本書共15章，全面介紹了模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)的基本理論，這些理論是構成目前光纖、無線和衛(wèi)星通信網(wǎng)基礎設施的基礎。本書在介紹信號與線性系統(tǒng)、MATLAB/Simulink通信仿真、概率與隨機過程的基礎上，細致剖析了模擬調(diào)制、噪聲特性、基帶調(diào)制與檢測、頻帶調(diào)制、時間色散信道上的信號傳輸、復用與同步、數(shù)據(jù)壓縮、信道編碼等基本原理。列舉了數(shù)字有線電視、無線通信、蜂窩通信和網(wǎng)絡通信等眾多應用實例，通過這些實例詳細分析了基帶技術和抗噪技術、調(diào)制／解調(diào)、復用與同步技術、信源編碼、信道編碼技術等。
全面介紹了模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)的基本理論，這些理論是構成目前光纖、無線和衛(wèi)星通信網(wǎng)基礎設施的基礎。
Mohammed Farooque Mesiya是倫斯勒理工學院工程與科學系教授，是幾家成功創(chuàng)業(yè)公司的CEO。專業(yè)領域包括無線通信與網(wǎng)絡、光纖通信與網(wǎng)絡、數(shù)字通信與信號處理、寬帶網(wǎng)絡與結構等。
第1章 緒論
1.1 通信系統(tǒng)的構成單元
1.2 通信信道
1.2.1 同軸電纜
1.2.2 光纖
1.2.3 無線信道
1.3 模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)
1.3.1 數(shù)字通信系統(tǒng)
1.3.2 為什么采用數(shù)字傳輸
1.4 通信發(fā)展史
1.4.1 無線通信
1.5 重要主題及其驅動
結束語
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第2章 信號與線性系統(tǒng)的復習 第1章 緒論
1.1 通信系統(tǒng)的構成單元
1.2 通信信道
1.2.1 同軸電纜
1.2.2 光纖
1.2.3 無線信道
1.3 模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)
1.3.1 數(shù)字通信系統(tǒng)
1.3.2 為什么采用數(shù)字傳輸
1.4 通信發(fā)展史
1.4.1 無線通信
1.5 重要主題及其驅動
結束語
推薦讀物
第2章 信號與線性系統(tǒng)的復習
2.1 信號的基本概念
2.1.1 一些有用的基本信號
2.1.2 能量信號和功率信號
2.1.3 對數(shù)功率的計算
2.1.4 信號的一些基本運算
2.2 系統(tǒng)的基本概念
2.2.1 系統(tǒng)分類
2.2.2 LTI系統(tǒng)的特性
2.3 頻域表示
2.4 傅里葉級數(shù)
2.4.1 三角傅里葉級數(shù)
2.4.2 Parseval定理
2.4.3 傅里葉級數(shù)的收斂
2.5 傅里葉變換
2.5.1 常見信號的傅里葉變換
2.5.2 傅里葉變換的性質(zhì)
2.5.3 周期信號的傅里葉變換
2.6 時間帶寬積
2.7 LTI系統(tǒng)的信號傳輸
2.7.1 傳輸失真
2.8 LTI系統(tǒng)用做頻率選擇性
濾波器
2.8.1 理想濾波器
2.8.2 理想濾波器的近似實現(xiàn)
2.8.3 用MATLAB設計的模擬
濾波器
2.9 功率譜密度
2.9.1 時間平均自相關函數(shù)
2.9.2 輸入功率譜密度與輸出功率譜密度之間的關系
2.10傳輸介質(zhì)的頻率響應特性
2.10.1 雙絞線對
2.10.2 同軸電纜
