通信原理——系统、调制与噪声（第5版·中文版）

　　 《通信原理--系统、调制与噪声(第5版)》是由美国克罗拉多大学R．E．Ziemer教授主编的一本通信原理教程。该书全面系统地介绍了通信系统的基本原理，以论述通信系统的物理层为主，内容涵盖信号和系统、概率论和随机过程、各种调制技术、最佳接收、信息论和编码等。该教材已先后修订、再版4次，是一本流传较广的美国大学高年级本科生教材。本书第5版中增加了有关衰落信道、蜂窝移动通信、卫星通信、直接序列扩频通信和OFDM调制等基本原理的论述，并给出了可供读者进一步学习的参考资料。
　　 本书第5版的一个显著特色是在每一章中补充了大量的MATLAB编程实例和上机练习，这在目前通信原理教材中是鲜见的。熟悉和掌握MATLAB语言可帮助学习者通过计算机编程加深对通信理论基本概念及问题的理解和分析，并可借助书本所学知识用仿真的手段解决通信系统中出现的实际问题。本书的另一个特点是给出了大量的习题，读者可以通过习题进一步掌握并运用所学到的知识。
　　 本书可用作高等学校通信工程与信息系统领域相关专业的高年级本科生教材或参考书，也可供低年级研究生、科研人员和工程技术人员作为参考书使用。
　　

第1章 引言
1．1 通信系统框图
1．2 信道特性
1．3 系统分析方法概述
1．4 系统优化的概率方法
1．5 本书概述
1．6 阅读材料
第2章 信号与线性系统分析
2．1 信号模型
2．2 信号的分类
2．3 广义傅里叶级数
2．4 傅里叶级数
2．5 傅里叶变换
2．6 功率谱密度和相关
2．7 信号和线性系统
2．8 抽样定理
2．9 希尔伯特变换
2．10 离散傅里叶变换和快速傅里叶变换
2．11 小结
2．12 阅读材料

　　 随着通信学科理论与技术的不断发展，通信技术在社会各个领域得到越来越广泛的应用。由R．E．Ziemer和W．H．Tranter所著的《通信原理--系统、调制与噪声》第5版，全面系统地论述了通信的基本原理，是作者多年教学与科研工作的总结，堪称反映通信基础理论及应用的一部佳作。该书第1版自1976年问世以来，经多次修订，已出5版。从第1版至第5版，该书体系愈加合理，日臻完善；内容紧跟通信领域发展，不断更新。正因为这样，该书深受读者，尤其是在校大学生欢迎，影响与日俱增，赢得很高的声誉。面对当前国内通信专业教材内容的相对滞后，引进国外原版优秀教材，保证与国际一流大学通信专业的教学内容相一致已成目前高校通信专业教学的当务之急，相信该书第5版及其中译本的出版，必将对目前我国高等学校通信类专业相关课程体系及内容的改革起到重要的推动作用。
　　 该书第5版除保持原书构思新颖、取材得当、论述严谨、条理清楚等特色外，还具有以下几个特点：完善体系结构，强化数学基础；新颖性、系统性与实用性的紧密结合；突出通信基础理论的基本概念、基本知识的讲述，同时注重了工程实际应用，列举了许多分析、计算的例子，对读者会很有启发。该书深入浅出，避开了繁琐的数学推导，因而概念清晰，易于理解，每章之后又有大量的问题和练习，与实际应用关系紧密，既有助于读者加深和巩固所学的重要概念和知识，又具有一定的实用价值，因此它是一本很好的教科书。本书可供通信及相关专业的本科生和研究生使用，也可供本领域工程技术人员、大学教师作参考。
　　 本书由袁东风、江铭炎翻译，由袁东风负责全书的统稿，曹志刚教授审校。本书在翻译过程中得到多方面的支持和帮助，参加本书部分章节翻译工作的还有：马丕明、张海霞、高新颖、张玉玲、张海刚、杨秀梅、吴大雷、孙明、仲英济、张曦林。
　　 译稿对原书中的错漏做了更正和译注。由于全书篇幅太大，时间仓促，加之译者水平有限，错误和不妥之处在所难免，恳请读者批评指正。
　　 袁东风
　　 2004年3月于山东大学
　　

