本书从数字信号处理的角度，建立了通信原理，包括关键的数学背景、发射机和接收机的信号处理算法、信道模型以及对多个天线的概括。描述了用于实现无线通信链路的特定接收机算法：包括同步、载波频率偏移估计、信道估计和均衡，并把这些概念扩展到当代MIMO系统。本书建立在信号处理基础之上，不需要模拟或数字通信的前期课程，可作为高年级本科和研究生的教材，亦可供工程师阅读参考.
无
我写这本书的目的是使无线通信的原理更容易理解。无线通信是互联网接入的主要方法，即设备连接互联网和连接彼此的手段。尽管无线技术无处不在，但对于许多工程师来说，无线通信的原理仍然很模糊。主要原因似乎是无线通信的技术概念是建立在数字通信的基础之上的。然而，数字通信通常是在电气工程本科课程结束阶段才开始学习的，此时已没有时间安排无线通信课程。其他专业的学生，比如计算机科学或航空航天工程等相关领域的学生，对无线通信更是知之甚少，因为他们可能压根也没有学习过数字通信课程。因此，本书提供了学习无线通信以及数字通信的基础知识的方法。
在数字信号处理（DSP）的背景下学习无线通信，是本书的一个前提。DSP方法的实用性源于以下事实：无线通信信号（至少理想情况下）是有限带宽的。利用奈奎斯特定理，可通过离散时间的采样值来表示带限连续时间信号。结果，离散时间可用于表示无线系统中的连续传输和接收的信号。利用该关系，像多径衰落和噪声这样的信道损耗，便可以用离散时间的等效来表示，从而为接收到的信号创建离散时间模型。在这种方式下，数字通信系统可以视为离散时间系统。
许多经典的信号处理函数可在数字通信系统的离散时间等效模型中发挥作用。多径无线信道可用线性时不变系统建模，与冲激响应的卷积作为信道的输出，而解卷积用于均衡信道影响。上采样、下采样和多速率特性适用于发射机脉冲整形和接收机匹配滤波的高效实现。快速傅里叶变换是两种重要的调制/解调技术的基础：正交频分复用和单载波频域均衡。线性估计和最小二乘是用于信道估计（估计未知滤波器响应）和均衡（发现反卷积滤波器）的算法的基础。用于估算噪声中未知正弦波参数的算法则用于载波频率偏移的估计。简而言之，信号处理一直是通信的一部分，因此，可以基于与信号处理的联系来学习数字通信。
第1章介绍无线通信和信号处理，并提供一些历史背景。该章的一个亮点是讨论无线通信的不同应用，包括广播无线电和电视、蜂窝通信、局域网、个人局域网、卫星系统、自组织网络、传感器网络乃至水下通信。对应用的回顾为本书的后续例题和习题提供了上下文联系，这些问题通常借鉴无线局域网、个人局域网或蜂窝通信系统的发展。
在接下来的两章中，讲述建立数字通信和信号处理的基本背景。从第2章的数字通信系统的典型框图开始，解释发射机和接收机的每个框图。包括源编码、加密、信道编码和调制的重要功能，并对无线信道进行讨论。该章的其余部分重点介绍这些功能的一部分，包括调制、解调和信道。为了提供适当的数学背景，在第3章中对信号处理的重要概念进行了概述，包括确知信号和随机信号、频带和多速率信号处理，以及线性估计。该章提供的数学工具可从从信号处理角度描述数字通信发射机和接收机操作。
根据已有的基本原理，在第4章中继续对调制和解调进行更深入的探讨。在该章中，不是对所有的调制方式都进行深入的研究，而是专注于用复脉冲幅度调制表述的方法。这通常足以涵盖商用无线系统中使用的大多数波形情况。解调过程是在加性高斯白噪声信道假设下进行的，包括脉冲成形、最大似然检测和符号错误概率。发射机和接收机的关键部分用多速率信号处理的概念来描述。该章以信号处理的视角介绍经典数字通信。
第5章详细介绍了无线环境下的接收机算法。描述了特定的损耗，包括符号定时偏移、帧定时偏移、载频偏移和频率选择信道。此外，还介绍几种用于减少损耗的方法，包括基于最小二乘估计来估计未知参数的算法，以及利用时域或频域均衡的策略。我关注的是尽可能以最简单的方式处理损耗的算法，为将来可能遇到的更高级的算法奠定基础。该章最后介绍大尺度和小尺度信道模型，并讨论信道的时间和频率选择性特征。该章的内容对于无线系统的设计与实现至关重要。
最后一章，即第6章，将第4章和第5章的概念推广到使用多个发射天线或多个接收天线的系统，通常称为MIMO通信。在该章中，定义了不同的MIMO操作模式，并对它们做了进一步的研究，包括接收机分集、发射机分集和空间复用。从本质上说，前面对信道的大多数表示，通过引入适当的矢量和矩阵符号，均可以推广到MIMO的情形，伴随而来的还有接收机算法中额外增加的复杂度。该章的大部分内容都集中在衰落信道模型上，但最后推广到了频率选择性信道。无线通信基础与目前广泛应用于商业无线系统的通信系统类型之间的重要联系，正是该章的主要内容。
