现代通信原理

第2版前言

本书第1版成书已有十多年时间。这期间，随着信息科技的深度发展，通信领域衍生出大量的新应用，通信技术的外延范畴有了许多扩展。因此，系统地梳理出通信技术所涉及的基础理论和知识，成为本次改版的主旨之一。基于这一出发点，在第1版《现代通信原理》上、下两册的基础上，凝练了通信的基本原理与核心技术，合编成为第2版的单册本。

本书在内容编排上沿用了第1版的层次结构，以原理、知识的逻辑性来推进全书内容。

全书正文共10章。第1章~第3章是基础知识部分。第1章绪论，概述了通信的系统结构、基础概念与基本问题，引导读者形成通信系统的初步认识。第2章预备基础知识、第3章随机信号分析，分别给出通信信号、噪声的分析方法，为后续章节建立信号分析与处理的基础知识。

第4章模拟调制系统，阐述了模拟调制的原理、信号的时频特性、抗噪声性能等。虽然模拟调制不是现今的主流通信技术，但是，对于其技术方法和信号特性的理解，可为学习后续的数字调制提供基础。第5章模拟信号数字化，介绍了模拟信号与数字信号之间的转换原理及其实现技术，从而解释了数字通信系统与现实信号之间的结合方法。

从第6章开始，进入数字通信内容。第6章数字基带传输系统，以基带数字信号为研究对象，讨论了数字信号的时域表达和频谱特性，重点阐述了如何设计恰当的数字信号传输特性，以消除码间干扰。这一章内容也是后续的数字频带传输的理论基础之一。第7章数字信号的频带传输，先通过基本的二进制数字调制，使读者掌握数字信号的幅度、频率、相位等的调制原理和传输特性。之后，介绍了多进制数字调制方式以及多种改进的数字调制技术，使读者系统地理解数字频带传输的技术方法。作为数字通信技术方法的发展，第8章论述了数字信号的接收，包括数字接收机、匹配滤波器等的接收方法，以及基带传输系统的实现。

第9章同步原理，阐述了通信中的同步问题，系统性地讨论了载波同步、位同步、群同步等的基本同步功能，以及面向应用而出现的网同步、扩频同步等的扩展同步功能。同步是通信系统中必不可少的，但是，由于其自成体系而相对独立，容易被初学者忽略。因此，掌握同步理论，对于通信原理的完整性把握显得很重要。

第10章先进的数字通信技术，结合通信领域的新发展，讨论了典型的数字通信应用技术，包括中继无线通信技术、OFDM技术、扩频多址技术、交换技术等，以帮助读者将通信原理与实际通信技术相融合。

通信问题的研究分析比较倚重于数学工具，除了普遍使用时域频域积分变换之外，还经常遇到一些特殊数学函数的求解，诸如误差函数、概率积分函数、贝塞尔函数等。为此，本书在附录中给出相关数学函数表，以便于读者在学习过程中查阅。

本书可作为各类高校通信、电子、计算机等专业的教材，也可供专业技术人员作为参考书。本书参考学时为50~80学时。学时数的选择视先修课程基础、授课内容侧重点等因素而确定，详见本书的教学建议。

李颖洁编写了第1章的1.1节和第3章； 邹雪妹编写了第2章、第4章和第5章； 赵恒凯编写了第6章、第7章和第9章； 余小清编写了第1章的1.2节、1.3节和第8章； 张舜卿编写了第10章的10.1节、10.4节、10.5节和10.6节； 王涛编写了第10章的10.2节和10.3节。

