前言
扩展频谱（以下简称 扩谱）通信系统的不断发展，以及对之前版本内容范围进行扩展的愿望，是促使我着手编写第 4 版《扩展频谱通信系统原理》的主要原因。再版的目的是使读者能够了解当前最先进的扩谱通信系统。此版本针对扩谱码跟踪、归一化最小二乘算法、跳频分集、直扩多码和 MIMO 系统、干扰抵消、最佳跳频图案、补码、拉普拉斯变换和特征函数、正交函数以及厄米特正定矩阵等内容，或增加了新的章节，或补充了原有章节。书的其余部分也作了彻底改进，以更好地方便读者阅读。
本书对扩谱通信系统进行了更为综合和深入的论述，适于具有扎实数字通信理论基础的研究生和在职工程师使用。正如本书标题所指出的，本书的重点在于原理，而非其他许多书中所述的特定的现有系统或已设计的系统。本书的主要目标是对扩谱系统的基本原理进行简明清晰的说明，重点介绍有助于未来研究的理论原理和数学分析方法。对于本书特定主题的选择，我折中考虑了这些主题的实用意义以及研究人员和系统设计人员的兴趣。全书对经典理论重新进行了推导，并给出了最新的研究结果，从而将读者带入该领域的前沿。本书分析方法和部分内容的描述也可应用于各类通信系统。每章结尾列出的思考题可用于帮助读者巩固知识，并提供分析技巧的训练。我所列出的参考文献，建议读者深入研究或作为其他研究的参考资料。
目前并没有制约扩谱通信有效性的基本理论障碍，这是一个重要但并不显而易见的事实，因为扩谱信号带宽的增加使得通过接收滤波器过滤到达解调器的噪声功率成为必须。然而，当任何信号和高斯白噪声通过一个与信号匹配的滤波器时，采样滤波器输出的信噪比仅取决于信号能量与噪声功率谱密度之比。因此，输入信号的带宽是无关紧要的，且扩谱信号并无固有的内在限制。
第 1 章回顾了编码和调制理论的基本结论，这些结论对于全面理解扩谱系统是必需的。本章中，编码和调制理论用于推导所需要的接收机计算方法及译码后信息比特的错误概率，重点阐述在扩谱系统中已被证明最为有用的编码与调制类型。信道编码也称为纠错编码或差错控制编码，它对于充分发挥扩谱系统的潜在能力具有至关重要的作用。尽管直扩系统能够极大地抑制干扰，然而实际的直扩系统仍需信道编码来降低残留干扰和信道损失（如衰落）的影响。尽管设计跳频通信系统的目的是为了躲避干扰，但它也可能会跳入一个非期望的频谱区域，这就需要信道编码来保证系统所需的性能。
第 2 章阐述了直扩系统的基本原理。本章首先阐述了基本的扩谱序列和波形，然后详细分析了直扩接收机如何抑制各种干扰。直接序列调制将高速扩谱序列直接加在低速数据序列上，从而使得发射信号具有相对较宽的带宽。在接收机中移除扩谱序列使得带宽减小，从而能够采用合适的滤波器来消除很大一部分干扰。
第 3 章的内容涵盖了跳频系统的基本原理。跳频是发射信号的载波频率周期性改变的通信方式。跳频系统的这种时变性赋予系统很强的潜在抗干扰能力。直扩系统依靠频谱扩展、解扩及滤波来抑制干扰，而跳频系统抑制干扰的机理是躲避干扰。当躲避失败时，由于载波频率周期性改变，跳频信号仅被暂时干扰。通过广泛采用信道编码，干扰对跳频系统的影响将进一步减轻。从这一点来说，跳频系统比直扩系统更需要信道编码。跳频系统的基本概念、频谱、性能，以及编码和调制问题都在本章进行了介绍。本章还研究了部分频带干扰和多音干扰的影响。此外，对频率合成器设计中最重要的问题也进行了阐述。
第 4 章介绍了直扩系统和跳频系统的扩谱码同步方法。扩谱接收机必须通过扩谱码同步产生与接收的直扩序列或跳频图案同步的直扩序列或跳频图案。接收机或其生成的直扩序列码片或跳频驻留间隔必须通过扩谱码同步之后才能精确或近似一致。任何偏差都将导致解调器的输出信号幅度下降，下降幅度与自相关或部分自相关函数有关。在实际实现时，将同步分为捕获和跟踪两个步骤，可以极大地方便扩谱码同步。码捕获通过将接收机生成的码片或跳频驻留间隔可能的时间偏移限定在一定的量化范围内来实现粗略同步。码捕获几乎一直是整个扩谱系统的设计关键，也是最昂贵的部分。在码捕获之后，通过码跟踪来实现精细同步，从而进一步减少同步误差，或者至少将同步误差保持在一定范围内。符号同步是由码同步系统实现的，用于向译码器提供符号检测所需的定时脉冲。
