內容簡介
第1章介紹瞭SystemView軟件平颱基礎,包括SystemView設計窗口、分析窗口、係統模型搭建和仿真分析的基本方法。第2章介紹瞭SystemView圖符庫,包括基本庫、專業庫和自定義庫。第3章介紹瞭濾波器與綫性係統,包括綫性係統和各種濾波器的設計。第4章介紹瞭模擬通信係統,包括各種模擬通信係統的調製、解調、頻分復用的原理及其仿真分析。第5章介紹瞭數字信號的基帶傳輸係統,包括基帶傳輸碼及其功率譜分析、無碼間串擾的傳輸、眼圖、m序列的産生及其仿真。第6章介紹瞭數字信號的載波調製傳輸,包括各種數字調製係統(2ASK、
2FSK、2PSK、2DPSK、QPSK、QAM、MSK)的工作原理及其仿真。第7章介紹瞭模擬信號的數字化傳輸,包括PCM通信係統和增量調製係統的原理及其仿真。第8章介紹瞭差錯控製編碼,包括糾錯編碼、綫性分組碼、漢明碼、循環碼、BCH碼、RS碼和捲積碼的原理及其仿真。
書中的所有仿真模型都經過瞭驗證,可作為通信工程專業學生和任職教育學員的教材和參考書,也可作為工程技術人員學習通信係統建模和仿真的參考資料。
內頁插圖
目錄
第1章 systenlView軟件平颱基礎
1.1 systenlView簡介
1.2 SystemView的設計窗口
1.2.1 設計窗口簡介
1.2.2 菜單欄和工具欄
1.2.3 圖符庫及圖符定義
1.2.4 係統設置
1.3 SystemView的分析窗口
1.3.1 菜單欄和工具欄
1.3.2 接收計算器
1.3.3 自定義分析窗口
1.4 SystemView的基本使用
1.4.1 係統原理——模擬框圖
1.4.2 搭建仿真模型
1.4.3 分析仿真結果
1.5 SysternView的其他使用
1.5.1 使用子係統
1.5.2 全局變量連接
1.5.3 可變圖符參數和動態參數調整
1.5.4 動態探針功能的使用
上機實踐
第2章 SystenlView圖符庫
2.1 基本庫
2.1.1 信號源庫
2.1.2 算子庫
2.1.3 函數庫
2.1.4 觀察窗庫
2.2 專業庫
2.2.1 通信庫
2.2.2 DSP庫
2.2.3 邏輯庫
2.2.4 射頻/模擬庫
2.2.5 M-Link
2.3 自定義庫
2.3.1 自定義庫的使用
2.3.2 CDMA庫
2.3.3 數字視頻廣播DVB庫
上機實踐
第3章 濾波器與綫性係統
3.1 綫性係統設計窗口
3.2 係統描述
3.2.1 綫性連續係統
3.2.2 綫性離散係統
3.3 濾波器設計
3.3.1 FIR濾波器設計
3.3.2 模擬濾波器設計
3.3.3 通信濾波器設計
3.3.4 自定義濾波器的設計
3.3.5 量化濾波器係數
上機實踐
第4章 模擬通信係統
4.1 引言
4.2 幅度調製係統
4.2.1 DSB調製係統及仿真
4.2.2 AM調製係統及仿真
4.2.3 SSB調製係統及仿真
4.2.4 載波同步的方法
4.3 角調製係統
4.3.1 角度調製信號的産生與解調
4.3.2 調頻信號的解調
4.4 頻分復用
上機實踐
第5章 數字信號的基帶傳輸係統
5.1 數字基帶傳輸係統的組成
5.1.1 數字基帶傳輸係統的組成框圖
5.1.2 常見的數字基帶碼型
5.1.3 數字基帶信號的功率譜
5.1.4 數字基帶傳輸係統的systenlView仿真
5.2 無碼間串擾的基帶傳輸係統
5.2.1 無碼間串擾的傳輸條件
5.2.2 驗證奈奎斯特第一準則
5.3 m序列
5.3.1 m序列的産生
5.3.2 m序列的應用
5.4 眼圖
上機實踐
第6章 數字信號的載波調製傳輸
6.1 二進製數字調製係統
6.1.1 二進製幅度鍵控(2ASK)
6.1.2 二進製頻移鍵控(2FSK)
6.1.3 二進製相移鍵控(2PSK或BPSK)
6.1.4 二進製差分相移鍵控(2DPSK)
6.2 多進製數字調製係統
6.2.1 多進製幅度鍵控(MASK)
6.2.2 多進製頻移鍵控(MFSK)
6.2.3 多進製相移鍵控(MPSK)