2.11離散時間信號的傅里葉變換
結束語
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習題
MATLAB習題
第3章 采用MATLAB/Simulink的通信
系統(tǒng)仿真
3.1 啟動Simulink
3.1.1 求解器
3.2 Simulink的建模
3.2.1 子系統(tǒng)
3.3 信源與噪聲源的仿真
3.3.1 確知信號
3.3.2 隨機信號
3.3.3 AWGN信道的建模
3.4 通信系統(tǒng)的建模
3.4.1 時域建模
3.4.2 變換域表示
3.5 信號的頻域顯示
3.6 結合MATLAB使用Simulink
建模
3.6.1 MATLAB的仿真運行
結束語
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第4章 幅度調(diào)制
4.1 低通和帶通信號
4.2 抑制載波的雙邊帶AM
4.2.1 DSBSC AM信號的頻譜
4.2.2 DSBSC AM信號的解調(diào)
4.3 常規(guī)幅度調(diào)制
4.3.1 常規(guī)AM信號的頻譜
4.3.2 常規(guī)AM信號的解調(diào)
4.4 帶通信號與系統(tǒng)的其他表示形式
4.4.1 復包絡表示與解析表示的頻譜
4.4.2 帶通系統(tǒng)的復包絡表示
4.5 單邊帶AM
4.5.1 SSBAM信號的解調(diào)
4.6 殘留邊帶AM
4.7 正交多路復用
4.8 復用
4.8.1 頻分復用
4.9 變頻與頻率選擇
4.9.1 下變頻混頻器
4.9.2 鏡像抑制混頻器
4.10 通信接收機
4.10.1 超外差式接收機
4.10.2 直接變頻接收機
4.10.3 低中頻接收機
結束語
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習題
MATLAB習題
附錄4A 希爾伯特變換
第5章 角度調(diào)制
5.1 FM信號和PM信號
5.1.1 調(diào)制信號為正弦信號時的FM信號和PM信號
5.1.2 調(diào)角信號的功率
5.2 調(diào)角信號的頻譜
5.2.1 調(diào)制信號為正弦信號時FM信號的帶寬
5.2.2 調(diào)制信號為任意消息信號時FM信號的帶寬
5.3 窄帶FM
5.4 調(diào)角信號的解調(diào)
5.4.1 帶通限幅器
5.4.2 鑒頻器
5.4.3 鑒相器： 正交檢波器
5.5 鎖相環(huán)
5.5.1 模擬PLL（APLL）
5.5.2 APLL線性模型
5.5.3 一階PLL
5.5.4 二階PLL
5.5.5 非鎖定狀態(tài)APLL的捕獲過程
5.6 PLL用做FM解調(diào)器
5.7 FM廣播
5.7.1 調(diào)頻立體聲
5.8 模擬電視
5.8.1 黑白圖像
5.8.2 黑白電視
5.8.3 彩色電視
5.8.4 多聲道電視音響
結束語
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習題
MATLAB習題
第6章 概率與隨機過程
6.1 概率的概念
6.1.1 相對頻率
6.1.2 概率公理
6.1.3 聯(lián)合限
6.1.4 條件概率
6.2 隨機變量
6.2.1 離散隨機變量
6.2.2 一些常見的離散隨機變量
6.3 連續(xù)隨機變量
6.3.1 一些常見的連續(xù)隨機變量
6.3.2 離散隨機變量與混合隨機變量的概率密度函數(shù)
6.4 隨機變量的函數(shù)
6.4.1 第一種情形： g(x)單調(diào)遞增或單調(diào)遞減
6.4.2 第二種情形： 任意g(x)
6.5 隨機變量的統(tǒng)計特性
