通信系统——使用MATLAB分析与实现

本书采用“做中学”（learn-by-doing）的方式论述通信系统的基本原理、射频调制、发射与接收、有线网络与光纤通信、TCP/IP分组网络、数字信源/信道编码和数据加密等内容。书中采用MATLAB编程来验证通信原理与通信系统实例；有关数字通信的内容还涵盖了分组交换网络中的许多基本概念，如路由中的最短路径算法，并通过简化的例子进行了详尽的分析。此外，本书也论述了通信系统中的高级技术，如无线调制中的OFDM技术和数据加密中的公钥交换算法。为了便于读者自学与教师教学，作者精心制作了教学课件、习题解答，并提供了MATLAB程序代码，可以供读者学习使用，非常实用。

　　《通信系统——使用MATLAB分析与实现（清华开发者书库）》介绍了通信系统中的基本概念和常用技术，包括传输介质特性、调制解调原理、常用网络协议和信源/信道编码等基础理论，并精心编写了MATLAB仿真示例。其中，第1章介绍并回顾一些关于信号的基本思想和处理方法，是全书的理论基础；第2章介绍物理传输介质特性，涵盖有线系统、无线/射频系统以及光纤系统；第3章介绍调制和解调理论，从非常基础的幅度调制开始，扩展到正交调制，最后引出正交频分复用和扩频的概念；第4章重点介绍互联网的一些重要概念和算法，包括包路由、TCP/IP、拥塞控制、错误检查和数据分组从源到目的的路由算法；第5章重点介绍信源编码，解释量化（标量和矢量）的思想，以及熵编码的理论；第6章围绕信道编码和安全性这一重要主题，介绍经典的循环冗余校验和汉明码，以及常见的密钥分配和公钥方法。
　　《通信系统——使用MATLAB分析与实现（清华开发者书库）》适合已具备MATLAB基本知识的通信工程等专业方向的本科生和研究生用作相关课程的参考书和补充教材，也可供相关专业的教师和工程技术人员参考使用。

作者简介

[澳]约翰W.莱斯(John W. Leis) 博士，就职于南昆士兰大学电气与计算机工程学院，电气和电子工程师协会（IEEE）高级会员。研究领域包括通信系统、数据压缩和编码、信号处理及其设备研发。先后参与了多项国际研究项目，发表了大量专业论文，并出版了畅销图书Digital Signal Processing: Using MATLAB for Students and Researchers。

译者简介

徐争光 华中科技大学电子信息与通信学院副教授，硕士生导师。2000—2009年在华中科技大学学习，获得信息与通信工程博士学位后留校工作，研究方向是通信系统和信号处理。先后主持国家自然科学基金项目，参与国家重点基础研究发展计划、国家重大科技专项等课题，发表论文30余篇。长期从事“通信原理”课程的教学工作，获得华中科技大学课堂教学优质奖。

传统教科书对于通信原理的理论讲述一般比较抽象，即便是给出了通信原理的数学公式，读者也很难理解这些数学公式之间是如何相互作用的。为了解决这个问题，《通信系统——使用MATLAB分析和实现》一书中很多章节都给出了MATLAB程序代码，读者可以通过这些代码深入理解通信原理中理论公式的具体实现，并可以理解传统教材中的理论结果是如何得来的。此外，本书的内容编排也很有特色，涵盖了信号与系统基础、典型通信系统、调制解调、网络协议、信源编码、信道编码与安全等内容，编排紧凑且全面地覆盖了通信专业需要掌握的基础知识。

——屈代明 华中科技大学电子信息与通信学院

《通信系统——使用MATLAB分析和实现》可用作“通信原理”和“无线通信网络”等本科生和研究生课程的教材。本书内容丰富，涵盖了有线通信、无线通信、光通信和网络通信的重要理论与技术，并给出了基于MATLAB的仿真和分析方法，可以帮助读者熟练掌握MATLAB仿真工具的使用方法，强化读者对通信技术的理解。书中提供了丰富的实例和习题，可以有效帮助读者学习和巩固知识点。对于信息与通信专业的学生和通信网络领域的工程技术人员，本书具有较高的参考价值。

——肖亮 厦门大学信息学院

《通信系统——使用MATLAB分析和实现》是一部可以用于“通信原理”课程教学的优秀教材。本书内容丰富全面，涵盖了通信系统组成、传输介质、调制解调、网络协议和信源/信道编码等主要知识点。书中提供了大量MATLAB仿真实例，不仅有助于读者理解书中讲授的理论知识，体会通信系统在工程设计中遇到的实际问题，同时也促进读者对MATLAB这个用途广泛的数值计算与系统仿真工具的学习。全书每章结尾都给出了本章知识总结，并且提供了丰富的习题。通信类专业的学生将会从书中获益匪浅。

