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出版者:清华大学出版社

作者:王利

出品人:

页数:396

译者:

出版时间:1999-12-1

价格:32.00

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787302037057

丛书系列:

图书标签:

• 计算机网络
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• 网络技术
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现代通信系统设计与优化 本书导言 在信息技术飞速发展的今天，高效、可靠的通信系统已成为社会运行的基石。从全球互联的互联网到物联网（IoT）的广泛部署，再到5G及未来6G技术的演进，通信系统设计的复杂性与挑战性日益凸显。本书《现代通信系统设计与优化》旨在为系统工程师、研发人员以及相关领域的学生提供一套全面、深入的技术框架，重点聚焦于底层物理层设计、高级信道编码策略、多址接入技术以及整体系统性能的量化与优化。 第一部分：通信系统基础理论与物理层建模 本部分将从信息论的视角出发，对现代通信系统的基本构件进行系统梳理。我们首先回顾香农-哈特利定理在不同信道模型下的应用，确立通信系统容量的理论上限。随后，深入探讨信号在真实信道中的传播特性，包括衰落、多径效应、多普勒频移等关键挑战。 1. 随机过程与数字调制技术： 详细分析平稳随机过程、高斯过程在通信系统中的建模应用。着重剖析线性调制（如QPSK, 16QAM）和非线性调制（如$pi/4$-DQPSK）的性能差异，并引入高阶调制在高带宽效率场景下的实现细节与同步要求。特别关注恒定包络调制技术（如GFSK, MSK）在对功放线性度要求较高系统中的适用性。 2. 信道估计与均衡： 针对多径信道引起的码间串扰（ISI），本书提供了多种信道估计方法，包括基于最小均方误差（MMSE）准则的估计器设计，以及基于训练序列的快速跟踪算法。在均衡部分，我们将深入讲解迫击平滑（ZF）均衡器的局限性，并重点阐述MMSE均衡器在噪声抑制和ISI消除之间的权衡。针对移动信道，还介绍了基于判决反馈均衡（DFE）的结构及其在提高信噪比方面的优势。 3. 功率谱密度与带限滤波： 功率谱分析是理解信号带外辐射和频谱效率的关键。本书详细介绍了升余弦滤波器（Raised Cosine Filter）的设计及其对带限传输性能的影响，对比了不同滚降系数下的系统带宽占用与接收端性能损失。同时，阐述了功率谱密度在分析多载波系统（如OFDM）中旁瓣抑制的重要性。 第二部分：信道编码与纠错理论 有效的信道编码是克服噪声和干扰，实现可靠通信的关键。本部分着重于现代通信系统中最先进的信道编码技术及其硬件实现复杂度。 1. 传统与代数编码： 回顾卷积码的结构、维特比（Viterbi）译码算法及其在有限状态机中的实现。随后，深入探讨了分组码，特别是BCH码和里德-所罗门（Reed-Solomon, RS）码的代数构造原理和错误定位能力，并分析了RS码在数据存储和高可靠性传输中的应用实例。 2. 现代高性能编码： 本书将大量篇幅用于介绍Turbo码和低密度奇偶校验码（LDPC）。详细解析Turbo码的并联与级联结构，重点讨论了Max-Log-MAP译码算法的性能和迭代次数对译码性能的依赖性。对于LDPC码，阐述其基于稀疏校验矩阵的构造方法，以及在北美数字电视标准（ATSC 3.0）和Wi-Fi 6E等前沿标准中的应用，并对比了其在接近香农极限性能下的译码复杂度。 3. 混合自动重传请求（HARQ）： 将信道编码与自动重传请求（ARQ）相结合，是实现高吞吐率和高可靠性的重要手段。本书详细分析了I/II/III型HARQ的机制，并重点讲解了增量冗余（IR）HARQ中不同传输块如何联合译码以实现性能增益。 第三部分：多址接入与资源管理 在频谱资源日益稀缺的背景下，如何允许多个用户共享同一物理信道，是移动通信系统的核心议题。 1. 经典多址技术： 系统分析频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）的基本原理、容量限制和实现挑战。特别关注广义扩频序列（如Walsh-Hadamard序列）在CDMA系统中的正交性要求和近远友干扰（Near-Far Effect）问题。 2. 正交频分多址（OFDMA）： 作为4G和5G系统的核心技术，本书对OFDMA进行了深入剖析。详细讲解了快速傅里叶变换（FFT）和逆快速傅里叶变换（IFFT）在OFDMA收发机中的关键作用，以及循环前缀（CP）如何有效对抗多径信道。同时，讨论了子载波功率分配（Water-Filling Algorithm）在提高系统频谱效率中的作用。 3. 随机接入与调度策略： 讨论了随机接入信道（RACH）的冲突避免机制，如ALOHA和ALOHA变体。在资源调度方面，对比了时域、频域和空域调度算法的优劣，包括最大载波吞吐量（Max C/I）、比例公平（Proportional Fair）调度器在保证系统公平性和吞吐量之间的平衡策略。 第四部分：MIMO与空间复用技术 多输入多输出（MIMO）技术通过引入空间自由度，极大地提升了系统容量和可靠性。 1. MIMO基础理论： 基于信道容量的卡曼-霍尔曼分解（Cholesky Decomposition）原理，推导出MIMO系统的容量边界。深入分析了信道相关性对容量性能的影响。 2. 空间复用与预编码： 详细介绍基于串行/并行干扰消除的系统，如迫零（ZF）和MMSE预编码技术。重点讲解了预编码矩阵的设计，特别是针对信道状态信息（CSI）已知和未知情况下的实现方案。 3. 波束赋形（Beamforming）： 阐述了单用户MIMO（SU-MIMO）和多用户MIMO（MU-MIMO）中的波束赋形技术。分析了数字预编码和模拟预编码的结合方式，以及在毫米波通信中实现大规模MIMO（Massive MIMO）所需的相控阵列技术和混合预编码方案。 第五部分：系统仿真、测试与性能优化 理论的实现需要严谨的仿真和测试验证。本部分聚焦于如何量化系统性能并进行迭代优化。 1. 仿真环境搭建： 介绍使用MATLAB/Simulink或Python/NumPy构建端到端通信系统的流程，包括噪声源的建模、信道模型的随机化，以及如何准确模拟数字信号处理模块的非理想性（如量化噪声、非线性功放失真）。 2. 关键性能指标（KPIs）分析： 详细阐述如何从仿真结果中提取比特错误率（BER）、分组错误率（PER）、吞吐量、延迟和公平性指标。重点讲解如何通过蒙特卡洛（Monte Carlo）方法准确估计尾部BER。 3. 功耗与硬件实现考量： 讨论通信系统中功耗的主要来源（如ADC/DAC、DSP/FPGA、功放），并探讨在给定性能指标下，如何通过选择合适的调制编码方案（MCS）和硬件架构来平衡功耗与吞吐量之间的关系。例如，分析低功耗通信协议中，信道编码的迭代次数与接收机唤醒时间对整体能效的影响。 结语 本书立足于现代通信的工程实践，旨在培养读者从系统架构、底层物理到资源管理的全局视野。所涵盖的知识体系，涵盖了从基础的信道编码到尖端的MIMO与波束赋形技术，为构建下一代高可靠、高容量的无线和有线通信系统提供坚实的理论基础和工程指导。

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