《通信之道 從微積分到5G》按照讀者的思維順序講述了從微積分到 5G 所涉及的基礎(chǔ)知識和關(guān)鍵技術(shù)。 《通信之道 從微積分到5G》共 20章，具有以下特點(diǎn)： （1）跨度極大，內(nèi)容翔實(shí)：涉及數(shù)學(xué)、信號處理、通信原理、通信前沿技術(shù)等多個學(xué)科領(lǐng)域，知識密度極高，并且是最精華的部分。 （2）降低難度，提升高度：本書敘述符合讀者的思維發(fā)展規(guī)律，并逐級提高，前后呼應(yīng)，語言風(fēng)趣幽默，節(jié)奏平穩(wěn)；作者站高望遠(yuǎn)，直擊本質(zhì)，學(xué)術(shù)境界超越經(jīng)典。 （3）啟發(fā)互動，培養(yǎng)創(chuàng)新：在多個環(huán)節(jié)上對讀者提出挑戰(zhàn)，啟發(fā)讀者思考，并給出作者的思考過程，培養(yǎng)讀者的創(chuàng)新思維。 《通信之道 從微積分到5G》可作為通信和信號處理相關(guān)專業(yè)的本科生及研究生的教輔書，也可作為從業(yè)技術(shù)人員的參考資料。
讀了《通信之道——從微積分到5G》，才發(fā)現(xiàn)原來龐大復(fù)雜的通信主題，可以講得如此清晰生動。真正滿足了通信人的期待！
楊學(xué)志，1970年出生于中國山東省。1988年考入清華大學(xué)，獲得學(xué)士、碩士和博士學(xué)位。1998年進(jìn)入北京大學(xué)從事博士后研究工作。2000年進(jìn)入華為公司，長期從事無線通信領(lǐng)域的研究工作。 他是3G/4G多項(xiàng)核心技術(shù)的發(fā)明人，包括頻域多用戶檢測，隨機(jī)波束賦形，軟頻率復(fù)用（SFR）和sOFDM技術(shù)，其中SFR和sOFDM是4G的奠基性技術(shù)。2012年10月從華為公司離職，獨(dú)立進(jìn)行5G關(guān)鍵技術(shù)研究，提出了多級軟頻率復(fù)用技術(shù)，使得SFR成為無線通信技術(shù)發(fā)展的里程碑之一。
第1章 緒論1
1.1 這是一本什么樣的書1
1.2 什么是通信3
1.3 通信的歷史3
第2章 幫“菜鳥”復(fù)習(xí)一下微積分5
2.1 微積分的創(chuàng)立5
2.2 極限7
2.2.1 數(shù)列的極限7
2.2.2 函數(shù)的極限8
2.3 你討厭數(shù)學(xué)公式嗎9
2.4 連續(xù)11
2.5 導(dǎo)數(shù)12
2.6 微分15
2.7 積分16
2.8 微積分基本定理18
2.9 積分中值定理20
2.10 稍微等一等21
2.11 微積分第一基本定理的證明21
2.12 微積分第二基本定理的證明22
2.13 泰勒級數(shù)25
2.14 多元函數(shù)與偏導(dǎo)數(shù)26
2.15 后記28
第3章 信號與系統(tǒng)31
3.1 “信號與系統(tǒng)”是一門什么樣的課程31
3.2 連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)31
3.3 線性系統(tǒng)34
3.4 時/移不變系統(tǒng)34
3.5 線性系統(tǒng)對激勵的響應(yīng)35
3.5.1 離散_ 信號35
3.5.2 離散卷積35
3.5.3 連續(xù)_ 函數(shù)38
3.5.4 連續(xù)卷積40
3.6 卷積的性質(zhì)43
第4章 復(fù)變函數(shù)45
4.1 從實(shí)數(shù)到復(fù)數(shù)45
4.2 復(fù)數(shù)的四則運(yùn)算46
4.3 虛數(shù)i是怎樣的一個數(shù)47
4.4 復(fù)指數(shù)函數(shù)50
4.5 著名的歐拉公式52
第5章 傅里葉分析55
5.1 傅里葉級數(shù)55
5.1.1 三角形式的傅里葉級數(shù)55
5.1.2 為什么正弦信號如此重要57
5.1.3 什么是頻率58
5.1.4 復(fù)指數(shù)形式的傅里葉級數(shù)59
5.1.5 理解負(fù)頻率59
5.2 傅里葉變換60
5.2.1 理解譜密度61
