Kỹ thuật Hệ thống Truyền thông: Lý thuyết và Ứng dụng - John G. Proakis, Masoud Salehi

• Tác giả: John G. Proakis
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hệ thống truyền thông
• Đề tài: Kỹ thuật hệ thống truyền thông
• Loại tài liệu: Sách giáo khoa
• Năm xuất bản: 2002
• Địa điểm: Upper Saddle River

Tóm tắt

I. Tổng quan về Communication Systems Engineering Proakis

Communication Systems Engineering của John G. Proakis và Masoud Salehi là giáo trình kinh điển về kỹ thuật hệ thống truyền thông. Ấn bản thứ hai được xuất bản năm 2002 bởi nhà xuất bản Prentice-Hall, cung cấp nền tảng toàn diện về lý thuyết và ứng dụng truyền thông hiện đại. Cuốn sách bao gồm các chủ đề cốt lõi từ phân tích tín hiệu miền tần số, truyền dẫn tín hiệu tương tự, đến xử lý ngẫu nhiên và truyền thông số. Nội dung được tổ chức theo trình tự logic, bắt đầu từ các khái niệm cơ bản về thành phần hệ thống truyền thông điện tử. Người đọc tiếp cận được các mô hình toán học cho kênh truyền thông, đặc tính của từng loại kênh, và nguyên lý hoạt động của các kỹ thuật điều chế. Giáo trình này phục vụ cho sinh viên kỹ thuật điện tử, viễn thông và các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực xử lý tín hiệu. Ấn bản thứ hai cập nhật nhiều nội dung mới phù hợp với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ truyền thông số đương đại.

1.1. Cấu trúc nội dung chính của giáo trình

Giáo trình Communication Systems Engineering được tổ chức thành nhiều chương có cấu trúc rõ ràng. Chương đầu giới thiệu các yếu tố cơ bản của hệ thống truyền thông điện tử, bao gồm mô hình khối và chức năng từng khối. Các chương tiếp theo trình bày phân tích Fourier cho tín hiệu và hệ thống, kỹ thuật truyền dẫn điều chế biên độ và điều chế góc. Phần giữa sách tập trung vào quy trình ngẫu nhiên, mã hóa nguồn và mã hóa kênh. Các chương cuối đề cập đến truyền thông số với điều chế số, phát hiện tín hiệu và cân bằng kênh. Mỗi chương đều có bài tập thực hành và danh mục đọc thêm để mở rộng kiến thức.

1.2. Đối tượng và mục tiêu học tập

Cuốn sách hướng đến sinh viên đại học và sau đại học chuyên ngành kỹ thuật điện tử, viễn thông và tin học. Mục tiêu chính là cung cấp kiến thức nền tảng vững chắc về lý thuyết truyền thông hiện đại. Sinh viên học được cách phân tích tín hiệu trong miền thời gian và tần số, hiểu nguyên lý điều chế và giải điều chế. Giáo trình cũng trang bị kỹ năng mô hình hóa kênh truyền thông bằng toán học. Ngoài ra, người đọc nắm vững các phương pháp mã hóa để tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn. Kiến thức từ sách này tạo nền tảng cho việc nghiên cứu sâu hơn về hệ thống truyền thông không dây và xử lý tín hiệu số.

II. Phân tích các vấn đề kỹ thuật trong giáo trình

Giáo trình Communication Systems Engineering đặt ra nhiều vấn đề kỹ thuật quan trọng mà kỹ sư truyền thông phải giải quyết. Vấn đề đầu tiên là nhiễu ký hiệu liên tiếp xảy ra khi tốc độ truyền vượt quá giới hạn của kênh băng thông hạn chế. Nyquist đã chứng minh rằng tốc độ xung tối đa đạt 2W xung mỗi giây cho kênh băng thông W Hz. Vấn đề thứ hai liên quan đến méo tuyến tính và phi tuyến tính làm biến dạng tín hiệu truyền đi. Nhiễu nhiệt và nhiễu từ môi trường cũng ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng tín hiệu nhận. Cuốn sách phân tích sâu các mô hình toán học để mô tả những vấn đề này, bao gồm hàm truyền kênh và đáp ứng tần số. Việc hiểu rõ bản chất của từng loại vấn đề giúp kỹ sư lựa chọn phương pháp xử lý phù hợp. Proakis trình bày các phép đo lường hiệu suất như tỷ lệ lỗi bit và khoảng cách Euclid để đánh giá chất lượng hệ thống.