郑国莘教授审核了全书。
本书的编写得到上海市*本科重点课程建设项目“通信原理（1）/（2）”、上海大学本科教材建设项目的支持，特此致谢。

限于编者的水平，虽经再版编写，仍难免有不妥或错误之处，恳请广大读者批评指正。

编者
2021年3月
于上海大学

第1版前言

随着通信工程学科的飞速发展，相关的通信理论也不断更新充实，其应用也越来越广泛。广大读者迫切需要一本适应学科发展和教学改革要求的高水平的教科书。本套教材正是朝着这个目标所做的努力和尝试。
本套教材共分上、下两册，全面介绍现代通信系统的基本原理、基本性能和分析方法以及现代通信系统中的的相关技术。本套书将传统的通信原理讲授的内容大部分安排在了上册，把新的技术知识和部分加深的内容安排在了下册。这样的安排一方面是从信息传输的角度很好地将原理和技术分开，更能保证知识的逻辑性和连贯性；  另外也便于读者了解通信原理课程的体系结构及内在联系，更方便组织教学。上册书主要讲述信息传输系统的基本原理。全书分为7章，包括绪论、预备基础知识、随机信号分析、模拟调制系统、模拟信号数字化和数字信号的基带传输和频带传输系统。下册书主要讲述信息传输的相关技术，分为6章，包括数字信号的接收、同步原理、信源编码、信道编码、先进的通信技术和通信网概论。
在上册书中，第1章是本书的绪论，介绍了通信系统的基本知识，包括通信系统的组成和分类、信号与信息、信道与噪声等，为后续的学习奠定必要的基础。为了读者学习时可以方便地查阅到有关的基础知识，本书第2章介绍预备知识，其中涉及了信号的频谱分析、信号的能量和功率以及卷积和相关运算等重要的基础知识。通信系统的一个特性就是存在不确定性。这种不确定性一部分是由于系统中不可避免地存在着噪声，另一个主要原因是由于信息本身的不可预测性。因此对通信系统的分析需要使用概率与随机过程的分析方法。第3章着重介绍随机过程的分析方法及其在通信系统中的应用。
从第4章开始进入通信系统原理的具体论述。模拟调制技术是学习调制原理的基础，所以在本书中仍然以一章的篇幅对其进行介绍，但重点是对其性能的分析。数字通信是目前的主流方向，本书从模拟信号的数字化开始，共分三章详细介绍了数字信号的基带传输和频带传输原理。并在第7章的结尾对数字调制技术在现代通信中的改进和发展进行了论述。使得读者可以在掌握了基本理论后对的进展有所了解。
在下册书中，重点放在了信息传输的相关技术领域。
由于信道特性的不理想以及信道中存在噪声等不利因素，都将直接作用到接收端，从而对信号接收产生影响，因此，对于一个通信系统的质量而言，接收系统的性能非常关键。第8章以接收问题作为研究对象，着重分析从噪声中如何用好的策略提取有用信号，即着重讨论数字信号接收的基本原理以及基本方法。
无论是模拟通信系统或是数字通信系统，都要解决一个重要的实际问题——收发双方的同步。同步问题关系到通信能否正常进行并直接影响通信质量的好坏。第9章分别介绍了载波同步、位同步、群同步（帧同步）和网同步等理论知识。

第10章和第11章分别介绍了信源编码和信道编码的有关内容。第10章首先介绍了编码基本概念，然后介绍了无记忆信源等长编码、不等长编码的方法；  阐述了无失真信源编码定理（即香农(Shannon)定理）；  后给出无失真信源编码的具体方法。第11章首先介绍了纠错编码的常用方法，接着论述了几种常用的简单信道编码，详细介绍了线性分组码、循环码、卷积码和Turbo码的有关原理的实现方法。
第12章选择了现代通信中几个常见的数字通信技术进行介绍。包括交换技术、扩频通信、正交频分复用（OFDM）技术和多址技术四部分内容。
后第13章论述了有关通信网的基础知识，包括通信网的分类、组成及功能、网络体系结构、传输协议以及几种专用通信网，电话网、数据网和移动通信网的基本概念和原理以及有关NGN的发展情况。

作为高等教育电子信息类的核心技术基础课教材，本书在编写中遵循以下的原则。本书既介绍模拟通信，又介绍数字通信，但以数字通信为主。既讲述通信系统的基本知识和基本原理，又注重通信技术在实际系统中的应用，特别注意吸收新技术和新的通信系统。本书讲述力求简明透彻，重点突出。书中大量的数学推导和计算以小字体呈现，既不影响课堂的重点讲授，又方便读者参考阅读时的需要；  教材的宏观体系是，先基础知识，后系统介绍；  先模拟通信系统，后数字通信系统；  先基本原理学习，后相关技术介绍。每章后设有思考题和习题，便于教师组织教学和学生自学。
本套书参考学时为80学时，上册、下册各占一半，非常适合短学期制的高校使用。选用本书作为教材可根据具体情况自由取舍，灵活讲授。如先修课已学过“高频电子线路”的，模拟调制系统一章可以少讲或不讲；  教材中打*的章节或内容属加深、拓宽内容，可以不讲或少讲。
李颖洁编写了本书上册的第1章的1.1节和第3章，以及下册的第12章和第13章；  邹雪妹编写了本书上册的第2章、第4章和第5章；  赵恒凯编写了本书上册的第6章和第7章，以及下册的第9章；  余小清负责编写了上册的第1章的1.2节和1.3节，以及下册的第8章、第10章和第11章。郑国莘教授审阅了全书。

