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數字通信
第五版
《數字通信（第五版）》是2011年電子工業出版社出版的圖書，作者是美）普羅科斯。
徠本書是數字通信領域一本優秀的經典教材，既論述了數字通信的基本理論，又對數字通信新技術進行了比較深入的分析。本書採用信號空間、隨機過程的級數展開和等效低通等分析方法，根據最佳接收準則，先後討論並分析了在加性高斯白雜訊（AWGN）通道、帶限通道（有符號間干擾和加性雜訊）以及多徑衰落通道等三種基本的典型通道條件下的數字信號可靠且高效傳輸及其最佳接收問題。從信號傳輸角度主要介紹了通信信號、數字調製、自適應均衡、多天線系統和最佳接收等內容；從信息傳輸角度介紹了資訊理論基礎、通道容量和通道編碼等內容。
本書是數字通信領域一本優秀的經典教材，既論述了數字通信的基本理論，又對數字通信新技術進行了比較深入的分析。本書採用信號空間、隨機過程的級數展開和等效低通等分析方法，根據最佳接收準則，先後討論並分析了在加性高斯白雜訊（AWGN）通道、帶限通道（有符號間干擾和加性雜訊）以及多徑衰落通道等三種基本的典型通道條件下的數字信號可靠且高效傳輸及其最佳接收問題。從信號傳輸角度主要介紹了通信信號、數字調製、自適應均衡、多天線系統和最佳接收等內容；從信息傳輸角度介紹了資訊理論基礎、通道容量和通道編碼等內容。
數字通信是用數字信號作為載體來傳輸消息，或用數字信號對載波進行數字調製后再傳輸的通信方式。它可傳輸電報、數字數據等數字信號，也可傳輸經過數字化處理的語聲和圖像等模擬信號。
第1章 緒論 1
1.1 數字通信系統的基本組成部分 1
1.2 通信通道及其特徵 2
1.3 通信通道的數學模型 6
1.4 數字通信發展的回顧與展望 8
1.5 本書概貌 10
1.6 文獻註釋與參考資料 10
第2章 確定與隨機信號分析 11
2.1 帶通與低通信號的表示 12
2.1.1 帶通與低通信號 12
2.1.2 帶通信號的等效低通 14
2.1.3 能量考慮 16
2.1.4 帶通系統的等效低通 18
2.2 波形的信號空間表示 18
2.2.1 矢量空間概念 19
2.2.2 信號空間概念 20
2.2.3 信號的正交展開 21
2.2.4 格拉姆-施密特（Gram-Schmidt）過程 23
2.3 某些有用的隨機變數 28
2.4 尾部概率的邊界 41
2.5 隨機變數總和極限定理 45
2.6 復隨機變數 45
2.6.1 復隨機矢量 46
2.7 隨機過程 48
2.7.1 廣義平穩隨機過程 48
2.7.2 循環平穩隨機過程 50
2.7.3 本徵與環隨機過程 51
2.7.4 馬爾可夫鏈 51
2.8 隨機過程的級數展開 53
2.8.1 帶限隨機過程的抽樣定理 53
2.8.2 K-L（Karhunen-Loève）展開式 55
2.9 帶通和低通隨機過程 56
2.10 文獻註釋與參考資料 59
習題 59
第3章 數字調製方法 68
3.1 數字調製信號的表示 68
3.2 無記憶調製方法 69
3.2.1 脈衝幅度調製（PAM） 70
3.2.2 相位調製 72
3.2.3 正交幅度調製 74
3.2.4 多維信號傳輸 76
3.3 有記憶信號傳輸方式 81
3.3.1 連續相位頻移鍵控（CPFSK） 82
3.3.2 連續相位調製（CPM） 83
3.4 數字調製信號的功率譜 91
3.4.1 有記憶數字調製信號的功率譜密度 92
3.4.2 線性調製信號的功率譜密度 93
3.4.3 有限記憶數字調製信號的功率譜密度 95
3.4.4 馬爾可夫結構調製方式的功率譜密度 95
3.4.5 CPFSK和CPM信號的功率譜密度 97
3.5 文獻註釋與參考資料 103
習題 104
第4章 AWGN通道的最佳接收機 112
4.1 波形與矢量通道的模型 112
4.1.1 一般矢量通道的最佳檢測 113
4.2 波形與矢量AWGN通道 116