6.3 現代數字調製
6.3.1 最小頻移鍵控(MSK)
6.3.2 正交幅度調製(MQAM)
上機實踐
第7章 模擬信號的數字化傳輸
7.1 脈衝編碼調製(PCM)係統
7.1.1 模擬信號數字傳輸係統的組成
7.1.2 模擬信號的抽樣
7.1.3 量化
7.1.4 PCM編碼
7.2 增量調製(DM)
7.2.1 簡單增量調製(DM)
7.2.2 DM係統的systenlView仿真
7.3 時分復用和多路數字電話係統
7.3.1 時分多路復用
7.3.2 多路數字電話係統
上機實踐
第8章 差錯控製編碼
8.1 差錯控製的基本概念
8.1.1 差錯控製的基本方式
8.1.2 信道編碼的基本原理
8.2 幾種簡單的編碼
8.2.1 奇偶校驗碼
8.2.2 恒比碼
8.3 綫性分組碼
8.3.1 綫性分組碼的基本原理
8.3.2 (7,4)漢明碼及其SystemView仿真
8.3.3 循環碼
8.4 BCF{碼
8.4.1 本原循環碼
8.4.2 BCH碼的編譯碼
8.4.3 BcH碼的SystemView仿真
8.4.4 RS碼
8.5 交織碼
8.6 捲積碼
8.6.1 捲積碼簡介
8.6.2 捲積碼編譯碼的仿真
上機實踐
附錄A SystemView設計窗口的菜單欄
附錄B SystemView分析窗口的菜單欄
參考文獻
精彩書摘
第1章 SystemView軟件平颱基礎
1.1 SystemView簡介
SystemView是一個用於現代工程與科學係統設計及仿真的動態係統分析平颱。從濾波器設計、信號處理、一般的係統數學模型建立,直到完整通信係統的設計與仿真等各個領域,SystemView在友好而且功能齊全的窗口環境下為用戶提供瞭一個精密的嵌入式分析工具。
SystemView可以構造各種復雜的模擬、數字、數模混閤係統,各種多速率係統,可用於各種綫性或非綫性控製係統的設計和仿真。SystemView的基本庫中包括多種信號源、接收器、加法器、乘法器、各種函數運算器等,尤其是利用它可以從各種不同角度以不同方式按要求設計多種濾波器,並可自動完成濾波器各項指標,如幅頻特性、波特圖、係統函數、根軌跡圖等之問的轉換。另外,SystemView自帶的通信(Communication)、邏輯(Logic)、數字信號處理(DSP)、射頻/模擬(RF/Analog)等專業庫,特彆適閤於現代通信係統的設計、仿真和方案論證。它還可以實時地仿真各種DSP結構,並進行各種係統時域分析、頻域分析、譜分析;也能對各種邏輯電路、射頻/模擬電路、混閤器、放大器、RLC電路、運放電路等,進行理論分析和失真分析。
前言/序言
通信係統是一個十分復雜的工程係統,通信係統設計研究也是一項十分復雜的技術。隨著現代通信係統的飛速發展,計算機仿真已成為當今分析和設計通信係統的主要工具,在通信係統的研發和教學中具有越來越重要的意義。
SystemView是一個可用於通信係統設計及仿真的動態係統分析平颱,本書基於SystemView大學教育網絡版為平颱,該版本除瞭包含SysternView基本係統外,還提供瞭專業擴展庫中的通信庫、DSP庫、邏輯庫、射頻/模擬庫和與Matlab軟件的接口M-Link,並且支持用戶代碼庫。
本書由淺入深地介紹瞭SystemView的使用及其在通信仿真中的應用。內容包括SystemView軟件平颱基礎、SystemView圖符庫、濾波器與綫性係統、模擬通信係統、數字信號的基帶傳輸係統、數字信號的載波調製傳輸、模擬信號的數字化傳輸和差錯控製編碼等。
本書以應用SystemView建立通信係統的仿真模型為重點,強調對通信係統仿真模型的分析方法,突齣理論與實踐、原理與工程應用相結閤。書中的大部分仿真模型由編者設計搭建,少部分由SystemView軟件自帶實例擴展而成。書中對每一種仿真模型中的圖符,都以錶格的形式給齣瞭主要的參數設置和相關說明,便於讀者學習使用。
全書由馮育濤負責統稿。第l章和第3章由馮育濤編寫,第2章和附錄由劉強編寫,第4章和第6章由王兆祥編寫,第5章和第7章由韓政編寫,第8章由張衛東編寫。
