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內容簡介

　　《高新科技譯叢：數字通信係統預編碼技術》適用於通信領域的研究生、工程師及相關領域的研究者。所需背景知識包括概率論、數字通信係統、估計理論。我們希望本書有助於讀者更好地理解預編碼技術在數字通信係統中所具有的價值．激起讀者深入研究該領域的興趣。

內頁插圖

目錄

第一部分　預編碼係統概述
第1章　緒論
1．1　ISl高斯信道下的預編碼
1．2　CDMA係統的預編碼
1．3　MIMO信道預編碼
1．4　多用戶OFDM係統的預編碼
1．5　超寬帶係統的預編碼
第2章　ISI信道中的預編碼技術
2．1　消除ISI的均衡器
2．2　Tomlinson—Harashima預編碼
2．2．1　TH預編碼的性能
2．2．2　預編碼與編碼相結閤
2．3　網格預編碼
2．3．1　網格成型
2．3．2　網格預編碼的原理
2．3．3　網格預編碼的性能
2．4　0FDM係統的多速率錶示
2．4．1　多速率基本原理
2．4．2　用多速率錶示的OFDM係統
2．4．3　帶有循環前綴的OFDM係統
2．4．4　填零的OFDM係統
2．4．5　發射機已知信道信息條件下的OFDM係統
2．5　0FDM係統的預編碼
2．5．1　帶有循環前綴的單載波係統
2．5．2　填零的單載波係統
第3章　多址接入信道中的預編碼技術
3．1　係統模型
3．2　發射端的匹配濾波器
3．3　發射端的迫零濾波器
3．4　發射端的維納濾波器
3．5　附錄
3．5．1　Tx—MF的推導
3．5．2　最小輸齣功率條件下T．一ZF的推導
3．5．3　瞭x—Wiener的推導
第4章　MIMO信道中的預編碼
4．1　MIMO係統
4．2　MIMO係統的7H預編碼
4．3　綫性預編碼器和解碼器的聯閤設計
4．3．1　廣義加權的MMSE設計
4．3．2　最大信息速率設計
4．3．3　基於QoS的設計
4．3．4　未加權的MMSE設計
4．3．5　等誤差設計
4．3．6　基於最大信噪比的設計
4．3．7　統一框架下的凸規劃
4．4　MIMO空時編碼係統中的預編碼
4．4．1　衰落信道下的空時編碼係統的綫性預編碼
4．4．2　用於空時碼字的綫性星座預編碼
4．5　用於有限反饋信道容量的預編碼技術
4．5．1　基於信道統計信息的預編碼
4．5．2　基於酉預編碼的預編碼
4．5．3　係統模型和用於酉預編碼OS瞭BC係統的最優預編碼
4．5．4　酉預編碼的碼書結構
……
第二部分　未來采用預編碼技術的通信係統
參考文獻
縮略語
符號錶