——吴远 澳门大学计算机与信息科学系

MATLAB是通信系统仿真的重要工具，也是通信工程专业的重要教学手段。随着通信技术的快速发展，系统越来越复杂，验证难度越来越大，掌握MATLAB仿真技术就变得十分重要——这正是《通信系统——使用MATLAB分析和实现》出版的重要意义。本书内容涵盖信号处理、调制解调、信源编码、网络传输、数据加密与纠错，对通信系统的MATLAB仿真进行了非常全面的介绍，是一本不可多得的参考书。

——栾浩 西安电子科技大学网络与信息安全学院

第1章信号与系统

1.1本章目标

1.2内容介绍

1.3信号和相移

1.4系统构建模块

1.4.1基本构建模块

1.4.2相移模块

1.4.3线性和非线性模块

1.4.4滤波模块

1.5波形的积分和微分

1.6产生信号

1.7测量和传输功率

1.7.1均方根

1.7.2分贝

1.7.3最大传输功率

1.8系统噪声

1.9本章小结

习题1

第2章有线、无线和光学系统

2.1本章目标

2.2内容介绍

2.3预备知识

2.3.1波形已知的信号的频率成分

2.3.2被测信号的频谱

2.3.3测量实际频谱

2.4有线通信

2.4.1布线注意事项

2.4.2脉冲整形

2.4.3线路编码和同步

2.4.4扰码和同步

2.4.5脉冲反射

2.4.6传输线的特征阻抗

2.4.7传输线的波动方程

2.4.8驻波

2.5无线电和无线

2.5.1射频频谱

2.5.2无线电传播

2.5.3视距传输因素

2.5.4电波反射

2.5.5电波衍射

2.5.6发射机或接收机运动情况下的无线电波

2.5.7发送和接收无线电信号

2.5.8处理无线信号

2.5.9互调

2.5.10外部噪声

2.6光传输

2.6.1光传输原理

2.6.2光源

2.6.3光纤

2.6.4光纤损耗

2.6.5光传输测量

2.7本章小结

习题2

第3章调制与解调

3.1本章目标

3.2内容介绍

3.3预备知识

3.3.1三角函数

3.3.2复数

3.4调制的必要性

3.5幅度调制

3.5.1频率分量

3.5.2功率分析

3.5.3AM解调

3.5.4AM的变体

3.6频率和相位调制

3.6.1调频和调相的概念

3.6.2调频和调相的分析

3.6.3调频和调相信号的产生

3.6.4频率调制的频谱

3.6.5贝塞尔系数与FM信号功率谱的关系

3.6.6FM的解调

3.7相位的跟踪和同步

3.8IQ解调法

3.8.1使用IQ信号的AM解调

3.8.2使用IQ信号的PM解调

3.8.3使用IQ信号的FM解调

3.9数字信号传输的调制方案

3.9.1数字调制

3.9.2恢复数字信号

3.9.3正交信号

3.9.4正交振幅调制

3.9.5频分复用

3.9.6正交频分复用

3.9.7OFDM的实现——FFT

3.9.8扩频

3.10本章小结

习题3

第4章互联网协议和分组传输算法

4.1本章目标

4.2内容介绍

4.3基础知识

4.3.1分组交换

4.3.2二进制运算

4.3.3数据结构和解析引用数据

4.4数据分组、协议层和协议栈

4.5局域网

4.5.1有线局域网

4.5.2无线局域网

4.6设备分组传送： 互联网协议

4.6.1原始IPv4

4.6.2扩展到IPv6

4.6.3IP校验和

4.6.4IP寻址

4.6.5子网

4.6.6网络地址转换

4.7网络接入配置

4.7.1MAC地址到IP地址的映射： ARP

4.7.2IP配置： DHCP

4.7.3域名系统

4.8分组传输： TCP与UDP

4.9TCP： 可靠的交付和网络公平

4.9.1连接建立和拆除

4.9.2拥塞控制

4.9.3TCP超时

4.10数据分组路由

4.10.1路由示例

4.10.2分组转发机制

4.10.3路由任务

4.10.4超网的转发表

4.10.5路由路径查找

4.10.6基于邻居发现的路由表： 距离矢量

4.10.7基于网络拓扑的路由表： 链路状态

4.11本章小结

习题4

第5章量化与编码

5.1本章目标

5.2内容介绍

5.3预备知识

5.3.1概率函数

5.3.2差分方程与z变换

5.4数字信道容量

5.5量化

5.5.1标量量化

5.5.2压扩

5.5.3非均匀步长量化

5.5.4自适应标量量化

5.5.5矢量量化

5.6信源编码

5.6.1无损编码

5.6.2基于块的无损编码器

5.6.3差分脉冲编码调制

5.7图像编码

5.7.1块截断算法

5.7.2离散余弦变换

5.7.3四叉树分解

5.7.4颜色表示

5.8语音和音频编码

5.8.1线性预测语音编码