自适应滤波和自适应阵列作为通信系统的组成部分得到了广泛应用。第 5 章的内容涵盖了此类自适应滤波器和自适应阵列，它们可利用扩谱信号特殊的频谱特征使得干扰抑制程度超出解扩或解跳本身的固有能力。本章给出了用于抑制窄带干扰及主要用于抑制宽带干扰的自适应滤波器；本章对最小二乘（LMS）算法、归一化 LMS 算法和 Frost 算法进行了推导，并确定了其平均权重向量的收敛条件；本章对用于直扩系统及跳频系统的自适应阵列也进行了阐述，并显示出它们具有很高的潜在干扰抑制能力。
第 6 章对衰落中最重要的问题和抗衰落分集方法的作用进行了总体描述。传播媒质物理特性的变化使得发射信号多径分量的相互作用发生变化，从而导致接收信号强度的变化，形成衰落。抗衰落的主要手段是分集，它主要利用了同一信号的两个或多个独立衰落多径分量之间潜在的冗余度。分集的基本原理在于：尽管信号的部分多径分量会衰落，但是其他分量大概率不会衰落。直扩信号和跳频信号都证明存在分集。作为多数直扩系统的核心，Rake 解调器并非简单地消除多径信号，而是能够充分利用不希望出现的多径信号。多载波直扩系统和频域均衡被证明是处理多径信号的有效替代方法。
多址接入是指多个用户共享公共传输媒质并相互进行通信的能力。若发射信号是正交的或在某种意义上是可分离的，那么就可实现无线多址通信。信号可通过时间（时分多址（TDMA））、频率（频分多址（FDMA））或扩谱码（码分多址（CDMA））来区分。第 7 章阐述了直接序列 CDMA（DS - CDMA）系统和跳频 CDMA（FH - CDMA）系统的一般特征。CDMA 中应用扩谱调制可允许多个用户在同一频段上同时传输信号。虽然所有信号都使用分配到的全部频谱，但扩谱序列或跳频图案却各不相同。信息论表明，对于一个孤立的小区，只有应用了最优多用户检测时，CDMA 系统才能获得与 TDMA 或 FDMA 系统相同的频谱效率。然而，即使是单用户检测，CDMA 对于移动通信网络也是很有优势的，因为它无须在小区间协调频率和时隙，允许载波频率在相邻小区间复用，且对用户数量的上限没有严格要求，还具有抗干扰与抗截获能力。多用户检测技术潜力巨大但实际应用困难，如最优检测器、解相关检测器、最小均方误差检测器或自适应检测器等，本章也对其进行了推导和阐述，并确定了具有空间复用或波束成形的直接序列多输入多输出的权衡和设计问题。
第 8 章分析了多址干扰对采用 DS - CDMA 和 FH - CDMA 的移动 Ad Hoc 网络及蜂窝网络的影响。使用扩谱技术的移动通信网络中存在的显著现象和问题包括隔离区、保护带、功率控制、速率控制、网络策略、小区扇区化以及各种扩谱参数的选择等。网络性能的基本度量，即中断概率，在 Ad Hoc 和蜂窝网络，以及 DS - CDMA 和 FH - CDMA 系统中都进行了推导。本章对 DS - CDMA 蜂窝网络中所需的捕获和同步技术也进行了阐述。
第 9 章研究了迭代信道估计在设计先进扩谱系统中的作用。信道参数的估计，如衰落幅度和干扰加噪声的功率谱密度等，对软判决译码的有效使用必不可少。信道估计可通过接收机处理收到的导频信号来实现，但发射导频信号会增加开销，如数据吞吐量下降等。直接从接收的数据符号中得到信道的最大似然估计通常极为困难。另一种有效的方法是使用 Turbo 码或低密度奇偶校验码。本章对期望最大化算法进行了推导和说明，它能够为最大似然方程提供一种迭代近似解，且与迭代解调、译码算法天然契合。本章阐述和分析了先进扩谱系统中应用迭代信道估计、解调、译码的两个案例，它们为设计先进系统所要进行的计算提供了良好的例证。