精彩書摘

　　第一部分 預編碼係統概述
　　第1章 緒論
　　由於20世紀70年代可靠的固態射頻硬件，無綫通信在過去幾十年來經曆瞭突飛猛進的發展，依據各種尋呼、無繩電話、蜂窩和個人通信標準開發齣來的無綫通信係統已經遍布世界各地。下一代的無綫通信係統將會是終端到終端的通信係統，在此係統中，語音、數據和多媒體都可“隨時、隨地”以數百兆比特每秒的速度傳遞給用戶。例如，在準靜態的環境中，目前的IEEE802．11n標準（MIMO—OFDM）所支持的物理層（PHY）數據傳輸速率可高達600Mb／s。正在製定的IEEE802．16m（MIMo—OFIM）標準，旨在為移動應用提供超過100Mb／s的總數據傳輸速率。
　　數據吞吐量是通信係統中最重要的性能指標之一。20世紀90年代之前，多徑效應一直被視為阻礙高吞吐量傳輸的主要障礙，這一點在時域內易於解釋。由於多徑效應，可能需要在傳送符號間插入保護間隔，以防止碼間乾擾（ISI），所選擇的保護間隔應大於信道時延擴展。然而，插入的保護間隔限製瞭傳輸數據的吞吐量。這種限製也可以在頻域得到解釋。時域的多徑效應導緻瞭頻域的頻率選擇性衰落。因此，如果信號占據整個信道帶寬，信號就會在這種情況下經曆頻率選擇性衰落，係統性能明顯降低。為瞭避免頻率選擇性衰落，可能用窄帶寬（窄帶通信）來傳送信號。在窄帶通信係統中，如IS-95（CDMA）的信號帶寬遠遠小於信道相乾帶寬。因此，在頻率選擇性衰落信道中傳輸時，信號隻占據信道帶寬的很小一部分，使得窄帶信號不會遭受劇烈的頻率選擇性衰落。然而，窄帶寬的信號傳輸意味著不能獲得較高的數據吞吐量。
　　可以用信道均衡和預編碼技術來實現剋服多徑效應和實現高吞吐量傳輸的目的。預編碼技術的基本原理是：如果發送端知道信道信息，則可以通過設計發射信號，使得接收機遭受的ISI大大減小。例如，Tomlinson—Harashima（TH）預編碼技術可以視為將DFE的反饋部分（判決反饋均衡器）移動到發送機處理，以避免誤差傳播問題。不同於Galois域上的糾錯碼，預編碼在復數域中處理符號，因此有助於經過星座映射的符號避開不利條件的影響，如頻率選擇性衰落。
　　使用正交頻分復用（OFDM）係統是剋服多徑效應的有效途徑。OFDM已經在有綫和無綫通信中得到瞭廣泛應用。雖然1966年就已經提齣瞭OFDM的概念，但它一直沒有在通信係統中得到應用，直到20世紀90年代，數字信號處理（DSF．）和超大規模集成電路技術的發展纔使得OFDM可通過低成本的快速傅裏葉變換（FFT）芯片得以實現。在有綫環境中使用時，OFDM也稱為離散多音（DMT）調製技術，這種技術在xI）SI．（數字用戶綫路）中被使用。OFDM技術采用簡單的收發信機結構就能對抗頻率選擇性衰落，從而使接收機能夠有效地剋服碼間乾擾，這是OFDM技術的優勢所在。在過去10年中，OFDM技術采用簡單的實施方案就可剋服ISI的非凡能力已得到證實。1993年，DSI+采用DM'I’製作瞭第一個采用0FDM技術代替信道均衡技術的商業産品。在1995年和1997年，ETSl分彆在數字音頻廣播（DAB）和數字視頻廣播一陸地（DvB—T）係統中采用瞭OFDM技術。1999年，IEEE802．11a標準采用瞭OF．DM技術，它所提供的wi—Fi技術的峰值數據傳輸速率高達54Mb／a。2002年-2007年，OFDM技術也被其他標準采納，如IEEE802．16x傢族（Wj—MAX）和〕：EEE802．11n（采用MIMO技術的wi—Fi）。事實上，OFDM係統可以被視為預編碼技術的一個特例。在文獻〔5〕中，為瞭消除ISI，OFDM多載波係統的信道信息被用來設計發射和接收濾波器組，這個過程稱為矢量編碼。由於假定發射機已知信道信息，矢量編碼則可看成一種綫性預編碼技術，它需要從接收機到發射機的反饋。目前，OFDM係統沒有利用信道信息設計發射和接收濾波器組，相反，它使用離散傅裏葉變換（DPT）和離散傅裏葉反變換（IDFT）濾波器組來進行收發信機的設計。因此，發射機不需要知道信道信息。這種與信道獨立的OFDM方案被歸結為預編碼方案。
　　對高速、可靠的無綫通信鏈路的需求與日俱增，這導緻瞭多天綫係統的誕生。此係統中的發射機和接收機都布置瞭多根天綫。多輸人多輸齣（MlMO）係統能夠顯著提升信道容量，從而實現比單一陣列天綫係統高的傳輸速率。眾所周知的用於帶限高斯通道的香農理論錶明，高斯帶限信道下的數據傳輸速率有一個基本的極限（信道容量）。隨著通信理論、復雜的信號處理技術、計算技術的發展，達到信道容量這一基本信息極限可能性大大增加。在MIMO係統中，如果發射機已知信道信息，基於各種準則的預編碼就可以進一步改善係統性能，最大容量和最小均方誤差（MMSE）是這些準則中的兩個例子。在目前的無綫標準中，預編碼（或波束成型成）是IEEE802．11n和IEEE802．16傢族的可選功能，這些功能的實現需要藉助於完全的信道信息或部分信道信息。當信道快速變化時，發射機可能不會得到完全的信道信息，在這種情況下，一些研究錶明，在MIMO預編碼中采用部分信道信息的係統性能仍然令人滿意。這個概念也促使人們使用部分信道信息進行UwB通信係統的預編碼，因為這種係統的信道衝擊響應較長，發射機很難獲得完全信道信息（見第8章）。
　　如上所述，根據可獲取的信道信息程度，預編碼方案可分為如下三類：
　　（1）發射機已知完全信道信息；
　　（2）發射機已知部分信道信息；
　　（3）發射機對信道信息一無所知。
　　……

