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擴展頻譜通信系統原理(第2版)(簡體書)
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擴展頻譜通信系統原理(第2版)(簡體書)

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作者簡介
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商品簡介

擴展頻譜(簡稱擴譜)通信在抗干擾、抗多徑衰落、信號隱蔽性、多址能力等方面具有較一般無線通信方式無可比擬的優勢,因此自誕生之日起,就在軍事通信中佔有極為重要的地位。近年來,隨著信息技術的迅猛發展,擴譜技術在民用通信中也得到了越來越廣泛的應用。與其它模擬及數字通信系統相比,擴譜通信系統的概念更抽象、技術更艱深、內容更龐雜。目前,國內還未見結合無線通信新應用和Turbo碼、迭代信道估計等通信新技術來闡述擴譜通信的專著。而《擴展頻譜通信系統原理》(第二版)一書闡述了擴譜通信中的編碼調製、擴譜碼同步、分集接收、擴譜信號檢測、迭代信道檢測等一系列基本問題,重點針對擴譜通信的基本原理和基本理論展開論述。該書是當前最新的和較為權威的擴譜通信基礎理論專著。

作者簡介

作者:(美)托列里 譯者:牛英滔、朱勇剛、胡繪斌、錢璟、關勝勇等

名人/編輯推薦

托列里編著的這本《擴展頻譜通信系統原理(第2版)》系統闡述了擴譜通信中的編碼調制、擴譜碼同步、分集接收、擴譜信號檢測、迭代信道檢測等一系列基礎問題,重點論述了擴譜通信的基本原理和基礎理論。本書內容全面深入,概念清晰,理論分析嚴謹,仿真、習題和參考資料豐富,是當前最新的擴譜通信基礎理論著作之一。