我写本书是因为一门课程“无线通信研究”，这门课是得克萨斯大学奥斯汀分校（UT Austin）为高年级本科生和研究生新生开设的。该课程讲义部分以本书的草稿为基础。实验部分的讲义则采用了我编写的实验手册《Digital Wireless Communication:Physical Layer Exploration Lab Using the NI USRP》，该书由美国国家技术和科学出版社于2012年出版。该实验手册与NI提供的USRP硬件包配套发行。在实验室中，同学们实现了正交幅度调制和解调。他们必须处理一系列更复杂的缺陷，包括噪声、多径信道、符号定时偏移、帧定时偏移和载频偏移。该实验室提供了一种途径，让同学们看到了书中的概念如何在实际无线信号中发挥作用。对于自学者或者没有实验条件的学习者，我引入了几个计算机仿真实验，用于仿真通信中的关键部分。为了能够观察到概念与实际的关系，你们可以将书中的算法应用于声音信道，只需要扬声器和麦克风。我过去曾将该方法用于“近垂直入射高频天波”无线链路的原型机中，该机工作于业余无线电频段。
本书可根据实验条件的具体情况，以不同的方式使用。在初级本科课程中，讲授内容涵盖第1～5章，并在开始阶段花额外的时间讲解数学原理。对于高级本科课程，讲授内容涵盖全书。对于研究生课程，可通过一个额外的实践或研究项目来涵盖整本书。在得克萨斯大学奥斯汀分校，我为本科生和研究生教授的课程涵盖了全书以及上述实验手册中的前几个实验。研究生也要做一个实验项目。
强烈推荐这本教材作为独立学习素材，因为第2章和第3章对基础知识进行了全面的回顾。在学习第4～6章的主要内容之前，建议读者仔细回顾数学基础知识。为了消化书中的内容，建议读者亲自做一遍所有的例题，以帮助理解关键的思想。对于作业，建议选择部分习题。相信本书能够为深入研究无线通信奠定良好的基础。
随着无线通信技术不断融入我们的生活，无线技术也在不断地发展。希望本书能为无线领域提供一个新鲜的视角，并成为未来发展的起点。在informit.com上注册账户，以方便下载、更新和修正本书。在网址上输入产品ISBN(9780134431796)并单击提交。完成此过程后，您将在“已注册产品”下找到任何可用的附加内容。
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无线通信
无线通信在电气工程和计算机科学中至关重要，本书是得克萨斯大学奥斯汀分校的教材，作者是斯坦福大学电气工程专业博士，内容以信号处理为基础，不需要模拟或者数字通信的先修课程，提供了一种基于信号处理视角的学习无线通信的方法，涵盖用于无线通信链路的典型接收机算法，包括同步、载频偏移估计、信道估计和均衡，并扩展到了现代的MIMO系统。本书适合作为高年级本科生或一年级研究生学习无线数字通信系统原理的教材，也适合作为电子工程师以及非通信专业背景的工程师的技术参考书。
本书要点
无线通信基础：应用、历史和信号处理的核心角色
数字通信实质：组成部分、信道、失真、编码与译码、加密与调制解调
信号处理：线性时不变系统、概率论与随机过程、傅里叶变换、复基带信号表示与等效信道的推导以及多速率信号处理
复脉冲幅度调制：符号映射、星座图、信号带宽与噪声
最小均方估计技术、符号同步、帧同步和载频偏移
频率选择性信道估计和均衡
采用多收发天线的MIMO技术，包括SIMO、MISO和MIMO-OFDM
作者简介
罗伯特·W. 希思（Robert W. Heath Jr.） 斯坦福大学电气工程专业博士。从2002年起，就职于得克萨斯大学奥斯汀分校电子与计算机工程系，是Cullen高等教育信托基金讲席教授。他还是MIMO无线公司的总裁兼CEO。其研究方向涉及无线通信和信号处理的多个领域，如5G蜂窝系统、MIMO通信、毫米波通信，以及自适应视频传输和多种信号处理、可穿戴式网络的无线通信应用。他曾是IEEE信号处理学会的杰出讲师和当选理事，以及IEEE会士。
