通信新读——从原理到应用

本书是一本尝试融会贯通介绍通信相关基本原理及应用的书。在内容安排上，首先介绍通信要处理的基本对象――信号，涉及信号的表示与分析（频谱分析、采样定理等）；接着介绍如何用信号来表示消息，如何无误地传输信号来达到消息的传递（模拟信号通信、数字信号通信、理想系统的通信能力等）；再介绍非理想系统的通信，如何对付非理想因素以及非理想系统的传输能力（香农容量公式、编码原理及应用等）；进一步介绍更具体、更复杂的非理想系统――无线通信；了解都有哪些更复杂的非理想因素（无线信道特征），以及衍生出来的新技术（OFDM、MIMO等）；最后以选讲LTE系统关键技术来结束，了解一下一个标准化的无线通信系统都要解决哪些问题，以及以什么样的形式将诸多内容在一个标准化的系统里体现出来，发挥其应用价值。

　　本书安排的每一部分内容都足以编写一本书单独讲解，文献里也有每部分单独对应的教材，因此本书并不会面面俱到，而是会选择各部分相对重要、能相互衔接呼应，以及在实际系统设计和技术研究中真正发挥着基础作用的那些技术理论。最重要的是，还会以独特的风格和形式来尽*努力讲清楚通信，这么多理论技术到底是什么、为什么，以及怎么用。

　　本书可作为高等院校相关专业（通信/电子/信息科学）师生的参考书，也适合打算进入通信领域的非相关专业读者，以及正在从事通信理论研究和实际系统设计的通信行业研发人员阅读。

