內容簡介
《數字通信技術(第3版)》比較全麵地介紹數字通信的相關技術及其在現代通信係統中的應用。
《數字通信技術(第3版)》結閤本課程職業教育課程改革實踐進行修編,注重新技術和工程實際應用。以通信中信號在不同通信係統中傳輸處理過程為主綫,共分為4章。第1章介紹數字通信係統的組成及通信網的概念,第2章以分析與測試數字基帶通信係統為實例,介紹數字基帶傳輸係統組成及其工作原理,包括脈衝編碼調製、時分復用原理及數字基帶信號的常用碼型。第3章以分析與測試數字頻帶通信係統為實例,介紹數字頻帶傳輸係統組成及其工作原理,包括現代數字調製技術及調製解調器、差錯控製編碼的基本原理、同步技術等。第4章現代數字通信係統,主要介紹數字通信技術在現代通信係統中的應用,包括數字移動通信係統、數字光縴通信係統、衛星通信係統及計算機網絡。其中第1、2、3章之後安排對應的實訓項目。
內頁插圖
目錄
前言
第1章 數字通信係統概述
1.1 通信係統及其特徵
1.1.1 通信係統的一般模型
1.1.2 模擬通信係統和數字通信係統
1.2 信息與信號的概念
1.2.1 基帶信號與頻帶信號
1.2.2 模擬信號與數字信號
1.3 數字通信
1.3.1 數字通信係統
1.3.2 數字通信的特點
1.3.3 數據通信
1.4 信道
1.4.1 有綫信道
1.4.2 無綫信道
1.5 通信係統的主要性能指標
1.6 通信網簡介
1.6.1 通信網的組成
1.6.2 通信網的分類
1.6.3 通信網絡的拓撲結構
1.7 現代通信技術的發展趨勢
1.7.1 現代通信技術的發展總趨勢
1.7.2 第四代移動通信技術
1.7.3 下一代網絡
1.8 實訓任務數字通信係統信道與設備的認知
1.8.1 雙絞綫、同軸電纜、光纜的認識與接頭製作
1.8.2 數字程控交換設備認識
本章小結
練習與思考題
第2章 數字基帶通信係統的分析與測試
2.1 數字終端技術
2.1.1 脈衝編碼調製
2.1.2 PCM編解碼器
2.1.3 自適應差值脈衝編碼調製
2.2 數字復接技術
2.2.1 時分復用原理
2.2.2 數字復接原理
2.2.3 準同步數字係列
2.2.4 同步數字係列
2.3 數字信號的基帶傳輸
2.3.1 數字基帶傳輸係統的基本理論
2.3.2 數字基帶信號碼型
2.3.3 眼圖
2.4 實訓任務數字基帶通信係統的分析與測試
2.4.1 語音編解碼係統分析與測試
2.4.2 幀復接與解復接係統分析與測試
2.4.3 綫路編解碼係統分析與測試
本章小結
練習與思考題
第3章 數字頻帶傳輸係統的分析與
測試
3.1 數字頻帶傳輸係統一
3.1.1 數字調製一
3.1.2 現代數字調製技術
3.1.3 數字調製係統的性能比較
3.1.4 調製解調器
3.2 差錯控製編碼
3.2.1 概述
3.2.2 幾種常用的檢錯碼
3.2.3 綫性分組碼
3.2.4 循環碼
3.2.5 捲積碼
3.3 通信係統的同步
3.3.1 同步的定義和分類
3.3.2 載波同步
3.3.3 位同步
3.3.4 幀同步
3.3.5 網同步
3.4 實訓任務數字頻帶傳輸係統的分析與測試
3.4.1 差錯控製編解碼電路的分析與測試
3.4.2 數字調製與解調電路的分析與測試
3.4.3 鎖相環同步電路的分析與測試
本章小結
練習與思考題
第4章 現代數字通信係統
4.1 數字移動通信係統
4.1.1 移動通信的特點
4.1.2 GSM數字蜂窩移動通信係統
4.1.3 CDMA數字蜂窩移動通信係統
4.1.4 TD-SCDMA數字移動通信係統
4.2 數字光縴通信係統
4.2.1 光縴通信概述
4.2.2 數字光縴通信係統簡介
4.2.3 光縴通信網絡
4.2.4 波分復用技術
4.3 衛星通信係統
4.3.1 衛星通信係統概述
4.3.2 衛星通信係統的組成及實例
4.3.3 衛星通信多址聯接方式
4.3.4 VSAT衛星通信係統
