数字通信第四版

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国外电子信息科学经典教材系列 数字通信(第四版) Digitaf Communications(Fourth Edition) [美] John g. proakis著 张力军张宗橙郑宝玉等译 電子工紫出版被 Publishing House of Electronics Industry 北京· BELING 内率简介 本书是数字通信领域的一本经典教对,通过对概率论及随机过程的复习,详细介绍了镦宇和模拟信源编 码、数字调制信号和窄带信号与系統敏特征、加性高斯白嗓声中数字通信的调制和量伴调制与粉测方法基十 最大但然在则的载波相位估计和定时同步的方法、不同信避模型的信道容量及随机编码带限信道的信号设 计、受到符号间干扰恶化信号的解调与检测问题、自适应信道均衡、多信道与多载波调刹、扩展颗谱信号和系 统、衰落倍道上的数字通信。本书适合与通信工程相关专业的高年级本科生研究生及工程技术人员阅读。 John G. Proakis TXgital Communications Fourth edition sBN:0072321l13 Copyright (9 2001 by the McGraw. lill CunFauies, Lo Original language published by The McGtaw-Hill Companies, Inc. All righrs reserved. Nc: part of this publication may bt reproduced or distmbuted in any means, or stored in a database or retrieval syatem, without the prior written permission of the publisher Simplified Chincse translation edition jointly published by Mc Graw-Hill Edueation Asia)Ce. and Publishing House of Electronics industry 本书中文简本字翻译版由电子工业出版社和美国麦格劳希尔教育(亚洲〕出版公司合作出版。未出版者预 先书叵许町,不得以任何方式复制或抄袭本书的任何部分。 本书封底贴有Maw公可防伤标签,无标签者不得销。 版权贸易合同登记号图字01-2004292 团书在版编目CIP数据 数通信(第四版)(美)普罗基斯( Proakis, JG.)著;张力军评.一北京;电子工业出版社,2003.1 〔国外电子信剧科学经典教材系列) 书名原文: Digital Communications 1sBN75053-8368- 数.卫.①普.②张班数字通信教材下.TN943 中国版本图书馆CP数据核字{2002)第12812号 贵任辑:沈艳波 印刷者:北京天额华印刷厂 出版发行:电子工业出版杜htp://www.phei.tom.cn 北京市海淀区万寿路173信箱邮编:10036 经销:{地新猶书苫 开本;TR7X92116即张:47.5字数:1200千字 版次;2003年1月第2版2003年1月第1驮印刷 印数:6000丹定价:58.00元 凡购买电子T业出版社的图书,如有缺损间题,请向购买书店调换;若书店售蛾,请与本社发行部联系。 联系电话:(010)68279077 译者的话 在人类村会发展的近十多年间,信息科学技术迅猛发展,在社会各个领域得到越来越广泛的 应甪,成为2!世纪国际社会和世界经济发展的新的强大搖动力。信息投术快速发展的动因和显 著的特点之一是计算机技术和数宇通信技术的快速发展以及计算机网络与通信网的相互融合 使得因特网迅速发展,遍布世界各地,延伸到各个角落,并从有线扩展到无线,延伸到个人的手 中。各种类型的数字通信网是因特网的载体。