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包郵 現代無線通信原理

出版社:科學出版社出版時間:2021-12-01
開本: 其他 頁數: 332
本類榜單:工業技術銷量榜
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現代無線通信原理 版權信息

現代無線通信原理 內容簡介

書稿內容豐富、概念清楚、取材新穎、系統性強,充分反映了靠前上近年來優選無線通信技術領域的新理論、新技術和新方法。沒有將OFDM、MIMO等新技術單獨成章,而是根據通信系統模型框架將其分解到相應各部分,形成統一思路。

現代無線通信原理 目錄

目錄
前言
第1章緒論 1
1.1 數字通信系統模型 1
1.1.1 信源 1
1.1.2信源編碼2
1.1.3加密與信道編碼 3
1.1.4數據調制與擴頻調制 3
1.1.5 載波調制 4
1.1.6信道4
1.1.7 同步與均衡 5
1.2 信道 6
1.2.1加性噪聲信道 6
1.2.2 線性濾波器信道 6
1.2.3線性時變濾波器信道 6
1.3雙工、復用與多址 7
1.3.1 雙工 7
1.3.2 復用 8
1.3.3 多址 9
1.4 MIMO與空時處理 11
1.4.1 MIMO 12
1.4.2 空時處理 13
1.5 全數字接收機 14
1.6通信系統的主要性能指標 15
1.7無線信道的鏈路估算 16
第2章通信信號與系統的表征 18
2.1帶通信號及系統的復基帶表示 18
2.1.1確知信號 18
2.1.2帶通信號的復基帶表示 20
2.1.3線性帶通系統的復基帶表示 24
2.2 信號空間表示法 25
2.2.1 矢量空間 26
2.2.2 信號空間概念 28
2.2.3信號波形的矢量表示 29
2.3隨機信號 33
2.3.1平穩與周期平穩隨機過程 33
2.3.2帶通平穩隨機過程的表示 34
2.3.3帶限白高斯噪聲 35
習題 36
第3章無線傳輸信道40
3.1傳播模型 42
3.1.1 傳播特性 42
3.1.2大尺度路徑損耗經驗模型 46
3.1.3 陰影性衰落 50
3.2平坦衰落信道 51
3.2.1線性時變信道模型 51
3.2.2信號包絡相關與多普勒譜 53
3.2.3信號包絡分 57
3.2.4 信號相位分布 60
3.2.5組合衰落陰影分布 61
3.2.6 電平交叉率 64
3.2.7平均衰落時段 65
3.2.8空時相關 66
3.2.9移動到移動信道 71
3.3頻率選擇性衰落信道 72
3.3.1確定線性時變信道的系統函數 72
3.3.2隨機線性時變信道特征 74
3.3.3隨機線性時變信道分類 76
3.3.4頻率選擇性衰落信道特征參數 79
3.3.5頻率選擇性衰落信道模型 84
3.4方向性衰落信道 85
3.4.1 雙向沖激響應 85
3.4.2 統計描述 85
3.4.3 MIMO信道響應矩陣 87
3.5衰落信道仿真 89
3.5.1窄帶(平坦)衰落信道的仿真 89
3.5.2寬帶衰落信道仿真 96
3.5.3 M2M衰落信道仿真 98
習題 100
第4章無線信道容量 104
4.1信道模型 104
4.1.1無記憶離散信道 104
4.1.2離散輸入連續輸出信道 106
4.1.3 離散時間AWGN信道 107
4.1.4 AWGN 波形信道 107
4.2信息度量 108
4.2.1 離散信源 108
4.2.2 連續信源 110
4.3加性高斯噪聲信道容量 110
4.3.1功率約束高斯噪聲信道 111
4.3.2帶限白高斯噪聲信道 111
4.3.3香農信道容量公式 113
4.3.4并行白高斯噪聲信道 120
