内容简介
《现代通信原理、技术与仿真》主要介绍通信系统的调制、编码、信号设计、噪声分析等基本理论和分析方法。全书共13章,内容包括绪论、确定信号分析、随机信号与噪声、信道与线性调制、模拟角度调制系统、信源编码、数字基带传输系统、数字载波传输系统、差错控制编码、正交编码与伪随机序列、同步原理、通信网、现代通信新技术等。
《现代通信原理、技术与仿真》可作为通信工程、电子信息、信息工程等。电子类专业本科生“通信原理”课程的教材或辅助教材,也可作为研究生和相关领域工程技术人员的参考书。
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目录
第1章 绪论
1.1 通信技术的发展与展望
1.2 信息、信息量与信道容量公式
1.2.1 消息、信号与信息
1.2.2 信息量
1.2.3 平均信息量
1.2.4 香农信道容量公式
1.3 通信系统模型
1.3.1 通信系统的一般模型
1.3.2 通信系统的分类
1.3.3 模拟通信系统和数字通信系统
1.4 通信系统的主要性能指标
1.4.1 有效性
1.4.2 可靠性
1.5 通信仿真工具介绍
1.5.1 MATLAB简介
1.5.2 Simulink简介
1.5.3 SystemView简介
习题
第2章 确定信号分析
2.1 信号的正交分解与频谱分析
2.1.1 信号的正交分解
2.1.2 信号的频谱分析
2.2 能量信号与功率信号
2.2.1 能量信号与能量谱密度函数
2.2.2 功率信号与功率谱密度函数
2.3 相关函数与功率谱密度函数
2.3.1 能量信号的相关函数
2.3.2 能量信号的相关定理
2.3.3 功率信号的相关函数
2.4 傅立叶变换的不足与信号的时一频分析法
2.5 窄带系统与窄带信号分析
2.5.1 傅立叶反变换法
2.5.2 解析法——等效低通网络函数法
2.6 复数信号与时域希尔伯特(Hilbert)变换
2.6.1 复数信号的定义
2.6.2 复数信号的实部与虚部及希尔伯特变换
2.6.3 实时间信号的复指数表示和解析信号表示
2.6.4 窄带实时间信号自相关函数的复数化求解
2.7 计算机仿真的一般方法
2.7.1 信号及系统在计算机中的表示
2.7.2 模拟(连续)信号用数字(离散)信号处理
2.7.3 谱分析方法的应用
习题
第3章 随机信号与噪声
3.1 随机过程的基本概念
3.2 随机过程的数学描述
3.2.1 随机过程的分布函数和概率密度函数
3.2.2 随机过程的数字特征
3.3 平稳随机过程
3.3.1 平稳随机过程的定义
3.3.2 平稳随机过程的一维及二维概率密度函数
3.3.3 平稳随机过程的数字特征
3.3.4 平稳随机过程自相关函数的性质
3.3.5 平稳随机过程的各态历经性
3.4 平稳随机过程的自相关函数与功率谱密度的关系
3.5 正态随机过程
3.5.1 正态随机过程的定义
3.5.2 正态随机过程的性质
3.6 通过线性系统的平稳随机过程
3.7 白噪声、散弹噪声和热噪声
3.8 通过窄带线性系统的白色随机过程——窄带噪声
3.8.1 窄带噪声的波形特征
3.8.2 nc(t)和ns(t)与R(t)和O(t)的统计特性
3.9 正弦波加窄带高斯噪声的统计特性
本章仿真实验举例
习题
第4章 信道与线性调制
4.1 信道
4.1.1 信道的基本概念
4.1.2 信道容量
4.1.3 信道特性
4.1.4 编码与调制
4.2 线性调制
4.2.1 标准振幅调制
4.2.2 抑制载波双边带调制
4.2.3 单边带调制
4.2.4 残留边带调制
4.3 幅度调制系统的一般模型
4.4 幅度调制信号解调的一般模型
4.4.1 同步解调
4.4.2 包络解调
4.5 幅度调制系统的抗噪声性能
4.5.1 通信系统抗噪声性能的分析模型
4.5.2 幅度调制系统同步解调时的抗噪声性能
4.5.3 幅度调制系统包络解调时的抗噪声性能
本章仿真实验举例
习题
第5章 模拟角度调制系统
5.1 角度调制的基本概念
5.1.1 相位调制
5.1.2 频率调制
5.2 调频信号频谱分析与卡森(Carson)带宽
5.2.1 窄带调频
