第一章概论

从通信的发展历史出发，围绕着通信的一些基本概念进行了介绍，主要包括消息、信息和信号的区别和联系；信息的度量；数字通信的特点、系统模型和评价指标；信道与信道模型以及噪声的类型和特点。

●1.1通信的发展

从古代的烽火通信、击鼓传音、驿站传书到近代的电话、电报等电信技术，人类一直在运用着自己的聪明才智进行不懈的努力，在通信领域取得了一个又一个进步。可以说，通信伴随着人类生产力的发展不断进步。

●1.2消息、信息和信号

信号是消息的载体，信息是消息中包含的有意义的内容，而通信的目的就是传递消息中包含的信息，因此，如何度量信息是首先要解决的问题。

●1.3数字通信

按照取值方式的不同，信号可分为模拟信号和数字信号。传输数字信号的系统称为数字通信系统，由于数字通信系统的优点，已取代模拟通信系统成为通信发展的方向。数字通信系统可以归纳为一个包括信源、信宿、信源编译码、信道编译码、调制解调、信道、噪声以及同步的系统模型。评价一个数字通信系统的主要性能指标主要包括有效性和可靠性。

●1.4信道

信道是连接发送端和接收端的通信设备，按照传播媒介，可以分为无线信道和有线信道。无线信道中信号通过电磁波来传输，不同的电磁波波段有着不同的传播特点。有线信道有传输电信号的对称电缆和同轴电缆，还有传输光信号的光纤。为了讨论通信系统的性能，可以定义不同的信道模型，从调制解调的观点出发可以定义调制信道模型，从编译码的观点出发可以定义编码信道模型。

●1.5噪声

噪声在通信系统中无处不在，它叠加在信号之上，常称为加性噪声，对信号的传输是有害的。噪声的种类很多，最常见的需要重点掌握的就是热噪声。

第二章信号

在通信系统中，信息是通过信号进行传输的，本章从确知信号的性质出发，引出了随机信号的特性。通信系统中的信号和噪声都是随着时间发生变化的随机过程，因此，重点介绍了平稳随机过程以及各态历经性的基本概念和特征，并分析了通信系统中几种常见的随机过程。

●2.1信号的类型

根据信号的不同特性，可以将信号进行不同的分类。本节主要讨论了两种分类，一种按照信号的确定性分为确知信号和随机信号，另一种按照信号的强度分为能量信号和功率信号。

●2.2确知信号的性质

本节主要从频域和时域对确知信号的性质进行讨论。信号的频域特性包括频谱、频谱密度、能量谱密度和功率谱密度。信号的时域特性包括自相关函数和互相关函数。

●2.3随机信号的性质

在数字通信系统中，对于接收端而言，接收到的信号和噪声都具有不确定性，属于随机信号。本节主要对随机变量的概率分布和概率密度函数进行了比较详细的介绍。

●2.4常见随机变量举例

正态分布、均匀分布和瑞利分布是通信系统中几种常见的随机变量，本节主要介绍了它们的性质和特点。

●2.5随机变量的数字特征

在很多情况下，我们不知道或不必知道随机变量的分布函数和概率密度函数，此时，可以用随机变量的数字特征来描述该随机变量，主要的数字特征包括数学期望、方差和矩。

●2.6随机过程

通信系统中的信号和噪声既具有随机性又随时间变化，我们称其为随机过程。平均值、方差和自相关函数是常用于研究通信系统的重要数字特征。若随机过程的统计特性与时间起点无关，则为平稳随机过程。若一个平稳随机过程的一个实现能够经历此过程的所有状态，则称此过程具有各态历经性。在分析绝大多数通信系统的稳态特性时，都认为信号和噪声为平稳随机过程，并具有各态历经性。自相关函数和功率谱密度函数是描述平稳随机过程的两个特别重要的函数，二者之间存在傅里叶变换关系。

●2.7高斯过程

高斯过程又称正态随机过程，是一种普遍存在和十分重要的平稳随机过程，通信系统中的热噪声通常就是一种高斯过程。本节重点介绍高斯过程的定义和性质。

●2.8窄带随机过程

若随机过程的频带宽度Δf远远小于中心频率f0，则称此随机过程为窄带随机过程。窄带随机过程可以用两种不同的形式表示，本节主要分析当平稳窄带随机过程为一个0均值的高斯过程时，同向分量、正交分类、包络以及相位的特性。