4.2.1 矢量AWGN通道的最佳檢測 118
4.2.2 AWGN通道最佳接收機的實現 123
4.2.3 最大似然檢測錯誤概率的一致邊界 127
4.3 帶限信號傳輸的最佳檢測和錯誤概率 130
4.3.1 ASK或PAM信號傳輸的最佳檢測和錯誤概率 131
4.3.2 PSK信號傳輸方式的最佳檢測和錯誤概率 132
4.3.3 QAM信號傳輸的最佳檢測和錯誤概率 135
4.3.4 解調與檢測 138
4.4 功限信號傳輸的最佳檢測和錯誤概率 140
4.4.1 正交信號傳輸的最佳檢測和錯誤概率 140
4.4.2 雙正交信號傳輸的最佳檢測和錯誤概率 143
4.4.3 單純信號傳輸的最佳檢測和錯誤概率 144
4.5 不確定情況下的最佳檢測：非相干檢測 144
4.5.1 載波調製信號的非相干檢測 146
4.5.2 FSK調製信號的最佳非相干檢測 148
4.5.3 正交信號傳輸非相干檢測的錯誤概率 148
4.5.4 相關二進位信號包絡檢測的錯誤概率 151
4.5.5 差分PSK（DPSK） 152
4.6 數字信號傳輸方法的比較 155
4.7 格和基於格的星座圖 157
4.7.1 格的介紹 158
4.7.2 基於格的信號星座圖 162
4.8 有記憶信號傳輸方式的檢測 166
4.8.1 最大似然序列檢測器 166
4.9 CPM信號的最佳接收機 168
4.9.1 CPM的最佳解調和檢測 169
4.9.2 CPM信號的性能 172
4.9.3 CPM信號的次最佳解調和檢測 176
4.10 有線和無線通信系統的性能分析 177
4.10.1 再生中繼器 177
4.10.2 無線通信系統中鏈路預算分析 178
4.11 文獻註釋與參考資料 180
習題 181
第5章 載波和符號同步 198
5.1 信號參數估計 198
5.1.1 似然函數 199
5.1.2 信號解調中的載波恢復與符號同步 199
5.2 載波相位估計 201
5.2.1 最大似然載波相位估計 202
5.2.2 鎖相環 204
5.2.3 加性雜訊對相位估計的影響 205
5.2.4 面向判決環 207
5.2.5 非面向判決環 211
5.3 符號定時估計 216
5.3.1 最大似然定時估計 216
5.3.2 非面向判決定時估計 217
5.4 載波相位和符號定時的聯合估計 220
5.5 最大似然估計器的性能特徵 222
5.6 文獻註釋與參考資料 224
習題 224
第6章 資訊理論基礎 227
6.1 信源的數學模型 227
6.2 信息的對數度量 228
6.3 信源的無損編碼 230
6.3.1 無損信源編碼定理 231
6.3.2 無損編碼演演算法 233
6.4 有損數據壓縮 239
6.4.1 連續隨機變數的熵和互信息 240
6.4.2 率失真函數 241
6.5 通道模型和通道容量 244
6.5.1 通道模型 244
6.5.2 通道容量 247
6.6 用正交信號集獲取通道容量 253
6.7 通道可靠性函數 254
6.8 通道截止速率 255
6.8.1 Bhattacharyya界和Chernov界 256
6.8.2 隨機編碼 257
6.9 文獻註釋與參考資料 261
習題 261
第7章 線性分組碼 275
7.1 基本定義 275
7.1.1 有限域的結構 277
7.1.2 矢量空間 282
7.2 線性分組碼的一般性質 282
7.2.1 生成矩陣和校驗矩陣 283
7.2.2 線性分組碼的重量與距離特性 284
7.2.3 重量分佈多項式 285
7.2.4 線性分組碼的差錯概率 287
7.3 一些特殊的線性分組碼 288
7.3.1 重複碼 289
7.3.2 漢明碼 289
7.3.3 最大長度碼 289
7.3.4 Reed-Muller碼 289
7.3.5 哈達瑪碼 290
7.3.6 高萊碼 291
7.4 線性分組碼的最佳軟判決解碼 291