5.2.2 傅里葉變換存在的條件62
5.3 傅里葉變換的性質(zhì)62
5.4 典型函數(shù)的傅里葉變換66
5.5 卷積定理69
5.6 線性系統(tǒng)的頻率特性70
5.7 離散傅里葉變換71
5.8 離散序列的連續(xù)傅里葉變換74
5.9 離散傅里葉變換的性質(zhì)76
5.10 循環(huán)卷積79
5.11 離散卷積定理81
第6章 采樣，通往數(shù)字世界的第一步85
6.1 采樣保持電路85
6.2 采樣的數(shù)學(xué)表達(dá)86
6.3 周期矩形脈沖87
6.4 周期沖激脈沖88
6.5 采樣定理90
6.6 用采樣信號重構(gòu)原信號91
6.7 頻域采樣定理92
6.8 奈奎斯特定理能夠被突破嗎94
第7章 信號的譜分析97
7.1 一個簡單的信號97
7.2 頻率分辨率101
7.3 泄漏效應(yīng)102
第8章 線性空間理論105
8.1 數(shù)學(xué)之道105
8.2 線性空間的定義105
8.3 度量空間106
8.4 賦范空間107
8.5 內(nèi)積空間108
8.6 正交與正交基112
8.7 再看傅里葉變換115
第9章 基本通信鏈路119
9.1 為什么需要調(diào)制120
9.2 調(diào)制——頻譜搬移122
9.3 相干解調(diào)122
9.4 非相干解調(diào)124
9.5 載波恢復(fù)126
9.6 鎖相環(huán)126
9.7 平方環(huán)129
9.8 Costas 環(huán)131
9.9 雙邊帶信號132
9.10 單邊帶信號133
9.11 Hilbert 變換134
9.12 單邊帶信號的發(fā)送與接收137
9.13 探究竟，起懷疑140
9.14 IQ 調(diào)制140
9.15 IQ 信號的復(fù)數(shù)表達(dá)142
9.16 復(fù)數(shù)基帶信號與復(fù)信道143
9.17 數(shù)字調(diào)制146
9.18 奈奎斯特第一準(zhǔn)則147
9.19 脈沖成形濾波器150
9.20 幾種數(shù)字調(diào)制方式155
9.21 連續(xù)相位調(diào)制157
9.21.1 非連續(xù)相位頻移鍵控159
9.21.2 連續(xù)相位頻移鍵控161
9.21.3 最小頻移鍵控162
9.21.4 高斯濾波最小頻移鍵控163
9.21.5 從另外一個視角看MSK 166
9.22 數(shù)字調(diào)制技術(shù)之華山論劍169
第10章 概率論與隨機(jī)過程173
10.1 什么是概率173
10.2 聯(lián)合事件和聯(lián)合概率175
10.3 條件概率175
10.4 隨機(jī)變量177
10.5 隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)量179
10.6 兩個典型的概率密度函數(shù)180
10.6.1 平均分布180
10.6.2 高斯分布180
10.7 中心極限定理181
10.8 多隨機(jī)變量的聯(lián)合分布182
10.9 條件概率分布183
10.10 聯(lián)合矩184
10.11 n 維高斯分布186
10.12 隨機(jī)過程187
10.13 平穩(wěn)隨機(jī)過程187
10.14 復(fù)隨機(jī)過程189
10.15 功率密度譜190
10.16 循環(huán)平穩(wěn)過程192
10.17 各態(tài)歷經(jīng)過程193
10.18 隨機(jī)信號通過線性時不變系統(tǒng)194
10.19 隨機(jī)過程的采樣定理196
10.20 離散隨機(jī)過程和系統(tǒng)198
10.21 典型隨機(jī)過程199
10.22 閑話概率論201
第11章 AWGN 信道的最佳接收機(jī)203
11.1 畝產(chǎn)估計(jì)問題203
11.2 參數(shù)估計(jì)的模型204
11.3 離散觀測的最大似然準(zhǔn)則204
11.4 連續(xù)觀測的最大似然準(zhǔn)則206
11.5 最大后驗(yàn)概率準(zhǔn)則208
11.6 匹配濾波器209