2.1. Vấn đề nhiễu ký hiệu liên tiếp trong truyền dẫn

Nhiễu ký hiệu liên tiếp là một trong những thách thức lớn nhất trong kỹ thuật truyền thông số. Hiện tượng này xảy ra khi các xung tín hiệu chồng lấn lên nhau do băng thông kênh bị giới hạn. Nyquist nghiên cứu vấn đề này từ năm 1924 và đưa ra điều kiện không nhiễu ký hiệu liên tiếp. Điều kiện Nyquist yêu cầu đáp ứng tần số của kênh phải có tính đối xứng quanh tần số Nyquist W/2. Tốc độ truyền tối đa đạt 2W xung mỗi giây, gọi là tốc độ Nyquist. Giáo trình trình bày chi tiết các dạng xung thỏa mãn điều kiện này, bao gồm xung raised cosine và xung sinc. Việc áp dụng đúng điều kiện Nyquist đảm bảo tín hiệu được tái tạo chính xác tại thời điểm lấy mẫu.

2.2. Ảnh hưởng của nhiễu nhiệt và méo kênh truyền

Nhiễu nhiệt là nguồn nhiễu không thể tránh khỏi trong mọi hệ thống truyền thông thực tế. Loại nhiễu này có mật độ công suất phổ phẳng, được mô hình bằng quá trình ngẫu nhiên Gaussian trắng. Méo kênh truyền xuất hiện do đặc tính không lý tưởng của đường truyền vật lý. Các dạng méo phổ biến bao gồm méo biên độ, méo pha và méo thời gian trễ. Giáo trình phân tích ảnh hưởng của từng loại méo đến chất lượng tín hiệu nhận. Phương pháp đánh giá sử dụng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và xác suất lỗi bit. Kỹ sư cần hiểu rõ nguồn gốc nhiễu để thiết kế bộ lọc và mạch xử lý tín hiệu phù hợp. Các phép đo trong phòng thí nghiệm giúp xác nhận mô hình lý thuyết.

III. Giải pháp và phương pháp kỹ thuật trong giáo trình

Giáo trình Communication Systems Engineering trình bày nhiều giải pháp kỹ thuật để khắc phục các vấn đề trong truyền thông. Phương pháp điều chế biên độ bao gồm DSB-SC, AM thông thường, SSB và VSB phù hợp với từng ứng dụng cụ thể. Điều chế góc với FM và PM cung cấp khả năng chống nhiễu tốt hơn cho truyền dẫn xa. Về phía mã hóa, cuốn sách giới thiệu mã hóa nguồn để giảm dư thừa dữ liệu và mã hóa kênh để phát hiện sửa lỗi. Kỹ thuật cân bằng kênh thích ứng giúp bù trừ méo do kênh truyền gây ra. Bộ lọc matched tối đa hóa tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tại đầu thu. Phương pháp sampling của tín hiệu băng hạn đảm bảo tín hiệu được tái tạo hoàn hảo theo định lý Nyquist-Shannon. Mỗi giải pháp đều đi kèm phân tích toán học chi tiết và ví dụ minh họa cụ thể.

3.1. Kỹ thuật điều chế biên và điều chế góc

Điều chế biên độ là kỹ thuật cơ bản nhất trong truyền thông tương tự. DSB-SC loại bỏ sóng mang để tăng hiệu suất công suất. AM thông thường giữ lại sóng mang cho phép giải điều chế đơn giản bằng bao biên. SSB chỉ truyền một biên để tiết kiệm băng thông gấp đôi so với DSB. VSB là giải pháp trung gian giữa SSB và DSB, được sử dụng trong truyền hình. Điều chế tần số FM và điều chế pha PM cung cấp chất lượng tín hiệu tốt hơn nhờ đặc tính chống nhiễu. Giáo trình phân tích phổ tần số của từng loại điều chế bằng phép biến đổi Fourier. Carson ước tính băng thông cần thiết cho tín hiệu điều chế góc. Các mạch thực hiện modulator và demodulator được mô tả chi tiết với sơ đồ khối.