前言

本书中的文字符号及其说明

第0章通信系统概论

0.1先说点对点通信

0.1.1通信最简单模型

0.1.2基于最简单模型的发展

0.1.3如何给通信系统打分

0.2再论网络级通信

0.3聚焦无线通信系统发展

第一部分信号表示与分析

第1章什么是信号

1.1到时别忘了给个信号

1.2信号的能耗度量

1.3信号的简单表示――冲激分解

第2章信号表示论第一场

2.1傅里叶级数――并非一鸣惊人的登场

2.1.1发表论文不容易啊

2.1.2周期信号的傅里叶级数

2.2傅里叶变换――不就是计算坐标吗

2.2.1晋级――从傅里叶级数到傅里叶变换

2.2.2方波信号和sinc信号――专访这对儿金童玉女

2.2.3信号频谱――看你是否有男高音潜质

2.2.4周期信号的傅里叶变换

2.3其他变换形式――不只是傅里叶

第3章线性系统简介

3.1线性系统基础

3.1.1什么是线性系统

3.1.2什么是线性时不变系统

3.2无失真系统

3.2.1不仅仅这样才叫无失真

3.2.2线性系统如何做到无失真

第4章信号表示论第二场

4.1采样定理――联系模拟与数字的纽带

4.1.1从信号频谱跟踪采样带来的变化

4.1.2发现信号的DNA――特殊的采样点序列

4.1.3拿信号的DNA克隆原信号

4.1.4最经济的采样――以奈奎斯特率采样

4.1.5落实现实信号的采样与重建

4.2离散傅里叶变换――不仅仅是两串序列变来变去

4.2.1离散时间序列的傅里叶变换（DTFT）

目录4.2.2离散傅里叶变换（DFT/IDFT）――完美的蜕变

4.3OFDM基本原理――是否出场太早？决不！

4.3.1正交信号是基础

4.3.2简化信号接收与DFT

4.3.3简化信号发射与IDFT

4.3.4一段话总结

第一部分小结

第二部分基本通信原理

第5章从理想通信开始

5.1理想模拟信号通信

5.2理想数字信号通信

5.2.1生成――从声音如何得到数字信号

5.2.2发射――数字信号如何发射出去

5.2.3接收――接收端接收到什么信号

5.2.4恢复――数字信号在接收端如何无失真恢复

5.2.5极限――理想信道下的极限传输能力

5.2.6回归――理想回归现实的一点说明

5.3数中有模，模中有数

5.3.1数―模转换

5.3.2模―数转换

第6章总要面对现实

6.1高斯分布――标致又实用

6.2白噪声――最无章可循

6.3加性高斯白噪声（AWGN）

第7章信号调制与解调

7.1浅谈其基本思想

7.1.1调制方法简介

7.1.2解调及性能考虑

7.2I/Q正交调制

7.2.1天生I路与Q路

7.2.2调制符号也分星座

第8章信号接收判决基本方法

8.1加性噪声信道性能分析

8.1.1相关接收判决

8.1.2匹配滤波判决

8.1.3先验与后验概率判决

8.1.4平均错误概率最小化判决

8.2乘性噪声也来凑热闹

8.3加法和乘法不分家

第二部分小结

第三部分信息论基础

第9章香农熵

9.1熵的提出――和香农不一样的思考

9.2数据压缩极限――熵的一个重要应用

9.3也谈条件熵与互信息

第10章有失真系统的无失真通信

10.1问题具体化――章标题矛盾，是不是写错了

10.2怎么无误通信――标题没错，一切皆有可能

第11章信道容量：噪声信道的极限传输能力

11.1解读香农在1948年开山之作中的思考

11.1.1将模拟信号直观几何模型化

11.1.2想办法让随机性稳定下来

11.1.3就这么得到AWGN信道容量

11.1.4几何模型化很有意思的应用

11.2另一个角度得到AWGN信道容量

11.2.1有失真系统无失真通信的延续

11.2.2关键是如何完成最后一步的华丽转身

11.3非AWGN信道的信道容量

11.3.1非高斯但仍为加性白噪声信道

11.3.2别老是白噪声啊，给点颜色看看

11.4从香农信道容量公式出发

11.4.1带宽与功率的此消彼长

11.4.2矛盾――频谱效率与功率效率

11.4.3香农编码定理及冷落的另一半

11.5达到信道容量现实工艺问题

第12章信道编码

12.1基础讨论

12.1.1两届奥运会都错失射击冠军的兄弟

12.1.2编码的检错纠错能力

12.2具体信道编码简介

12.2.1分组码及应用

12.2.2卷积码及应用

12.2.3都差香农限一截，怎么选

12.3循环冗余校验（CRC）

12.3.1CRC为什么能判断对错

12.3.2哪些错误逃不过CRC的法眼

12.3.3顺路提提奇偶校验

第三部分小结

第四部分无线通信原理

第13章无线信道――无线通信就围着她转

13.1无线信道基本传播特性

13.2理想无线信道――自由空间

13.2.1静态信道――理想中的理想

13.2.2相对运动与多普勒频移

13.2.3自由空间信道就不变吗

13.3现实环境无线信道

13.3.1条条道路通罗马――也谈多径传播

13.3.2信道变化有多快――相干时间来抢答

13.3.3时频同步与时频相干性

13.4无线传输基带通用模型

13.4.1频带信号的基带表示――I/Q调制风云再起

13.4.2无线信道的基带特征――斩断载频的枷锁

13.4.3信号追尾如何处理――码间串扰

13.4.4基带通用离散系统模型一统江湖

13.4.5推广及小结

第14章各类具体信道模型分析

14.1信道容量分析及应用

14.1.1固定慢衰落信道――存银行固定收益

14.1.2随机慢衰落信道――一锤子买卖

14.1.3快衰落信道――长线操作

14.1.4单发多收（SIMO）之最大比合并

14.1.5多发单收（MISO）之波束成型

14.2常用接收算法介绍

14.2.1最大似然接收算法――直观又合理的想法

14.2.2线性接收之MRC算法――偏心有用信号

14.2.3线性接收之ZF算法――只管消灭干扰

14.2.4线性接收之LMMSE算法――做一个和事老

14.2.5带循环前缀的频域均衡――简单了，但是有代价的

14.3分集思想及应用

14.3.1分集思想――别把鸡蛋放同一个篮子里

14.3.2时间分集及应用举例

14.3.3频率分集及应用举例

14.3.4空间分集及应用举例

第15章OFDM技术进阶

15.1再回首

15.2如何对付多径环境

15.3时频偏移的影响

15.3.1对迟到/早退的容忍度

15.3.2决不容忍频率偏移

15.4OFDM技术实际系统参数选择

15.5信号PAPR特性――被功放看中的品质

15.5.1功率放大器效率问题

15.5.2单载波信号的PAPR特性

15.5.3OFDM信号的PAPR特性

15.5.4如何得到PAPR合适的信号

第16章多天线技术原理及应用

16.1先尝尝多天线能带来的甜头

16.2值得单独呈现的Alamouti发射分集方案

16.2.1发射端信息不灵通怎么办

16.2.2Alamouti的精明之处

16.2.3Alamouti发射分集的性能

16.2.4基于Alamouti思想的推广

16.3更大的惊喜――空间复用能力

16.3.1空分复用原理呈现一

16.3.2空分复用原理呈现二

16.4信道矩阵的SVD分解及快速应用

16.4.1信道矩阵的SVD分解及性质

16.4.2从SVD另眼相看MISO之波束成型

16.4.3趁热打铁谈MIMO之波束成型

16.4.4还有惊喜吗――透过SVD再看空分复用能力

16.5MIMO系统信道容量

16.5.1信道奇异向量系统的信道容量

16.5.2一般MIMO系统的极限传输能力

16.5.3博弈――分集能力和复用能力

16.6信号发射和接收算法讨论

16.6.1信号发射算法――到哪个山头唱哪支歌

16.6.2信号接收算法――接替发射端操心

16.7MIMO原理在不同场景下的具体应用

16.7.1下行多用户MIMO――“我要挑战10个”

