通信原理（第2版）粟向军

“通信原理”是通信工程、电信工程、电子科学与技术等电子信息类专业的必修课程，也是一门重要的专业基础理论课程和研究生入学考试课程，旨在培养学生了解和掌握现代通信系统的基础理论、技术原理和系统分析方法。该课程又是普遍公认的比较难学的课程之一，大多数学生在学习中感觉有较大的难度和压力，很多学生在学完之后总感觉思路不清晰，重点不突出，内容很繁杂，难以把握其要领。尤其是对应用型本科院校来说，大多数学生理论基础相对比较薄弱，学习起来难度更大。基于以上考虑，围绕本课程的基本特点和学习规律，在2011年9月的首版编写过程中，十分注重内容的衔接与递进、知识的广度与深度、表达的通俗与准确。在保持理论体系的严谨性与完整性的同时，按照分散难点和突出重点原则，尽量简化繁复的数学推导，强调概念的传承与深化，注重分析的思路和方法，以使读者限度地易于接受。

本书是在版的基础上，根据师生们的建议，为使其更加体现工科教材的工程应用型特色，而重新修订的。书中全面系统地介绍了现代通信系统的基本组成、各部分工作原理、技术性能指标分析、实际工程应用及采用的技术与发展趋势。为了使读者首先建立通信系统的概貌，本书第1章介绍了通信系统的分析模型、涉及的基本概念及应用的基础知识。为帮助读者掌握通信系统的核心分析方法，本书第2章介绍了确知信号的时频分析法和随机信号的概率统计分析法。后续各章则对应系统模型的各个模块，重点分析通信系统设计中采用的关键技术，包括模拟调制和数字调制技术、信源编码和信道编码技术、接收和数字同步技术。为了拓宽知识面以适应宽口径人才培养的需要，本书结合当前通信技术的热点，适当介绍了部分响应技术、时域均衡技术、多进制数字调制技术及新型语音编码技术等方面的内容，并在第10章中从技术原理的角度介绍了各种技术在移动通信系统中的集成应用，从而使学生建立一个具体的通信系统的连贯而系统的认识。此外，为培养良好的专业素养，提高工程设计和应用能力，本书第11章简单介绍了采用通信系统动态仿真软件SystemView进行系统设计与仿真的基本原理、步骤和方法，通过案例加深理解和掌握本课程的基本理论和分析方法。

本书由来自多所高等院校的具有丰富教学经验的一线教师分工合作完成，粟向军、赵娟任主编，黄彩云、冯璐、黄慧、肖尚辉任副主编。具体写作分工如下：粟向军编写第1章、第10章和第11章并对全书进行统稿，赵娟编写第2章和第3章，黄慧编写第4章，冯璐编写第5章和第7章，黄彩云编写第6章和第9章，肖尚辉编写第8章。