3.2. Phương pháp mã hóa nguồn và mã hóa kênh

Mã hóa nguồn nhằm giảm lượng dữ liệu cần truyền bằng cách loại bỏ dư thừa trong tín hiệu gốc. Giáo trình trình bày lý thuyết thông tin Shannon và entropy như giới hạn lý thuyết cho mã hóa. Các phương pháp mã hóa nguồn phổ biến bao gồm mã hóa dự đoán và mã hóa biến đổi. Mã hóa kênh thêm bit kiểm lỗi vào dữ liệu để phát hiện và sửa lỗi truyền dẫn. Các loại mã tuyến tính, mã cyclic và mã convolution được phân tích chi tiết. Mã Reed-Solomon được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng sửa nhiều lỗi burst. Giải mã Viterbi là thuật toán tối ưu cho mã convolution. Kết hợp mã hóa nguồn và kênh đạt hiệu suất truyền dẫn tối ưu theo lý thuyết mã hóa phân tầng của Shannon.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của giáo trình

Communication Systems Engineering của Proakis và Salehi là tài liệu tham khảo không thể thiếu trong lĩnh vực kỹ thuật truyền thông. Ấn bản thứ hai tổng hợp đầy đủ lý thuyết từ cơ bản đến nâng cao, phục vụ cả mục đích giảng dạy và nghiên cứu. Các ứng dụng thực tiễn được đề cập bao gồm phát thanh AM và FM, truyền hình, và hệ thống di động. Kiến thức về phân tích Fourier và quy trình ngẫu nhiên tạo nền tảng cho xử lý tín hiệu số hiện đại. Giáo trình cũng đặt nền móng cho các công nghệ truyền thông tiên tiến như OFDM, MIMO và truyền thông quang. Sinh viên tốt nghiệp với kiến thức từ cuốn sách này có thể tham gia thiết kế hệ thống viễn thông thực tế. Nội dung sách vẫn giữ nguyên giá trị despite sự phát triển nhanh chóng của công nghệ 5G và Internet vạn vật.

4.1. Ứng dụng trong phát thanh truyền hình và di động

Kiến thức từ giáo trình được ứng dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống truyền thông thực tế. Phát thanh AM sử dụng kỹ thuật điều chế biên độ với bán kính phủ sóng rộng. Phát thanh FM áp dụng điều chế tần số để đạt chất lượng âm thanh vượt trội. Truyền hình sử dụng VSB để tối ưu hóa băng thông cho tín hiệu video. Hệ thống di động áp dụng các nguyên lý đa truy cập và di động tế bào. Giáo trình cũng đề cập đến đặc tính truyền dẫn của các kênh truyền khác nhau. Kênh dẫn kim loại, cáp đồng trục, cáp quang và kênh vô tuyến đều có đặc trưng riêng. Hiểu biết về đặc tính kênh giúp kỹ sư lựa chọn kỹ thuật điều chế phù hợp cho từng ứng dụng.

4.2. Giá trị học thuật và hướng phát triển tương lai

Cuốn sách có giá trị học thuật cao nhờ sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết và ứng dụng. Mỗi khái niệm đều được chứng minh bằng toán học rigorous kèm ví dụ minh họa. Hệ thống bài tập phong phú giúp sinh viên củng cố kiến thức hiệu quả. Danh mục đọc thêm ở mỗi chương mở rộng hướng nghiên cứu cho người đọc. Nội dung về mã hóa và lý thuyết thông tin tạo nền tảng cho truyền thông 5G hiện đại. Các nguyên lý về sampling và Fourier trở thành cốt lõi của xử lý tín hiệu số. Tương lai, giáo trình này tiếp tục là tài liệu tham khảo quý giá cho kỹ sư AI và IoT. Nền tảng vững chắc từ cuốn sách giúp người học thích ứng nhanh với công nghệ truyền thông mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