前言/序言

　　在過去的20年裏，為瞭提高惡劣信道環境下通信係統的數據速率、增強鏈路的魯棒性、擴大係統的用戶容量，湧現齣瞭許多通信新技術。最著名的技術有碼分多址（Code Division Muhiplc Acccss，CDMA）、正交頻分復用（Orthogonal FrcquencyDivision Multiplexing，OFDM）、多輸入多輸齣（Multiplc—Input Multiplc—Output，MI—MO）、多用戶OFDM、超寬帶（Ultra Wideband，UWB）係統。在性能方麵，這些係統既各有所長，也各有所短。增加接收機的復雜度、降低發射機的復雜度是剋服上述各係統缺點的一般做法。實際上，通過閤理地調整發射機的復雜度，可以大大降低接收機的復雜度。例如，一直以來，多址乾擾（MAI）被認為是限製多用戶係統性能的主要因素，解決多址乾擾問題的一般方法包括多用戶檢測（MUD）、用於乾擾抵消的PIC和SIC等算法，這些方法大大增加瞭接收機的復雜度。在此背景下，預編碼技術應運而生，它是一種簡化收發信機設計的好方法，本書主要研究各種通信係統中的預編碼技術。
　　本書旨在從信號處理角度詳細論述用於數字通信係統的預編碼技術，本書中研究的各種預編碼技術及其應用不同於以往的有關數字通信預編碼技術的書籍。
　　在本書的第一部分，首先概述瞭解決碼間乾擾（Intersymbol Interference，ISI）信道問題的預編碼技術原理，並且列舉瞭7H（瞭omlinson—Harashima）、Trellis兩個預編碼技術實例。然後，解釋瞭應用廣泛的OFDM係統可視為預編碼技術特例的原因，介紹瞭OFDM係統中所采用的預編碼方案。此外，眾所周知，CDMA係統的性能受限於多址乾擾，隨著用戶數目的增加，便攜式接收機不能有效地剋服多址乾擾。因此，在保證接收機的設計盡可能簡單的條件下，引入瞭各種預編碼技術來消弱多址乾擾。最後，研究瞭MIMO信道下的預編碼技術。在MIMO係統中，發射機采用TH預編碼可以提高BLAST MIMO係統的容量。此外，預編碼技術能夠利用信道狀態信息實現多天綫間資源（包括功率和比特）的優化分配或者設計具有最大分集／編碼增益的空時碼。迴顧用於空時編碼係統的聯閤綫性預編碼和解碼技術，這些技術涵蓋瞭具有部分信道信息的MIMO預編碼技術。
　　在本書的第二部分介紹瞭幾種反映最新技術發展水平的預編碼技術，它們來源於作者在多用戶OFDM係統和UWB係統的科研工作。對於多用戶OFDM係統，通過閤理地設計收發信機結構及正交碼，來源於多徑、時間及頻率偏移、多普勒效應的多址乾擾可被完全消除或者減弱到可被一些激活用戶忽略的程度。由於一些激活用戶處於無多址乾擾或者近似無多址乾擾的環境下，因此多用産檢測的計算復雜度或者用於乾擾對消的復雜信號處理過程可得到大大簡化。在UwB信道中，信號功率分散到大量的多徑分量上，使得接收機在收集信號能量時麵臨極大的挑戰。作者提齣的信道相位預編碼技術能夠幫助指定的接收機聚集信號能量，同傳統的Rake接收機相比，這項技術大幅降低瞭接收機的復雜度。
　　本書適用於通信領域的研究生、工程師及相關領域的研究者。所需背景知識包括概率論、數字通信係統、估計理論。我們希望本書有助於讀者更好地理解預編碼技術在數字通信係統中所具有的價值，激起讀者深入研究該領域的興趣。
　　作者感謝匿名審稿人提齣的富有建設性的建議。C．一C．Jay Kuo感謝他的父母、妻子和女兒這麼多年來對他的鼓勵和支持。Yu—Hao Chang感謝他的父母和妻子Sophia在他編寫此書期間給予他的支持和鼓勵。LaylaTadjpour感謝她的父母和姐妹在此項目期間給予她的支持和鼓勵。Shang-Ho Tsai感謝他的父母和妻子．Janet．在著書期間對他的理解和支持，感謝他兒子LaWrenee可愛的笑容。
　　南加州大學 C．一C．Jay Kuo
　　南加州大學 Yu—Hao Chang
　　南加州大學 Layla．Fadjpour
　　颱灣交通大學 Shang—Ho Tsai
　　2008年2月
高新科技譯叢：數字通信係統預編碼技術 下載 mobi epub pdf txt 電子書

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