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出版者:

作者:Lapidoth, Amos

出品人:

页数:750

译者:

出版时间:2009-7

价格:$ 94.92

装帧:

isbn号码:9780521193955

丛书系列:

图书标签:

• 通信
• 数字通信
• 通信原理
• 信号处理
• 信息论
• 调制解调
• 编码解码
• 通信系统
• 无线通信
• 数字信号
• 通信网络

《数字通信基础》 引言 在信息爆炸的时代，数字通信已如空气般渗透到我们生活的方方面面。从即时通讯到高清视频流，从物联网设备的数据传输到全球金融市场的秒级交易，一切都离不开高效、可靠的数字通信技术。本书《数字通信基础》旨在为读者构建一个扎实而全面的数字通信理论框架，深入浅出地剖析数字信号处理、传输、接收和解码的各个环节，让读者不仅知其然，更能知其所以然。本书的编写，力求摆脱枯燥的数学推导，注重直观的理解与实际应用，通过清晰的逻辑脉络和生动的案例分析，带领读者领略数字通信的奥秘。 第一章：数字信号与模拟信号的本质区别 数字通信的核心在于对信息的数字化表示。本章将首先澄清数字信号与模拟信号的概念及其根本性差异。模拟信号是连续变化的，其信息直接体现在信号的幅度、频率或相位上，如同真实世界中的声音波形或光线强度。然而，模拟信号在传输过程中极易受到噪声干扰，导致信息失真，且难以进行精确的复制和存储。 相比之下，数字信号则将信息离散化，用二进制代码（0和1）来表示。这种离散化的方式赋予了数字信号强大的抗干扰能力，即使在存在噪声的情况下，接收端也能通过信号的模式识别准确地恢复原始信息。本章将详细阐述数字化带来的优势，包括更高的保真度、更强的抗干扰性、更易于纠错和压缩，以及更低的传输成本。我们还会探讨数字化的基本过程，即采样、量化和编码，并介绍常见的数字信号表示方法，如脉冲编码调制（PCM）等。通过对这两种信号形式的深入理解，读者将能体会到数字通信革命性的意义。 第二章：信息论基础：信息量的度量与编码 在深入数字通信的细节之前，理解信息的度量和编码至关重要。本章将引入信息论的基石——信息量。我们将探讨香农信息熵的概念，它如何衡量一个事件的不确定性，以及信息熵在数据压缩中的理论极限。信息熵越高，表示需要更多的比特来表示该信息，反之亦然。 本章还将重点介绍各种数据编码技术。编码的目的是在保证信息完整性的前提下，用尽可能少的比特来表示信息，实现数据的压缩。我们将详细讲解无损压缩算法，如霍夫曼编码和算术编码，它们如何根据符号出现的概率来分配变长码字，从而达到压缩的目的。同时，我们也会触及有损压缩的概念，说明在某些应用场景下（如音频和视频），适度的信息损失可以带来巨大的压缩比，而对用户感知影响甚微。理解这些编码原理，是理解后续通信系统如何高效传输数据的关键。 第三章：信道模型与噪声 任何通信系统的传输都离不开“信道”。本章将聚焦于通信信道的特性及其对信号传输的影响。我们首先会介绍几种典型的信道模型，包括加性高斯白噪声（AWGN）信道，这是描述许多无线和有线通信环境的常用模型。我们将深入分析噪声的来源及其对信号的干扰方式。 噪声是数字通信系统面临的最主要的挑战之一。它会随机地改变信号的幅度、相位或频率，导致接收端错误地解读信号。本章将详细阐述不同类型的噪声，如热噪声、散弹噪声、闪烁噪声等，以及它们在通信系统中的表现。我们还将介绍信噪比（SNR）这一衡量信道质量的关键指标，以及它如何直接影响通信系统的性能。理解信道的特性和噪声的影响，是设计有效纠错和抗干扰策略的前提。 第四章：数字信号的产生与调制 将数字信息转化为适合在物理信道上传输的信号，是数字通信系统的核心环节。本章将详细介绍数字信号的产生和调制技术。 首先，我们将回顾数字信号的形成过程，包括采样、量化和编码。然后，我们将深入讲解各种数字调制技术。调制是将数字基带信号“搬移”到更高频率的载波信号上的过程，使其能够通过物理媒介高效传输。我们将详细介绍基本的数字调制方式，如： 幅移键控（ASK）/开关键控（OOK）：通过改变载波信号的幅度来表示数字比特。 频移键控（FSK）：通过改变载波信号的频率来表示数字比特。 相移键控（PSK）：通过改变载波信号的相位来表示数字比特，包括二相PSK（BPSK）、四相PSK（QPSK）等。 正交频分复用（OFDM）：一种更高级的调制技术，将数据分割到多个正交的子载波上同时传输，能够有效对抗多径效应，在Wi-Fi、LTE等现代通信系统中得到广泛应用。 