认知无线电、超宽带以及军事电子信息系统通常要求具备检测扩谱信号的能力。针对扩谱序列及跳频图案未知或无法被检测器精确估计的问题，第 10 章对扩谱信号的检测问题进行了分析。因此，检测器不能简单模仿扩谱通信接收机的处理方法，而是需要进行其他处理。本章仅限于研究扩谱信号的检测方法，而不涉及解调或译码。然而，根据检测理论对扩谱信号进行检测会导致检测装置难以实现。另一种方法是使用无线场强计或能量检测器，即仅依靠能量测量来确定未知信号的存在性。能量检测器不仅可用于扩谱信号的检测，还可用于认知无线电和超宽带系统的常规感知。
本书最后的 8 个附录对高斯随机过程和中心极限定理、矩母函数和拉普拉斯变换、傅里叶变换和特征函数、确定信号和随机信号特征、概率分布函数、正交函数和参数估计、厄米特正定矩阵及特殊函数的重要数学原理进行了详细描述。
撰写本书时，我很大程度上依赖于事前先充分准备的笔记和文档，以及我在美国陆军研究所工作时获得的理念。非常感谢我的同行 Matthew Valenti、Hyuck Kwon，他们审阅了原始书稿的全部章节。此外，非常感激我的妻子 Nancy，她不仅给予我坚定的支持，而且还在文本编辑方面给予了我广泛的协助。
唐?托列里
于美国马里兰州银泉
目录第 1 章 信道编码与调制
1.1 分组码
1.1.1 硬判决译码器
1.1.2 软判决译码器
1.2 调制和编码度量
1.2.1 脉冲幅度调制
1.2.2 正交调制
1.2.3 FSK 符号检测
1.2.4 性能实例
1.3 卷积码与格型码
1.3.1 契尔诺夫界
1.3.2 网格编码调制
1.4 交织器
1.5 经典级联码
1.5.1 乘积码
1.6 Turbo 码
1.6.1 BCJR 译码算法
1.6.2 并行级联 Turbo 码
1.6.3 卷积 Turbo 码
1.6.4 并行分组 Turbo 码
1.6.5 Turbo 网格编码调制
1.6.6 串行级联 Turbo 码
1.6.7 Turbo 乘积码
1.7 迭代解调与译码
1.7.1 比特交织编码调制
1.7.2 仿真实例
1.8 低密度奇偶校验码
1.8.1 结构化 LDPC 码
1.8.2 LDPC 码性能
1.9 思考题
参考文献
第 2 章 直接序列扩谱系统
2.1 定义与概念
2.2 扩谱序列
2.2.1 随机二进制序列
2.2.2 移位寄存器序列
2.2.3 最大序列
2.2.4 特征多项式
2.2.5 自相关函数和功率谱
2.3 长周期非线性序列
2.3.1 易破译性
2.3.2 非线性产生器
2.4 BPSK 调制系统
2.4.1 载波频率上的单音干扰
2.4.2 一般的单音干扰
2.4.3 高斯干扰
2.4.4 复二进制扩谱序列
2.5 四进制系统
2.5.1 双四进制系统
2.5.2 平衡四进制系统
2.5.3 采用信道编码的系统
2.6 脉冲干扰和译码度量
2.7 非相干直扩系统
2.8 基于带通匹配滤波器的解扩
2.8.1 声表面波滤波器
2.8.2 抗多径的相干系统
2.9 思考题
参考文献
第 3 章 跳频扩谱系统
3.1 概念和特征
3.2 正交 CPFSK 跳频
3.2.1 系统说明
3.2.2 多音干扰
3.3 DPSK 和 CPM 调制的跳频系统
3.3.1 FH/DPSK
3.3.2 FH/CPM
3.4 FH/CPM 的功率谱密度
3.5 解跳后 FH/CPFSK 信号的数字解调
3.6 部分频带干扰和信道编码
3.6.1 RS 编码
3.6.2 网格编码调制
3.6.3 Turbo 码与 LDPC 码
3.7 混合扩谱系统
3.8 频率合成器
3.8.1 直接频率合成器
3.8.2 直接数字频率合成器
3.8.3 间接频率合成器
3.8.4 多环频率合成器
3.8.5 小数分频频合器
3.9 思考题
参考文献
第 4 章 扩谱码同步
4.1 扩谱序列的同步
4.1.1 扩谱码定时偏差和频率偏差估计
4.1.2 捕获估计量
4.2 快速捕获
4.2.1 匹配滤波器捕获
4.2.2 序贯估计器
4.3 顺序搜索捕获
4.3.1 切比雪夫不等式的应用
4.3.2 均匀分布下的均匀搜索
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