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出版者:國防工業

作者:楊建華

出品人:

頁數:185

译者:

出版時間:2007-5

價格:25.00元

裝幀:

isbn號碼:9787118050714

叢書系列:

圖書標籤:

• 通信原理
• 實驗
• 通信工程
• 信號處理
• 調製解調
• 信道編碼
• 模擬通信
• 數字通信
• 高等教育
• 教材

《深入探索：通信係統設計與優化》 前言 在信息爆炸的時代，通信技術的發展一日韆裏，深刻地改變著我們的生活方式和工作模式。從最初的電報到如今高速泛在的5G網絡，通信係統始終是連接世界的神經。理解通信係統的底層原理，掌握其設計與優化的關鍵技術，對於任何投身於信息技術領域的人士來說，都是一項必備的核心素養。本書並非直接麵嚮實驗操作的指導手冊，而是緻力於為讀者提供一個更宏觀、更深入的視角，去審視通信係統是如何被構思、設計、實現並最終得以優化的。我們將一同剖析那些支撐起現代通信海量信息傳輸的復雜算法、巧妙架構以及前沿思想。 第一章：通信係統的演進與基礎模型 本章將首先迴顧通信技術發展的宏偉曆程，從模擬通信到數字通信，從單載波到多載波，再到如今麵嚮萬物互聯的下一代通信技術，勾勒齣通信係統從誕生至今的演進脈絡。我們將探討每一次技術飛躍背後的驅動力，以及它們如何剋服當時的瓶頸，為後續發展奠定基礎。 隨後，我們將深入剖析通信係統的通用架構模型。從信息源齣發，經過信源編碼、信道編碼、調製、傳輸、解調、譯碼，直至接收端，我們逐一解析每個環節的功能和重要性。我們不迴避數學的嚴謹性，將引用必要的概率論、信息論、隨機過程等概念，但重點在於闡述它們如何在通信係統中發揮作用，例如香農定理如何界定信息傳輸的理論極限，以及信源編碼如何實現信息的無損或有損壓縮。 信息源與信源編碼： 探討信息熵的概念，解析不同類型的信源編碼（如霍夫曼編碼、算術編碼）如何減少數據冗餘，提高傳輸效率。我們將分析其在實際應用中的權衡，比如有損編碼在多媒體通信中的作用。 信道與信道編碼： 詳細介紹通信信道模型，包括加性高斯白噪聲（AWGN）信道、衰落信道等。重點在於信道編碼的原理，如綫性分組碼（漢明碼、BCH碼）、捲積碼以及現代的LDPC碼和Turbo碼，分析它們如何通過引入冗餘來抵抗噪聲乾擾，提高係統的可靠性。 調製與解調： 深入探討各種調製技術，從基本的幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK），到更高級的QAM（正交幅度調製）等。我們將分析不同調製方式的頻譜效率、功率效率以及在特定信道條件下的適用性。解調過程中的最佳接收準則也將被詳細闡述。 傳輸與接收： 簡要概述信號在物理介質中的傳播特性，以及接收端如何進行信號的恢復和處理。 第二章：數字信號處理在通信係統中的核心應用 數字信號處理（DSP）是現代通信係統的基石。本章將聚焦DSP在通信係統設計中的關鍵技術，重點分析其如何在信號的生成、處理和恢復過程中發揮核心作用。 采樣與量化： 詳細講解奈奎斯特定理，闡述連續信號離散化的過程。我們將分析采樣率、量化位數等參數對信號保真度的影響，以及它們在實際係統設計中的選擇依據。 數字濾波： 介紹FIR（有限脈衝響應）和IIR（無限脈衝響應）濾波器的原理，分析其在信號去噪、帶通濾波、匹配濾波等方麵的應用。我們將探討濾波器的設計方法，如窗函數法、切比雪夫濾波器設計等，以及它們在通信係統中用於抑製帶外乾擾、選擇目標信號的重要性。 傅裏葉變換與頻譜分析： 深入解析離散傅裏葉變換（DFT）及其快速算法（FFT）在通信係統中的應用。我們將通過頻譜分析來理解信號的頻率特性，例如在OFDM（正交頻分復用）係統中，FFT是如何實現將高速數據流分解成多個低速子載波傳輸的關鍵。 數字調製與解調的DSP實現： 進一步探討如何利用DSP技術高效地實現各種數字調製和解調算法，包括相乾解調、非相乾解調以及更復雜的同步技術。 第三章：多載波通信與OFDM技術 OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）作為現代無綫通信（如Wi-Fi、LTE、5G）的核心技術之一，其重要性不言而喻。本章將深入解析OFDM的原理、優勢以及麵臨的挑戰。 OFDM基本原理： 詳細闡述OFDM如何將一個高速數據流分割成多個低速數據流，並在多個相互正交的子載波上並行傳輸。我們將重點分析子載波的正交性是如何保證的，以及它如何避免瞭傳統多載波係統中的乾擾問題。 OFDM的優勢與劣勢： 深入分析OFDM在對抗頻率選擇性衰落、簡化均衡器設計等方麵的顯著優勢。同時，我們也將探討其對峰均功率比（PAPR）敏感、對頻率和相位偏移敏感等劣勢，以及相應的解決策略。 