作者在编写本书和承担上海大学精品课程“通信原理”的课程建设中得到了学校教务处、通信与信息工程学院的关心和支持，教材的出版还受到了学校教材编写的资助，在此向他们表示衷心的感谢！在本书的编写过程中始终得到了上海大学副校长汪敏教授、通信与信息工程学院副院长郑国莘教授、副院长陈泉林副教授的热情关心和支持，在本书出版之际，谨向几位教授致以诚挚的谢意。
此外，还有很多朋友和同学积极参与到了教材的资料搜集和整理活动中。上海电信的张智宏工程师和中兴通讯上海研究所的臧美燕工程师为本书下册的第12章和第13章编写了部分内容并提供了大量的资料。上海大学的石菁、郭利敏、王修远、顾晓辉、董欣、胡文潇、刘曾生、朱春妍、浦明煌、陈智琼、马磊、许丽红、丁祥、贲俊等同学以及2004级通信8班的全体同学为本书的资料搜集、电子版的排版等方面做了大量的工作，在此也向他们表示感谢。
本书既适于各类高校通信、电子、计算机应用等专业作为教材选用，也可作为成人高等学校有关专业参考教材，还可供IT类专业工程技术人员参考。限于作者的水平，不妥及错误之处在所难免，恳切希望读者给予批评指正。

编者
2007年3月
于上海大学

通信原理是关于信号传输的基本理论和技术方法。 本书主要介绍通信的基本原理、分析方法及传输技术。这些内容为通信技术研究和通信系统开发提供专业理论基础。全书共10章，内容包括绪论、预备基础知识、随机信号分析、模拟调制系统、模拟信号数字化、数字基带传输系统、数字信号的频带传输、数字信号的**接收技术、同步原理、先进的数字通信技术等。

赵恒凯，男，博士，副教授。主要研究方向为无线通信与电波传播、信号检测。发表学术论文50余篇，专利和软件著作权5件，参编教材和专著5部。主持上海市*本科重点课程项目等教改项目，主持和参与国家自然科学基金项目、国家科技支撑计划、863项目、上海市科技攻关项目、上海市*项目、企业合作开发项目等科研项目20多项。曾获上海市科技进步三等奖、上海市教学成果二等奖、大学生电子设计竞赛优秀指导教师等奖项。
李颖洁，女，博士，教授，博士生导师。IEEE EMBS上海分会共同主席，中国生物医学工程学会医学神经工程分会委员，上海生物医学工程学会生物信息专业委员会委员。2001年上海交通大学博士毕业，2002年调到上海大学任教，目前为上海大学通信与信息工程学院信号与信息处理方向教授。2008年德国马普学会脑研究所访问学者，2016年美国哈佛大学医学院访问学者。已经发表60余篇学术论文，专著一部，教材3部。主持参与多项国家自然科学基金项目，国家“973”计划二级子课题，担任国家“863”计划项目的副组长，参与了多项企业合作项目等。曾经获得*提名国家科学技术奖自然科学奖一等奖、上海市教学成果二等奖、上海大学教学成果特等奖、上海市自然科学二等奖等奖项。

第1章绪论

1.1引言

1.1.1通信过程

1.1.2通信系统类型

1.1.3主要性能指标

1.2信息及其度量

1.2.1离散信源的信息度量

1.2.2离散信源的熵

1.2.3连续信源的熵(相对熵)

1.3通信信道及噪声

1.3.1信道的分类及特性

1.3.2信道中的噪声

1.3.3信道容量的概念

1.4思考题

1.5习题

第2章预备基础知识

2.1引言

2.2信号的分类

2.3信号的频谱分析

2.3.1傅里叶级数

2.3.2傅里叶变换

2.3.3常用信号的频谱

2.4能量和功率

2.4.1信号能量与能量谱密度

2.4.2信号功率与功率谱密度

2.5卷积和相关

2.5.1卷积积分

2.5.2相关函数

2.6信号通过线性系统传输

2.6.1冲激响应

2.6.2频域传递函数

2.6.3无失真传输条件

2.7信号带宽

2.8希尔伯特变换

2.9习题

第3章随机信号分析

3.1引言

3.2随机变量

3.2.1基本概念

3.2.2概率分布

3.2.3数字特征

3.3随机过程

3.3.1基本概念

3.3.2平稳随机过程

3.3.3各态历经过程

3.3.4平稳随机过程的相关函数

3.3.5高斯过程

3.4平稳随机过程谱分析

3.4.1功率谱密度函数

3.4.2平稳随机过程功率谱的主要性质

3.4.3功率谱密度与自相关函数——维纳辛钦定理

3.5窄带随机过程

3.5.1基本概念

3.5.2窄带随机过程的数学表示

3.5.3零均、平稳高斯窄带过程的统计特性

3.5.4正弦波加窄带高斯过程

3.5.5宽带过程——白噪声

3.6随机过程通过线性系统

3.6.1线性系统分析(简单回顾)

3.6.2平稳随机过程通过线性系统

*3.7马尔可夫(Markov)过程

3.7.1基本概念

3.7.2马尔可夫序列

3.7.3马尔可夫链

3.7.4应用举例

3.8思考题

3.9习题

第4章模拟调制系统

4.1引言

4.2幅度调制原理

4.2.1幅度调制的一般模型

4.2.2常规调幅(AM)