　　 在本书的第5版中，我们保持了与前面4个版本相同的指导原则。这个原则就是，在一册书中详细地论述适用于高年级本科生、低年级研究生和实际工程人员的通信物理层的原理。书中包括模拟和数字通信系统的各种论题，通过回顾这些论题所要求的信号、系统、概率和随机过程等必要的背景知识，实现了这一指导原则。在强调基本概念之外，书中还包含了关于目前重要领域的章节，如扩频、蜂窝通信、正交频分复用等。对于以前版本所提供的说明性的例子，本版用MATLAB语言编写的计算机编程实例加以补充。这些编程实例贯穿于全书，涉及的范围从计算性能曲线的程序到特定通信系统或算法的仿真程序。读者对前面版本的反应表明了，将本书的重点放在基本原理而不是特定技术上，能更好地服务于读者，同时又保持了合理的篇幅。这个方针非常适合于高年级本科生，可能忘掉一些基本原理的研究生新生，以及将本书作为参考书或业余课程的工程人员。
　　 通信原理第5版的一个新特色是在每一章中增加了基于MATLAB的计算机编程实例。我们意识到，有些读者将书中的计算机代码看作是本书的一个特色，而有些读者将其看作分心的事物。因此，我们选择了在书中每一章只加入二或三个MATLAB程序。尽管我们认为将现代的计算工具用于分析和仿真很重要，但对MATLAB实例的使用有所限制，以使本书的特色不会有太大的改变。使用本书的读者可在网站www．wiley．com／college／ziemer上下载MATLAB代码，而不必重新输入。网站上还会不断增加一些有趣的计算机实例。我们之所以选择用MATLAB求解例题是因为它在学术和工业界的广泛应用。多数工科学生熟悉MATLAB，可以容易地理解例题。我们喜欢MATLAB也是因为它的丰富的图形库。
　　 在每章内的编程实例之外，每章末尾还附加了大量的"上机练习"。这些上机练习在习题之后，设计它的目的是使读者用计算机来阐释基本原理，同时从另一角度理解文中内容。在第4版中也有类似的练习，很多读者认为这很有价值。我们加入这些练习有多种原因，计算机作为工程教育的有价值的工具，已经列入工程课程中。学生使用计算机解决更复杂的问题，而且通过解决这些问题获得重要的洞察力。尽管可以用各种不同的计算机语言编写程序解决这些问题，但我们强烈推荐使用解决科学问题的程序工具，例如MATLAB、MATHCAD和
　　 如同本书第4版前言中所述，过去的二十年里，我们看到了通信理论概念的许多新应用，蜂窝无线通信就是一个显著的例子。另外，实现这些系统的新技术正在不断发展中。尽管一直有强烈的要求，要求本书的新版包含各种新的应用和技术，但我们坚定地认为，作为通信的第一课程，如果将重点放在基本原理上会更好地服务于学生。应用的例子和特定的技术一般生存期很短，最好作为学生掌握了基本原理和分析方法之后的后续课程。不过，我们一直关注本质上是基本原理的新技术，并增加了适当的内容。
　　 为与前面版本相比较，我们简要地逐章介绍变动之处。如前所述，除第1章外，其他各章都补充了编程实例。第1章更新了所有的表格；第2章是对信号和系统理论的必要回顾，基本上保持了原貌；第3章讲述基本的调制技术，删除了开关调制器的内容，缩短了模拟脉冲调制的章节，增加了确定已调信号频谱的计算机编程实例。此外，为了说明跟踪捕获行为，还增加了锁相环的完整仿真编程实例。
　　 第4章介绍概率论的基本理论，加入了莱斯随机变量的章节，增加了关于x2分布的附录。增加这些内容是为了后面学习衰落信道和蜂窝通信。由于将窄带噪声模型的证明和原点环绕问题(对于理解FM系统中的门限效应非常重要)的研究内容放到附录中，第5章大大缩短。我们认为这部分内容尽管依然重要，但已超出许多介绍性课程的范围。
　　 第6章讨论各种模拟调制方案的噪声特性。关于门限扩展的章节略有扩充，增加了调制对门限效应影响的内容，并且更详细地研究脉冲编码调制的门限效应。对脉冲编码调制中的门限效应的考虑，架设了一道研究本书后文数字通信系统的桥梁。
　　 二进制数字传输是第7章的主题。关于衰落信道的章节有所扩展。由于移动通信系统应用的快速膨胀，二进制数字传输成为当今世界的一个重要课题。本章增加了计算二进制调制系统的性能曲线、绘制带限信道中二进制信号的最佳发射和接收滤波器频率响应函数图、绘制平衰落信道中各种二进制调制方式的错误概率曲线图的编程实例。此外，还增加了用于差分相移键控调制的延迟／相乘检测器仿真程序，以便与最佳检测器的性能进行比较。