6.5.1 矩函數(shù)與特征函數(shù)
6.6 隨機變量對
6.6.1 邊緣分析
6.6.2 兩個隨機變量的函數(shù)： 期望值
6.7 條件分布
6.7.1 條件期望值
6.7.2 獨立隨機變量
6.8 聯(lián)合高斯隨機變量
6.8.1 兩個隨機變量的兩個函數(shù)
6.8.2 中心極限定理
6.9 隨機過程： 初步
6.9.1 隨機過程的特性
6.9.2 平穩(wěn)隨機過程
6.9.3 廣義平穩(wěn)隨機過程
6.9.4 各態(tài)歷經(jīng)的隨機過程
6.9.5 自相關函數(shù)的性質(zhì)
6.9.6 不相關、 正交和獨立的隨機過程
6.10 隨機過程的功率譜
6.10.1 維納辛欽定理
6.10.2 隨機信號在線性時不變系統(tǒng)中的傳輸
6.11 一些重要的隨機過程
6.11.1 高斯隨機過程
6.11.2 高斯白噪聲
6.11.3 濾波后的高斯白噪聲
6.12 窄帶噪聲
6.12.1 窄帶高斯白噪聲
6.12.2 窄帶噪聲的正弦波包絡
6.13 通信系統(tǒng)中的噪聲源
6.13.1 熱噪聲
6.13.2 有效功率
6.13.3 散粒噪聲
6.14 系統(tǒng)噪聲的特性表示
6.14.1 噪聲因子和噪聲系數(shù)
6.14.2 子系統(tǒng)的有效輸入噪聲溫度
6.14.3 級聯(lián)子系統(tǒng)的噪聲系數(shù)
6.14.4 有損二端口網(wǎng)絡的噪聲因子
6.15 隨機過程的MATLAB仿真
6.15.1 產(chǎn)生任意概率密度函數(shù)的隨機變量
6.15.2 自相關函數(shù)和頻譜密度
6.15.3 高斯白噪聲的樣值
結束語
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習題
MATLAB習題
第7章 模擬通信系統(tǒng)的噪聲分析
7.1 基帶系統(tǒng)的噪聲性能
7.2 噪聲對AM系統(tǒng)性能的影響
7.2.1 DSBSC的噪聲性能
7.2.2 SSBAM的噪聲性能
7.2.3 常規(guī)AM的性能
7.3 調(diào)角系統(tǒng)的噪聲性能
7.3.1 高CNR系統(tǒng)的運行
7.3.2 FM系統(tǒng)的運行： 低CNR情形
7.4 預加重與去加重
7.5 模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較
7.6 鏈路設計
7.6.1 模擬增音機
7.6.2 增音機級聯(lián)時模擬通信系統(tǒng)的性能
結束語
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習題
MATLAB習題
第8章 模擬信號轉換為數(shù)字形式
8.1 低通信號的采樣
8.1.1 奈奎斯特香農(nóng)（NyquistShannon）采樣定理
8.1.2 采樣序列的DFT
8.1.3 模擬信號的恢復
8.1.4 實用的采樣技術
8.2 頻譜混疊
8.3 模擬信號的數(shù)字化
8.3.1 量化
8.3.2 量化樣值的編碼
8.3.3 量化過程引入的誤差
8.3.4 量化噪聲
8.4 脈沖編碼調(diào)制
8.4.1 非均勻量化
8.5 差分脈沖編碼調(diào)制
8.6 模/數(shù)轉換的過采樣
8.7 增量調(diào)制
8.7.1 斜率過載與顆粒噪聲
8.7.2 自適應增量調(diào)制
8.7.3 連續(xù)可變斜率增量調(diào)制
8.7.4 量化噪聲
8.8 sigmadelta調(diào)制
譯 者 序
