.3案例3: 快衰落与频率

选择性衰落失真686

14.7应用: 减小频率选择性

衰落的影响688

14.7.1GSM中的维特比

均衡688

14.7.2直接序列扩频(DS/SS)系统

中的Rake接收机690

14.8小结692

参考文献692

习题694

思考题698

15正交频分复用(OFDM)

基础699

15.1什么是OFDM700

15.2为什么是OFDM700

15.3OFDM入门701

15.4我们希望平衰落慢

衰落702

15.4.1OFDM对多径信道通信

最重要的贡献702

15.5传统多载波FDM与多载波

OFDM的对比703

15.6循环前缀(CP)的历史704

15.6.1解析OFDM的符号

延长704

15.6.2CP的长度705

15.7OFDM系统框图706

15.8聚焦IDFT707

15.9OFDM波形合成

示例707

15.10OFDM波形合成

总结708

15.11分布在子载波索引上的数据

星座点709

15.11.1OFDM接收机中的信号

处理710

15.11.2OFDM符号持续时间710

15.11.3为什么实际系统中不使用

直流子载波711

15.12埃米尔特对称711

15.13需要多少子载波712

15.14循环前缀(CP)在OFDM中

的重要性713

15.14.1连续和离散傅里叶变换

的性质713

15.14.2OFDM子载波

重建714

15.14.3离散傅里叶变换(DFT)

的一个性质715

15.14.4利用循环卷积重建OFDM

子载波716

15.14.5使线性卷积呈现循环卷积

的技巧718

15.15早期OFDM应用: WiFi.802.11a标准718

15.15.1为什么变换点数N要大于

子载波数720

15.16循环前缀(CP)与子载波

间隔721

15.17OFDM在长期演进(LTE)中的

应用722

15.17.1LTE资源: 资源格、资源块、

资源单元722

15.17.2LTE中的OFDM帧722

15.18OFDM的缺点726

15.18.1对多普勒的敏感性726

15.18.2峰均功率比(PAPR)与

SCOFDM726

15.18.3降低PAPR的动因726

15.19单载波OFDM(SCOFDM)

的PAPR优于标准OFDM727

15.19.1SCOFDM信号的主瓣

持续时间短729

15.19.2是否有实现SCOFDM

的简单方法729

15.20小结730

参考文献730

习题730

思考题732

16多输入多输出(MIMO)

的魔力733

16.1什么是MIMO734

16.1.1MIMO发展历程734

16.1.2矢量与相量734

16.1.3MIMO信道模型735

16.2多天线技术的

多重优势737

16.2.1阵列增益737

16.2.2分集增益738

16.2.3SIMO接收分集

示例740

16.2.4MISO发送分集

示例740

16.2.5双时隙MISO分集

示例741

16.2.6编码增益741

16.2.7阵列增益、分集增益及编码

增益的图示742

16.3空间复用743

16.3.1MIMO空间复用(MIMO

SM)的基本思想743

16.3.2MIMOSM与CDMA

的类比744

16.3.3仅接收端已知信道状态

信息(CSI)时744

16.3.4信道模型的影响745

16.3.5MIMO与OFDM天然

适配746

16.4容量性能747

16.4.1确定信道

建模748

16.4.2随机信道模型749

16.5发端信道状态

信息(CSI)751

16.5.1最优功率分配752

16.6空时编码754

16.6.1MIMO系统中的分组码755

16.6.2MIMO系统中的格码757

16.7MIMO中的权衡757

16.7.1基本权衡758

16.7.2偏向提高PAM和QAM

的鲁棒性759

16.7.3偏向提高PAM和QAM

的容量759

16.7.4权衡复用增益与分集增益

的方法760

16.8多用户MIMO(MUMIMO)763

16.8.1什么是MUMIMO763

16.8.2SUMIMO与MUMIMO中

的记号764

16.8.3MIMO思维的

转变765

16.8.4MUMIMO容量768

16.8.5不同预编码策略和

率容量的比较779

16.8.6MUMIMO与SUMIMO

的性能对比779

16.9小结780

参考文献780

习题782

思考题783

以下内容仅在线提供

17加密与解密

附录A傅里叶方法回顾

附录B统计判决理论基础

附录C相关器对白噪声的响应

附录D常用公式

附录Es域、z域及数字滤波

附录F基于N点离散傅里叶逆变换(IDFT)

的OFDM符号产生

附录G符号列表

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