11.7 數(shù)字解調(diào)213
11.8 2PAM 的誤碼率215
11.9 載波恢復(fù)和符號同步218
11.10 符號同步219
11.11 無判決反饋的符號同步算法222
第12章 無線信道227
12.1 慢衰落227
12.2 多徑效應(yīng)與快衰落230
12.2.1 二徑模型231
12.2.2 瑞利衰落232
12.2.3 時間選擇性衰落和頻率選擇性衰落233
12.3 小結(jié)236
第13章 均衡237
13.1 橫向抽頭濾波器237
13.2 MF、ZF 和MMSE 濾波器238
13.2.1 匹配濾波器240
13.2.2 迫零算法241
13.2.3 最小均方誤差算法243
13.2.4 MF、ZF 和MMSE 的關(guān)系244
13.2.5 ZF 和MMSE 的快速算法244
13.3 數(shù)字均衡技術(shù)245
13.3.1 時域均衡245
13.3.2 頻域均衡246
13.4 信道估計(jì)249
13.4.1 信道估計(jì)的系統(tǒng)方程250
13.4.2 導(dǎo)頻設(shè)計(jì)問題251
13.4.3 病態(tài)問題252
13.4.4 優(yōu)化導(dǎo)頻和優(yōu)化矩陣特性254
13.5 小結(jié)255
第14章 多址技術(shù)257
14.1 FDMA 與TDMA 257
14.2 CDMA 259
14.2.1 擴(kuò)頻增益261
14.2.2 正交碼262
14.2.3 Rake 接收機(jī)263
14.2.4 CDMA 的多用戶模型和自干擾特性266
14.2.5 遠(yuǎn)近效應(yīng)268
14.2.6 功率控制268
14.2.7 CDMA 系統(tǒng)的特性269
14.2.8 時域多用戶檢測270
14.2.9 頻域多用戶檢測271
14.2.10 CDMA 小結(jié)283
14.3 OFDMA 284
14.3.1 OFDM 也是一種CDMA 284
14.3.2 OFDM 如何克服多徑效應(yīng)286
14.3.3 OFDM 的多用戶干擾289
14.3.4 OFDM 的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)和信道估計(jì)290
14.3.5 SC-FDMA 291
14.3.6 OFDM 領(lǐng)域的核心專利293
14.4 多址技術(shù)小結(jié)299
第15章 信息論301
15.1 什么是信息和比特301
15.2 信息熵304
15.3 復(fù)習(xí)一下條件概率305
15.4 聯(lián)合熵和條件熵307
15.5 互信息308
15.6 凸函數(shù)與Jensen 不等式310
15.7 連續(xù)隨機(jī)變量的微熵312
15.8 高斯分布的微熵314
15.9 連續(xù)隨機(jī)變量的互信息315
15.10 離散信道容量316
15.11 加性高斯白噪聲信道容量318
15.12 注水定理320
15.13 信息論小結(jié)320
第16章 蜂窩通信323
16.1 頻率復(fù)用323
16.2 切換324
16.3 避免乒乓切換325
16.4 同頻復(fù)用326
16.5 軟切換327
16.6 分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用329
16.7 最佳復(fù)用因子331
16.8 軟頻率復(fù)用334
16.9 軟頻率復(fù)用的應(yīng)用336
16.10 軟頻率復(fù)用的局限338
16.11 多級軟頻率復(fù)用339
16.12 多級軟頻率復(fù)用的性能340
16.13 蜂窩通信小結(jié)344
第17章 信道編碼347
17.1 信道編碼的基本概念347
17.2 群、環(huán)、域348
17.3 線性分組碼350
17.4 線性分組碼的解碼算法353
17.5 編碼增益的本質(zhì)354
17.6 哈明碼355
17.7 哈達(dá)瑪碼356
17.7.1 正交碼357
17.7.2 雙正交碼357
17.7.3 超正交碼357
17.8 Reed-Muller 碼358