5.2.2 简谐信号(单音)调制时的宽带调频
5.2.3 卡森带宽
5.3 调频信号的产生与解调
5.3.1 调频信号的产生
5.3.2 调频信号的解调
5.4 调频系统的抗噪声性能分析
5.4.1 窄带调频系统的抗噪声性能
5.4.2 宽带调频系统的抗噪声性能
5.5 预加重和去加重技术对噪声特性的改善
5.6 频分复用
5.7 模拟调制系统的应用实例
本章仿真实验举例
习题
第6章 信源编码
6.1 抽样定理
6.1.1 低通信号的抽样定理
6.1.2 自然抽样
6.1.3 带通信号的抽样定理
6.2 离散无记忆信源(.DMS)编码
6.2.1 等长编码
6.2.2 不等长编码
6.3 脉冲编码调制(PCM)
6.3.1 PCM基本原理
6.3.2 均匀量化与量化噪声
6.3.3 压扩原理与非均匀量化
6.3.4 PCM编码
6.3.5.PCM译码
6.4 PCM系统的抗噪声性能
6.4.1 量化噪声的影响
6.4.2 误码对输出信号的影响
6.5 自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)
6.6 增量编码调制(DM或AM)
6.6.1 AM的基本原理
6.6.2 量化噪声与过载量化08r声
6.6.3 增量编码调制系统的抗噪声性能
6.6.4 增量总和调制和自适应数字压扩增量调制
6.7 PCM系统与AM系统的比较
6.8 话音和图像信号的压缩编码
6.8.1 话音压缩编码
6.8.2 图像压缩编码
本章仿真实验举例
习题
第7章 数字基带传输系统
7.1 数字基带信号
7.1.1 数字基带信号的要求
7.1.2 数字基带信号的波形
7.1.3 常用的基带传输码型
7.2 数字基带信号的功率谱
7.3 无码间串扰传输系统与奈奎斯特(Nyquist)准则
7.3.1 基带系统传输特性及码间串扰
7.3.2 无码间串扰系统的特性
7.3.3 奈奎斯特第一准则(抽样值无失真条件)
7.3.4 奈奎斯特第二准则(转换点无失真条件)
7.3.5 奈奎斯特第三准则(脉冲波形面积保持不变条件)
7.3.6 无码间串扰的滚降系统特性
7.4 部分响应系统
7.4.1 余弦谱传输特性
7.4.2 正弦谱特性
7.4.3 部分响应系统特性
7.4.4 常用部分响应系统举例
7.5 基带系统的最佳化
7.5.1 理想信道下的最佳基带系统
7.5.2 非理想信道下的最佳接收
7.6 基带系统的抗噪声性能
7.6.1 理想系统的抗噪声性能
7.6.2 最佳基带系统的抗噪声性能
7.7 均衡器原理
7.7.1 频域均衡
7.7.2 时域均衡
7.8 眼图
本章仿真实验举例
习题
第8章 数字载波传输系统
8.1 概述
8.2 二进制数字已调信号及其功率谱
8.2.1 2ASK信号
8.2.2 2FSK信号
8.2.3 2PSK与2DPSK信号
8.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能分析
8.3.1 2ASK系统的抗噪声性能
8.3.2 2FSK系统的抗噪声性能
8.3.3 2PSK与2DPSK系统的抗噪声性能
8.4 各种数字调制系统的性能比较
8.5 多进制数字调制系统
8.5.1 多进制幅度键控(MASK)
8.5.2 多进制移频键控(MFSK)
8.5.3 多进制移相键控(MPSK)
8.6 改进型数字调制系统
8.6.1 正交调幅QAM
8.6.2 连续相位移频键控(CPFSK)与MSK、TMF.调制
8.6.2 高斯最小移频键控(GMSK)
8.7 数字信号的最佳接收
8.7.1 数字信号接收的统计描述
8.7.2 确知信号的最佳接收机
8.7.3 匹配滤波器
8.7.4 二进制最佳接收机性能分析
8.8 数字调制系统性能比较
本章仿真实验举例
习题
第9章 差错控制编码
9.1 差错控制编码原理
9.1.1 引起误码的原因与降低误码的常用方法
9.1.2 差错控制编码的基本方法与差错控制方式
9.1.3 纠错编码的基本原理
9.1.4 码间距离d与检错纠错能力
9.2 常用简单差错控制编码
9.2.1 奇偶监督码
9.2.2 二维奇偶监督码
9.2.3 恒比码