●2.9正弦波加窄带高斯过程

正弦波加窄带高斯过程的物理意义为已调信号和窄带高斯噪声之和这一通信系统中常见的信号形式，它的包络满足广义瑞利分布，又称莱斯分布。

●2.10信号通过线性系统

本节通过回顾确知信号通过线性系统的时域分析法和频域分析法，引出对随机信号通过线性系统的分析，重点讨论了通过线性系统后随机过程数学期望、自相关函数以及功率谱密度的变化。

第三章基带数字信号的表示和传输

模拟调制是指用来自信源的基带模拟信号去调制某个载波。由于数字通信技术的优越性和其应用的迅速发展，模拟调制目前载长距离传输种的应用逐渐减少，但是它仍然是基本的调制方法，需要对它有基本的了解。本章将对常用的模拟调制方法做扼要介绍。

●3.1概述

调制有两方面的目的：第一，通过调制可以把基带调制信号的频谱搬移到载波频率附近；第二，通过调制可以提高信号通过信道传输时的抗干扰能力。同时调制不仅影响抗干扰能力，还和传输效率有关。模拟调制可以分为两大类：线性调制（幅度调制）和非线性调制（角度调制）。本节将简明、扼要地介绍模拟调制的基本术语和基本概念。本节重要概念包括：载波，调制信号，已调信号，调制器以及调制方法的分类。

●3.2线性调制

线性调制的已调信号的频谱结构和调制信号的频谱结构相同。换句话说其已调信号的频谱是调制信号频谱沿频率轴平移的结果。线性调制的已调信号种类包括调幅信号（AM）、单边带信号（SSB）、双边带信号（DSB）与残留边带信号（VSB），它们又统称为幅度调制。本节将详细介绍这四种线性调制的调制、解调原理，分析各种已调信号的频带特点及其功率利用率。本节的重要知识点包括：四种调制方法对发送滤波器的要求，各种线性调制信号的带宽比较，各种调制方法功率利用率的比较。

●3.3非线性调制

非线性调制又称角度调制，它是将调制信号附加到载波相位上。角度调制可分为调频与调相。然而，调频和调相载实质上并没有区别，但从已调信号波形来看不能区分两者，只是调制信号和已调信号的关系不同而已。一般而言，角度调制信号占用较宽的频带。由于这种信号的振幅不包含调制信号的信息，因此，尽管接受信号的振幅因传输而随机欺负，但信号中的信息不会受到损失。故它的抗干扰能力较强。本节将简要介绍两种角度调制的原理及其已调信号的带宽。

第四章模拟信号的数字化

本章将讨论模拟信号的数字化。通信系统的信源可以分为两大类：模拟信号和数字信号。若输入是模拟信号，则在数字通信系统的信源编码部分需要对输入模拟信号进行“模/数”变换，将模拟输入信号变为数字信号。模数变换基本包括三个步骤：抽样，量化和编码。这里，最基本和最常用的编码方法是脉冲编码调制PCM，它将量化后的输入信号变成二进制码元。编码方法直接和系统的传输效率有关，为了提高传输效率，通常将这种PCM信号做进一步的压缩编码。在本章中将介绍一些较为简单的压缩编码方法，例如差分脉冲编码调制和增量调制。

●4.1抽样

模拟信号通常是在时间上连续的信号。在一系列离散点上，对这种信号抽取样值称为抽样。在理论上，抽过程可以看作周期性单位冲激脉冲和此模拟信号的乘积。抽样所得离散冲激脉冲显然和原始连续模拟信号形状不一样。可以证明，对一个带宽有限的连续模拟信号进行抽样时，若抽样速率足够大，则这些抽样值能够准确恢复出原模拟信号波形。本节将从低通信号和带通信号两个角度深入分析，对这两类信号进行抽样时抽样频率需要满足什么条件。其中，对窄带信号的抽样频率的分析是本节的重点。

●4.2抽样信号的量化

模拟信号经过抽样后变成了在时间上离散的信号，但其在幅度上的取值依旧是连续的，故抽样信号仍然是模拟信号。这个抽样信号必须经过量化后，即用有限个电压值来表示抽样值，才成为数字信号。本节讨论模拟信号的量化。量化的过程可简要概括为：将抽样值得范围划分为若干个区间，每个区间用一个电平来表示。如果区间是等间隔划分的，称为均匀量化；反之则为非均匀量化。本节将着重分析两种量化的原理，并分别分析两种方法的信号量噪比。最后，简要介绍了两种实用的非均匀量化方法。