17.9 循環(huán)碼360
17.10 卷積碼363
17.11 小結(jié)365
第18章 多天線技術(shù)367
18.1 MIMO 信息論367
18.2 利用SVD 解讀MIMO 370
18.3 MIMO 預(yù)編碼374
18.4 MIMO 接收機(jī)算法375
18.5 智能天線375
18.6 DOA 估計(jì)378
18.7 智能天線的困難379
18.8 Alamouti編碼379
18.9 分集和復(fù)用381
18.10 隨機(jī)波束賦形382
18.11 循環(huán)延時分集388
18.12 隨機(jī)波束賦形與STBC 結(jié)合390
18.13 MIMO 的局限392
第19章 關(guān)于創(chuàng)新的思考395
19.1 什么是創(chuàng)新395
19.2 創(chuàng)新的方法397
19.3 創(chuàng)新的評價方法400
19.4 創(chuàng)新的驅(qū)動力401
19.5 研究與開發(fā)的區(qū)別402
19.6 基于信息不對稱的管理不適合創(chuàng)新403
19.7 創(chuàng)新的發(fā)展規(guī)律404
19.8 流程是質(zhì)量的基礎(chǔ)，人決定質(zhì)量的高度405
19.9 基于信譽(yù)的授權(quán)是創(chuàng)新管理機(jī)制的核心406
19.10 創(chuàng)新的管理408
19.11 識別創(chuàng)新價值410
19.12 創(chuàng)新的政治環(huán)境411
19.13 什么樣的技術(shù)需要申請專利413
第20章 后記417
3G霸主417
4G變局420
展望5G425
1.1 這是一本什么樣的書 我完成博士后研究工作時對通信依然一竅不通，進(jìn)入華為之后才從BPSK 開始學(xué)習(xí)通信。 沒有人指導(dǎo)我，我的老師就是書。但是這個書真的不大容易讀懂。 科技書籍的常規(guī)寫法是按照內(nèi)容來進(jìn)行編排。這一部分是講信號的，就會把有關(guān)信號的所有內(nèi)容都羅列進(jìn)去，那一部分是講調(diào)制的，也是如法炮制。這樣的寫法符合作者的思維習(xí)慣，而且內(nèi)容的完備性也容易得到保證。 但是對讀者來說，這樣的寫法就造成了一定的困難。 首先知識是有連續(xù)性的。如果你要學(xué)習(xí)OFDM 技術(shù)，就要懂?dāng)?shù)字信號處理，在此之前要懂信號與系統(tǒng)，再之前是高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、概率論。如果要懂得深入一些，還要懂復(fù)變函數(shù)、隨機(jī)過程、矩陣論、泛函分析、信息論。這些基礎(chǔ)性的知識你可能也學(xué)過，但是在學(xué)習(xí)的時候你并不知道這些東西有什么用，大多是應(yīng)付完考試就還給老師了。缺少了這些基礎(chǔ)的知識，學(xué)習(xí)新知識的時候總是覺得很別扭，很多人也因此放棄了學(xué)習(xí)。 另外，科技書籍的作者即使不是數(shù)學(xué)專業(yè)，也一般都是有數(shù)學(xué)背景的，必然受到數(shù)學(xué)家文化的影響。數(shù)學(xué)家所追求的數(shù)學(xué)之美，講究的是要恰好。恰好的意思就是用最少的語言把問題描述清楚，而不是更少。數(shù)學(xué)家對簡潔之美的追求達(dá)到了極致，他們創(chuàng)造了符號語言，如“8? >0; 9_ >0, 如果jx? x0j < _ ) jf(x) ?Aj< ?, 則limx!x0 f(x) = A”�？萍甲髡呤艿竭@種文化的影響，也盡量把內(nèi)容寫得更簡潔一些。但是這樣的數(shù)學(xué)之美是很多的數(shù)學(xué)家經(jīng)過歷史的沉淀才凝練出來的，初學(xué)者并不一定能夠欣賞得來。從心理上說，人們在閱讀的時候會追求一目十行的暢快淋漓，把眼睛盯在一頁書上一整天都翻不過去的體驗(yàn)是不怎么好的。 本書是一本嚴(yán)肅的介紹通信原理的書籍。與傳統(tǒng)科技書籍不同的是，本書按照讀者的認(rèn)知水平的發(fā)展來行文。