4.3.5并行色高斯噪聲信道 123
4.3.6非理想線性濾波信道 125
4.4平坦衰落信道容量 126
4.4.1含信道狀態信息的衰落信道容量 126
4.4.2功率控制衰落信道容量 131
4.4.3采用接收分集的信道容量 132
4.5 MIMO信道容量 135
4.5.1 MIMO 信道模型 135
4.5.2 — 般算法 135
4.5.3 CSI/CSI模式下MIMO信道容量 137
4.5.4 CDI/CSI模式下MIMO信道容量 139
習題 145
第5章數字調制信號及其功率譜密度 148
5.1奈奎斯特脈沖成形 149
5.2數字調制信號表示 152
5.2.1無記憶調制信號 153
5.2.2有記憶調制信號 161
5.3調制信號功率譜 169
5.3.1調制信號復包絡的功率譜密度 169
5.3.2線性調制信號功率譜 175
5.3.3廣義CPM信號功率譜 179
5.3.4 完全響應CPM信號功率譜 182
習題 187
第6章平坦衰落信道數字傳輸的接收與性能 191
6.1 接收信號的矢量表示 191
6.2 一般矢量信道中的*優檢測 193
6.3 AWGN信道中相干接收性能 198
6.3.1 PSK信號的差錯概率性能 200
6.3.2 M-QAM信號的差錯概率性能 207
6.3.3正交信號的差錯概率 213
6.3.4 OFDM信號的檢測 217
6.3.5 MSK的差錯概率 219
6.3.6 AWGN信道中差分相干檢測性能 220
6.4 AWGN信道中非相干接收性能 225
6.4.1 AWGN信道中的*佳非相干檢測器 225
6.4.2 M元正交信號的差錯概率 226
6.4.3相關二進制信號包絡檢測的差錯概率 229
6.5 AWGN信道中CPM信號的檢測 230
6.5.1相干CPM解調器 231
6.5.2非相干CPM解調器 231
6.6平坦慢衰落信道中的接收性能 232
6.6.1相干接收性能 235
6.6.2非相干接收性能 239
習題 240
第7章分集技術 242
7.1*大比合并 244
7.1.1瑞利衰落信道 245
7.1.2 Nakgami-m 衰落信道 247
7.2 等增益合并 249
7.2.1相干等增益合并 249
7.2.2差分檢測等增益合并 251
7.2.3非相干平方律合并 252
7.3選擇合并 254
7.3.1相干檢測選擇合并 255
7.3.2 非相干選擇合并259
7.4 合并 261
7.5*佳合并 264
7.6 發送分集 271
習題 274
附錄A通信系統分析中的常用概率分布 276
A.1 定義 276
A.1.1連續隨機變量分布的描述 276
A.1.2連續隨機變量的統計特性描述 277
A.2 二項式分布 278
A.3 泊松分布 280
A.4高斯(正態)分布 282
A.5 對數正態分布 286
A.6 中心x2分布和伽馬分布 288
A.7 非中心x2分布 291
A.8 瑞利分布 294
A.9 萊斯分布 299
A.10 Nakagami-m 分布 302
A.11 韋伯分布 304
A.12 Suzuki 分布 306
A.13隨機變量的仿真 308
A.14尾部概率的邊界 308
A.14.1 切比雪夫不等式 308
A.14.2馬爾可夫不等式 309
A.14.3 契爾諾夫上邊界 309
附錄B復隨機矢量 311
B.1復隨機變量 311
B.2復隨機矢量的協方差 311
B.3完全復隨機矢量 312
B.4循環對稱復隨機矢量 312
參考文獻 314
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現代無線通信原理 節選