擴展頻譜(以下簡稱擴譜)通信是數字通信的核心領域之一。擴譜通信技術最初作為抵抗干擾和截獲威脅的手段而用于軍事通信網絡;但現已廣泛用于商用系統,并已成為若干無線、移動通信標準的一部分。雖然擴譜通信已成為數字通信教科書中的重要話題,但對它的論述往往較為粗淺。本書旨在對擴譜通信進行更為深入的論述,適于具有扎實數字通信理論基礎的研究生和在職工程師使用。正如本書標題所指出的,本書的重點在于原理而非其他許多書中所述的現有的或已設計好的系統。本書的目標是對擴譜系統的基本原理進行簡明清晰的說明,側重于基礎理論。對于本書特定主題的選擇,我折中考慮了這些主題的實用意義以及研究人員與系統設計人員的興趣。縱觀全書,對經典理論進行了許多新的或系統的推導,以便于學習。每章結尾列出的思考題用于幫助讀者鞏固知識,并提供分析技巧的訓練。我所列出的參考文獻,建議讀者深入研究或作為其他研究的參考資料。
擴譜信號是一種經過額外調制從而顯著擴展信號帶寬的信號,擴展后的帶寬遠超編碼后的數據調制所需的帶寬。擴展頻譜通信系統可用于抑制干擾、增強通信的安全性檢測和處理、適應衰落和多徑信道、提供多址接人能力等。擴譜信號對工作在同一頻段的其他通信系統構成的干擾相對較小。最實用的主流擴譜系統是直接序列擴譜(以下簡稱直擴)系統和跳頻擴譜(以下簡稱跳頻)系統。
現在并沒有制約擴譜通信有效性的基本理論障礙。存在這樣一個重要但并非顯而易見的事實,即擴譜信號帶寬的增加可能使得通過接收濾波器的噪聲功率超出解調器所要求的噪聲功率。然而,當任何信號和高斯白噪聲通過一個與信號相匹配的濾波器時,采樣濾波器輸出的信噪比僅取決于信號能量與噪聲功率譜密度的比值。因此,輸入信號的帶寬并不重要,而且擴譜信號沒有固有的限制。
第1章回顧了編碼和調制理論的基本結論,這些結論對于全面理解擴譜系統是必須的。信道編碼也稱為糾錯編碼或差錯控制編碼,它對于充分發揮擴譜系統的潛在能力具有至關重要的作用。盡管直擴通信系統能夠極大地抑制干擾,然而實際的直擴系統仍需信道編碼來處理殘留的干擾以及諸如衰落之類的信道損傷。盡管設計跳頻通信系統的目的是為了躲避干擾,但它也可能會跳人一個非期望的頻譜區域,這就需要信道編碼來保證系統所需的性能。本章中,編碼和調制理論用于推導所需要的接收機計算方法及譯碼后信息比特的錯誤概率,重點闡述在擴譜系統中已被證明最為有用的編碼與調制類型。
第2章闡述丁直擴系統的基本原理。直擴調制將高速擴譜序列直接加在低速數據序列上,從而使得發射信號具有相對較寬的帶寬。在接收機中移除擴譜序列使得帶寬變小,從而能夠利用適當的濾波器來濾除很大一部分子擾。本章首先討論了擴譜序列和波形,然后詳細分析了直擴接收機如何抑制各種干擾。此外還介紹了幾種提高直擴系統中窄帶干擾抑制能力的方法。
第3章介紹了跳頻系統的基本原理。跳頻是發射信號的載波頻率周期性改變的通信方式。跳頻系統的這種時變性賦予系統很強的潛在抗干擾能力。直擴系統是依靠頻譜擴展、解擴及濾波來抑制干擾,而跳頻系統抑制干擾的機理是躲避干擾。當躲避失敗時,由于載波頻率周期性改變,跳頻信號僅會被暫時干擾。通過廣泛采用信道編碼,干擾對跳頻系統的影響將進一步減輕。從這一點來說,跳頻系統比直擴系統更需要信道編碼。跳頻系統的基本概念、頻譜和性能,以及編碼和調制問題在本章的前五節進行介紹。本章還研究了部分頻帶干擾和人為于擾的影響。此外,還對頻率合成器設計中最重要的問題進行了闡述。
第4章的中心是同步問題。擴譜接收機必須產生與接收的直擴序列或跳頻圖案同步的直擴序列或跳頻圖案。也就是說,相應的直擴序列碼片或跳頻駐留間隔必須精確或近似一致。任何偏差都將導致解調器輸出信號幅度的下降,下降幅度與自相關或部分自相關函數有關。雖然在收發信機中使用精確時鐘能夠在某種程度上降低接收機定時的不確定性,但時鐘漂移、波動范圍的不確定性及多普勒頻移仍然可能導致同步問題。擴譜碼同步,即直擴碼序列或跳頻圖案同步,可從獨立發送的導頻或定時信號中獲取。雖然可將接收信號反饋給發射機來實現或輔助實現擴譜碼同步,然而為減小功率消耗及其他開銷,大多數擴譜接收機都是通過直接處理接收信號來獲得擴譜碼同步。本章對提供粗同步的捕獲和提供精同步的跟蹤都進行了闡述。由于在一個完整的擴譜系統中,捕獲部分總是重點設計的內容和最昂貴的部件,因此捕獲問題是本章討論的重點。
第5章對衰落中最重要的問題和用于抗衰落的分集方法的作用進行了總體描述。衰落是指由通信信道的時變性所引起的接收信號強度的變化。它主要由發射信號的多徑分量相互疊加而引起的,且隨傳播媒質物理特性的變化而改變。抗衰落的主要手段是分集,它主要利用了同一信號的兩個或多個獨立衰落副本之間潛在的冗余度。作為多數直擴系統的核心,Rake解調器并非簡單地消除多徑信號,而是能夠充分利用所不希望的多徑信號。多載波直擴系統是另一種具有實用優勢的利用多徑信號的方法。
……