5.8.2综合分析法

5.8.3频谱响应和噪声加权

5.8.4音频编码

5.9本章小结

习题5

第6章数据传输与完整性

6.1本章目标

6.2内容介绍

6.3预备知识

6.3.1概率误差函数

6.3.2整数运算

6.4数字系统中的比特错误

6.4.1基础概念

6.4.2分析比特错误

6.5块检错方法

6.5.1汉明码

6.5.2校验和

6.5.3循环冗余校验

6.5.4纠错卷积编码

6.6加密与安全

6.6.1加密算法

6.6.2简单加密系统

6.6.3密钥交换

6.6.4数字签名和哈希函数

6.6.5公钥加密

6.6.6公钥认证

6.6.7公钥加密的数学基础

6.7本章小结

习题6

参考文献

附录术语表

电信包含许多分支学科，对其中任何特定领域的讨论必须在广度和深度之间进行平衡。本书旨在提供一个技术性的概述，内容覆盖从物理层（电信号、无线信号、光信号的编码）到现实世界信息的表达（图像、声音），讨论数据的点对点传输，最后讨论如何对信息进行编码，确保其安全传输。

除第1章外，本书大多数章节可以单独学习，或者用于特定课程。每章开头都有一个预备知识小节，其中回顾了一些以前可能学过的重要概念，着重将它们置于电信的背景下重新阐述。

第1章（信号与系统）介绍并回顾了一些关于信号的基本思想，阐述信号是信息的载体，重点介绍信号的处理方法，这些方法对于创建诸如调制器之类的电信子系统非常重要，同时介绍如何用简单的功能块搭建复杂系统的方法。

第2章（有线、无线和光学系统）涵盖了电信信号的物理传输——通过铜缆或同轴电缆等有线系统、无线或射频系统以及光纤系统。每个系统是分别讨论的，都涵盖了诸如信号衰减等相通的部分，重点是从成本、复杂度、干扰、传输和吞吐量方面理解每种方法背后的思想及其优缺点。无线传输的部分涵盖传输、接收、天线和其他相关问题，如传播和衍射。无线信号传播的可视化通过MATLAB代码显示，读者可以自行尝试实验。

第3章（调制与解调）解释了信号是如何编码或调制的。本章从非常基础的信号类型开始，如幅度调制，进而扩展到其他类型的调制方式，引出新的技术，如正交频分复用和扩频的概念。数字线路编码也包含在内。第3章还介绍了同步，包括锁相环和科斯塔斯环。IQ调制和解调的概念也在本章进行讲解，因为它是许多数字调制理论的基础。MATLAB示例贯穿本章始终，包括在OFDM中使用的傅里叶变换，以满足高水平学生的需求。

第4章（互联网协议和包传输算法）建立在物理信号已经被发送和接收的假设基础上，但是实用的系统还需要更高层次的功能，这是由分组交换网络提供的。本章介绍了互联网的一些重要原理，包括包路由、TCP/IP、拥塞控制、错误检查和数据包从源到目的的路由，对分组路由和最短路径确定算法进行了说明，并以使用面向对象原理的MATLAB代码为例说明了这些概念。

第5章（量化与编码）转向信号的编码表示方法。本章解释了量化（标量和矢量）的思想，以及熵和数据编码的理论。为了说明霍夫曼编码树的设计，在MATLAB中使用面向对象结构解释无损编码。本章介绍的数字编码算法包括用于图像编码的离散余弦变换和用于语音编码的线性预测编码方法。

第6章（数据传输与完整性）是对第5章的扩展，以解决数据完整性、加密和安全性这一重要问题。本章介绍了经典的错误检测算法，如用于错误检测的校验和及循环冗余校验，以及用于错误校正的汉明码。在数据安全方面，用数值示例说明密钥分配和公钥方法，同时解释加密背后的数学原理，并用代码实例研究其计算局限性。在必要的情况下，本章都提供了MATLAB示例。

阅读一个主题是一回事，真正理解它又是一回事。因此，每章结尾的习题都有助于加强对本章涵盖概念的理解，它们不同程度地要求概念解释、数学推导或代码编写。教师可使用解决方案手册，其中包括完整的解决方案以及必要的MATLAB代码。此外，教师还可使用配套课件和书中的MATLAB代码。

为了更好地运用这本书，建议学习本书中包含的MATLAB代码例程。

虽然MATLAB中有的工具箱需要单独购买，但是本书中的例程只需要安装MATLAB内核就可以运行。本书中的所有代码例程都在MATLAB R2017a和R2017b版本下开发和测试。关于MATLAB的产品信息，可以联系MathWorks公司进行咨询。

教学资源

教学课件

http://bcs.wiley.com/hebcs/Books?action=resource&bcsId=11252&itemId=1119470676&resourceId=44605

程序代码

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习题解答

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