OFDM的實現技術： 詳細講解OFDM係統的建模，包括IFFT（逆快速傅裏葉變換）用於發送端和FFT用於接收端。我們將討論循環前綴（CP）的作用，它如何有效地消除符號間乾擾（ISI）和碼間乾擾（CCI），以及CP長度的選擇策略。 OFDM在實際係統中的應用： 結閤Wi-Fi、LTE等實際通信標準，說明OFDM是如何在這些係統中被實現的，以及其在不同應用場景下的具體配置和優化。 第四章：信道估計與均衡技術 在復雜的通信環境中，信道會隨著時間、空間而變化，對信號的傳輸産生衰落、多徑等影響。本章將聚焦於信道估計和均衡技術，它們是確保通信係統可靠性的關鍵環節。 信道建模與特性： 深入分析無綫信道的物理特性，如多徑傳播、多普勒效應、陰影衰落等。我們將建立相應的信道模型，如平坦衰落信道、頻率選擇性衰落信道，並分析其對信號的影響。 信道估計： 詳細講解導頻（Pilot）在信道估計中的作用。我們將介紹各種信道估計算法，如最小二乘（LS）估計、最小均方誤差（MMSE）估計，以及它們在不同信噪比條件下的性能錶現。 均衡技術： 深入分析均衡器的原理，以及它們如何補償信道引起的失真。我們將介紹綫性均衡器（如迫零均衡器、MMSE均衡器）和非綫性均衡器（如決策反饋均衡器DFE）的設計與性能。 自適應均衡： 討論當信道特性隨時間變化時，如何采用自適應均衡技術來實時調整均衡器參數，以保持最佳的接收性能。 第五章：多天綫技術與MIMO係統 近年來，多輸入多輸齣（MIMO）技術以其顯著的性能提升，成為現代無綫通信係統中的重要組成部分。本章將深入探討MIMO係統的原理、優勢以及關鍵技術。 MIMO基本概念： 闡述MIMO係統的定義，即發射端和接收端均采用多個天綫。我們將介紹不同MIMO配置，如SIMO、MISO、MIMO，以及它們在提升速率和可靠性方麵的作用。 MIMO的容量增益： 詳細分析MIMO係統如何利用空間分集和空間復用技術來提高信道容量。我們將引入空間復用增益和空間分集增益的概念，並通過理論分析和仿真來展示其效果。 MIMO係統中的關鍵技術： 空間分集： 探討各種空間分集技術（如發送分集、接收分集、聯閤分集）如何通過在不同空間路徑上傳輸相同的數據來抵抗衰落，提高係統的魯棒性。 空間復用： 詳細解析空間復用技術，即在同一時間、同一頻率上，通過不同天綫發送不同的數據流，從而成倍提升數據傳輸速率。 預編碼與迫零（ZF）/最小均方誤差（MMSE）接收： 介紹在發送端進行預編碼以優化信號傳輸，以及在接收端采用ZF和MMSE等技術進行信號分離和乾擾抑製。 波束成形（Beamforming）： 介紹波束成形技術，它如何利用多天綫陣列將信號能量聚焦到特定的方嚮，提高信號的接收強度和抗乾擾能力，尤其在蜂窩網絡和小區邊緣用戶覆蓋方麵作用顯著。 大規模MIMO（Massive MIMO）： 展望和介紹大規模MIMO技術，即基站端部署大量天綫，以及它在提高頻譜效率、降低功耗等方麵的巨大潛力。 第六章：現代通信係統中的先進技術展望 本章將聚焦於當前及未來通信係統中的前沿技術，為讀者提供對通信技術發展方嚮的洞察。 認知無綫電（Cognitive Radio）： 探討認知無綫電的核心思想，即智能地感知無綫電環境，動態地分配和利用頻譜資源，以提高頻譜利用效率。我們將討論其關鍵技術，如頻譜感知、頻譜決策和頻譜共享。 軟件定義網絡（SDN）與網絡功能虛擬化（NFV）在通信中的應用： 分析SDN和NFV如何打破傳統通信網絡硬編碼的限製，通過軟件實現網絡功能的靈活部署和管理，為構建更智能、更靈活的通信網絡提供技術支撐。 人工智能（AI）在通信係統中的作用： 展望AI在通信係統中的廣泛應用，例如在信道預測、智能調度、異常檢測、資源優化、故障診斷等方麵，AI如何賦能通信係統實現更高的智能化水平。 邊緣計算（Edge Computing）： 探討邊緣計算如何將計算能力推嚮網絡邊緣，靠近用戶和數據源，以降低延遲、減少帶寬消耗，為實時應用（如自動駕駛、虛擬現實）提供關鍵支持。 下一代移動通信（6G）的願景與技術趨勢： 簡要介紹6G通信的發展願景，如更高的數據速率、更低的延遲、更廣的覆蓋範圍、更強的智能性，以及可能涉及的太赫茲通信、可見光通信、全息通信等前沿技術。 結語 《深入探索：通信係統設計與優化》旨在為讀者提供一個全麵而深入的通信係統理論框架。通過對通信係統原理、關鍵技術和前沿發展的係統性闡述，我們希望能夠激發讀者對通信科學的興趣，並為其在通信工程領域的學習和研究打下堅實的基礎。本書所探討的不僅僅是抽象的理論，更是支撐起我們現代數字社會的關鍵技術。理解這些技術，我們纔能更好地把握信息時代的脈搏，並為未來的通信技術發展貢獻力量。

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