●4.3脉冲编码调制

经过抽样、量化后的信号，已经是时间离散，取值也离散的数字信号。下一部的问题是如何将这个数字信号编码。最常用的编码是用二进制符号表示此离散数值。通常把从模拟信号抽样、量化，直到变换成二进制符号“0”，“1”的基本过程称为脉冲编码调制PCM（Pulse Code Modulation），简称脉码调制。本节将以电话语音信号的十三折线脉冲编码调制为例讲解PCM编码的过程，并从理论上分析了均匀量化PCM系统的信号量噪比与编码位数和系统传输带宽之间关系。

●4.4差分脉冲编码调制

目前数字电话系统中采用的PCM体制需要64kb/s的速度传输1路数字电话信号。这与一路模拟电话占用3kHz带宽相比增大许多倍。为了降低数字电话信号的比特率，办法之一是采用差分脉冲编码调制DPCM，简称差分脉码调制。在DPCM中，每个抽样值不是独立地编码，而是先根据前1个抽样值计算出1个预测值，再取当前抽样值和预测值之差做编码用。本节将以线性预测模型为基础介绍DPCM编码原理，说明DPCM在不降低质量的情况下降低码元速率的机理。最后，本节还将分析DPCM系统的信号量噪比与编码位数和抽样频率之间的关系。

●4.5增量调制

增量调制DM可以看成是一种最简单的DPCM。当DPCM系统中量化的量化电平数位2，且预测器仍简单地是一个延迟时间位抽样时间间隔的延迟线时，此DPCM系统就称作增量调制系统。本节将以DPCM系统为基础简要介绍DM系统的工作过程，以及DM系统的信号量噪比特点。此外，本节也将以DM系统为基础，介绍量化系统中的两种量化噪声，即基本量化噪声和过载量化噪声；分析两种量化噪声的产生原因；分析系统过载的临界条件。根据系统过载的临界条件，说明如何消除过载量化噪声，这也是本节需要重点掌握的知识点。

第五章基带数字信号的表示和传输

数字信号可以分为基带数字信号和带通数字信号，调制也可以分为基带调制和带通调制，本章讨论的就是基带数字信号的时域表示波形、传输波形，各种波形的时域特性和频域特性，以及基带信号如何进行无码间串扰的传输。

●5.1概述

直接传输基带信号的通信方式称为基带传输。在基带传输中，信号虽然不需要进行载波调制，但是也需要对信号进行处理，以便适应信道的特性从而更好地通过信道的传输。数字通信系统中输入的汉字、数字、英文字母等都称为字符，它们各自有各自的编码方式。表示这些字符的数字组合称为码组。

●5.2基带数字信号波形

本节分析和比较了基带数字信号的六种基本表示波形：单极性波形、双极性波形、单极性归零波形、双极性归零波形，以及差分波形和多进制波形。

●5.3基带数字信号的传输码型

上节介绍的几种基本表示波形还需要进行码型变换，变成适合在信道中传输的码型，称为传输码型。传输码型要求无直流分量和只有很小的低频分量、有码元定时信息、有一定的检错能力等等。常用的传输码型有AMI码、HDB3码、双相码、密勒码等。

●5.4基带数字信号的频率特性

本节讨论了二进制随机信号序列的频率特性——功率谱密度。我们通常把二进制随机信号序列分解成一个稳态波和一个交变波。稳态波为二进制序列的统计平均分量，是一个周期函数，对应功率谱密度中的离散谱；交变波是一个随机过程，对应功率谱密度中的连续谱。

●5.5基带数字信号传输与码间串扰

将输入端、信道和接收端都看成是包含阻抗的滤波器，可以得到基带数字信号传输系统的模型。如果进一步简化模型，将三个滤波器用一个总的传输函数H(f)表示，就得到了简化的系统模型。当总的传输函数H(f)特性不良时，就会产生码间串扰。本节重点讨论了如何设计H(f)使得码间串扰尽量小，甚至消失的三种情况：1.H(f)满足理想矩形特性时；2. H(f)符合奈奎斯特准则时；3.部分响应系统。