通信的根本目的是將信息從發(fā)送端送往接收端，也就是實現(xiàn)信息的交換，其間經(jīng)歷一系列處理過程中的任何一個環(huán)節(jié)都影響到通信的質(zhì)量。實現(xiàn)通信的兩個核心指標是帶寬和噪聲。M. F. Mesiya的《現(xiàn)代通信系統(tǒng)》正是基于這一考慮，細致解析了信息從發(fā)送到接收的各個環(huán)節(jié)完整處理過程，該書自始至終都圍繞帶寬和噪聲指標展開分析。其實，本書與我國電子信息類專業(yè)開設的“通信原理”課程內(nèi)容接近。本書解析任何一個技術環(huán)節(jié)時，都分析了技術與應用層面的原因，而且對通信中的概念進行了擴展。概括起來，該書特點如下。
● 分析通信基本理論時結合了目前的應用，比如固話通信、無線通信、數(shù)字有線電視、網(wǎng)絡技術、蜂窩技術，這里略舉幾例。本書在幅度調(diào)制中，介紹了SSB AM的頻譜效率在模擬電纜和微波系統(tǒng)的語音通信中取得的顯著效果；在幅度調(diào)制中，還介紹了模擬通信環(huán)境開發(fā)的超外差式接收機結構，它不僅用于每一臺收音機、電視機和CATV機頂盒單元，而且還構成了2G蜂窩手機的前端。在第15章信道編碼技術循環(huán)冗余校驗（CRC）碼的應用中，以IEEE 802.3的應用為例：IEEE 802.3標準規(guī)定，以太網(wǎng)幀必須包含由CCITT 32多項式產(chǎn)生的、用于檢錯目的的4字節(jié)校驗和，等等。
● 將概念與應用結合起來。這里以學生最難真正理解的第6章概率論與隨機過程為例。本書介紹高斯分布式時，解釋了高斯分布為什么用得如此廣泛；介紹泊松分布式時，解釋了電話呼叫數(shù)、點擊網(wǎng)絡次數(shù)等都服從泊松分布；介紹隨機變量時，結合了電話呼叫數(shù)/到達光檢測器的光子數(shù)與集成電路測試結果分布的實例。本書中列舉的這些應用例子，都是電子、通信專業(yè)的學生在學習過“概率論與數(shù)理統(tǒng)計”課程后，根本沒聽說過的。至于基帶技術、信源編碼、信道編碼和調(diào)制/解調(diào)等的例子就更多了。例如，本書介紹了PLL廣泛用于蜂窩電話、電視、收音機、計算機和存儲設備中。
● 本書介紹的所有通信技術都有細致的分析和推導過程，這對立志從事通信技術研究的學生來說，推敲技術的來龍去脈不可缺少。
● 書中的每個例題都涉及到當代通信技術的應用及相應的技術指標。
● 各章都配有Simulink和MATLAB實驗，有助于學生從視覺上了解通信中的基本現(xiàn)象與通信的本質(zhì)。本書在翻譯過程中，楊穎、劉瀟、程佩、熊珊珊、侯曉瑩在文字整理方面付出了艱辛的勞動，在此表示感謝。
盡管一再推敲和檢查，書中仍難免疏漏和不足，敬請廣大讀者批評指正。聯(lián)系方式為tmingxin@qq.com。
譚明新 于武漢
前 言
通信系統(tǒng)用于在空間或時間的不同點之間傳輸信息。本書全面介紹了構成目前光纖通信網(wǎng)、無線通信網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)基礎設施的基本原理。書中的陳述不僅邏輯性強、易于理解，而且吸引學生的是與系統(tǒng)實現(xiàn)、產(chǎn)品實現(xiàn)有關的問題。該書包含的多個主題在其他教科書中很少涉及，而現(xiàn)代模擬和數(shù)字通信系統(tǒng)的實現(xiàn)又離不開這些主題。
本書為電氣和計算機工程專業(yè)高年級的本科生和一年級研究生而寫，是通信系統(tǒng)和數(shù)字通信的入門課程。書中有兩章提供了學習通信系統(tǒng)所需的詳細背景知識，其中第2章回顧信號與系統(tǒng)，重點針對信號與系統(tǒng)的頻域分析；第6章回顧概率論和隨機過程。第4章、第5章和第7章介紹模擬通信系統(tǒng)。這些章節(jié)不僅包括傳統(tǒng)素材，而且還包括與今天的無線通信接收機和（利用光放大器級聯(lián)）光纖網(wǎng)相關的新主題。數(shù)字傳輸是全球互聯(lián)網(wǎng)、光纖網(wǎng)和新一代無線網(wǎng)的支持技術。第8章~第15章包含了數(shù)字通信系統(tǒng)的不同部分。