9.3 线性分组码
9.3.1 线性分组码的概念
9.3.2 线性分组码的监督矩阵
9.3.3 线性分组码的生成矩阵
9.3.4 线性分组码的伴随式和检错纠错能力
9.3.5 汉明码
9.4 循环码
9.4.1 循环码的循环特性与码多项式
9.4.2 循环码的生成多项式与生成矩阵
9.4.3 循环码的编码与解码
9.4.4 BCH码
9.5 卷积码
9.5.1 卷积码编码原理
9.5.2 网格编码调制(TCM)
9.5.3 Turbo码
本章仿真实验举例
习题
第10章 正交编码与伪随机序列
10.1 序列的相关函数
10.2 超正交单纯码及哈达吗(Hadarmard)矩阵
10.2.1 超正交单纯码
10.2.2 哈达吗矩阵H
10.3 m序列信号
10.3.1 m序列的产生
10.3.2 特征多项式与序列多项式
10.3.3 m序列的产生条件
10.3.4 m序列信号的性质,
10.3.5 m序列的应用
10.4 巴克(Barker)序列
10.4.1 巴克序列及其自相关函数
10.4.2 巴克序列的演变
10.4.3 巴克序列的检测
本章仿真实验举例
习题
第11章 同步原理
11.1 同步的基本概念
11.2 锁相环(PLL)的基本工作原理
11.2.1 模拟锁相环
11.2.2 数字锁相环
11.3 载波同步
11.3.1 插入导频法
11.3.2 直接提取法
11.3.3 载波同步的性能及相位误差对解调信号的影响
11.4 码元同步
11.4.1 插入导频法
11.4.2 直接提取位同步法
11.4.3 位同步相位误差对性能的影响
11.5 群同步
11.5.1 起止式同步法
11.5.2 连贯式插入法
11.5.3 群同步系统的性能
11.5.4 自群同步简介
11.6 数字通信网的网同步
本章仿真实验举例
习题
第12章 通信网
12.1 通信网概述
12.1.1 通信网的概念
12.1.2 计算机通信网与计算机网络
12.1.3 通信网的基本要求
12.1.4 通信网的交换方式
12.1.5 通信网的约定(协议)
12.2 通信网的组织与结构
12.2.1 通信网的通用两级子网结构
12.2.2 通信网的拓扑结构
12.2.3 网络功能的分层体系结构
12.2.4 国际标准通信网的网络体系结构
12.3 数据通信网
12.3.1 数据通信网的概念
12.3.2 利用普通公用电话网进行数据通信
12.3.3 分组交换网
12.3.4 数字数据网(DDN)
12.4 综合业务数字网(ISDN)简介
12.4.1 ISDN的概念
12.4.2 ISDN的通道类型与接口
12.5 智能网简介
12.5.1 智能网的概念
12.5.2 智能网中的业务及其应用举例
习题
第13章 现代通信新技术
13.1 个人通信系统
13.2 ATM技术
13.2.1 ATM技术的基本原理
13.2.2 ATM技术的基本要素
……
精彩书摘
通信的根本目的在于传输含有信息的消息。“通信”也就是“信息传输”或“消息传输”.目前的通信越来越依赖于利用“电”来传递消息的电通信方式.由于电通信方式迅速、准确、可靠且不受时间、地点、距离的限制,因而得到了迅速的发展和广泛的应用。如今,在自然科学领域涉及“通信”这一术语时,一般都指“电通信”。
当前,人类社会已步人了信息社会。信息社会与工业社会、农业社会的最大差异在于信息已成为人类生存及社会进步的重要推动力,信息的开发和利用已成为社会生产力发展的重要标志。现代通信系统起着信息传输和交换的作用,在信息社会中更突显其重要性,可视为信息社会的生命线.通信技术的发展代表着人类社会的文明和进步,因此从事通信相关工作的技术人员应该了解通信技术的过去、现在及其未来的发展趋势。工。通信的发展简史自从1800年伏特(Volta)发明电源以来,人们就试图用电技术进行通信.经过几代人不断的努力和开发,通信技术得到了飞速发展。
1753年2月17日,《苏格兰人》杂志上发表了一封署名为C.M.的书信。在这封信中,作者提出了用电流进行通信的大胆设想,他建议把一组金属线从一个地点延伸到另一个地点,每根金属线与一个字母相对应,在一端发报时,便根据报文内容将一条条金属线与静电机相连接,使它们依次通过电流,电流通过金属线上的小球便将挂在它下面的写有不同字母或数字的小纸片吸了起来,从而起到远距离传递信息的作用。