4.2.3抑制载波的双边带调幅(DSBSC)

4.2.4单边带调制(SSB)

4.2.5残留边带调制(VSB)

4.3幅度调制系统的抗噪声性能

4.3.1幅度调制系统抗噪声性能的分析模型

4.3.2DSB调制系统的抗噪声性能

4.3.3SSB调制系统的抗噪声性能

4.3.4AM调制系统的抗噪声性能

4.4角度调制原理

4.4.1角度调制信号的数学表达式

4.4.2角度调制信号的频谱结构与带宽

4.5角度调制系统的抗噪声性能

4.6频分复用

4.7思考题

4.8习题

第5章模拟信号数字化

5.1引言

5.2抽样定理

5.2.1低通型信号抽样定理

5.2.2带通型信号抽样定理

5.2.3自然抽样与平顶抽样

5.3量化与信号量化噪声功率比

5.3.1均匀量化

5.3.2非均匀量化

5.4脉冲编码调制(PCM)

5.4.1PCM编码原理

5.4.2PCM系统的抗噪声性能

5.5差分脉冲编码调制(DPCM)

5.6增量调制(ΔM)

5.6.1增量调制原理

5.6.2增量调制系统中的量化噪声

5.6.3增量调制系统的抗噪声性能

5.7时分复用(TDM)

5.7.1时分复用原理

5.7.2时分多路数字电话通信系统

5.8思考题

5.9习题

第6章数字基带传输系统

6.1引言

6.2基带信号的表示

6.3基带信号的频谱特性

6.4无码间干扰的基带传输

6.4.1基带传输模型

6.4.2基带接收信号的定性分析

6.4.3无码间干扰的基带传输特性

6.5部分响应系统

6.6基带传输系统抗噪声性能及眼图

6.6.1基带传输系统抗噪声性能

6.6.2眼图

6.7均衡

6.8扰码和解扰

6.9思考题

6.10习题

第7章数字信号的频带传输

7.1引言

7.2二进制数字调制系统

7.2.1二进制幅度键控(2ASK)

7.2.2二进制移频键控(2FSK)

7.2.3二进制移相键控(2PSK)及二进制差分移相键控(2DPSK)

7.3二进制数字调制系统的抗噪声性能

7.3.12ASK系统的抗噪声性能

7.3.22FSK系统的抗噪声性能

7.3.32PSK及2DPSK的抗噪声性能

7.4二进制数字调制系统的比较

7.5多进制调制系统

7.5.1多进制数字振幅调制(MASK)

7.5.2多进制数字频率调制(MFSK)

7.5.3多进制数字相位调制(MPSK及MDPSK)

7.5.4振幅相位联合键控(APK)

7.6数字调制技术在现代通信中的改进发展

7.6.1交错正交相移键控(OQPSK)

7.6.2小频移键控(MSK)

7.6.3高斯小频移键控(GMSK)

7.6.4正弦频移键控(SFSK)

7.6.5平滑调频(TFM)

7.6.6无码间串扰和相位抖动的偏移四相相移键控(IJFOQPSK)

7.7思考题

7.8习题

第8章数字信号的接收

8.1引言

8.1.1接收问题

8.1.2数字通信系统的统计模型

8.1.3模型参数的描述

8.2接收准则

8.2.1小差错概率准则

8.2.2似然比准则

8.2.3似然准则

8.2.4多进制似然准则

8.2.5输出信噪比准则

8.3确知信号的接收

8.3.1二进制确知信号的接收机

8.3.2二进制确知信号接收机的性能

8.3.3二进制确知信号的形式

8.3.4多进制确知信号的接收机及其性能

8.4随相信号的接收机

8.4.1二进制随相信号的接收机

8.4.2二进制随相信号接收机的性能

8.5起伏信号的接收

8.5.1m进制FSK起伏信号的接收

8.5.2起伏信号接收的性能

8.6实际接收机与接收机的性能比较

8.6.1实际接收机与接收机的性能公式比较

8.6.2r和Eb/n0的相互关系

8.7匹配滤波器的基本概念

8.7.1匹配滤波器

8.7.2匹配滤波接收原理

8.7.3匹配滤波器在接收中的应用

8.8基带传输系统

8.9思考题

8.10习题

第9章同步原理

9.1引言

9.2载波同步

9.2.1插入导频法

9.2.2直接法

9.2.3载波同步的性能指标

9.3位同步

9.3.1插入导频法

9.3.2直接法

9.3.3位同步的性能指标

9.4群同步

9.4.1起止式同步法

9.4.2连贯式插入法

9.4.3间隔式插入法

9.4.4自群同步

9.4.5群同步系统的性能指标

9.5扩频同步

9.5.1捕获

9.5.2跟踪