4.4 數據通信與計算機網絡
4.4.1 數據通信與計算機通信
4.4.2 計算機網絡的組成
4.4.3 數據傳輸與交換技術
4.4.4 計算機網絡體係結構與協議
本章小結
練習與思考題
參考文獻
前言/序言
現代社會已經不可否認地進入瞭信息時代,作為信息時代基礎的現代通信技術也走入瞭日常生活,如通信技術名詞IP、CDMA、3G、GPRS、4G和因特網等已成瞭人們日常話題。
通信技術與網絡技術已經滲透到社會的許多行業的職業崗位中,現代通信技術也成為高職高專院校學生就業必需的重要能力之一。因此數字通信技術課程是培養現代通信技術人纔的必修課。
本書較全麵地介紹瞭現代數字通信的基本原理、結構及主要技術問題,內容新穎、條理清晰、應用性強。編寫過程中力求深入淺齣、通俗易懂,避免過深的數學分析,側重概念的引齣及整個係統的組成原理。本書還與企業實踐結閤開發和編寫瞭相關實訓項目,為職業院校開展課程改革,實現“在學中做、在做中學”的工學結閤課程模式提供瞭依據。
本書內容模塊化,從通信相關職業崗位的技能要求齣發,以信號在通信係統中的傳輸處理過程為主綫,將數字通信技術原有知識進行綜閤和整理,通過4個章節進行介紹。每個章節根據不同內容設計不同類型的實訓項目,實訓項目引進現代數字通信技術的真實案例。
本書內容安排如下:
第1章 數字通信係統概述。本章介紹通信係統的基本概念、通信係統基本組成、幾種常用的通信方式及通信係統的主要性能指標。本章實訓項目為:數字通信係統信道與設備的認知,實訓設備采用真實通信設備,可體會電話通信的過程,瞭解現代數字通信係統概念。
第2章數字基帶通信係統的分析與測試。本章以語音信號在數字基帶通信係統中傳輸過程為例,將現代數字通信理論知識綜閤和梳理,介紹瞭數字基帶傳輸係統組成及工作原理,包括脈衝編碼調製、時分復用原理及數字基帶信號的常用碼型等相關知識。本章實訓項目為:數字基帶通信係統的分析與測試,通過分析與測試語音信號在數字基帶通信係統中的傳輸過程,深入體會現代數字通信係統的工作原理。
第3章 數字頻帶傳輸係統的分析與測試。本章以語音信號在數字頻帶通信係統中傳輸過程為例,介紹數字頻帶傳輸係統組成及工作原理,包括幾種數字調製與解調原理,各種數字調製解調方法、特點和應用,差錯控製編碼的基本原理,通信中的同步技術等相關知識。
本章實訓項目為:數字頻帶傳輸係統的分析與測試。
第4章 現代數字通信係統。介紹瞭四種現代數字通信係統:數字移動通信係統、數字光縴通信係統、衛星通信係統及數據通信與計算機網絡。
本書由黃一平、劉蓮青主編。第1章由黃一平、劉蓮青編寫,第2章由呂燕、黃一平編寫,第3章由呂燕、王碉碉編寫,第4章由王明碉、姚偉編寫。本書的編寫工作得到北京信?息職業技術學院領導的大力支持和幫助,在此錶示最誠摯的謝意!
由於通信技術發展迅猛,作者水平有限,加之時間倉促,書中難免有錯誤和不妥之處,敬請廣大讀者批評指正。
編者
《信號處理與信息編碼:理論、方法與實踐》 內容簡介: 本書是一部係統性闡述信號處理與信息編碼核心理論、關鍵方法以及前沿實踐的學術著作。它旨在為讀者提供一個堅實的理論基礎,引導他們深入理解信息如何在不同介質中被高效、可靠地傳輸和存儲,並掌握解決實際工程問題的必備工具。全書內容涵蓋瞭從基礎的數學建模到高級的編碼技術,再到現代通信係統中的應用,力求展現信息科學這一蓬勃發展領域的全貌。 第一部分:信號的錶示與分析 本部分將首先聚焦於信號的本質——如何將其抽象為數學模型,並探討分析信號行為的各種工具。 緒論:信號的世界 我們每天都沐浴在各種各樣的信號之中:語言、音樂、圖像、視頻、電磁波,甚至生物電信號。本章將從宏觀視角介紹信號的多樣性,以及它們在自然界和人造係統中的普遍存在。 信號的分類:我們會區分連續時間信號與離散時間信號,周期信號與非周期信號,能量信號與功率信號,確定性信號與隨機信號。每種分類都有其獨特的數學特性和適用場景,理解這些區彆是後續深入分析的基礎。 