由於編者水平有限,書中難免有疏漏和不當之處,敬請讀者批評指正。
現代量子信息理論導論 本書旨在為讀者提供一個深入理解現代量子信息理論的堅實基礎。我們將從量子力學的基本原理齣發,逐步引申到量子信息處理的各個核心概念。不同於傳統信息科學的比特,本書將重點介紹量子信息的基本單位——量子比特(qubit),並探討其獨特的疊加態和糾纏特性,這些特性是實現強大量子計算和安全量子通信的關鍵。 第一部分:量子力學的數學基石與量子比特 本部分將為讀者構建理解量子信息所需的數學框架。我們會從嚮量空間、綫性代數以及復數的基本概念入手,為後續引入量子態的描述做好鋪墊。接著,我們將深入探討量子力學的核心公設,包括: 量子態的描述: 學習如何使用狄拉剋符號(bra-ket notation)來錶示量子態,以及理解希爾伯特空間(Hilbert space)作為量子係統狀態空間的幾何意義。我們將重點介紹單量子比特的基態 $|0
angle$ 和 $|1
angle$,以及它們疊加形成的任意量子態,例如 $|psi
angle = alpha|0
angle + eta|1
angle$,並理解係數 $alpha$ 和 $eta$ 的概率解釋。 量子測量: 深入分析量子測量的不可逆性和概率性。我們將介紹投影測量(projective measurement)的概念,理解測量過程如何導緻量子態塌縮(collapse)到某個本徵態,以及測量結果的概率如何由態的幅度(amplitude)決定。我們將探討不同基下的測量,例如在計算基 ${|0
angle, |1
angle}$ 和哈達瑪基 ${|+
angle, |-
angle}$ 下的測量。 量子算符與演化: 學習如何用厄米算符(Hermitian operators)來錶示物理可觀測量,以及它們的本徵值(eigenvalues)和本徵嚮量(eigenvectors)的物理意義。我們將重點介紹描述量子係統時間演化的酉算符(unitary operators),並推導齣薛定諤方程(Schrödinger equation)的離散形式,從而理解量子態如何隨時間變化。 在此基礎上,我們將詳細介紹量子比特(qubit)的獨特性質: 疊加態: 詳細闡釋量子比特的疊加能力,即一個量子比特可以同時處於 $|0
angle$ 和 $|1
angle$ 的某種組閤狀態。我們將通過布洛赫球麵(Bloch sphere)來直觀地展示單量子比特的狀態空間,理解其幾何錶示。 糾纏態: 深入探討多量子比特係統中的糾纏現象。我們將介紹貝爾態(Bell states)等典型的糾纏態,並詳細分析糾纏態的非局域性(non-locality)和經典關聯無法比擬的特性。我們將探討糾纏作為一種寶貴的量子資源,在量子計算和量子通信中的關鍵作用。 第二部分:量子邏輯門與量子電路 本部分將介紹構建量子計算的基礎——量子邏輯門(quantum logic gates)以及如何將它們組閤成量子電路(quantum circuits)。 單量子比特門: 詳細介紹一係列基本的單量子比特門,包括: 泡利門(Pauli gates): $X$ 門(NOT門)、$Y$ 門、$Z$ 門,理解它們如何作用於量子比特的疊加態,並將其映射到布洛赫球麵上的對應操作。 哈達瑪門(Hadamard gate, H): 解釋其如何創造疊加態,例如將 $|0
angle$ 映射到 $|+
angle$。 相位門(Phase gates): $S$ 門、$T$ 門,理解它們如何引入量子態的相位變化。 鏇轉門(Rotation gates): $R_x( heta)$, $R_y( heta)$, $R_z( heta)$,理解它們如何實現布洛赫球麵上的任意鏇轉。 多量子比特門: 介紹實現多量子比特相互作用的關鍵門: 受控非門(Controlled-NOT gate, CNOT): 詳細分析 CNOT 門的功能,它是構建許多量子算法的基礎。我們將展示 CNOT 門如何作用於兩個量子比特,特彆是當控製比特為 $|1
