数字通信第5版

前 言

很高兴地欢迎Masoud Salehi 教授作为《数字通信（第五版）》的合作著者。这一新版本进行了较大的修订并重新组织了论题，特别是在信道编码和译码方面，同时还增加了一章关于多天线系统的内容。

本书适合作为电子工程系一年级研究生课程的教材，也适合从事数字通信系统设计工程师作为自学课本和参考书。为了更好地阅读本书，读者应具备基本的微积分、线性系统理论以及概率和随机过程的预备知识等背景知识。

第1章是本书主题的导引，包括回顾与展望、信道特征的描述和信道模型。

第2章是对确定信号和随机信号分析内容的复习，包括带通和低通信号的表示、随机变量尾部概率边界、总和随机变量中心极限定理，以及随机过程。

第3章论述数字调制技术和数字调制信号的功率谱。

第4章重点分析加性高斯白噪声（AWGN ）信道的最佳接收机及其差错率性能。本章还包括格的入门知识和基于格的信号星座图，以及有线和无线通信系统链路预算分析。

第5章专门论述了基于最大似然准则的载波相位估计和定时同步的方法，描述了面向判决和非面向判决的两种方法。

第6章是信息论基础，包括无损信源编码、有损数据压缩、不同信道模型的信道容量以及信道可靠性函数。

第7章论述线性分组码及其特性，包括循环码、BCH 码、RS 码和级联码。描述了软判决和硬判决两种译码方法，及其在AWGN 信道中的性能评估。

第8章论述基于网格和图形的编码，包括卷积码、Turbo 码、低密度校验码、带限信道网格码和基于格的编码，同时也论述了译码算法，包括维特比算法及其在AWGN 信道上的性能、Turbo 码的迭代译码BCJR 算法，以及和积算法。

第9章重点论述带限信道的数字通信。本章的论题包括带限信道的特征和信号设计，有符号间干扰和AWGN 信道的最佳接收机，准最佳均衡方法，亦即，线性均衡、判决反馈均衡和Turbo 均衡。

第10章论述自适应信道均衡，描述LMS 和递归最小二乘算法及其性能特征，本章还论述盲均衡算法。

第11章论述多信道和多载波调制。论题包括多信道二进制和M 元正交信号在AWGN 信道中的差错率性能；有AWGN 非理想线性滤波器信道的容量；OFDM 调制/解调；在OFDM 系统中的比特和功率分配；降低OFDM 中峰均功率比的方法。

第12章着重论述扩频信号与系统，重点是直接序列和跳频扩频系统及其性能，本章强调在扩频信号设计中编码的获益。

第13章论述衰落信道上的数字通信，包括衰落信道的特征以及多径扩展和多普勒扩展等重要的关键参数。介绍了几种信道衰落的统计模型，重点是瑞利

（Rayleigh ）衰落、赖斯（Rice ）衰落和Nakagami 衰落。分析了OFDM 系统中多普勒扩展引起的性能减损，并描述了降低这种性能减损的方法。

第14章着重论述衰落信道的容量和编码设计。在介绍遍历容量和中断容量之后，研究衰落信道的编码。对带宽高效的编码和比特交织编码调制进行了分析，推导了在瑞利衰落和赖斯衰落中编码系统的性能。

第15章论述多天线系统，通常称为多输入多输出（MIMO ）系统，用来实现空间分集和空间复用。本章的论题包括MIMO 信道检测算法，在有AWGN 、有或无信号衰落情况下MIMO 信道的容量，以及空时编码等。

第16章论述了多用户通信问题，包括多址接入方法的容量，CDMA 系统上行链路的多用户检测方法，减少多用户广播信道干扰的方法，以及随机接入方法，例如ALOHA 和载波侦听多址（CSMA ）。

使用本书授课的教师可以将这16章和相关论题灵活地设计成一学期或者两学期的课程。第3、4、5章提供关于数字调制/解调和检测方法的基本论述。第7、8、9章论述的信道编码和译码可与调制/解调一起作为一学期课程的内容。另一种安排是将第9章～第12章取代信道编码和译码。第二学期课程内容可以包括衰落信道、多天线系统和多用户通信等。

著者和麦格劳-希尔出版公司感谢以下评阅人对第五版手稿有关章节提出了宝贵建议：

印第安那大学（Indiana University）/普度大学（Purdu University）的Paul Salama ，多伦多大学（University of Toronto）的Dimitrios Hatzinakos和加利福尼亚大学的Ender Ayanoglu。