內(nèi)容編排
第1章給出通信系統(tǒng)簡介、通信系統(tǒng)的發(fā)展史以及推動其演進的主要趨勢。
第2章回顧信號與系統(tǒng)，重點是LTI系統(tǒng)中信號傳輸?shù)念l域分析。
第3章介紹采用模擬和數(shù)字通信系統(tǒng)建模和仿真時Simulink的性能。
第4章介紹各種幅度調(diào)制方案，也分析了通信發(fā)射機和接收機所實現(xiàn)的復用技術和重要運算。本章的末尾介紹了現(xiàn)代通信系統(tǒng)中所實現(xiàn)的各種接收機的結構。
第5章討論角度調(diào)制系統(tǒng)（調(diào)頻和調(diào)相）。隨后詳細分析了模擬鎖相環(huán)和模擬NTSC電視系統(tǒng)。
第6章回顧概率論和隨機過程的基本概念，這些基本概念與通信系統(tǒng)中信息信號和（無處不在的）噪聲的建模、分析息息相關。然后分別從時域和頻域的角度對隨機信號與噪聲通過LTI系統(tǒng)的傳輸特性進行分析。
第7章介紹噪聲對幅度調(diào)制信號解調(diào)和角度調(diào)制信號解調(diào)的影響。將各種模擬通信系統(tǒng)的性能進行比較，并且研究傳輸損耗、噪聲對配有增音機的模擬傳輸系統(tǒng)設計的影響。
第8章考慮的是將模擬信號轉換為數(shù)字形式。介紹了采樣定理和量化技術，接著是波形編碼方法，如PCM、 DPCM和DM。最后討論了sigma-delta轉換器和帶通采樣。
第9章介紹了數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕鶐д{(diào)制技術。解釋了重要的技術指標和各種線路編碼方案的特性。還研究了脈沖形狀的設計，目的是提高數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的頻譜效率。
第10章考慮在存在加性高斯白噪聲的條件下，以數(shù)字調(diào)制信號的形式對傳輸中的符號進行檢測。本章引入作為有限維向量空間向量的信號波形和加性高斯白噪聲的表示形式，以及利用這些概念開發(fā)最佳檢測器結構，并分析它們的性能。
第11章考慮通過對載波進行調(diào)制來實現(xiàn)數(shù)字數(shù)據(jù)的傳輸。分析二進制和四進制調(diào)制方案，并且利用向量空間的概念分析它們的性能，也分析了頻移鍵控和最小頻移鍵控。然后討論了非相干方案與差分相干方案。本章的結尾是頻譜分析、各種數(shù)字載波調(diào)制方案的比較。
第12章分析數(shù)字調(diào)制信號在信道中的傳輸，信道上除加性高斯白噪聲外還引入了符號間干擾（InterSymbol Interference， ISI）。本章介紹了減小ISI和噪聲時采用的信號設計和均衡方案。
第13章介紹數(shù)字通信中的兩個重要主題：數(shù)字復用與同步。多路復用技術將多個用戶信號組合，實現(xiàn)高速通信信道的有效共享。然后介紹接收端用于正確地分路各分量信號和恢復各分量信號的載波恢復電路、符號定時恢復電路和幀同步恢復電路。
第14章是信息論的入門，解釋了對信息通信的基本限制。本章在引入信源信息量和通信信道容量的概念后，研究了香農(nóng)的信源編碼定理和信道容量定理。這一章末尾詳細介紹了文本、圖像和視頻的壓縮方案。