COMMUNICATION SYSTEMS ENGINEERING John G. Proakis Masoud Salehi 2nd Ed. Upper Saddle River, New Jersey 07458 To Felia, George, and Elena. Proakis To Fariba, Omid, Sina, and my parents. —Masoud Salehi Library of Congress Cataloging-in-Publication Data CIP data available on file. Vice President and Editorial Director, ECS: Marcia J. Horton Publisher: Tom Robbins Editorial Assistant: Jody McDonnell Vice President and Director of Production and Manufacturing, ESM: David W. Riccardi Executive Managing Editor: Vince O’Brien Managing Editor: David A. George Production Editor: Chanda Wakefield Director of Creative Services: Paul Belfanti Creative Director: Carole Anson Art Director: Jayne Conte Art Editor: Greg Dulles Manufacturing Manager: Trudy Pisciotti Manufacturing Buyer: Lynda Castillo Marketing Manager: Holly Stark Marketing Assistant: Karen Moon 
 c 2002 by Prentice-Hall, Inc. Upper Saddle River, New Jersey All rights reserved. No part of this book may be reproduced, in any form or by any means without permission in writing from the publisher. Printed in the United States of America 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 ISBN 0-13-061793-8 Pearson Education Ltd., London Pearson Education Australia Pty., Sydney Pearson Education Singapore, Pte. Pearson Education North Asia Ltd., Hong Kong Pearson Education Canada, Inc., Toronto Pearson Educacíon de Mexico, S. Pearson Education—Japan, Tokyo Pearson Education Malaysia, Pte. Contents PREFACE xi 1 INTRODUCTION 1 1.2 Elements of an Electrical Communication System 4 1.1 Digital Communication System, 7 1.2 Early Work in Digital Communications, 10 1.3 Communication Channels and Their Characteristics 12 1.4 Mathematical Models for Communication Channels 19 1.5 Organization of the Book 22 1.6 Further Reading 23 2 FREQUENCY DOMAIN ANALYSIS OF SIGNALS AND SYSTEMS 24 2.1 Fourier Series for Real Signals: the Trigonometric Fourier Series, 29 2.1 Fourier Transform of Real, Even, and Odd Signals, 35 iii iv Contents 2.2 Basic Properties of the Fourier Transform, 36 2.3 Fourier Transform for Periodic Signals, 39 2.3 Power and Energy 40 2.1 Energy-Type Signals, 41 2.2 Power-Type Signals, 42 2.4 Sampling of Bandlimited Signals 45 2.6 Further Reading 57 Problems 57 3 ANALOG SIGNAL TRANSMISSION AND RECEPTION 70 3.1 Introduction to Modulation 70 3.1 Double-Sideband Suppressed Carrier AM, 71 3.2 Conventional Amplitude Modulation, 78 3.3 Single-Sideband AM, 81 3.4 Vestigial-Sideband AM, 85 3.5 Implementation of AM Modulators and Demodulators, 88 3.1 Representation of FM and PM Signals, 97 3.2 Spectral Characteristics of Angle-Modulated Signals, 101 3.3 Implementation of Angle Modulators and Demodulators, 107 3.4 Radio and Television Broadcasting 115 3.1 AM Radio Broadcasting, 115 3.2 FM Radio Broadcasting, 116 3.5 Mobile Radio Systems 128 3.6 Further Reading 131 Problems 131 4 RANDOM PROCESSES 144 4.1 Probability and Random Variables 144 4.2 Random Processes: Basic Concepts 159 4.1 Description of Random Processes, 162 4.4 Random Processes and Linear Systems, 174 Contents v 4.3 Random Processes in the Frequency Domain 177 4.1 Power Spectrum of Stochastic Processes, 177 4.2 Transmission over LTI Systems, 183 4.4 Gaussian and White Processes 186 4.5 Bandlimited Processes and Sampling 192 4.7 Further Reading 201 Problems 202 5 EFFECT OF NOISE ON ANALOG COMMUNICATION SYSTEMS 217 5.1 Effect of Noise on Linear-Modulation Systems 217 5.1 Effect of Noise on a Baseband System, 218 5.2 Effect of Noise on DSB-SC AM, 218 5.3 Effect of Noise on SSB AM, 220 5.4 Effect of Noise on Conventional AM, 221 5.2 Carrier-Phase Estimation with a Phase-Locked Loop (PLL) 225 5.1 The Phase-Locked Loop (PLL), 226 5.2 Effect of Additive Noise on Phase Estimation, 229 5.3 Effect of Noise on Angle Modulation 234 5.1 Threshold Effect in Angle Modulation, 244 5.2 Pre-emphasis and De-emphasis Filtering, 248 5.4 Comparison of Analog-Modulation Systems 251 5.5 Effects of Transmission Losses and Noise in Analog