信號的數學描述:我們將引入諸如狄拉剋衝激函數、階躍函數等基本信號,以及復指數函數作為描述信號的核心數學工具。這些基本單元是構建更復雜信號的基石。 信號處理的意義:為何我們需要處理信號?本章將闡述信號處理在通信、測量、控製、醫學影像、音頻處理、圖像識彆等眾多領域的核心作用,激發讀者對信號處理技術潛在價值的認識。 傅裏葉分析:信號的頻率域透視 傅裏葉級數:對於周期信號,傅裏葉級數允許我們將一個復雜的周期信號分解為一係列不同頻率的正弦和餘弦(或復指數)信號的疊加。我們將深入探討傅裏葉級數的收斂性、計算方法以及其在信號頻譜分析中的重要性。 傅裏葉變換:對於非周期信號,傅裏葉變換是傅裏葉級數的自然推廣。它揭示瞭信號在無限時間範圍內的頻率成分分布,即信號的頻譜。本章將詳細介紹傅裏葉變換的定義、性質(如綫性、時移、頻移、捲積定理等),以及如何利用它來理解信號的帶寬、濾波等概念。 離散傅裏葉變換(DFT)與快速傅裏葉變換(FFT):在數字信號處理中,我們處理的是離散時間信號。DFT是將有限長度的離散時間信號進行頻譜分析的方法。FFT則是一種高效計算DFT的算法,極大地提高瞭計算速度,是數字信號處理領域的核心技術。我們將探討DFT的定義、性質,以及FFT算法的基本原理和實現。 拉普拉斯變換與Z變換:針對更廣泛的信號類型(包括指數衰減/增長信號)和係統分析,拉普拉斯變換(用於連續時間係統)和Z變換(用於離散時間係統)提供瞭強大的數學工具。它們能夠將微分方程轉化為代數方程,簡化係統分析和穩定性判斷。 捲積與相關:信號的疊加與相似度度量 捲積:在信號處理和係統分析中,捲積是描述綫性時不變(LTI)係統響應的核心運算。當一個輸入信號通過一個LTI係統時,輸齣信號就是輸入信號與係統脈衝響應的捲積。本章將深入講解捲積的定義、性質,以及其在係統分析、濾波、以及信號去噪中的應用。 相關:相關運算用於衡量兩個信號之間的相似程度。自相關函數描述瞭一個信號與自身在不同時間延遲下的相似性,常用於周期信號的檢測、信號的同步等。互相關函數則用於衡量兩個不同信號之間的相似性,常用於信號檢測、目標定位等。 隨機信號分析:不確定性的建模 隨機變量與隨機過程:現實世界中存在大量的隨機信號,如噪聲。本章將介紹隨機變量的基本概念(均值、方差、概率密度函數等),以及隨機過程的定義和統計特性,如均值函數、自相關函數、功率譜密度等。 平穩隨機過程:我們將重點關注狹義平穩和廣義平穩隨機過程,理解它們的統計特性不隨時間變化,這使得分析更加簡化。 譜估計:如何從觀測到的有限長度的隨機信號樣本估計其功率譜密度?本章將介紹基於傅裏葉變換的譜估計方法(如周期圖法、Welch法)以及模型法(如AR模型、MA模型)等,它們是通信接收、雷達探測等領域的基礎。 第二部分:信息編碼與信道模型 本部分將探討如何將信息有效地編碼,使其能夠抵抗噪聲和乾擾,並以魯棒的方式傳輸。 信息論基礎:衡量信息量 信息熵:信息熵是衡量一個隨機變量不確定性或信息量大小的度量。我們將學習如何計算離散和連續隨機變量的熵,以及聯閤熵、條件熵、互信息等概念。 信源編碼定理:香農第一定理指齣,信源的平均信息量是其可以被無損壓縮的極限。本章將介紹信源編碼的目標——去除冗餘,提高編碼效率,並介紹一些經典的信源編碼方法,如霍夫曼編碼、算術編碼,它們在數據壓縮領域有著廣泛應用。 信道容量:香農第二定理定義瞭信道容量,即在給定信道條件下,能夠可靠傳輸信息的最大速率。我們將探討不同信道的容量計算,理解它對通信係統設計的重要性。 誤差控製編碼:對抗信道乾擾 信道模型:在介紹編碼技術之前,我們需要理解信息在傳輸過程中可能遇到的“敵人”——信道。本章將介紹經典的信道模型,如二元對稱信道(BSC)、加性高斯白噪聲(AWGN)信道。 分組碼:分組碼將原始數據劃分為固定長度的碼組,並在每個碼組中添加冗餘位,形成更長的碼字。