angle$ 時,翻轉目標比特。我們將通過 CNOT 門來演示糾纏態的産生。 受控 $Z$ 門(CZ gate)、受控相位門(CP gate): 介紹其他重要的受控門,以及它們在特定算法中的應用。 多控製比特門: 簡單介紹更復雜的門,如 Toffoli 門,理解它們在通用量子計算中的作用。 量子電路模型: 學習如何將一係列量子邏輯門按照特定的順序組閤,形成量子電路。我們將介紹量子電路的圖形化錶示方法,理解量子比特的綫路圖錶示以及門的作用順序。我們將通過簡單的例子,如Deutsch-Jozsa算法和Grover搜索算法的簡化版本,來展示量子電路的構建和執行過程,並初步體會量子並行性和量子乾涉在算法中的應用。 第三部分:量子算法與量子信息處理的基本原理 本部分將深入探討幾種經典的量子算法,並介紹量子信息處理的一些核心應用方嚮。 量子算法的優勢: 討論量子算法為何能在某些問題上超越經典算法,主要歸功於量子疊加、量子並行性和量子乾涉等量子現象的應用。 經典量子算法概覽: Deutsch-Jozsa 算法: 介紹這個早期展示量子並行優勢的算法,它能夠高效地判斷一個函數是常函數還是不平衡函數。 Grover 搜索算法: 詳細解析 Grover 算法,理解它如何在未排序數據庫中實現平方根級彆的搜索加速,從 $O(N)$ 的復雜度降低到 $O(sqrt{N})$。我們將分析其核心的“振幅放大”機製。 Shor 算法(概念性介紹): 介紹 Shor 算法在因數分解問題上的指數級加速能力,理解它對現代密碼學構成的潛在威脅,以及其算法的核心思想,如量子傅裏葉變換(Quantum Fourier Transform, QFT)。 量子傅裏葉變換(QFT): 詳細講解 QFT 的數學定義和其在 Shor 算法中的重要作用,理解它是實現周期查找的關鍵。 量子糾錯: 介紹量子信息處理麵臨的挑戰——量子退相乾(decoherence)和噪聲。我們將初步探討量子糾錯碼(quantum error correction codes)的基本思想,理解它們如何利用多量子比特的冗餘來保護量子信息免受錯誤的影響,並介紹一些簡單的量子糾錯碼(如Steane碼或Shor碼的簡單思想)。 量子信息論基礎: 量子信息傳輸: 介紹量子隱形傳態(quantum teleportation)的概念,理解它如何利用糾纏和經典通信將一個量子態傳輸到遠方,而無需物理上傳遞量子比特本身。 量子密鑰分發(QKD): 介紹基於量子力學原理實現安全密鑰分發的協議,如BB84協議,理解其竊聽檢測的固有優勢,從而為通信安全提供新的保障。 第四部分:量子計算模型與前沿展望 本部分將對當前主要的量子計算模型進行介紹,並展望量子信息科學的未來發展。 量子計算模型: 門模型(Gate Model): 重申我們在此前介紹的基於量子門的模型,它是目前最主流的量子計算模型。 絕熱量子計算(Adiabatic Quantum Computing, AQC): 介紹 AQC 的基本原理,如何通過緩慢地演化一個量子係統從一個已知的基態到一個問題的解所對應的基態來求解問題。 測量模型(Measurement-Based Quantum Computing, MBQC): 介紹這種基於預先製備的大型糾纏態(cluster state)並通過一係列單量子比特測量來實現計算的模型。 量子計算的硬件實現: 簡要介紹當前實現量子比特的幾種主要技術路徑,包括超導電路、離子阱、光量子、拓撲量子計算等,並討論它們各自的優缺點和麵臨的挑戰。 量子信息科學的前沿與應用: 探討量子信息科學在化學模擬、材料科學、藥物發現、優化問題、人工智能等領域的潛在應用,以及當前研究的熱點問題和未來的發展方嚮。 本書內容嚴謹,邏輯清晰,力求為讀者構建一個全麵而深入的量子信息世界。通過對量子力學基礎、量子比特特性、量子邏輯門、量子算法及量子信息應用的學習,讀者將能夠深刻理解量子信息科學的強大潛力,並為進一步深入研究打下堅實的基礎。