我是從對通信一無所知，到通過讀書逐漸理解了通信技術(shù)，在這個過程當(dāng)中，最煩惱的事情是遇到知識斷點(diǎn)。記得在讀博士階段，我曾經(jīng)想每個月讀一篇IEEE 的論文，但是讀了一篇沒有讀懂，換了一篇還沒有讀懂，半年下來一篇也沒有讀懂，于是就放棄了。原因就是讀懂這些論文需要大量的背景知識，如果不具備這些知識，就是知識斷點(diǎn)。本書的內(nèi)容安排結(jié)合了我的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，考慮到讀者的知識儲備和認(rèn)知水平，前后的行文有光滑的過渡和連接，讓讀者能夠隨著本書從簡單的知識逐漸了解一些貌似高深的先進(jìn)技術(shù)。對于某一知識內(nèi)容，開始的時候只介紹一些簡單的必要的知識，后續(xù)需要的時候，再補(bǔ)充更多的細(xì)節(jié)或者提高層次。因此某一項(xiàng)內(nèi)容，會在本書的多個地方介紹，而每一部分可能都不是很完備。 本書的語言采用了一些口語化的因素，在行文上采用了短段落，希望這樣的做法能夠減少一些讀者閱讀的凝重感。 同時，我也放棄了對數(shù)學(xué)嚴(yán)密性的形式追求。如果你對論述的嚴(yán)密性要求比較高，則可能會發(fā)現(xiàn)這里不嚴(yán)密，那里論述不完整，但是嚴(yán)密性在我的心中，從宏觀上看，你會發(fā)現(xiàn)我的整體思想是嚴(yán)密的。 對于公式的態(tài)度，有朋友建議我像霍金的《時間簡史》那樣不采用公式，我嘗試了一下，但是發(fā)現(xiàn)這是不可能的。我閱讀過《時間簡史》，里面雖然沒有公式，但是內(nèi)容并不好懂。本書還是定位于嚴(yán)肅的學(xué)術(shù)書籍，如果放棄了公式，無法實(shí)現(xiàn)科學(xué)知識的準(zhǔn)確表達(dá)。通信技術(shù)，說到底就是數(shù)學(xué)，因此本文還是采用了公式。 考慮到很多讀者一看到公式就頭疼，本書只采用那些最簡單、最基本，也是最重要的公式，在推導(dǎo)的節(jié)奏上也考慮了讀者的接受程度，并且配合詳細(xì)的解釋和說明，讓讀者能夠看明白。公式其實(shí)反映了一種思維方式，希望通過本書，能夠引導(dǎo)部分讀者熟悉和熱愛數(shù)學(xué)公式，進(jìn)入嚴(yán)肅的學(xué)術(shù)領(lǐng)域。 本書取名為《通信之道——從微積分到5G》。道在中國有兩層意思：一是路徑，二是原理方法，與術(shù)相對。這里的道，把兩種意思都包括了。 按照第一層意思，希望讀者可以順著本書的敘述順序，從一些基礎(chǔ)的概念逐步建立對通信系統(tǒng)的整體理解。按照我目前的設(shè)想，本書包括了數(shù)學(xué)、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、通信原理以及一些實(shí)際系統(tǒng)的介紹。一般說來，這是一個非常龐大的工程，我現(xiàn)在還不知道能夠走多遠(yuǎn)。 道與術(shù)是中國文化當(dāng)中的兩個層面，大概的意思是，道是道理、規(guī)律等“形而上”的概念，而術(shù)是具體實(shí)現(xiàn)的手段、方法等，屬于“形而下”。從我的研究經(jīng)歷來看，書本上的知識雖然卷帙浩瀚，但在實(shí)際當(dāng)中獲得應(yīng)用的只是很少的一部分，就是那些最基礎(chǔ)、最本質(zhì)的部分，這就是通信的道。本書主要在這些方面著墨，而拋棄那些比較復(fù)雜和高深的部分，這樣也可以在一定程度上解決工程量的難題。 所謂大道至簡，本書的道也是簡單的道，一本讓初學(xué)者讀得懂的道。相對論是改變了人類時空觀的理論，但是狹義相對論非常簡單，愛因斯坦只用了一個禮拜就完成了論文。狹義相對論是大二的普通物理課程的內(nèi)容，甚至連高等數(shù)學(xué)的知識都沒有用到。我做了近20 年的研究工作，所做出的有價值的創(chuàng)新成果，也都是非常簡單的。 總而言之，這本書用簡單的語言給你講述貌似高深的通信之道。
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