●5.6眼图

眼图是用示波器实际观察接收信号质量的方法，它可以显示传输系统性能缺陷对于基带数字信号传输的影响。从眼图中能直接观测到最佳抽样时刻、最佳判决门限电平、接收信号振幅失真范围等信息。

●5.7时域均衡原理

即使精心设计总的传输函数H(f)，使之满足无码间串扰的条件，H(f)仍然会因为环境等因素发生缓慢变换，同时抽样时刻也可能不精准，这些都会产生码间串扰。时域均衡器就是接在接收滤波器之后抽样滤波器之前，用来抵消码间串扰的滤波器。均衡器大体分为两类：频域均衡器和时域均衡器。本节重点介绍时域均衡器中的横向滤波器。

第六章基本的数字调制系统

本章着重介绍数字调制系统：二进制振幅键控2ASK、二进制频移键控2FSK、二进制相移键控2PSK和多进制数字键控。各种数字键控系统，分别介绍调制的基本原理、调制方法、解调方法、已调信号的功率谱密度和误码率。

●6.1概述

数字调制通常需要一个正弦波作为载波，在基带数字信号调整到这个载波上，使这个载波的一个或几个参数，比如振幅，频率和相位上载由基带数字信号的信息，并且使已知调制信号的频谱位置适合在给定的带通信道中传输。所以基本的调制制度有三种，即振幅键控ASK、频移键控FSK和相移键控PSK。已调信号在接收端需要经过解调，恢复成原来的基带信号，接收方法可以分为相干接收和非相干接收两大类。

●6.2二进制振幅键控

该节介绍了二进制振幅键控的基本原理、调制方框图、解调方框图和已调二进制振幅键控信号的功率谱密度，并推导了相干解调和包络检波解调体制下，2ASK信号的误码率。

●6.3二进制频移键控

该节介绍了二进制频移键控的基本原理、2FSK信号产生方法、相干和非相干解调方框图，并推导出已调二进制频移键控信号的功率谱密度，相干解调和非相干解调时两载波的最小频率间隔。最后推导出相干解调和非相干解调情况下，发送码元“0”和“1”时解调框图中带通滤波器的接收电压表达式，进一步计算出各自的误码率公式。

●6.4二进制相移键控

该节介绍了二进制相移键控（2PSK）的基本原理、调制方框图、解调方框图和已调二进制相移键控（2PSK）信号的功率谱密度。同时推导出相干解调体制下，2PSK信号的误码率表达式。

●6.5二进制差分相移键控

该节先介绍了二进制差分相移键控（2DPSK）的基本原理、用间接法产生2DPSK调制信号的过程、2DPSK的相干解调和非相干解调框图，并推导出2DPSK信号的功率谱密度。然后，针对2DPSK非相干解调方法，推导出相位比较法的误码率公式。在相干解调方法中，讨论逆码变换对误码率的影响，并最终给出极性比较法中的误码率数学表达式。在二进制数字键控系统性能比较部分，分别比较了不同键控方式在误码率、频带利用效率、性能稳定性、可靠性和设备复杂度等方面性能的优劣。

●6.6多进制振幅键控和多进制频移键控

该节对照2ASK和2FSK，分解介绍了MASK和MFSK两种调制制度的调制原理、已调信号功率谱密度和误码率。

第七章同步

信号的接收或解调时，常常离不开同步问题，特别是涉及数字信号时更是如此。在一个数字通信系统中包含多种同步问题，接收端需要产生一个和接收信号同频、同相的本地载波，称为载波同步；在接收数字信号的一个码元时，为了在判决时刻对码元的取值进行判决，接收机必须知道准确的判决时刻，称为码元同步；除了上述同步外，还需要更高层次的同步，统称为群同步和网同步。

●7.1载波同步

在概述中，分别介绍了载波同步、位同步、帧同步和网同步技术。在载波同步部分，介绍了实现载波同步的插入导频法和直接提取两类方法，最后介绍了描述载波同步的性能的系列指标。

●7.2位同步

在位同步小节，介绍了外同步法和自同步法两种位同步方法，其中在外同步法中分别介绍了开环码元同步发和闭环码元同步发法。最后介绍了位同步误差对误码率的影响。

●7.3群同步

在位同步小节，介绍了集中插入法和分散插入法两种群同步方法，分散插入法中介绍了移位搜索法和存储检测法。最后介绍了群同步性能的一些指标，比如假同步概率，漏同步概率和群同步平均建立时间。