有关数字通信的研究主是从网络的物理层研究 数字信号的传输机理及其可靠性和有效性,为建立可靠和高效的因特网提供坚实的物理基础 我们翻译的约翰·(·普罗基斯的《数字通信》(第四版)一书是著者多年教学和科研的总 结它全面而系统地论述了数字通信的基本理论,包括信源编码、数字调制信号特征、信道的模 型、数宁调制与解调符号与定时同步、自适应均衡技术、多信道与多载波系统、扩频通信、哀落 信道上的数字通信以及多用户通信。压如作者在前言中指出的,本书第四版比第三版增添了 些新的内容,如串行和并行级联码、淜余级联码、 Turbo网格缄码调制(TCM)与 Turbo均衡 以及空阆复用,及时地反映了数字通信技术发展的新成果。本书在内容上既论述了数字通信 的基本理论,对数字通信新技术进行了比较深人的分析本书采用信号空间和等效低通分 析方法,根据最佳接收准则先后讨论并分析了在加性高弗白噪声(AWGN}信道、带限线性滤 波器(有符号间干扰和加性项声)信道以及多径衰落信道等3种基本的奥型信道条件下的数字 信号传输的最佳接收问题。本书讨论问题系统、全商,内容逐步深入,概念清晰,理论分析严 谨,逻辑性强,习趣和参考资料卡富。本书是一本此较全鼠、系统深人论述数字通信理论的经 典著作,在学术界很有影响,被许多学术论文引用。同时,它也是一本优秀研究生教材,目前 在国内外有许多向等院校采用本书作为信息和通信专业的研究生教材。本书刘于相关专业的 教师、学生以及科技工作者来说,也是一木很好的参考书 译者自1986年以来一直采用本书作为研究生数字通信课程的教材,从教学实践中,我们 感到本书作为教材理论性较强,其性质相当于“高等通倍原理”,也就是说,要求学习本课程的 学生应当具备良好的本科“通信原理”基础,研究牛通过本课程的学习可在通信理论方面打下 比较好的基础,为深人研究创造良好的条件 本书的前言、第1,2,4,5,6,9,10,11,12章由张力军酾译(其中的习题由曹士坷翻译),第 3,7,8章由张宗橙翻译,第13,14,15章及附录由郑宝翻译,张力军负责究稿全书。在本书 的翻译过程中,保留了原著的部分书写规则,电子T业出版杜文宏武副社长、通信与电子事业 部上任竺南直博士和责任编辑沈艳波为本书的出版付出了辛勤的劳动。南京邮电学院2000 级和200级研究生单方骥、曹賞义、彭伟刚、徐彬辉、何雪云、周克琴丁世杰陈杰、梁景原徐 颖、陈敏、刘芳、赵宏亮、徐啸涛、李晓飞等协助做了大量的工作。借此机会,表示诚挚的谢意。 本书第四版译稿是在译者第∵版的基础上进行的,对第三版屮译本的错漏作了更正。限于水 平,译文倘有疏漏不当之处,敬请读者不吝指正 译者 著者简介 约翰·G·普罗基撕( John G. Proakis)自1969年9月以来仼职于美国东北大学( Northeast ern University)c在1982~1997年期间,他历任电气与计算机工程系系主任研究生院副院 长、院长:同时也在美国通用电话电子公司(GTE)实验家和麻省拜工学院(MT)林肯实验室 ( Lincoln Laboratory)任职 普罗基斯博士在 Cincinnati大学获得学土学位(BSE),在MT获得硕土学位(MSEE 在哈佛大学( Harvard University)获得工程领域博士学位。他的专业方向和研究兴趣主要是数 字通信和数字信号处理,在这些领域里他已发表了许多论文并出版了多本著作。 前言 数字通信(第四版)》在《数字通信第三版〕基础上进行了一些修改,增添了几个新的论 题,包括串行和并行级联码、删余毁联码、Turb网格编码调制(IcM)与 Turbo均衡以及空间 复用。因为这是一本导论性质的教科书,所以对这些论题的论述及处埋的范围有限。 这本书适合作为电子工程系一年级研究生的教科书,也适合从事数字通信系铳设计的工 程师作为自学课本和参考书。为阅读本书,读者应具备基本的微积分、线性系统理论以概率 论和随机过程的预备知识等背景知识 第1章是本书主题的导引,包括回顾与展望、信道特征的描述和信道模型 第2章是对概率论和随机过程基本内容的复习。它涉及本书要用到的一些概率分布函数 和矩阵,包括契尔诺大边界的推导。边界在求数字通信系统性能边界中是很有用的。 第3官论述数字和模拟信源编码,重点是标量和矢量量化技术,并比较速率失真理论的基 本结果。 