本章还将讨论星座图的概念，它是一种图形化表示调制方案的方式，能够直观地展示不同数字比特在二维平面上的映射关系，从而便于理解调制解调的原理和误码率性能。 第五章：数字信号的传输与接收 一旦信号被调制，就需要通过物理信道进行传输，并在接收端被正确地接收和解调。本章将深入探讨数字信号的传输过程以及接收端的关键技术。 在传输过程中，信号会受到多种不利因素的影响，例如衰减、失真和多径效应。本章将分析这些影响，并介绍提高传输鲁棒性的策略。 在接收端，核心任务是将接收到的模拟信号还原为原始的数字信息。这主要包括： 匹配滤波：这是最优的线性滤波器，用于在存在加性噪声的情况下，最大化接收到的信号与已知信号模式之间的信噪比，从而实现最佳的检测性能。 信号检测与判决：接收端需要根据滤波后的信号来判断传输的是哪个数字符号。我们将介绍基于阈值判决和概率判决的方法。 解调：与调制相对应，解调是从载波信号中提取出原始数字基带信号的过程。我们将详细讲解与ASK、FSK、PSK等调制方式相对应的解调技术。 时钟恢复：在数字接收端，准确地确定采样点的位置至关重要，否则会导致严重的判决错误。本章将介绍实现时钟恢复的常见方法。 第六章：纠错编码：对抗信道中的错误 尽管数字通信具有固有的抗干扰能力，但在复杂的信道条件下，错误仍然不可避免。纠错编码技术是提高数字通信系统可靠性的关键手段。本章将深入探讨纠错编码的原理和方法。 我们将首先介绍纠错编码的基本思想：在发送端向原始数据中添加冗余信息，使得接收端能够检测到错误，甚至在某些情况下能够纠正错误。我们将介绍几种重要的纠错编码家族： 分组码：包括线性分组码，如汉明码（Hamming code）和里德-所罗门码（Reed-Solomon code），它们将固定长度的数据块进行编码。我们将分析这些码字的结构、生成矩阵、校验矩阵以及如何进行错误检测和纠正。 卷积码：将信息比特流进行卷积运算，生成的码字长度与信息长度成比例。我们将介绍卷积码的编码器结构、编码过程以及Viterbi算法等高效的解码算法。 现代纠错码：如低密度奇偶校验（LDPC）码和Turbo码，它们在现代高速通信系统中取得了巨大的成功，能够逼近香农限。我们将简要介绍它们的编码原理和解码思想。 通过学习本章内容，读者将能理解如何通过引入适当的冗余，显著降低通信过程中的误码率，从而保证信息传输的可靠性。 第七章：多址技术：允许多个用户共享资源 在实际的通信系统中，往往需要允许多个用户同时访问和使用通信资源。多址技术就是解决这一问题的关键。本章将介绍几种主流的多址技术。 频分多址（FDMA）：将总的可用带宽分割成多个独立的频段，每个用户分配一个独立的频段进行通信。 时分多址（TDMA）：将一个信道的时间划分为若干个时隙，每个用户分配一个或多个时隙进行通信。 码分多址（CDMA）：每个用户使用一个唯一的扩频码，在同一频率和时间内发送信号，通过接收端对码字的区分来实现用户分离。 正交频分多址（OFDMA）：这是OFDM技术在多址接入上的应用，将OFDM的多个子载波分配给不同的用户，是一种高效且灵活的多址技术，广泛应用于LTE、5G等系统中。 本章将详细分析各种多址技术的原理、优缺点以及它们在不同通信系统中的应用场景，帮助读者理解如何在有限的通信资源下，高效地服务于大量用户。 第八章：现代通信系统中的关键技术 在掌握了数字通信的基本原理后，本章将带领读者了解一些现代通信系统中至关重要的关键技术，它们极大地提升了通信系统的性能和效率。 多天线技术（MIMO）：通过在发射端和接收端使用多个天线，利用空间维度来提升通信系统的容量和可靠性。我们将介绍MIMO的基本概念，如空间复用和空间分集，以及它们的工作原理。 自适应技术：通信系统能够根据信道条件的变化，动态地调整传输参数，如调制方式、编码率、发射功率等，以获得最佳的性能。 认知无线电：一种能够感知周围无线环境，并根据感知结果智能地调整自身工作参数的无线通信技术，旨在更有效地利用有限的频谱资源。 软件定义无线电（SDR）：通过软件来实现无线电通信功能，使得通信系统能够更加灵活地更新和升级，适应不断发展的通信标准。 本章内容将为读者提供一个更广阔的视野，了解当前数字通信技术的发展前沿和未来趋势。 结论 《数字通信基础》一书，通过系统化的讲解和深入的分析，为读者构建了一个完整的数字通信知识体系。从最基础的信号概念，到复杂的纠错编码和多址技术，本书旨在让每一位读者都能透彻理解数字通信的核心原理，并能将其应用于实际的工程设计和问题分析中。希望本书能成为读者在数字通信领域探索之旅的坚实基石。

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