　　 第8章讨论数据通信系统中更为深入的论题，包括M进制系统、带宽有效性、同步、扩频系统和卫星链路等等。增加了新的章节，或扩展了前面所出现的章节，如高斯最小相移键控，基带数据信号各种线码表示的功率谱的计算，多用户环境中的直接序列扩频系统的性能，蜂窝无线通信系统和多载波调制。此外，增加了计算M进制相移键控的比特错误概率性能曲线、连续相位频移键控谱、多用户环境下直接序列扩频系统的比特错误概率的编程实例。
　　 第9章介绍最佳接收机和信号空间概念，与前面版本相比，没有大的变动，增加了确定并绘出接收机工作特性的编程实例。
　　 第10章向学生简要介绍了信息论和编码理论，增加了对Turbo码的简要讨论，还增加了利于学生详细研究删除信道的编程实例。
　　 多年来我们用这本书作为各类课程的教材，但时间的推移已改变了编写本书的初衷。它最初只作为两个学期课程的教材，第一学期学习线性系统和无噪调制等基本的背景知识，第二学期学习噪声对模拟和数字调制系统的影响。如果学生具备了线性系统和概率论等背景知识，本书也可作为噪声环境下分析模拟和数字通信系统的一学期用书。尽管会对大多数学生具有挑战性，然而让学生在一个学期之内掌握噪声环境下调制系统的性能，也不失为一种选择。简言之，我们觉得由我们来告诉使用这本书的指导教师讲授书中哪些内容和按照什么顺序是不合适的，但可以说，这本书的内容完全满足高年级本科生和研究生开始阶段任何课程设计的需要。
　　 另外，从出版商那里可以得到这本书的答案手册。手册中包括了奇数号码习题的详细解答和偶数号码习题的答案。对我们认为必要的指导会有所帮助的那些偶数号码习题给出了部分解答。另外，手册提供了所有上机练习的MATLAB程序。
　　 感谢所有对本书的发展做出贡献以及对第5版提出改进意见的人们。尤其感谢我们在科罗拉多大学(University of Colorado at Colorado Springs)，密苏里罗拉大学(University of Missouri-Rolla)、弗吉尼亚工学院(Virginia Tech)的同事和学生们，感谢他们的意见和建议。特别感谢圣路易斯大学(St．Louis University)威廉爱贝尔博士(Dr．William Ebel)的帮助。也感谢那些技术会议上给我们书面或口头建议的学者和同行们。特别值得一提的是支持我们研究的产业和机构，通过从事这些项目，极大地拓展了我们的知识和洞察力。这些机构包括：国家航空航天局(NASA)、海军研究办公室(The Office of Naval Research)、国家科学基金会(The National Science Foundation)、通用空间技术(GE Aerospace)、摩托罗拉公司(Motorola lnc．)、爱默生电气公司(Emerson Electric Company)、巴蒂尔记录学会(Battelle Memorial lnstitute)、国防预先研究计划局(DARPA)、雷神(Raytheon)以及LG情报通信公司(LGIC)。衷心感谢C．格雷厄姆(Cyndy Graham)专家的支持，他解决了用科学文献排版软件(LaTeX)排版时所遇到的许多问题，并对答案手册贡献颇多。
　　 我们也感谢这本书的第5版以及前面所有版本的审阅者。应当特别提到第5版的审阅者，他们是：
　　 J．凯弗(John Kieffer)--明尼苏达大学(University Of Minnesota)
　　 I．G．哈斯布克(Laurence G．Hassebrook)--肯塔基大学(University OfKentucky)
　　 D．威格(Donley Winger)--加利福尼亚工艺大学(Cai Poly-San LuisObispo)
　　 M．菲兹(Michael Fitz)--普渡大学(Purdue University)
　　 C．乔治德(Costas Georghiades)--德克萨斯大学(Texas A&M)