第1章緒論   通信(Communication),按照傳統的理解,就是實現對信息高速、準確地傳遞。   從20世紀90年代開始,人類社會逐漸步入信息化社會。信息化社會是以信息技術為 基礎,以信息產業為支柱,以信息價值的生產為核心,以信息產品為標志的社會。在信息化 社會中,信息(Information)成為重要的生產力要素,和物質、能源一起構成社會賴以生存 的三大資源。信息作為社會活動的戰略資源和重要財富,只有通過廣泛的流通和交換才能 產生價值,創造出巨大的經濟效益和社會效益。而通信作為信息的傳輸方式,是人類社會傳 遞信息、交流思想、傳播知識的重要手段。通信與微電子技術、計算機技術、傳感技術相互 融合,發展迅速,尤其是無線通信技術在過去十幾年取得了令人矚目的成就。現代通信網絡 (Network)已成為支撐國家經濟社會發展*重要的基礎設施之一。可以預見,未來通信的發 展仍將繼續對人們的生產生活方式、行為方式和價值觀念產生更加重大和意義深遠的影響。   在信息化社會發展進程中,信息數字化是信息科學的一次重要革命。信息數字化包括 兩個層面的含義:一是信息資源的數字化,包括圖像、視頻、文字等視覺信息的數字化,話 音、音樂等聽覺信息的數字化,以及地理信息、空間信息和傳感物理量等其他感覺信息的數 字化;另一層面則是信息處理的數字化,包括對通信信號的分析、表示、處理、自動識別等 過程的數字化,以及對信號處理和信息傳輸方法的數字化,如使用數字信號處理技術和對通 信網絡的系統仿真等。數字化使得傳統模擬(Analog)通信在實際應用中逐漸淡出,被數字 (Digital)通信代替,同時,數字通信也向全數字接收、軟件無線電方向邁進。因此,本書將 主要討論無線數字通信。在深入討論之前,首先對數字通信系統作簡單的介紹。   1.1數字通信系統模型   圖1.1給出了數字通信系統的基本組成框架。以圖中信道為界,上半部分為發射機部分, 下半部分為接收機部分。不考慮噪聲和干擾帶來的影響,接收過程在數學上可以看成發送過 程的逆過程,其中解擴是擴頻的逆,解調是調制的逆,交織與解交織、信道編碼與信道譯碼、 加密與解密、信源編碼與信源譯碼、信源與信宿分別構成一對逆。因此這里重點討論發射機 組成部分。   1.1.1信源   對于通信系統的傳輸信號,一般主要考慮電信號形式,所有非電信號(光、聲、機械波等) 均通過傳感器轉換為電信號,然后進行處理和傳輸。數字通信系統(Digital Communication System, DCS)傳輸的信號是時間和取值幅度都離散的數字信號。實際信源輸出可以是數字 信號也可以是模擬信號。對模擬信號需要作數字化處理將其轉化為數字信號。數字化過程包 括三個步驟:抽樣(Sampling)、量化(Quantization)和編碼(Coding)為能夠從數字信號 重新準確恢復出原模擬信號,要求抽樣速率滿足奈奎斯特(Nyquist)抽樣定理,即抽樣速率fs不小于2倍信號*高頻率/h,即fs≥2/h。近年來出現了一種稱為壓縮感知(Compressive Sensing)的新理論[3],利用合適的變換空間來描述信號,將對信號的抽樣轉變為對信息的抽 樣,有望大幅降低抽樣速率。   圖1.1數字通信系統模型   經過數字化處理后信源消息全部變換為二進制數字(比特)序列,速率單位為比特/秒 (bit/s)o由于各種信息源產生信息的種類多、數量大、信息速率變化范圍大,因此對傳輸系 統的要求也不盡相同。   信源在數學上可以用概率空間[X,P(x)}來描述⑷,其中X為全體信源符號構成的樣 本空間(Sample Space),P{x)為樣本的出現概率(Probability)。   1.1.2信源編碼   在將信源產生的消息變換成二進制數字序列時,應當用盡可能少的二進制數字符號 (Binary Digits)來表示盡可能多的信源輸出信息,也就是得到的信源表示具有盡可能小的 或幾乎沒有冗余(Redundancy)。這一過程就是信源編碼(Source Encoder)或數據壓縮。信 源編碼的目的是提高信息傳輸的有效性(Efficiency)。這就要求:①用于表示信源輸出的符 號率盡可能低;②所得信息序列在接收端又可以準確再現信源輸出,這一過程稱為信源譯碼 (Source Decoder),是信道編碼的逆過程。信源編碼的基本實現思路是刪去數據符號中的冗余,使前后符號之間盡可能接近統計獨立。   信源的壓縮編碼處理可以顯著降低數據的傳輸速率,如64kbit/s的脈沖編碼調制(Pulse Code Modulation, PCM)話音可壓縮至2.4kbit/s。壓縮編碼有利于占用較少的信道帶寬來實現傳輸,提高整個通信系統的網絡容量。針對不同信源類型,有不同的壓縮編碼算法。例如, 針對語音信號問,有脈沖編碼調制、自適應差分PCM(Adaptive Differential PCM, ADPCM)、增量調制(Delta Modulation, AM或DM)等波形編碼方法,以及以線性預測編碼(Linear Predictive Coding, LPC)為主的基于話音數學模型的參數編碼方法;針對靜止圖像和活動圖 像,有JPEG和MPEG等壓縮標準[6,1對于一般數據文件,可基于概率統計而得到有效 的數據壓縮。   信源編碼器的編碼極限為信源輸出的熵率,實際信源輸出信息速率為單位時間內產生 的二進制符號數,用Rb表示,單位為bit/s。信源編碼輸入(圖1.1中A1位置)信源因存在 冗余,數據符號之間是相關的,信源編碼輸出(圖1.1中B位置)因冗余已刪除,可以認為 數據符號之間是統計獨立的,符號出現概率可以看成均勻分布的。   1.1.3加密與信道編碼   信源編碼的輸出數據符號因編碼規律眾所周知,任何接收者都能從中提取出正確信 息,實際應用系統中往往需要避免這一情況的出現。