我們將深入學習綫性分組碼,特彆是海明碼(Hamming Code),它能夠檢測和糾正少量錯誤。 循環碼:循環碼是一類特殊的綫性分組碼,其碼字具有循環移位的性質,便於硬件實現。本章將介紹生成多項式、校驗多項式等概念,並重點講解CRC(循環冗餘校驗)碼,它在數據存儲和網絡通信中得到廣泛應用。 捲積碼:捲積碼將輸入數據流進行捲積運算,生成輸齣數據流。與分組碼不同,捲積碼具有“記憶性”,其輸齣不僅取決於當前輸入,還取決於之前的輸入。我們將探討捲積碼的編碼器結構、Viterbi譯碼算法,它是現代通信係統中非常重要的編碼技術。 現代編碼技術:本章還將簡要介紹更先進的編碼技術,如LDPC碼(低密度奇偶校驗碼)和Turbo碼,它們在接近香農極限的誤碼率下實現瞭極高的傳輸效率,是現代高速通信係統的核心。 源編碼與數據壓縮:減小傳輸或存儲開銷 無損壓縮:本章將迴歸信源編碼,重點探討無損壓縮技術。在介紹霍夫曼編碼、算術編碼的基礎上,還將介紹LZ係列算法(如LZ77, LZ78, LZW),它們利用數據的統計規律和重復性來減少冗餘,如ZIP、GZIP等文件壓縮格式的核心技術。 有損壓縮:對於圖像、音頻、視頻等信息,人們往往可以容忍一定程度的信息損失以換取更高的壓縮率。本章將介紹有損壓縮的基本原理,如離散餘弦變換(DCT,JPEG圖像壓縮的核心)、量化、熵編碼等,以及它們在多媒體應用中的重要性。 第三部分:現代通信係統中的應用與展望 本部分將把前兩部分的核心概念聯係起來,展示它們如何在實際的通信係統中協同工作,並展望未來的發展方嚮。 調製與解調:將數字信息轉換為模擬信號 基帶傳輸與帶通傳輸:我們將區分直接使用數字信號的基帶傳輸,以及將數字信號調製到載波頻率上進行傳輸的帶通傳輸。 幅度調製(AM)、頻率調製(FM)、相位調製(PM):介紹經典的模擬調製技術,理解它們如何將信息加載到載波上。 數字調製技術:重點講解現代通信中常用的數字調製方式,如ASK(幅度鍵控)、FSK(頻率鍵控)、PSK(相位鍵控)及其組閤形式(如QPSK、8PSK)。 M-ary QAM(正交幅度調製):介紹QAM,它能夠同時改變載波的幅度和相位,實現更高的頻譜利用率,是許多現代通信標準(如Wi-Fi、4G/5G)的關鍵技術。 解調:在接收端,解調器需要從接收到的信號中恢復齣原始的數字信息,我們將介紹相乾解調與非相乾解調的基本原理。 多址接入技術:允許多個用戶共享通信資源 頻分多址(FDMA):將通信帶寬劃分為多個子頻帶,每個用戶分配一個頻帶。 時分多址(TDMA):將通信時隙劃分為多個時隙,每個用戶在自己的時隙內發送或接收數據。 碼分多址(CDMA):通過不同的編碼序列區分不同的用戶,允許用戶在同一時間和同一頻帶內通信。 OFDMA(正交頻分多址):一種結閤瞭OFDM(正交頻分復用)和TDMA的混閤多址技術,是4G/5G等移動通信係統的核心技術,具有高效的頻譜利用率和對多徑乾擾的良好抵抗能力。 先進通信係統概念 MIMO(多輸入多輸齣)技術:利用多個天綫在發送端和接收端同時傳輸和接收信號,通過空間復用和分集增益,大幅提升通信容量和可靠性。 軟件定義無綫電(SDR):將無綫電通信係統的許多物理層功能(如調製、解調、濾波)通過軟件實現,具有高度的靈活性和可重構性。 認知無綫電:利用智能算法感知無綫電環境,動態調整通信參數,實現更高效的頻譜利用。 展望:麵嚮未來的通信 未來通信網絡的需求:高速率、低時延、海量連接、高可靠性等。 新興技術趨勢:人工智能在通信中的應用(如智能調度、信道預測)、量子通信的潛力、6G網絡的發展方嚮等。 信息處理與編碼在未來通信中的持續演進。 本書以嚴謹的數學推導為基礎,輔以豐富的實例和圖示,力求讓讀者不僅掌握理論知識,更能理解其背後的物理含義和工程實現。通過對信號錶示、信息編碼、信道模型以及現代通信係統關鍵技術的深入剖析,本書為有誌於在信息科學領域深造或從事相關工程技術工作的讀者提供瞭一份不可或缺的參考。