16.7.2上行多用户MIMO――以多欺少

第四部分小结

第五部分LTE关键技术选讲

第17章LTE概述及多址接入技术

17.1LTE概述

17.2常见多址方式及应用

17.2.1I/Q正交复用――开个头

17.2.2时、频、码分多址――老将

17.2.3正交频分复用多址――正值当年

17.2.4空分多址――新秀

17.3LTE上下行多址方式

17.3.1LTE下行多址方式：OFDMA

17.3.2LTE上行多址方式：SC-FDMA

第18章上下行同步机制

18.1网络侧无线帧时间轴――列车时刻表

18.1.1FDD上下行无线帧时间轴

18.1.2TDD上下行无线帧时间轴

18.2下行同步机制――车站接人的常识

18.3上行同步机制――赶车要趁早

第19章主要信道设计与信令机制

19.1下行调度及HARQ

19.1.1下行物理信道串烧

19.1.2下行HARQ及数据重传

19.2上行调度及HARQ

19.2.1重点介绍PUCCH

19.2.2上行HARQ和数据重传

第20章下行数据传输机制

20.1数据比特流处理流程

20.1.1添加CRC――接收对错的判断

20.1.2信道编码――选择合适的信号

20.1.3比特加扰――随机化干扰

20.1.4生成星座符号――机械的步骤

20.1.5星座符号到空间数据流――分组行动

20.1.6对空间数据流预编码――每组再伪装

20.1.7基带信号生成并上射频发送――出发

20.2下行参考信号设计

20.2.1公共参考信号――阳光普照

20.2.2专用解调参考信号――VIP定制

20.3传输模式简介――LTE招式大全

20.3.1第一招：单天线传输

20.3.2第二招：发射分集传输

20.3.3第三招：开环空分复用传输

20.3.4第四招：闭环空分复用传输

20.3.5第五招：单流波束成型传输

20.4下行功率分配

20.4.1功率分配的意义

20.4.2做了好事要让人知道

第21章上行数据传输机制

21.1数据比特流处理流程

21.2上行参考信号设计

21.2.1数据解调参考信号

21.2.2信道探测参考信号

21.3上行功率控制

21.3.1功率控制的意义

21.3.2功率控制的实现机制

附录A通信原理利器之线性空间理论

A.1线性空间

A.1.1线性空间定义与理解

A.1.2线性空间的基与向量坐标

A.1.3信号组成的线性空间举例

A.1.4线性方程组与矩阵

A.2内积空间

A.2.1内积定义与理解

A.2.2重要量化关系及应用

A.2.3向量的坐标计算

A.3正交原理

A.3.1如何才算正交

A.3.2向量空间的正交基

A.3.3正交原理

A.3.4投影与夹角

A.4线性映射

A.4.1线性变换

A.4.2正交变换

附录B论应用根基之概率基础与随机过程

B.1概率空间

B.2随机变量

B.2.1随机变量的概率描述

B.2.2随机变量的统计特征

B.2.3随机变量的联合概率

B.2.4随机变量的函数

B.2.5随机变量间特征量刻画

B.3随机信号

B.3.1随机过程

B.3.2随机信号的相似性

B.4重要极限定理

B.4.1中心极限定理

B.4.2大数定理

附录C第一部分数理推导

C.1信号的简单表示

C.1.1略讲信号之间运算

C.1.2冲激函数与信号冲激分解

C.2傅里叶级数

C.3傅里叶变换

C.3.1角频率与线频率傅里叶变换关系

C.3.2傅里叶变换性质及其应用

C.3.3方波信号与sinc  信号

C.4换个角度从头再来――再发现采样定理

C.5离散傅里叶变换

C.5.1离散序列与其傅里叶变换采样点关系

C.5.2离散傅里叶变换性质及应用

附录D第三部分数理推导

D.1香农熵的提出

D.2高斯分布的熵计算

D.3熵、联合熵、条件熵之间的关系

附录E第四部分数理推导

E.1SISO快衰落信道容量计算

E.2常用接收算法介绍

E.2.1ZF算法应用于ISI信道

E.2.2LMMSE算法推导

E.3矩阵SVD分解性质推导

E.4信道奇异向量系统的信道容量

参考文献