前言/序言
“通信原理”是通信工程和电子信息等专业的核心专业基础课之一。由于“通信原理”课程的理论性强,课堂学习的是纯理论的知识,而且实验项目有限,全部利用硬件实验箱实现,因此学生只能了解部分原理,对完整的通信系统的设计和认识比较模糊。本书以现代通信系统为背景,突出通信系统的实践环节,各章内容都增加了MATLAB和SystemView的仿真实验,主要介绍调制、编码、信号设计、噪声分析等基本理论和分析方法,本书是吸收了国内外同类教材的优点,并结合编者近年来的教学实践和改革成果编写而成的。
全书共13章,内容包括绪论、确定信号分析、随机信号与噪声、信道与线性调制、模拟角度调制系统、信源编码、数字基带传输系统、数字载波传输系统、差错控制编码、正交编码与伪随机序列、同步原理、通信网、现代通信新技术等。
本书的特点如下:
(1)概念准确,内容全面,自成体系,便于自学和仿真实验,既注重基本理论和基本概念的阐述,又突出通信系统理论的实现技术。
《现代通信原理、技术与仿真》:一本面向未来的通信学科探索之旅 在信息爆炸的时代,通信技术以前所未有的速度发展,深刻地改变着我们的生活、工作乃至整个社会的面貌。从日常的社交媒体互动,到全球范围内的商业运作,再到前沿的科学研究,无不依赖于高效、可靠的通信系统。《现代通信原理、技术与仿真》这本书,正是为了满足当前及未来通信领域对高素质人才的培养需求而精心编著的。它不仅是一本教材,更是一扇通往未来通信世界的大门,旨在为高等学校本科生构建扎实的理论基础,指引他们掌握前沿技术,并培养他们运用仿真工具解决实际问题的能力。 本书的编写,紧密围绕“现代通信”这一核心概念展开,力求全面、深入地展现通信技术的最新发展和未来趋势。它借鉴了国内外最新的研究成果和教学经验,内容体系严谨,逻辑清晰,语言生动,例证丰富,旨在帮助读者建立对通信学科的整体认知,并能够在此基础上进行深入的学习和探索。 一、 理论基石:奠定坚实的通信原理认知 通信的本质,在于信息的传递。本书的开篇,将带领读者回到通信的起点,系统梳理通信过程中最基础、最核心的原理。这部分内容,将以清晰易懂的方式,阐述信息论、编码理论、噪声理论、调制解调等经典而又至关重要的通信理论。 信息论基础:理解信息是什么,信息的度量方式(比特),以及信息传输的极限(香农定理),是掌握通信系统的基石。本书将深入浅出地介绍信源编码、信道编码的基本概念和重要性,为后续理解数据压缩和纠错奠定基础。 信号与系统:傅里叶变换、拉普拉斯变换、Z变换等数学工具,是分析和设计通信系统的关键。本书将重点讲解这些工具在信号分析、系统响应、频率域特性等方面的应用,帮助读者建立起对信号处理和系统建模的深刻理解。 模拟与数字通信:从早期模拟信号的传输,到如今以数字信号为主导的通信模式,通信技术经历了深刻的变革。本书将详细介绍各种经典的模拟调制解调技术,如调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM),并重点阐述数字信号的表示、量化、编码等过程,以及其在提高传输效率和可靠性方面的优势。 信道模型与噪声:真实世界的通信环境并非理想状态,各种噪声和干扰都会影响信号的质量。本书将深入探讨不同类型的信道模型(如高斯白噪声信道、衰落信道),以及这些噪声对信号传输的影响,并介绍相应的抗噪声技术,如噪声抑制、信号检测等。 二、 前沿技术:洞悉现代通信的脉络 在坚实的理论基础上,本书将带领读者进入现代通信技术的广阔天地,详细介绍当前和未来发展最为迅猛的关键技术领域。 数字调制与解调:随着数字通信的普及,各种高效的数字调制解调技术应运而生。本书将重点介绍线性调制(如ASK, FSK, PSK),以及非线性调制(如QAM),并深入分析其性能指标,如频谱效率、误码率等。同时,也将探讨高级的数字信号处理技术,如匹配滤波、最大似然检测等。 多用户通信与多址技术:现代通信系统需要同时服务于大量的用户,因此多址技术至关重要。