[美]罗伯特·W. 希思（Robert W. Heath Jr.）著：罗伯特?W. 希思（Robert W. Heath Jr.），斯坦福大学电气工程专业博士。从2002年起，就职于得克萨斯大学奥斯汀分校电子与计算机工程系，是Cullen高等教育信托基金讲席教授。他还是MIMO无线公司的总裁兼CEO。其研究方向涉及无线通信和信号处理的多个领域，如5G蜂窝系统、MIMO通信、毫米波通信，以及自适应视频传输和多种信号处理、可穿戴式网络的无线通信应用。他曾是IEEE信号处理学会的杰出讲师和当选理事，以及IEEE会士。
无线通信不仅是一种基本的通信技术，也是互联网接入的主要方法，即设备连接互联网和连接彼此的手段。它不仅包含通信工程和电子技术领域工程师需要掌握运用的技术原理，也涉及网络应用其他领域的工程师需要理解的知识。对于无线通信技术的理解需要建立在对数字通信理论的理解之上，对于非通信专业的学生而言，往往没有相关的知识基础。本书提供了一种基于信号处理视角的学习无线通信的方法以及数字通信的基础知识的途径。
本书与其他无线数字通信教材的最大不同是：采用信号处理视角，阐释原理时直接利用数字信号处理的表述方式，采用离散傅里叶变换进行分析，而非一般教材做原理分析时采用的连续信号分析方式。采用数字信号处理（DSP）的视角源于离散时间可用于表示无线系统中连续传输和接收的信号的观察。
本书的另一个特色是，篇章结构采用分层递进方式，利于教师针对不同层面的教学对象进行内容取舍。第1章介绍无线通信和信号处理，并提供一些历史背景。第2章、第3章建立数字通信和信号处理的基本背景。第4章以信号处理的视角对调制和解调进行更深入的探讨。第5章详细介绍了无线环境下的接收机算法。第6章将第4章和第5章的概念推广到MIMO通信。教师可以根据课程设置的层次灵活选取内容。这种设计也是基于作者在得克萨斯大学奥斯汀分校的教学经验。作者所开设的本科和研究生课程即采用本书作为教材。对于本书在不同教学层面的使用及配套实验设置，作者的亲身实践提供了具体范例。
作者Robert W.Heath Jr.具有丰富的工程实践经验和教学科研经验。他是德州仪器的注册专业工程师，自2002年起任教于得克萨斯大学奥斯汀分校电子与计算机工程系。他也是MIMO无线公司的总裁兼CEO。
我们很高兴承担了此书的翻译工作。本书第1、5章由郭宇春翻译，第2、3章由李磊翻译，第4、6章由张立军翻译。
我们相信本书能为国内通信工程、电子工程等专业的教师和学生提供有意义的参考，特别能为非通信类专业的教师和学生提供一个数字信号处理视角的无线通信教材。本书适合作为高年级本科生或一年级研究生学习无线数字通信系统原理的教材，开设1~2学期的课程；也适合为电子工程师以及非通信专业背景的工程师提供无线数字通信的参考。
译者
于北京交通大学
出版者的话
译者序
前言
致谢
第1章 引言1
1.1 无线通信简介1
1.2 无线系统2
1.3 无线通信的信号处理10
1.4 本书贡献12
1.5 本书框架13
1.6 符号和常用定义14
1.7 小结16
习题16
第2章 数字通信概述18
2.1 数字通信简介18
2.2 单一无线数字通信链路概述18
2.3 无线信道20
2.4 信源编码与译码23
2.5 加密与解密26
2.6 信道编码与译码27
2.7 调制与解调31
2.8 小结37
习题37
第3章 信号处理基础40
3.1 信号与系统40
3.2 统计信号处理61
3.3 频带信号处理76
3.4 多速率信号处理86
3.5 线性估计91
3.6 小结100
习题100
第4章 数字调制与解调112
4.1 用于复脉冲幅度调制的发射机112
4.2 符号映射和星座114
4.3 计算x（t）的带宽和功率119
4.4 AWGN信道中的通信120
4.5 脉冲整形的数字实现133
4.6 小结136
习题137
第5章 处理损伤143
5.1 频率平坦无线信道143
5.2 频率选择性信道的均衡156
5.3 估计频率选择性信道169
5.4 频率选择性信道中的载频偏移校正176
5.5 无线传播简介184
5.6 大尺度信道模型186
5.7 小尺度衰落选择性191
5.8 小尺度信道模型198
5.9 小结202
习题203
第6章 MIMO通信216
6.1 多天线通信简介216
6.2 平坦衰落SIMO系统的接收机分集221
6.3 MISO系统的发射分集227
6.4 MIMO收发机技术235
6.5 MIMO-OFDM收发机技术250
6.6 小结255
习题256
参考文献259
术语表281