本书可作为高等学校信息与通信系统学科各专业学生的本科教材，参考学时数为64学时；也可供相关学科及有关专业的工程技术人员参考。

由于作者水平所限，书中难免还存在一些错误和不足之处，敬请广大读者批评指正。

编 者

第1章 概论.... 1

1.1 通信的基本概念... 1

1.1.1 消息、信息、信号与通信... 1

1.1.2 通信方式、传输方式、同步
方式和复用方式... 2

1.1.3 通信频段... 6

1.1.4 通信发展简史... 7

1.2 通信系统... 9

1.2.1 通信系统的类型... 9

1.2.2 通信系统的模型... 10

1.2.3 数字通信系统的特点... 11

1.2.4 通信系统的主要性能指标... 12

1.3 通信网... 14

1.3.1 通信网的定义、组成及类型... 14

1.3.2 通信网的拓扑结构... 16

1.3.3 现代通信网的分层结构... 16

1.4 通信信道... 17

1.4.1 信道的类型... 17

1.4.2 信道的模型... 19

1.4.3 信道特性及对信号传输的
影响... 20

1.4.4 常见信道举例... 25

1.5 通信系统中的噪声... 28

1.5.1 加性噪声的类型... 28

1.5.2 白噪声... 29

1.5.3 高斯噪声... 30

1.5.4 高斯白噪声和窄带高斯噪声... 31

1.6 信息论基础... 33

1.6.1 信息量与平均信息量... 33

1.6.2 信道容量... 35

本章小结... 39

思考练习题... 40

第2章 信号分析基础.... 43

2.1 确知信号分析... 43

2.1.1 确知信号的分类... 43

2.1.2 确知信号的频域特征(傅里叶
变换) 46

2.1.3 功率谱密度和能量谱密度... 50

2.1.4 卷积和相关... 51

2.1.5 确知信号通过线性时不变
系统... 53

2.2 随机信号分析... 54

2.2.1 随机变量和随机过程的基本
概念... 54

2.2.2 随机过程的统计特征... 55

2.2.3 平稳随机过程... 60

2.2.4 平稳过程通过线性系统——
随机过程变换... 63

2.2.5 窄带随机过程... 66

本章小结... 69

思考练习题... 70

第3章 模拟调制系统.... 72

3.1 调制的功能及分类... 72

3.1.1 调制的功能... 72

3.1.2 调制的分类... 73

3.2 线性调制系统... 74

3.2.1 标准调幅... 75

3.2.2 抑制载波的双边带调制... 77

3.2.3 单边带调制... 78

3.2.4 残留边带调制... 79

3.2.5 线性调制的解调... 80

3.3 角度调制系统... 84

3.3.1 基本概念... 85

3.3.2 窄带角度调制... 88

3.3.3 宽带角度调制... 90

3.3.4 角度调制的解调... 93

3.4 模拟调制系统的抗噪声性能... 95

3.4.1 线性调制系统的抗噪声性能... 95

3.4.2 角度调制系统的抗噪声
性能... 100

3.4.3 各种模拟调制系统的性能
比较... 104

3.5 频分复用... 106

3.5.1 频分复用的基本原理... 106

3.5.2 频分复用的特点... 108

3.6 复合调制与多级调制... 108

3.6.1 复合调制的原理及实现... 108

3.6.2 多级调制的原理及实现... 109

本章小结... 110

思考练习题... 111

第4章 数字基带传输系统.... 114

4.1 数字基带信号的码型与波形... 114

4.1.1 数字基带信号的码型... 114

4.1.2 数字基带信号的波形... 119

4.2 数字基带信号的功率谱... 119

4.3 数字基带传输与码间串扰... 122

4.3.1 数字基带传输系统的组成及
工作过程... 122

4.3.2 数字基带传输系统的定量
分析——码间串扰... 123

4.4 无码间串扰的基带传输特性... 124

4.4.1 无码间串扰的时域条件... 124

4.4.2 无码间串扰的频域条件——
奈奎斯特准则... 125

4.4.3 无码间串扰的基带传输
系统... 129

4.5 基带传输系统的抗噪声性能分析... 132

4.5.1 二进制双极性基带传输
系统... 134

4.5.2 二进制单极性基带传输
系统... 135

4.6 部分响应系统... 136

4.6.1 第Ⅰ类部分响应系统... 136

4.6.2 一般形式的部分响应系统... 139

4.7 时域均衡技术... 140

4.7.1 时域均衡的基本原理... 141

4.7.2 均衡的准则及实现... 143

4.8 眼图... 147

本章小结... 148

思考练习题... 149

第5章 数字带通传输系统.... 152

5.1 二进制幅移键控系统... 152

5.1.1 二进制幅移键控信号的
分析... 152

5.1.2 二进制幅移键控信号的
产生... 155

5.1.3 二进制幅移键控信号的
解调... 155

5.1.4 二进制幅移键控系统的抗噪声
性能... 156

5.2 二进制频移键控系统... 161

5.2.1 二进制频移键控信号的
分析... 161

5.2.2 二进制频移键控信号的
产生... 163

5.2.3 二进制频移键控信号的
解调... 164

5.2.4 二进制频移键控系统的抗噪声
性能... 166

5.3 二进制相移键控系统... 170

5.3.1 二进制相移键控信号的
分析... 170

5.3.2 二进制相移键控信号的
产生... 172

5.3.3 二进制相移键控信号的
解调... 172

5.3.4 二进制相移键控系统的抗噪声
性能... 173

5.4 二进制差分相移键控系统... 175

5.4.1 相位模糊问题及二进制差分
相移键控信号的分析... 175

5.4.2 二进制差分相移键控信号的
产生... 176

5.4.3 二进制差分相移键控信号的
解调... 177

5.4.4 二进制差分相移键控系统的
抗噪声性能... 178

5.5 四进制相移键控系统... 183

5.5.1 四进制相移键控的产生... 183

5.5.2 四进制相移键控的解调... 186