目次

第1章 信道編碼與調制
1.1 分組碼
1.1.1 硬判決譯碼的錯誤概率
1.1.2 軟判決譯碼與脈沖幅度調制的編碼度量
1.1.3 正交信號的編碼度量
1.1.4 無編碼的FSK符號度量和錯誤概率
1.1.5 性能實例
1.2 卷積碼與格型碼
1.2.1 契爾諾夫界
1.2.2 網格編碼調制
1.3 交織器
1.4 經典級聯碼
1.5 Turbo碼
1.5.1 MAP譯碼算法
1.5.2 并行級聯Turbo碼
1.5.3 串行級聯Turbo碼
1.6 低密度奇偶校驗碼
1.6.1 非規則重復累加碼
1.7 迭代解調與譯碼
1.7.1 比特交織編碼調制
1.7.2 仿真實例
思考題
第2章 直接序列擴譜系統
2.1 定義和概念
2.2 擴譜序列和波形
2.2.1 隨機二進制序列
2.2.2 移位寄存器序列
2.2.3 最大序列
2.2.4 自相關函數和功率譜
2.2.5 特征多項式
2.2.6 長非線性序列
2.2.7 碼片波形
2.3 BPSK調制系統
2.3.1 載波頻率上的單音干擾
2.3.2 一般的單音干擾
2.3.3 高斯干擾
2.4 四進制系統
2.4.1 采用信道編碼的系統
2.5 脈沖干擾
2.6 基于帶通匹配濾波器的解擴
2.6.1 非相干直擴系統
2.6.2 抗多徑相干系統
2.7 窄帶干擾的消除
2.7.1 自適應濾波器
2.7.2 時域自適應濾波
2.7.3 變換域處理
2.7.4 非線性濾波
2.7.5 自適應ACM濾波器
思考題
第3章 跳頻擴譜系統
3.1 概念和特征
3.2 正交FSK跳頻
3.2.1 軟判決譯碼
3.2.2 多音干擾
3.3 CPM和DPSK調制的跳頻系統
3.4 混合擴譜系統
3.5 部分頻帶干擾下的編碼
3.5.1 RS編碼
3.5.2 網格編碼調制
3.5.3 Turbo碼和LDPC碼
3.6 頻率合成器
3.6.1 直接頻率合成器
3.6.2 直接數字頻率合成器
3.6.3 間接頻率合成器
思考題
第4章 擴譜碼同步
4.1 擴譜序列的捕獲
4.1.1 匹配濾波器捕獲
4.2 順序搜索捕獲
4.2.1 均勻分布下的均勻搜索
4.2.2 連續計數雙駐留捕獲
4.2.3 單駐留和匹配濾波捕獲
4.2.4 上下雙駐留捕獲
4.2.5 懲罰時間
4.2.6 其他搜索策略
4.2.7 捕獲時間的概率密度函數
4.2.8 替代分析
4.2.9 非連續及序貫搜索
4.3 捕獲相關器
4.4 擴譜碼跟蹤
4.5 跳頻圖案
4.5.1 匹配濾波器捕獲
4.5.2 順序搜索捕獲
4.5.3 跟蹤器
思考題
第5章 衰落與分集
5.1 路徑損耗、陰影和衰落
5.2 時間選擇性衰落
5.2.1 衰落速率和衰落持續時間
5.2.2 空間分集和衰落
5.3 頻率選擇性衰落
5.3.1 信道沖激響應
5.4 衰落信道的分集
5.4.1 最優陣列
5.4.2 最大比合并
5.4.3 相干二進制調制及其度量
5.4.4 等增益合并
5.4.5 選擇分集
5.4.6 發射分集
5.5 信道編碼
5.5.1 比特交織編碼調制
5.6 Rake解調器
5.7 分集和擴譜技術
5.8 多載波直擴系統
5.8.1 MC―CDMA系統
5.8.2 采用頻域均衡的DS―CDMA系統
思考題
第6章 碼分多址接入
6.1 DS/CDMA的擴譜序列
6.1.1 同步通信
6.1.2 異步通信
6.1.3 誤符號率
6.1.4 復四進制序列
6.2 隨機擴譜序列系統
6.2.1 Jensen不等式
6.2.2 基于BPSK的直擴系統
6.2.3 四相直擴系統
6.3 蜂窩網絡和功率控制
6.3.1 小區間上行鏈路干擾
6.3.2 中斷分析
6.3.3 本地平均功率控制
6.3.4 誤比特率分析
6.3.5 多普勒擴展對功率控制精度的影響
6.3.6 下行鏈路功率控制和中斷
6.4 跳頻多址接入
6.4.1 異步FH/CDMA網絡
6.4.2 Ad hoc網絡和蜂窩移動網絡
6.4.3 Ad Hoc網絡
6.4.4 蜂窩網絡
6.5 多用戶檢測器
6.5.1 最優檢測器
6.5.2 去相關檢測器
6.5.3 最小均方誤差檢測器
6.5.4 自適應多用戶檢測器
6.5.5 干擾抵消器
6.5.6 跳頻多用戶檢測器
思考題
第7章 擴譜信號的檢測
7.1 直擴信號的檢測
7.2 能量檢測器
7.2.1 噪聲功率估計
7.2.2 其他實現問題
7.3 跳頻信號的檢測
7.4 信道化能量檢測器
思考題
第8章 采用迭代信道估計的擴譜系統
8.1 期望最大化算法
8.1.1 固定點迭代
8.2 直擴系統
8.2.1 編碼、調制及信道估計
8.2.2 迭代接收機結構
8.2.3 EM算法
8.2.4 有準確相位信息的接收機
8.2.5 無相位信息的接收機
8.2.6 盲PACE估計的折中
8.2.7 仿真結果
8.3 信息論導論
8.4 魯棒跳頻系統
8.4.1 系統模型
8.4.2 解調器度量
8.4.3 信道估計器
8.4.4 調制指數的選擇
8.4.5 存在部分頻帶干擾時的性能
8.4.6 異步多址接入干擾
思考題
附錄A 常見信號的特征
A.1 帶通信號
A.2 平穩隨機過程
A.3 直接變頻接收機
附錄B 常見的概率分布
B.1 卡方分布
B.2 中心卡方分布
B.3 萊斯分布
B.4 瑞利分布
B.5 指數分布
附錄C 常見自適應算法的收斂
C.1 LMS算法
C.1.1 均值的收斂
C.1.2 失調
C.2 Frost算法
C.2.1 均值的收斂
索引