7.5 線性分組碼的硬判決解碼 295
7.5.1 分組碼的檢錯和糾錯能力 297
7.5.2 硬判決解碼的碼組和比特差錯概率 298
7.6 硬判決與軟判決解碼的性能比較 300
7.7 線性分組碼最小距離的邊界 302
7.7.1 辛格爾頓界 303
7.7.2 漢明界 303
7.7.3 普洛特金界 304
7.7.4 埃利斯界 305
7.7.5 McEliece-Rodemich-Rumsey-Welch（MRRW）界 305
7.7.6 烏沙莫夫吉爾伯特界 305
7.8 修改的線性分組碼 306
7.8.1 縮短和伸長 306
7.8.2 刪余和擴展 307
7.8.3 刪信和增廣 308
7.9 循環碼 308
7.9.1 循環碼定義和基本性質 308
7.9.2 系統循環碼 312
7.9.3 循環碼編碼器 314
7.9.4 循環碼的解碼 315
7.9.5 循環碼實例 317
7.10 BCH碼 319
7.10.1 BCH碼的結構 319
7.10.2 BCH碼解碼 322
7.11 里德-所羅門碼 324
7.12 突發差錯通道的編碼 327
7.13 組合碼 328
7.13.1 乘積碼 328
7.13.2 級聯碼 329
7.14 文獻註釋與參考資料 331
習題 332
第8章 基於網格和圖形的編碼 338
8.1 卷積碼的結構 338
8.1.1 樹、網格和狀態圖 341
8.1.2 卷積碼的轉移函數 344
8.1.3 系統的、非遞歸的和遞歸的卷積碼 347
8.1.4 卷積編碼器的逆與惡性碼 348
8.2 卷積碼的解碼 350
8.2.1 卷積碼的最大似然解碼——維特比演演算法 350
8.2.2 卷積碼最大似然解碼的差錯概率 352
8.3 二進位卷積碼的距離特性 354
8.4 刪余卷積碼 357
8.4.1 碼率兼容的刪余卷積碼 359
8.5 卷積碼的其他解碼演演算法 361
8.6 卷積碼應用的實際考慮 366
8.7 非二進位的雙k碼和級聯碼 369
8.8 卷積碼的最大后驗概率解碼——BCJR演演算法 372
8.9 Turbo碼和迭代解碼 378
8.9.1 Turbo碼的性能限 378
8.9.2 Turbo碼的迭代解碼 380
8.9.3 迭代解碼的EXIT圖研究 382
8.10 因子圖與和-積演演算法 384
8.10.1 Tanner圖 384
8.10.2 因子圖 386
8.10.3 和-積演演算法 387
8.10.4 利用和-積演演算法的MAP解碼 389
8.11 低密度奇偶校驗碼LDPC 390
8.11.1 LDPC解碼 392
8徠.12 帶限通道的編碼——網格編碼調製TCM 392
8.12.1 格和網格編碼調製 401
8.12.2 Turbo編碼的高帶寬效率調製 402
8.13 文獻註釋與參考資料 404
習題 405
第9章 通過帶限通道的數字通信 410
9.1 帶限通道的特徵 410
9.2 帶限通道的信號設計 413
9.2.1 無符號間干擾的帶限信號的設計——奈奎斯特準則 415
9.2.2 具有受控ISI的帶限信號設計——部分響應信號 418
9.2.3 對受控ISI的數據檢測 421
9.2.4 有失真通道的信號設計 425
9.3 有ISI和AWGN通道的最佳接收機 428
9.3.1 最佳最大似然接收機 428
9.3.2 具有ISI通道的離散時間模型 430
9.3.3 離散時間白雜訊濾波器模型的維特比演演算法 432
9.3.4 具有ISI通道的MLSE性能 434
9.4 線性均衡 441
9.4.1 峰值失真準則 441
9.4.2 均方誤差（MSE）準則 445
9.4.3 MSE均衡器的性能特徵 448
9.4.4 分數間隔均衡器 451
9.4.5 基帶和帶通線性均衡器 454
9.5 判決反饋均衡器 455
9.5.1 係數最佳化 456
9.5.2 DFE的性能特徵 457
