前言

This third edition of Digital Communications: Fundamentals and Applications is an updated version of the original and second edition publications. The following key features have been updated and changed:

 We added a chapter dealing with orthogonal frequencydivision multiplexing (OFDM). OFDM utilizes closely spaced orthogonal subcarriers. Data are partitioned into groups,such that each group is assigned a subcarrier,which is then modulated in a conventional way. The technique allows for elegant mitigation of intersymbol interference and intercarrier interference. A cyclic prefix is used to “trick” the channel into performing circular convolution instead of linear convolution,which helps maintain orthogonality. The primary advantage of OFDM is its ability to cope with severe channel multipath conditions,such as frequencyselective fading,without requiring complex equalization filters.

 We also added a chapter on multiple input,multiple output (MIMO) systems. The uniqueness of MIMO stems from time being complemented with the spatial dimension obtained by using several antennas (at the transmitter and receiver). We focus on spatial multiplexing and spacetime coding to examine how MIMO can improve BER or increase capacity or both—without expending additional power or bandwidth. It involves exploiting any multipath channel conditions. We examine available tradeoffs between capacity and robustness and consider multiuser (MUMIMO) systems where multiple independent users can simultaneously access MIMO base stations.

 In order to keep the book in singlevolume format while adding the new OFDM and MIMO chapters,we chose to provide some of the material online. Therefore,in this third edition,the material on encryption and decryption has become Chapter 17,which can now be accessed on the companion website,as described later in the section “Additional Book Resources.” Also available online are Appendixes A through G. These online elements can be found at informit.com/title/9780134588568.

This third edition is intended to provide comprehensive coverage of digital communication systems for seniorlevel undergraduates,firstyear graduate students,and practicing engineers. Although the emphasis is on digital communications,necessary analog fundamentals are included because analog waveforms are used for the radio transmission of digital signals. The key feature of a digital communication system is that it deals with a finite set of discrete messages,in contrast to an analog communication system,in which messages are defined on a continuum. The objective at the receiver of a digital system is not to reproduce a waveform with precision; it is instead to determine from a noiseperturbed signal which of the finite set of waveforms had been sent by the transmitter. In fulfillment of this objective,there has arisen an impressive assortment of signal processing techniques.

This book describes these signal processing techniques in the context of a unified structure,a block diagram that appears at the beginning of each chapter. In each chapter,applicable portions of the diagram are emphasized. One of the main purposes of this book is to ensure awareness of the “big picture,” even while delving into the details. Signals and key processing steps are traced from the information source through the transmitter,channel,receiver,and,ultimately,to the information sink. Signal transformations are organized according to functional classes: formatting and source coding,baseband signaling,bandpass signaling,equalization,channel coding,multiplexing and multiple access,spreading,and synchronization. Throughout the book,emphasis is placed on system goals and the need to trade off basic system parameters such as signaltonoise ratio,probability of error,and bandwidth expenditure.

Organization of the Book

Chapter 1 introduces the overall digital communication system and the basic signal transformations that are highlighted in subsequent chapters. Some basic ideas of random variables and the additive white Gaussian noise (AWGN) model are reviewed. Also,the relationship between power spectral density and autocorrelation and the basics of signal transmission through linear systems are established. Chapter 2 covers the signal processing step known as formatting,which is used to render an information signal compatible with a digital system. Chapter 3 emphasizes baseband signaling,the detection of signals in Gaussian noise,and receiver optimization. Chapter 4 deals with bandpass signaling and its associated modulation and demodulation/detection techniques. Chapter 5 deals with link analysis,an important subject for providing overall system insight; it considers some subtleties that are often missed. Chapters 6,7 and 8 deal with channel coding—a costeffective way of providing a variety of system performance tradeoffs. Chapter 6 emphasizes linear block codes,Chapter 7 deals with convolutional codes and ReedSolomon codes,and Chapter 8 deals with turbo codes and lowdensity paritycheck (LDPC) codes.

Chapter 9 considers various modulation/coding system tradeoffs related to probability of biterror performance,bandwidth efficiency,and signaltonoise ratio. It also treats the area of coded modulation,covering topics such as trelliscoded modulation. Chapter 10 deals with synchronization for digital systems. It covers phaselocked loop implementation for achieving carrier synchronization. It covers bit synchronization,frame synchronization,and network synchronization,and it introduces some ways of performing synchronization using digital methods.