第15章專門分析用于噪聲通信信道上信息可靠傳輸?shù)男诺谰幋a。本章考慮線性分組碼和卷積碼兩種方式，以及采用硬判決譯碼方案和軟判決譯碼方案時這兩種編碼方式的性能。還介紹了帶限信道的編碼和實現(xiàn)接近信道容量的Turbo碼。
教學特點
本書包括的教學特點如下：
● 預覽包含在這一章及其相關的實踐中的各章的內(nèi)容簡介。
● 眾多的例子，包括MATLAB練習，用于鞏固重要的概念和數(shù)學方面的結果。
● 各章末配有不同難度的習題。MATLAB練習進一步幫助學生找到編程習題的解決方案。
● 仿真作為一種重要的教學工具，是幫助學生理解理論計算的結果和培養(yǎng)學生熟悉通信系統(tǒng)設計的重要工具。作者認為，在課堂上，Simulink仿真可用做如下設置的虛擬實驗室進行實驗：
■ 顯示通信系統(tǒng)中不同點的信號波形和頻譜。
■ 分析系統(tǒng)的性能，并將它們與理論計算的結果進行比較。
■ 研究設計方法和可能的折中。
● 每章最后的結束語重申重要的概念和對重要發(fā)展的理解。
● 每章包含的參考文獻列表提供進一步閱讀的素材。
● 為教師和學生提供有關該書的豐富的網(wǎng)站資源。
● 通信系統(tǒng)的發(fā)展有著豐富和令人關注的歷史，本書從頭至尾特別注意記錄該領域的里程碑式的歷史事件。
選課
本書給出了通信系統(tǒng)的眾多內(nèi)容。通過章節(jié)的取舍，教師可以提供該課程所需內(nèi)容的提煉或為不同背景的學生調(diào)整內(nèi)容。本書的一個重要考慮就是高年級學生是否已選修了“概率論與隨機過程”課程。雖然可能會有諸多變化，這里還是給出了以下可供參考的選擇。
● 模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)一學期學制時，可以選擇學習：第2章和第6章，第3章~第5章，第7章的7.1~7.5節(jié)，第8章的8.1~8.4節(jié)，第9章的9.1~9.2節(jié)，第10章的10.1~10.2節(jié)，第11章的11.1~11.2節(jié)，如果時間允許，還可以學習第14章~第15章的部分內(nèi)容。
● 數(shù)字通信的一學期學制時，學習的章節(jié)從下面各章中選擇：第2章、第6章、第3章、第8章~第15章。
● 模擬和數(shù)字通信系統(tǒng)的兩學期課程時，學習的章節(jié)和順序安排如下：
● 第一學期第2章~第8章；
● 第二學期第9章~第15章。
教學資源 教輔申請方式參見書末的“教學支持說明”。
與本書教學資源對應的網(wǎng)站為www.mhhe.com/mesiya，該網(wǎng)站包含教師解決方案手冊、授課PPT、MATLAB文件、所有實驗的Simulink模型和課后習題解答。教師也可以訪問COSMOS——完全在線解決方案手冊管理系統(tǒng)， 用它設計考試和作業(yè)、 創(chuàng)建自定義的內(nèi)容、 編輯給出的習題和答案。
致謝
新教材的撰寫需要很多人的投入和建議。以下各位在各階段審閱了原稿的各章節(jié)， 在此作者表示深深的感謝！
Vijay Bhargava 加拿大英屬哥倫比亞大學
Deva Borah 美國新墨西哥州立大學
Lakshmi S. Chennupati 美國加利福尼亞州立大學薩克拉門托分校
Tolga M. Duman 美國亞利桑那州立大學
Satyabrata Jit 印度貝拿勒斯印度教大學
James Kang 美國加利福利亞州立理工大學波莫納分校
Hyuck M. Kwon 美國威奇塔州立大學
Tongtong Li 美國密歇根州立大學
Timothy Pratt 美國弗吉尼亞理工學院
P.R.Sahu 印度理工學院古瓦哈蒂分校
Masoud Salehi 美國東北大學
Ga
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