5.6 小频移键控和高斯小频移
键控... 187

5.6.1 小频移键控信号的分析... 187

5.6.2 小频移键控信号的产生
和解调... 191

5.6.3 小频移键控信号的功率谱
及误码性能... 191

5.6.4 高斯小频移键控... 192

5.7 多进制正交幅度调制... 193

5.7.1 多进制正交幅度调制的基本
原理... 193

5.7.2 多进制正交幅度调制信号的
产生与解调... 195

本章小结... 196

思考练习题... 196

第6章 信源编码.... 199

6.1 概述... 200

6.1.1 信源编码的基本概念... 200

6.1.2 信源编码的技术类型... 201

6.2 语音的波形编码... 204

6.2.1 脉冲编码调制... 204

6.2.2 差分脉冲编码调制... 218

6.2.3 增量调制... 220

6.3 图像编码... 225

6.3.1 图像压缩方法简介... 225

6.3.2 常见图像压缩标准与算法... 226

6.4 时分复用和数字复接... 228

6.4.1 时分多路复用... 228

6.4.2 准同步数字系列... 230

6.4.3 同步数字序列... 233

本章小结... 234

思考练习题... 234

第7章 信道编码.... 236

7.1 信道编码的基本概念... 236

7.1.1 差错控制编码的基本方式和
类型... 236

7.1.2 码重、码距与检错、纠错
能力... 238

7.1.3 几种常用的差错控制码... 240

7.2 线性分组码... 242

7.2.1 线性分组码的定义及性质... 242

7.2.2 生成方程和生成矩阵G.. 244

7.2.3 监督方程和监督矩阵H.. 245

7.2.4 线性分组码的译码——
伴随式(校正子)S. 246

7.2.5 汉明码... 250

7.2.6 线性分组码的实现... 252

7.3 循环码... 253

7.3.1 循环码的含义与特点... 253

7.3.2 循环码的生成多项式、生成
矩阵和监督矩阵... 255

7.3.3 循环码的编译码方法... 258

7.4 卷积码... 260

7.4.1 卷积码的基本原理... 260

7.4.2 卷积码的代数表示... 261

7.4.3 卷积码的图形表示... 264

7.4.4 卷积码的译码方法... 266

本章小结... 267

思考练习题... 268

第8章 接收技术.... 270

8.1 引言... 270

8.2 输出信噪比准则和匹配滤波
接收机... 271

8.2.1 输出信噪比准则... 271

8.2.2 匹配滤波接收机... 271

8.2.3 典型实例分析... 274

8.2.4 匹配滤波器在接收中的
应用... 275

8.3 小差错概率准则和接收机... 276

8.3.1 数字信号接收的统计模型... 276

8.3.2 小差错概率准则... 278

8.3.3 接收机结构... 280

8.4 确知信号的接收机... 281

8.4.1 二进制确知信号的
接收... 281

8.4.2 二进制确知信号的接收机
误码性能... 283

8.5 基带传输系统... 285

8.5.1 基带传输系统的组成... 285

8.5.2 基带传输系统的误码
性能... 287

8.5.3 典型实例分析... 289

本章小结... 291

思考练习题... 292

第9章 同步原理.... 295

9.1 载波同步... 295

9.1.1 直接法... 296

9.1.2 插入导频法... 298

9.1.3 载波同步系统的性能... 301

9.2 位同步... 303

9.2.1 插入导频法... 303

9.2.2 直接法... 304

9.2.3 位同步系统的性能... 306

9.3 群同步... 307

9.3.1 连贯式插入法... 307

9.3.2 间歇式插入法... 310

9.3.3 群同步的性能分析... 312

9.4 网同步... 314

9.4.1 网同步原理... 314

9.4.2 数字同步网中的时钟
及其应用... 315

本章小结... 316

思考练习题... 316

第10章 现代通信系统简介.... 318

10.1 移动通信概述... 318

10.1.1 移动通信的定义和特点... 318

10.1.2 移动通信的发展历程... 319

10.1.3 移动通信的工作频段... 320

10.2 GSM移动通信系统... 321

10.2.1 GSM系统的主要性能
 参数... 321

10.2.2 GSM系统的结构与功能... 322

10.2.3 GSM系统的接口与协议... 325

10.2.4 GSM系统的技术原理... 328

10.3 第三代移动通信系统简介... 343

10.3.1 IMT-2000无线接口和无线
 传输技术方案... 343

10.3.2 IMT-2000标准... 344

10.3.3 IMT-2000系统的基本
 结构... 347

10.3.4 3G的关键技术... 348

10.4 第四代移动通信展望... 353

10.4.1 4G技术的特点... 353

10.4.2 4G中的关键技术... 354

本章小结... 356

思考练习题... 357

第11章 应用SystemView仿真通信
 系统.... 359

11.1 SystemView简介... 359

11.1.1 SystemView的功能
 与特点... 359

11.1.2 基本库和专业库... 361

11.1.3 仿真步骤... 361

11.2 SystemView的基本操作与使用... 362

11.2.1 库选择操作... 362

11.2.2 系统定时... 364

11.2.3 在分析窗中观察分析结果... 365

11.3 通信系统仿真实例... 368

11.3.1 PCM通信系统仿真... 368

11.3.2 QPSK调制解调系统仿真... 372

11.3.3 (7,4)汉明码编译码器仿真... 377

本章小结... 380

思考练习题... 380

附录A 通信工程常用函数.... 382

附录B 希尔伯特变换.... 386

参考文献.... 388