Communication Systems 252 5.1 Characterization of Thermal Noise Sources, 253 5.2 Effective Noise Temperature and Noise Figure, 254 5.4 Repeaters for Signal Transmission, 258 5.6 Further Reading 261 Problems 261 6 INFORMATION SOURCES AND SOURCE CODING 267 6.1 Modeling of Information Sources 268 6.1 Measure of Information, 269 6.2 Joint and Conditional Entropy, 271 vi Contents 6.2 Source-Coding Theorem 273 6.3 Source-Coding Algorithms 276 6.1 The Huffman Source-Coding Algorithm, 276 6.2 The Lempel-Ziv Source-Coding Algorithm, 280 6.4 Rate-Distortion Theory 282 6.3 Rate-Distortion Function, 285 6.1 Pulse-Code Modulation (PCM), 302 6.2 Differential Pulse-Code Modulation (DPCM), 307 6.7 Analysis-Synthesis Techniques 312 6.8 Digital Audio Transmission and Digital Audio Recording 316 6.1 Digital Audio in Telephone Transmission Systems, 317 6.2 Digital Audio Recording, 319 6.9 The JPEG Image-Coding Standard 323 6.10 Further Reading 327 Problems 327 7 DIGITAL TRANSMISSION THROUGH THE ADDITIVE WHITE GAUSSIAN NOISE CHANNEL 340 7.1 Geometric Representation of Signal Waveforms 341 7.2 Pulse Amplitude Modulation 345 7.3 Two-dimensional Signal Waveforms 350 7.2 Two-dimensional Bandpass Signals—Carrier-Phase Modulation, 354 7.3 Two-dimensional Bandpass Signals—Quadrature Amplitude Modulation, 357 7.4 Multidimensional Signal Waveforms 360 7.1 Orthogonal Signal Waveforms, 360 7.2 Biorthogonal Signal Waveforms, 365 7.3 Simplex Signal Waveforms, 366 7.4 Binary-Coded Signal Waveforms, 367 Contents vii 7.5 Optimum Receiver for Digitally Modulated Signals in Additive White Gaussian Noise 370 7.1 Correlation-Type Demodulator, 370 7.2 Matched-Filter-Type Demodulator, 375 7.3 The Optimum Detector, 381 7.4 Demodulation and Detection of Carrier-Amplitude Modulated Signals, 386 7.5 Demodulation and Detection of Carrier-Phase Modulated Signals, 388 7.6 Demodulation and Detection of Quadrature Amplitude Modulated Signals, 396 7.7 Demodulation and Detection of Frequency-Modulated Signals, 398 7.6 Probability of Error for Signal Detection in Additive White Gaussian Noise 405 7.1 Probability of Error for Binary Modulation, 405 7.2 Probability of Error for M-ary PAM, 408 7.3 Probability of Error for Phase-Coherent PSK Modulation, 413 7.4 Probability of Error for DPSK, 417 7.5 Probability of Error for QAM, 418 7.6 Probability of Error for M-ary Orthogonal Signals, 423 7.7 Probability of Error for M-ary Biorthogonal Signals, 428 7.8 Probability of Error for M-ary Simplex Signals, 429 7.9 Probability of Error for Noncoherent Detection of FSK, 430 7.10 Comparison of Modulation Methods, 432 7.7 Performance Analysis for Wireline and Radio Communication Channels 436 7.2 Link Budget Analysis for Radio Channels, 438 7.1 Early–Late Gate Synchronizers, 443 7.2 Minimum Mean-Square-Error Method, 445 7.3 Maximum-Likelihood Methods, 448 7.4 Spectral Line Methods, 449 7.5 Symbol Synchronization for Carrier-Modulated Signals, 451 7.9 Further Reading 452 Problems 453 8 DIGITAL TRANSMISSION THROUGH BANDLIMITED AWGN CHANNELS 474 8.1 Digital Transmission through Bandlimited Channels 474 8.1 Digital PAM Transmission through Bandlimited Baseband Channels, 478 8.2 Digital Transmission through Bandlimited Bandpass Channels, 480 viii Contents 8.2 The Power Spectrum of Digitally Modulated Signals 482 8.1 The Power Spectrum of the Baseband Signal, 483 8.2 The Power Spectrum of a Carrier-Modulated Signal, 488 8.3 Signal Design for Bandlimited Channels 490 8.1 Design of Bandlimited Signals for Zero ISI—The Nyquist Criterion, 492 8.2 Design of Bandlimited Signals with Controlled ISI—Partial Response Signals, 497 8.4 Probability of Error in Detection of Digital PAM 499 8.1 Probability of Error for Detection of Digital PAM with Zero ISI, 500 8.2 Symbol-by-Symbol Detection of Data with Controlled ISI, 501 8.3 Probability of Error for Detection of Partial Response Signals, 504 8.5 Digitally Modulated Signals with Memory 507 8.1 Modulation Codes and Modulation Signals with Memory, 508 8.2 The