Chapter 11 treats multiplexing and multiple access. It explores techniques that are available for utilizing the communication resource efficiently. Chapter 12 introduces spreadspectrum techniques and their application in areas such as multiple access,ranging,and interference rejection. This technology is important for both military and commercial applications. Chapter 13 deals with source coding,which is a special class of data formatting. Both formatting and source coding involve digitization of data; the main difference between them is that source coding additionally involves reducing data redundancy. Rather than consider source coding immediately after formatting,we purposely treat it in a later chapter to avoid interrupting the presentation flow of the basic processing steps. Chapter 14 deals with fading channels. Here,we deal with applications such as mobile radios,where characterization of the channel is much more involved than that of a nonfading one. The design of a communication system that can withstand the degradation effects of fading can be much more challenging than the design of its nonfading counterpart. In Chapter 14,we describe a variety of techniques that can mitigate the effects of fading,and we show some successful designs that have been implemented. Chapters 15 and 16,new additions to this third edition dealing with OFDM and MIMO,respectively,were summarized at the beginning of this preface. Chapter 17 (which is available online at informit.com/title/9780134588568) covers basic encryption/decryption ideas. It includes some classical concepts,as well as a class of systems called public key cryptosystems,and the email encryption software known as Pretty Good Privacy (PGP).

Appendixes AG are available online at informit.com/title/9780134588568. We assume the reader is familiar with Fourier methods and convolution. Appendix A reviews these techniques,emphasizing properties that are particularly useful in the study of communication theory. We also assume the reader has a knowledge of basic probability and some familiarity with random variables. Appendix B builds on these disciplines for a short treatment on statistical decision theory,with emphasis on hypothesis testingwhich is very important in the understanding of detection theory. Appendix C shows the inputs to a bank of N correlators representing a white Gaussian noise process. Appendix D shows a list of oftenused identities. Appendix E serves as a short tutorial on sdomain,zdomain,and digital filtering. Appendix F reviews the inverse and forward discrete Fourier transforms of finitelength sequences and their relationship to continuous and sampled signals and to continuous and sampled spectra. Understanding these relationships can provide valuable insight into the OFDM process. Appendix G provides a List of Symbols used throughout the book.

If the book is used for a twoterm course,a simple partitioning is suggested: The first eight chapters can be taught in the first term,and the last eight chapters in the second term. If the book is used for a oneterm introductory course,it is suggested that the course material be selected from the following chapters:1,2,3,4,5,6,7,9,10,and 12.

Additional Book Resources

This third edition is supported by three Internet resources that have been set up to provide access to ancillary material,bonus material,and errata sheets for instructors as well as students. The first site is for instructors only,and the other two are for all readers:

 The Pearson Instructor Resource Center (IRC) provides ancillary information for instructors,such as solution manual,exam problems,and class exercises. To access a Solutions Manual for this book,go to https://www.pearson. com/us/highereducation/subjectcatalog/downloadinstructorresources.html to register,or to sign in if you already have an account.

 The Pearson InformIT page (informit.com/title/9780134588568) houses Chapter 17 on encryption and decryption,Appendixes A though G,and ancillary material that may be deemed useful during the life of the book.

 MATLAB Central File Exchange is an online community hosted by MathWorks. MATLAB code for the book is available on the File Exchange for instructors and students alike and is particularly helpful in solving some of the endofchapter problems. See https://www.mathworks.com/matlabcentral/ profile/authors/216378bernardsklar.

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《数字通信： 基础与应用》第3版是原版和第2版的修订版，修订要点如下： 

 新增了一章关于正交频分复用（OFDM）的内容。OFDM利用紧密排列的正交子载波，将数据分组后分配至各子载波后按常规方式调制。该技术能够有效降低符号间干扰和载波间干扰。为了保持正交性，OFDM通过循环前缀这一技巧将信道的线性卷积化为了循环卷积。OFDM的主要优势在于无须复杂的均衡器，即可应对严重信道多径所导致的选择性衰落等问题。

 第3版还新增了一章关于多输入多输出（MIMO）系统的内容。MIMO的独特之处在于通过接收端和发送端的多天线引入空间维度，对时间维度形成补充。本章重点探讨空间复用和空时编码，研究MIMO在无须额外功率或带宽的情况下，对BER的改善及对容量的提升，其中涉及对多径信道条件的利用。本章还探讨了容量与鲁棒性之间的权衡，并考虑了多个独立用户可以同时接入MIMO基站的多用户（MUMIMO）系统。

 为了在新增OFDM和MIMO两章的同时保持书籍的单卷本形式，我们将部分内容改为在线提供。因此，在第3版中，关于加密和解密的内容已调整为第17章，读者可通过配套网站访问，具体说明见后文“书籍附加资源”部分。此外，附录A至G也可在线获取。在线资源可访问informit.com/title/9780134588568。

第3版面向高年级本科生、一年级研究生和从业工程师，全面覆盖数字通信系统。尽管重点在数字通信，但书中包含了必要的模拟通信基础知识，因为数字信号的无线传输也需使用模拟波形。数字通信系统的关键特征在于它处理的是来自有限集合的离散消息，而模拟通信系统中的消息是连续的。数字系统接收机的目标不是精确再现波形，而是从受噪声干扰的信号中确定发端发送的是有限波形集中的哪一个。为了实现这一目标，人们已经发展出一系列令人瞩目的信号处理技术。