第4章介绍数字调制信号和窄带信号与系统的特征,还论述了数字调制信号的频谱特征 添加了关干OPM信号线性表示法的新材料。 第5章论述了在加性高斯白噪声信道中,数字通信的调制和最佳调制与检测方法。重点 是各种数字信号传输的差错率性能和相应的信号对信道带宽的要求。 第6章专门论述基于最大似然推则的毂波相位佔计和定时同步的方法,描述面向判块和 非面向判决的两种方法。 第7章论述几种不同信道模型的信道容量及随机编码。 第8章论述线性分组码和拦积码。这章添加的新论题有咔行和并行交织卷积软输出 维特比算法(SOVA)和 Turbo TCM。 第9章着重」带限信道的信号设计。本章的论题包括部分响应信号及频谱成形的游程长 度受限码。 第10章论述受到符号间干扰恶化信号的解调与检测问题,重点是最佳与准最佳均衡方法 及其性能。本章添加的新论题包括 Tcmlinson-Harashima预编码、降低复杂性的最大似然检测 器和 Turbo均衡。 第11章论述白适应信道均衡,描述LMS及递归最小二乘算法及其性能特征。本章还论 述了宫均衡的算法。添加的新论题有抽头泄漏算法和加速LMS初始收敛的方法 第12章论述了多信道和多载波调制。鉴了过去20年中已研发了几个重要的应用,所以 后一论题尤对实用 第13章专门阐述扩展频谱信号和系统。本章着重介绍在扩频信号设计中编码的益处 第14章论述在衰落信道上的数字通信。研究儿种信道衰落的统计模型,重点在于瑞利 ( Rayleigh)衰落和 Nakagami衰落。这章还包括衰落信道的网格编码。添加的新内容包括:关 于移动无线信道妄落和多径的简要论述、有符号间干扰衰落多径信道的接收机结构以及采用 多个发送和接收天线的空间复用 第15章论述多用户通信问题,重点是码分多址CIMA)、信号检测和随机接方式,例如 AL〔HA和载液仇听多址(CSMA)。 使用本书授课的教师可以将这15章内容和关论题灵活地设计成·学期或者两学期的 课程。第3章一第δ章提供关于数字调制鰥解调和检测的方法的基小论述。第7和第8章论 述的信道编码可与调制和解调起作为学期课程的内谷。信道坳衡、衰落信道、扩展频谱和 多用户通信可以作为第二学期谢程的内容 在我砑究写作过程中,有机会同许多知名学者一起工作并向他们学习,在此对他们表示 感谢。这些学者包括R普赖斯(R.Prie)博L:、PR.德罗依尔汉(卩.R. Dreuilheu)先生和PE 格林(PE.Gren)博士。我在库省理工学院林肯实验室I作期间,上述学者在衰落信道中的 数字通信和多信道信号传输等方面給了我许多指导。我也要感谢D,W,塔夫茨(D.W.Tufs) 教授,他审查了我在哈佛大学做的博士论文,并指导我对带限信道的信号设计和均衡问题的研 究。我曾在通用电话和电子公司以及斯坦协会组参加过各种研究项目,与许多同事愉快地共 事多年,包括斯坦S. steln)博士、巴罗(B. Barrow)博士、A.A.焦尔达诺(A.A. Giordano)博士 A.H.菜韦斯克〔A.H. Levesque)博士、R,格林斯潘(R, Greenspan)博十、D.弗甲晏(D).Frec man)博士和PI安德森(P.H, Anderson)、D.古德因(D. Goding)及∫林德霍尔姆(].Lind hom)先生。在东北大学,我与M.塞尔海(M.Saeh)博土、M.斯多吉诺维克H. Stojanovic)博 士和T布雷迪(D. Brady博土合作,从中受益睚浅。T舍恩夫( T. Scherhef)博士提供了 CPSK频谱特性曲线图,H青本斯( H. Gibbons)提供了第14章中的曲线图的数据,这些数据 表示了在分集情况下PSK和DPSK的性能。我非背感激同事们给子的帮助 麦格劳希尔( McGraw hil教育出版集团和我衷心感谢该版本阅者提出许多有价值的 建议,他们的亚利桑邶大学 University of Arizona)的威廉E·里杨( Willian e.Ryan),佛罗里 达大学( University of Florida)的黄唐( Tan Wong)和乔治华盛顿大学( George Washing Unli vers]ty)的雷蒙德皮克霍尔装( Raymond Pickhoitz) 最后感谢格洛丽亚·多卡基斯(( Gloria Dukakis)打了这一版的手稿,感谢阿波斯托斯 里佐斯( Apostolos rizos)准备了习题解答。 