為此,需要在傳送前對數據進行加密 (Encryption),以確保通信的安全性(Security)。加密是指通過加密算法和加密密鑰將原始數 據由明文(Plaintext)轉變為密文(Ciphertext),而接收端的解密(Decryption)則是通過解密 算法和解密密鑰將密文恢復為明文。加解密過程利用密碼技術對所傳信息進行加密,實現信 息隱蔽,從而起到保護信息安全的作用。   信道編碼能減弱傳輸過程所面臨的噪聲和干擾環境的影響,提高信息傳輸的可靠性(Reliability)。信道編碼的實現思路是人為、可控地在傳輸序列中增加一定程度的冗余,接收端 利用冗余關系來判斷是否在信息傳輸過程中產生了錯誤(即檢錯),并用來修正在信息傳輸 過程中產生的錯誤(就是糾錯),從而達到增加信息傳輸可靠性的目的。常用的信道編碼方法 包括各種前向糾錯編碼(Forward Error Correction, FEC)、自動請求重傳(Automatic Repeat-reQuest, ARQ)等。   為了進一步對抗因信道記憶性導致的突發(Burst)差錯,實際數字通信系統還常常采用 交織(Interleaver)技術將突發差錯在時間上離散化,使得接收時分布在各碼字上的差錯相互 獨立,降低糾錯難度。   盡管信道編碼增加了傳輸序列的相關性,但交織又進一步擾亂了相關性,因此基本上可 以認為交織輸出(圖1.1中B1位置)的數據序列是統計獨立的,無記憶的。   本書主要考慮傳輸過程,信源編解碼、加密解密、信道編碼技術不在本書討論的范圍內,讀者若有興趣可以閱讀相關書籍[8-10]。   1.1.4數據調制與擴頻調制   數據調制(Modulation)的主要目的是將待傳二進制符號序列映射成適合相應信道的信 號波形。針對不同的傳輸信道形式有不同的調制思想,對于基帶信道,主要是碼型變換;對 于頻帶信道,則以載波數字調制/解調(Demodulation)為主。   不少現代通信系統還利用擴頻(Spread Spectrum, SS)調制來進一步提高系統性能和實 現多址傳輸。擴頻調制通過在編碼波形中引入偽隨機碼元使得傳輸信號的頻譜比所傳消息 實際需要帶寬大得多,且傳輸信號帶寬獨立于信息帶寬,擴頻具有抗干擾、抗多徑、低截獲   概率等優勢。本書對擴頻技術不作詳細討論,有興趣的讀者可參閱相關書籍[11 -13]。   數據調制和擴頻一般都在基帶完成,因此可以更多地用等效基帶信號的調制映射來表 示。此時數字調制相當于將二進制數據序列映射為信號空間上的矢量點即星座圖。   1.1.5載波調制   圖1.1中給出的為單載波調制,載波的復信號形式為,這在具體實現時,相當于I、Q兩路正交載波(cos(2πfot)和sin(2πfot))調制。   為對抗信道衰落,多載波調制得到重視。有兩種多載波調制方式:一種是用多路子載波 傳輸同樣信息,如圖1.2所示,這種傳輸模式主要用于信道不可靠概率較高的情況,如電離 層散射和對流層散射通信環境;另一種是數據串并變換后,每一路子載波承載一部分信息, 如圖 1.3 所不,正交頻分復用(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM)調制正 是其中的典型[14]。   圖1.2多載波調制1   圖1.3多載波調制2   1.1.6信道   通信系統中,由傳輸介質構成的物理信道(Channel)及相應的交換、共享等技術為用戶 提供傳輸信道。電信號的傳輸介質主要分為無線介質和有線介質兩類。有線介質包括光纖、 電纜、雙絞線、電力線、波導等,其中,光纖具有巨大的可用帶寬和極低的傳輸損耗,在長 途干線網和區域網絡中已完全取代了電纜成為主力。   無線介質主要包括無線電波、紅外、激光等,根據國際電信聯盟(International Telecommunications Union, ITU)的定義,無線電波指頻率在3000GHz(3 x 1012)以下,不用人造 波導而在空間傳播的電磁波。目前國際上只劃分出9kHz?400GHz的范圍,而實際上大多數應用系統都集中在40GHz以下的有限頻段。根據波長,將無線電波分為長波、中波、短波 和微波等頻段,主要用于移動通信、衛星通信、散射通信、微波接力等無線通信方式。國際上 主要由ITU來負責協調全球無線頻譜資源管理,ITU利用《無線電規則》將世界劃分為三個區域,中國位于第三區。在美國,商用頻譜由聯邦通信委員會(Federal Communications Commission, FCC)負責管理,軍用頻譜由頻譜管理局(Office of Spectrum Management, OSM)負 責。歐洲商用頻譜分配與管理由歐洲電信標準化協會(European Telecommunications Standards Institute, ETSI)負責管理。我國商用頻譜由工業與信息化部無線電管理局負責管理, 對無線電頻段使用的詳細規定詳見2011版《中華人民共和國無線電頻率劃分規定》[15]。   由于無線電波的開放性,其受到的各種干擾遠比有線信道大得多,因此無線通信所能實 現的傳輸速率一直比同期的有線通信低一個數量級,甚至更多。但也正是無線電波的開放性 為人類通信交流提供了巨大的便利,才有可能實現隨時隨地不受時空限制的通信。   1.1.7同步與均衡   不考慮噪聲和干擾的影響,接收過程是發送過程的逆。然而由于信道噪聲和其他干擾的 存在,不僅接收端的處理過程一般遠比對應發送端復雜得多,而且接收端還需考慮同步和信 道均衡處理。

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