本书每章开头均以统一的框图介绍这些信号处理技术，各章重点突出本章核心内容，力求读者能在钻研细节的同时，始终把握全局。书中系统阐述了从信源出发，经发射机、信道、接收机，最终抵达信宿的全流程信号及其关键处理环节。信号变换按功能划分为： 格式化与信源编码、基带信号、带通信号、均衡、信道编码、复用与多址、扩频以及同步。全书始终围绕系统设计目标展开，着重强调基本系统参数（如信噪比、错误率和带宽开销）之间进行权衡的必要性。

本书结构

第1章介绍了数字通信系统的整体框架，以及后续章节中重点讨论的基本信号变换，同时回顾了随机变量基本概念和加性白高斯噪声（AWGN）模型。此外，还阐述了功率谱密度与自相关函数之间的关系，以及信号通过线性系统传输的基础知识。第2章涵盖本书称为“格式化”的信号处理步骤，其作用是将信息信号组织成与数字系统兼容的格式。第3章聚焦于基带信号设计、高斯噪声中的信号检测及最佳接收机原理。第4章介绍带通信号设计及其调制与解调检测技术。第5章探讨链路分析，这是深入理解系统的重要主题，本章特别考虑了一些常被忽视的细节。第6、7、8章围绕信道编码展开，这是一种实现多种系统性能权衡的高成本效益方法。其中，第6章重点解析线性分组码，第7章讨论卷积码和里德所罗门码，第8章则介绍Turbo码和低密度校验码（LDPC）。

第9章探讨各章调制编码系统中误比特率性能、频谱效率及信噪比之间的权衡关系，同时介绍编码调制相关内容，包括格码调制。第10章聚焦数字系统中的同步问题，系统介绍载波同步（锁相环法）、比特同步、帧同步以及网同步，同时介绍一些数字化同步实现方法。

第11章介绍复用与多址技术，探讨各类有效利用通信资源的方法。第12章阐述扩频技术及其在多址、测距和抗干扰等领域的应用。扩频技术在军用和民用场景中占有重要地位。第13章探讨信源编码，这是一种特殊的数据格式化方式。格式化和信源编码均涉及数据的数字化过程，二者的主要区别在于，信源编码还涉及减少数据冗余的操作。本书特意将信源编码置于较后章节，而非紧接在格式化章节之后，旨在维持基本处理步骤的呈现逻辑。

第14章探讨衰落信道，涉及移动无线通信等应用场景，其信道特性远比非衰落信道复杂。相比于非衰落信道，设计能承受衰落影响的通信系统更具挑战性。本章将介绍多种降低衰落影响的技术，并列举一些成功的实际设计案例。第15章和第16章为第3版新增内容，分别介绍OFDM和MIMO技术，前言开头部分已对相关内容做了概述。第17章（可在informit.com/title/9780134588568在线获取）涵盖加密解密的基本原理，内容包括经典概念、公钥密码系统以及电子邮件加密软件中的优良保密协议（PGP）。

附录A至G可在informit.com/title/9780134588568在线获取。假设读者已熟悉傅里叶方法与卷积运算，附录A对相关知识进行复习，重点强调对通信理论研究尤为实用的性质。本书同时假设读者具备基本的概率论知识，对随机变量有一定了解。附录B在此基础上简要介绍统计判决理论，重点聚焦假设检验，它对理解检测理论非常重要。附录C则给出一组相关器对白高斯噪声过程的响应。

【译者注： 原文对附录C的介绍文字与附录C的标题和内容不太一致。此处按附录C的实际内容介绍。原文直译是： 附录C给出了用来表示白高斯噪声过程的N个相关器输入。】

附录D罗列了常用公式。附录E简要介绍s域、z域和数字滤波相关内容。附录F复习有限长序列的离散傅里叶正变换与反变换，及其与连续信号、采样信号、连续频谱、采样频谱之间的关系。理解这些关系有助于深入掌握OFDM技术。附录G则提供了本书所使用的符号列表。

若将本书用于两学期的课程教学，推荐一种简单的内容划分方式： 第一学期讲授前八章，第二学期讲授后八章。若将本书用于一学期的入门课程，教学内容可从第1、2、3、4、5、6、7、9、10和12章中进行选择。

其他配套资源

第3版由三个互联网资源提供支持，可为师生提供辅助材料、补充材料及勘误表。其中第一个网站仅供教师使用，另外两个则对所有读者开放： 

 培生教师资源中心（The Pearson Instructor Resource Center， IRC）为教师提供辅助资料，包括习题解答、试题及课堂练习。需要习题解答的教师可访问并注册https://www.pearson.com/us/highereducation/subjectcatalog/downloadinstructorresources.html ，若已有账户，请直接登录。

 培生InformIT网页（informit.com/title/9780134588568）提供第17章“加密与解密”内容、附录A至G，以及本书使用过程中可能有用的辅助材料。

 MATLAB Central File Exchange是由MathWorks主办的在线社区，该平台面向师生提供本书的MATLAB代码，对解决部分章末的习题尤为实用。访问地址为https://www.mathworks.com/matlabcentral/profile/authors/216378bernardsklar。

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