9.5.3 預測判決反饋均衡器 459
9.5.4 發送機的均衡——Tomlinson-Harashima 預編碼 461
9.6 降低複雜性的ML檢測器 462
9.7 迭代均衡和解碼——Turbo均衡 464
9.8 文獻註釋與參考資料 465
習題 466
第10章 自適應均衡 477
10.1 自適應線性均衡 477
10.1.1 迫零演演算法 477
10.1.2 LMS演演算法 478
10.1.3 LMS演演算法的收斂特性 481
10.1.4 由有噪梯度估計值引起的過剩MSE 482
10.1.5 加速LMS演演算法的初始收斂速率 484
10.1.6 自適應分數間隔均衡器——抽頭泄漏演演算法 486
10.1.7 用於ML序列檢測的自適應通道估計器 487
10.2 自適應判決反饋均衡器 489
10.3 網格編碼信號的自適應均衡 490
10.4 自適應均衡的遞推最小二乘演演算法 492
10.4.1 遞推最小二乘（卡爾曼）演演算法 493
10.4.2 線性預測和格型濾波器 496
10.5 自恢復（盲）均衡 500
10.5.1 基於最大似然準則的盲均衡 500
10.5.2 隨機梯度演演算法 503
10.5.3 基於二階和高階信號統計量的盲均衡演演算法 507
10.6 文獻註釋與參考資料 508
習題 509
第11章 多通道和多載波系統 512
11.1 在AWGN通道中的多通道數字通信 512
11.1.1 二進位信號 514
11.1.2 M元正交信號 515
11.2 多載波通信 516
11.2.1 單載波和多載波調製 517
11.2.2 非理想線性濾波器通道的容量 517
11.2.3 正交頻分復用（OFDM） 518
11.2.4 OFDM系統的調製和解調 519
11.2.5 OFDM系統的FFT演演算法實現 521
11.2.6 多載波信號的譜特徵 523
11.2.7 多載波調製中的比特和功率的分配 525
11.2.8 多載波調製中的峰均比 527
11.2.9 多載波調製中的通道編碼的考慮 528
11.3 文獻註釋與參考資料 528
習題 529
第12章 數字通信用擴頻信號 531
12.1 擴頻數字通信系統的模型 532
12.2 直接序列擴頻信號 533
12.2.1 解碼器的差錯率性能 535
12.2.2 DS擴頻信號的一些應用 542
12.2.3 脈衝干擾對DS擴頻系統的影響 545
12.2.4 DS擴頻系統中窄帶干擾的刪除 550
12.2.5 PN序列的生成 554
12.3 跳頻擴頻信號 558
12.3.1 AWGN通道中的FH擴頻信號的性能 560
12.3.2 部分頻帶干擾下FH擴頻信號的性能 561
12.3.3 基於FH 擴頻信號的CDMA系統 566
12.4 其他類型的擴頻信號 567
12.5 擴頻系統的同步 568
12.6 文獻註釋與參考資料 572
習題 574
第13章 衰落通道I：通道特徵與信號傳輸 578
13.1 多徑衰落通道的特徵 578
13.1.1 通道相關函數和功率譜 580
13.1.2 衰落通道的統計模型 584
13.2 信號特徵對通道模型選擇的影響 587
13.3 頻率非選擇性慢衰落通道 588
13.4 多徑衰落通道的分集技術 591
13.4.1 二進位信號 592
13.4.2 多相信號 597
13.4.3 M元正交信號 598
13.5 頻率選擇性慢衰落通道中的信號傳輸：RAKE解調器 603
13.5.1 抽頭延遲線通道模型 603
13.5.2 RAKE解調器 604
13.5.3 RAKE解調器的性能 606
13.5.4 符號間干擾通道的接收機結構 612
13.6 多載波調製（OFDM） 613
13.6.1 多普勒擴展引起的OFDM系統性能的減損 614
13.6.2 OFDM系統中ICI的抑制 617
13.7 文獻註釋與參考資料 618
習題 618