著者 彐录 算1章引言……… 1.1数字通信系统的基本组成部分 1.2通信信道及其特征…………………,……………(2) 13通信信道的数学楼型 14数字通信发展的回顾与展望 ■血··甲甲P■P■■q昏}■昌』■■晶血p如唱 8 1.5本书概貌……-……………………… (10 16文献与参考资料 第2章概率论与随视过程 (12) 2.1概率 甲·『1■■1 山pm■■p ■甲■■■ 12 2,1.1随机变量、概平分布和概率密度 看日··自血自甲P (15 2.1.2随机变量的函数… …·(19) 2.1.3随机变量的统订平地……… 22} 2.1.4某华有用的彬擎分布… 26 21.5尾部慨率的上边界…………… 37 2.1.6随机变量之和与中心极限定磲……………… a4-=·.·中F4.日!··甲 (40) 2随机过程 ■■■早P卧1■■晶画t 44 2.2.1统计平均………… P·4 …(45 222功率度培 47) 223线性时不变系统对随机输入信号的响应 48) 224带限随机过程的抽样定理灬……… (51 22.5离散时同随机信号与系统………………… 上血■ ■■1b【■ 52) 226循环平稳过程 r■■■自自血■甲 53) 2.3文献与参考资料……… bdb画a■画画 弓题… ■甲『■卜1d白 "…·……………(55) 第3章仲譞编码……………… 唱●口聊 (59 3.1倍源的数学模型… 32信息的对数最度… 平■■昏■■_bb■■ 60 3.2.1平均互信息和熵 62) 3.2.2连续随机变量信息的度量 (64) 3.3离散信源编码……………… (65) 3,3,1鄗散无记忆信源的编妈… (66) 332平稔离散信源 (72) 3.3.3 Lempel-Ziv算法 ………"(73) 3.4模拟信源的编码——最优量化 甲 (75) 3.4.1率失真函数 (75) 3,4.2标量量化 (78) 3.4.3矢h化 ………………"…"(82) 模拟信源的编码技术 ■■■■ (87) 3.5.1时间波形编码 (88) 3.5.2烦谱波形编码 96) 3.5.3嫫唑基信源编妈 97) 6文献与参考资料 Lb·■= …………(101) 习题 (102) 第4章通信倍号与系统的表征 (108) 4.带通信号与系统的表示法………… ……(108) 4.].1带画信号的表示法 (108) 4.1.2线性带通系统的表示法 4.]3桦通系钤对带通信号的响应…………………… (112) 4,1.4带通平稳随机过程的表压法 (113 42信号空间表示法…… 115) 向空间慨念 116) 4.2.2信号空间概念 (17) 4.2.信号的止交大 (117 4.3数宁调制信号的表示法………………… (|23 4.3.1无记忆调制 T【會lb■■d 11■甲■啁ba亠血 (123) 4.3.2有记忆线性调將…… (132 4.3.3有记忆非线性调制一(PFSK和LPM (135) 4.4数字调制信号的频谱特性… 147) 4]线性调制信号功彰谱 量■+ 147) 4.,2CPK和CM后号劲率谱 151) 4.4.3有记忆调制信号功率谱…… (157) 4.5丈献与参考资料 日··甲鲁··■PP番d备am l60 习题 16 第5章加性高斯自噪声信道的最佳接收机 (169) 5.1受加性高斯白噪声恶化信号的最佳接收机 (169) 5.1,1相关解调器……… b■ ………:(169) 5.1.2匹配撼波罡解器… ■■日日■↓■■epp■ba (173) 5.1.3最枪测器 (177) 514最似然序列檜测器 51.5有记忆信导的逐个符号MAP柃测器 5·2无记忆拥剝的最佳接收机性能 ………"…"………(184) ………………(l86) 52.1二进制调制的错误概率 (I86) l

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