書摘/試閱

卷積Turb0碼使用兩個卷積碼作為其成員碼。如圖l。17所示,Turbo碼編碼器中復用器的輸出包含成員碼1編碼器產生的信息比特及校驗比特,但只包含成員碼2編碼器產生的校驗比特。通常,Tu山。碼的兩個成員碼完全相同。若復用器對校驗比特流進行刪除,則可獲得更高碼率。盡管刪除的方法在譯碼器中需要幀同步,但是仍是一種讓碼率適應信道條件的方便方法。
無論是分組交織器還是偽隨機交織器,其目的都是改變成員編碼器2輸入比特的順序,使得即使輸入了低重量的信息碼字,兩個成員碼輸出的碼字也不可能同時具有低重量特性。由于遞歸系統卷積編碼器能將大多數低重量的信息序列映射成高重量的編碼序列,因而常被用作成員碼編碼器。盡管遞歸系統卷積編碼器能在很大程度上減少低重量碼字的數量,但仍會剩余一些低重量碼字,以使其最小自由距離改變很小或幾乎沒有改變。無論其最小距離大小如何,Turb’碼很少有低重量的碼字。當交織器的規模較大時,Turbo碼具有與隨機碼相似的重量分布。交織器與譯碼器中的解交織器減弱了Turbo碼不同比特對應的LLR之間的相關性。
為使Turbo碼的網格終止于全零狀態,并能夠被視為分組碼,需要在兩個卷積成員碼中插入結尾比特流。遞歸編碼器要求非零的結尾比特,它們是關于前面的非系統輸出比特的函數,因而也是信息比特的函數。
為利用碼率為1/2的卷積成員碼產生碼率為l/2的Turbo碼,可交替刪除編碼器1的偶數位校驗比特與編碼器2的奇數位校驗比特。因此,奇數位信息比特與碼1被發送的校驗比特對應。然而,由于編碼器2之前的交織處理,偶數位信息比特可能與成員碼l和成員碼2被發送的校驗比特均不對應。相反,一些奇數位信息比特可能與兩個編碼器發送的校驗比特均相對應,盡管由于交織這些校驗比特沒有連續發送。由于有些信息比特沒有發送的校驗比特相對應,因此,譯碼器幾乎不可能糾正這些信息比特中的錯誤。避免該問題并且確保每個信息比特正好有一個對應的校驗比特被發送的方便辦法是采用具有奇數行與奇數列的分組交織器。若比特流按行連續寫入交織矩陣,然后按列連續讀出,則奇數位與偶數位信息比特交替輸入到編碼器2中,從而保證了所有信息比特都有一個對應的校驗比特發送。這一過程或任何其他將奇數位與偶數位信息比特分開的過程,稱為奇偶分離。仿真結果表明,當同時采用刪除法與分組交織時,奇偶分離提高了系統性能,但是在未采用刪除的情況下,奇偶分離對性能沒有影響。交織器規模小的系統中,采用奇偶分離的分組交織器通常具有比偽隨機交織器更好的系統性能,而后者通常在交織規模較大時性能更優越。
交織器的規模等于碼的分組長度或幀長度。低重量或最小距離碼字數目與交織器規模趨于反比關系。當采用大規模的交織器且譯碼迭代次數足夠多時,卷積Tu山。碼的性能與信息論極限之間的差距小于ldB。然而,隨著分組長度增加,輸入與輸出之間的系統時延也相應變大。隨著符號能量增加,Turb。碼的誤比特率相應減小,直到最終落人錯誤平層(cnor noor)或者誤比特率持續減小得非常慢。系統時延大、復雜度高與有時存在錯誤平層的特點是Turb。碼的主要不足。
……

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