第14章 衰落通道II：容量與編碼 624
14.1 衰落通道的容量 625
14.1.1 有限狀態通道的容量 627
14.2 遍歷與中斷容量 628
14.2.1 瑞利衰落通道的遍歷容量 629
14.2.2 瑞利衰落通道的中斷容量 634
14.3 衰落通道的編碼 637
14.4 衰落通道中編碼系統的性能 638
14.4.1 全交織通道模型的編碼 638
14.5 衰落通道的網格編碼調製 645
14.5.1 衰落通道的TCM系統 645
14.5.2 多重網格編碼調製（MTCM） 647
14.6 比特交織編碼調製 649
14.7 頻率域編碼 654
14.7.1 線性二進位分組碼軟判決解碼的差錯概率 654
14.7.2 線性分組碼硬判決解碼的差錯概率 656
14.7.3 用於瑞利衰落通道的卷積碼性能的上邊界 656
14.7.4 衰落通道中恆重碼和級聯碼的應用 658
14.8 衰落通道的通道截止速率 663
14.8.1 接收機具有CSI的全交織衰落通道的通道截止速率 663
14.9 文獻註釋與參考資料 665
習題 666
第15章 多天線系統 669
15.1 多天線系統的通道模型 669
15.1.1 慢衰落頻率非選擇性MIMO通道中的信號傳輸 670
15.1.2 MIMO系統中數據符號檢測 671
15.1.3 通過慢衰落頻率選擇性MIMO通道的信號傳輸 675
15.2 MIMO通道的容量 680
15.2.1 數學準備知識 680
15.2.2 頻率非選擇性確定性MIMO通道的容量 681
15.2.3 頻率非選擇性遍歷隨機MIMO通道的容量 682
15.2.4 中斷容量 684
15.2.5 發送機知道通道時MIMO通道的容量 685
15.3 擴頻信號與多碼傳輸 687
15.3.1 正交擴頻序列 687
15.3.2 復用增益與分集增益 690
15.3.3 多碼MIMO系統 691
15.4 MIMO通道的編碼 694
15.4.1 瑞利衰落通道中時間編碼SISO系統的性能 694
15.4.2 MIMO通道的比特交織時間編碼 696
15.4.3 MIMO通道的空時分組碼 698
15.4.4 空時碼的成對差錯概率 704
15.4.5 MIMO通道的空時網格碼 705
15.4.6 級聯空時碼和Turbo碼 707
15.5 文獻註釋與參考資料 708
習題 709
第16章 多用戶通信 714
16.1 多址技術 714
16.2 多址方式的容量 716
16.3 CDMA系統的多用戶檢測 719
16.3.1 CDMA信號與通道模型 719
16.3.2 最佳多用戶接收機 720
16.3.3 次最佳檢測器 724
16.3.4 連續干擾抵消 728
16.3.5 其他類型的多用戶檢測器 729
16.3.6 檢測器的性能特徵 730
16.4 廣播通道的多用戶MIMO系統 732
16.4.1 發送信號的線性預編碼 733
16.4.2 發送信號的非線性預編碼——QR分解 735
16.4.3 非線性矢量預編碼 739
16.4.4 預編碼的格壓縮技術 741
16.5 隨機接入方式 743
16.5.1 ALOHA系統和協議 743
16.5.2 載波偵聽系統和協議 746
16.6 文獻註釋和參考資料 749
習題 750
附錄A 矩陣 755
A.1 矩陣的特徵值和特徵矢量 755
A.2 奇異值分解 756
A.3 矩陣的范數和條件數 757
A.4 Moore-Penrose偽逆 758
附錄B 多通道二進位信號的差錯概率 759
附錄C M相信號自適應接收的錯誤概率 763
C.1 M相信號通信系統的數學模型 763
C.2 相位 的特徵函數和概率密度函數 764
C.3 瑞利慢衰落通道的差錯概率 766
C.4 時不變與賴斯衰落通道的差錯概率 769
附錄D 平方根分解 771
參考文獻與資料 773
中英文人名對照表 806
辭彙表 812