本书将详细介绍时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)和正交频分复用(OFDM)等技术,并分析它们在不同应用场景下的优劣,为理解蜂窝通信、无线局域网等奠定基础。 信道编码与差错控制:为了在有噪声的信道中可靠地传输信息,差错控制编码是不可或缺的。本书将介绍海明码、卷积码、里德-索罗门码等经典编码,并重点阐述Turbo码和LDPC码等现代高性能编码技术,以及它们在提高数据传输可靠性方面的巨大贡献。 信息论在现代通信中的应用:除了基础信息论,本书还将探讨信息论在网络编码、分布式存储等前沿领域的最新应用,展示信息论的强大生命力。 移动通信系统:本书将详细介绍移动通信系统的演进历程,从1G到5G,再展望6G。重点阐述蜂窝网络架构、切换机制、频谱分配、多天线技术(MIMO)、波束赋形等关键技术,帮助读者理解我们日常使用的手机通信是如何实现的。 无线局域网与物联网通信:Wi-Fi、蓝牙以及各种物联网通信协议,是构建信息时代互联互通的关键。本书将介绍这些技术的原理、协议栈以及应用,帮助读者理解万物互联的未来。 光通信技术:光纤通信以其巨大的带宽和低损耗,成为现代长距离通信的主干。本书将介绍光信号的产生、传输、检测原理,以及光波分复用(WDM)等技术,展现光通信的魅力。 卫星通信与深空探测通信:本书还将触及更广阔的通信领域,包括卫星通信系统的基本原理,以及在深空探测中面临的特殊通信挑战和解决方案。 三、 仿真实践:连接理论与工程的桥梁 理论知识的学习,最终需要通过实践来检验和深化。《现代通信原理、技术与仿真》尤其强调仿真在通信工程中的重要性。本书将引导读者掌握常用的通信系统仿真工具,并通过大量的仿真实例,将抽象的理论知识转化为可视化的结果,加深对通信系统性能的理解。 仿真软件介绍与基础:本书将介绍业界主流的通信仿真软件,如MATLAB/Simulink,并讲解其基本操作和常用模块。读者将学会如何构建简单的通信链路,进行信号的生成、传输和接收。 仿真案例分析:针对书中所介绍的各种通信原理和技术,本书将提供详细的仿真案例。例如,通过仿真比较不同调制解调方式的误码率性能;通过仿真分析信道编码对提高传输可靠性的效果;通过仿真演示MIMO系统在提高数据速率方面的优势。 参数优化与性能评估:仿真不仅是验证理论,更是优化系统性能的有力工具。本书将指导读者如何通过仿真来调整系统参数,例如,修改编码率、改变调制阶数、优化天线配置等,以达到最佳的通信效果,并学会如何对仿真结果进行科学的评估和分析。 系统级仿真:在掌握了基本单元的仿真能力后,本书将引导读者进行更复杂的系统级仿真,例如,构建一个简化的蜂窝通信模型,模拟用户接入、数据传输、切换等过程,从而全面理解移动通信系统的运行机制。 实际问题的建模与仿真:本书鼓励读者将书中所学到的知识应用于解决实际的通信问题,通过仿真来探索潜在的解决方案,培养他们独立分析和解决工程问题的能力。 四、 面向未来:培养创新型通信人才 《现代通信原理、技术与仿真》不仅关注现有技术的深度讲解,更着眼于未来的发展趋势。本书将适时引入一些前沿的研究方向和热点技术,例如: 人工智能在通信中的应用:深度学习、机器学习等人工智能技术在信号处理、信道估计、资源管理等方面的应用,正在深刻地改变通信系统的设计和优化方式。 未来无线通信网络:例如,面向低延迟、高可靠性的URLLC(超可靠低时延通信),以及海量连接的mMTC(海量机器类通信)。 软件定义通信(SDC)和网络功能虚拟化(NFV):这些技术将使通信网络更加灵活、可编程和高效。 本书的编写,始终贯穿着“以学生为中心”的教学理念,力求在理论深度、技术广度和实践能力之间取得最佳平衡。每一章都设有学习目标、内容提要、关键概念、习题等,帮助学生巩固所学知识。丰富的图表、流程图和代码示例,也使得抽象的概念更加具象化。 总之,《现代通信原理、技术与仿真》是一本集理论性、前沿性、实践性于一体的综合性教材。它将帮助广大本科生构建起坚实的通信知识体系,激发他们对通信技术的热情,并为他们未来的学习、研究和工程实践打下坚实的基础,为培养21世纪优秀的通信工程人才贡献力量。通过对本书的学习,读者将能够自信地驾驭现代通信的浪潮,并有望成为未来通信技术发展的重要推动者。