最后，第一著者感谢Gloria Doukakis打印了部分手稿，同时也感谢Patrick Amihood 准备了第15章和第16章的一些插图，以及Apostolos Rizos 和Kostas Stamatiou 准备了部分习题解答。

译 者 序

在人类社会发展到世纪之交的最近十多年中，信息科学技术得到了迅猛的发展并在社会各个领域和部门得到越来越广泛的应用，正在成为21世纪国际社会和世界经济发展的新的强大动力。信息技术快速发展的动因和显著的特点之一是，计算机技术和数字通信技术（特别是宽带移动无线通信技术）的快速发展，计算机网络与通信网（包括移动无线网络）的相互融合，使得互联网迅速发展，遍布世界各国，延伸到各个角落，并从有线扩展到无线，延伸到个人手中。各种类型的数字通信网是互联网的载体。数字通信主要是从网络的物理层上研究数字信号传输机理及其可靠性和有效性，从而为建立可靠和高效的互联网提供坚实的物理基础。

我们翻译的John G. Proakis 著的《数字通信（第五版）》一书是著者多年教学和科研的总结，它全面系统地论述了数字通信的基本理论，包括绪论、确定性与随机信号分析、数字调制、AWGN 信道的最佳接收、载波和符号同步、信息论基础、线性分组码、基于网格和图的编码、带限信道的数字通信、自适应均衡、多信道和多载波系统、数字通信中的扩频信号、衰落信道的特征与信号传输、衰落信道的容量与编码、多天线系统、多用户通信等16章内容。

本书从第一版（1983年）、第二版（1989年）、第三版（1995年）到第四版（2001年），陆续增添了不少新的内容，及时反映了数字通信技术发展的新成果。针对近些年来移动无线通信深入研究出现大量的新成果，本书第五版在第四版的基础上，对论题内容进行了较大的修订，对全书的论题结构做了重新调整和组织。比较大的修订和调整有两个方面，一是将第四版的信源编码（第3章）、信道容量和信道编码（第7章）以及分组码和卷积码（第8章）三章内容在第五版中修订调整为信息论基础（第6章）、线性分组码（第7章）和基于网格和图形的编码（第8章）三章内容。精简了信源编码的内容，加强了信息论基础知识，充实了信道编码的新的研究成果，如Turbo 码、低密度校验码、带限信道网格码和基于

格的编码，以及译码算法。

另一方面是，将第四版中多径衰落信道中的数字通信（第14章）的内容在第五版中分解为三个专题分别重点论述，即多径衰落信道的特性和信号传输（第13章）、多径衰落信道的容量和编码（第14章）和多天线系统（第15章）三章。充实了多径衰落信道的容量和编码内容，尤其是单独设立一章专门论述多天线系统，包括MIMO 信道的模型、容量、检测算法和空时编码等内容。从基本理论上比较系统深入地论述了近几年无线通信多天线系统的新的研究成果。

本书在内容上既论述了数字通信的基本理论问题，又对数字通信新技术进行比较深入的分析。本书采用了信号空间、随机过程的级数展开和等效低通等分析方法，根据最佳接收准则，先后讨论并分析了在加性高斯白噪声（AWGN ）信道、带限信道（有符号间干扰和加性噪声）以及多径衰落信道等三种基本的典型信道条件下的数字信号可靠高效传输及其最佳接收问题。本书讨论问题系统全面、内容逐步深入、概念清晰，理论分析严谨、逻辑性强，习题和参考资料丰富，是一本比较全面、系统、深入论述数字通信理论的经典著作，在学术界有很大的影响，被许多学术论文所引用，同时它也是一本优秀的研究生教材，多年来国内外许多高等院校普遍采用本书作为信息和通信专业的研究生教材。本书对相关专业的教师、学生以及科技工作者来说也是一本很好的参考书。

译者自从1986年以来一直采用本书作为本校研究生数字通信课程的教材。从教学实践中，我们感到本书作为教材理论性比较强，其性质相当于“高等通信原理”，也就是说，要求学习本课程的学生应当具备良好的本科“通信原理”基础。研究生通过本课程的学习可在通信理论方面打下比较好的基础，为以后的深入研究创造良好的条件。

本书的前言、第1，2，3，4，5，9，10，13，14章由张力军翻译，第6，7，8章由张宗橙翻译，第11，12章由曹士坷翻译，第15，16章由宋荣方翻译。译者对麦格劳-希尔出版公司和电子工业出版社为本书的出版和提高出版质量的努力表示诚挚的谢意。限于水平，译文倘有疏漏和不当之处，敬请读者不吝指出。 译 者

于南京邮电大学