Maximum-Likelihood Sequence Detector, 521 8.3 Maximum-Likelihood Sequence Detection of Partial Response Signals, 525 8.4 The Power Spectrum of Digital Signals with Memory, 530 8.6 System Design in the Presence of Channel Distortion 534 8.1 Design of Transmitting and Receiving Filters for a Known Channel, 535 8.7 Multicarrier Modulation and OFDM 556 8.1 An OFDM System Implemented via the FFT Algorithm, 557 8.8 Further Reading 560 Problems 561 9 CHANNEL CAPACITY AND CODING 576 9.1 Modeling of Communication Channels 576 9.1 Gaussian Channel Capacity, 583 9.3 Bounds on Communication 586 9.1 Transmission of Analog Sources by PCM, 590 9.4 Coding for Reliable Communication 591 9.1 A Tight Bound on Error Probability of Orthogonal Signals, 592 9.2 The Promise of Coding, 595 9.5 Linear Block Codes 601 9.1 Decoding and Performance of Linear Block Codes, 606 9.2 Burst-Error-Correcting-Codes, 614 9.1 The Structure of Cyclic Codes, 615 Contents ix 9.1 Basic Properties of Convolutional Codes, 624 9.2 Optimum Decoding of Convolutional Codes—The Viterbi Algorithm, 629 9.3 Other Decoding Algorithms for Convolutional Codes, 634 9.4 Bounds on Error Probability of Convolutional Codes, 634 9.8 Complex Codes Based on Combination of Simple Codes 638 9.4 The BCJR Algorithm, 642 9.5 Performance of Turbo Codes, 644 9.9 Coding for Bandwidth-Constrained Channels 646 9.1 Combined Coding and Modulation, 647 9.2 Trellis-Coded Modulation, 649 9.10 Practical Applications of Coding 655 9.1 Coding for Deep-Space Communications, 656 9.2 Coding for Telephone-Line Modems, 657 9.3 Coding for Compact Discs, 658 9.11 Further Reading 661 Problems 661 10 WIRELESS COMMUNICATIONS 674 10.1 Digital Transmission on Fading Multipath Channels 674 10.1 Channel Models for Time-Variant Multipath Channels, 676 10.2 Signal Design for Fading Multipath Channels, 684 10.3 Performance of Binary Modulation in Frequency Nonselective Rayleigh Fading Channels, 686 10.4 Performance Improvement Through Signal Diversity, 689 10.5 Modulation and Demodulation on Frequency Selective Channels— The RAKE Demodulator, 694 10.6 Multiple Antenna Systems and Space-Time Codes, 697 10.2 Continuous Carrier-Phase Modulation 702 10.1 Continuous-Phase FSK (CPFSK), 702 10.2 Continuous-Phase Modulation (CPM), 711 10.3 Spectral Characteristics of CPFSK and CPM Signals, 715 10.4 Demodulation and Detection of CPM Signals, 720 10.5 Performance of CPM in AWGN and Rayleigh Fading Channels, 726 10.3 Spread-Spectrum Communication Systems 729 10.1 Model of a Spread-Spectrum Digital Communication System, 730 10.2 Direct-Sequence Spread-Spectrum Systems, 731 10.3 Some Applications of DS Spread-Spectrum Signals, 742 x Contents 10.4 Effect of Pulsed Interference and Fading, 746 10.5 Generation of PN Sequences, 748 10.6 Frequency-Hopped Spread Spectrum, 752 10.7 Synchronization of Spread-Spectrum Systems, 758 10.4 Digital Cellular Communication Systems 766 10.1 The GSM System, 766 10.2 CDMA System Based on IS-95, 768 10.5 Further Reading 774 Problems 775 APPENDIX A: THE PROBABILITY OF ERROR FOR MULTICHANNEL RECEPTION OF BINARY SIGNALS 782 REFERENCES 785 INDEX 794 Preface The objective of this book is to provide an introduction to the basic principles in the analysis and design of communication systems. It is primarily intended for use as a text for a first course in communications, either at a senior level or at a first-year graduate level. BROAD TOPICAL COVERAGE Although we have placed a very strong emphasis on digital communications, we have provided a review of important mathematical foundational topics and a solid introduc- tion to analog communications. The major topics covered are: • A review of frequency domain analysis of signals and systems, and the charac- terization of random processes (Chapters 2 and 4) • An introduction to analog signal transmission and reception (Chapters 3 and 5) • An introduction to digital communications (Chapters 6–10) EMPHASIS ON DIGITAL COMMUNICATIONS Our motivation for emphasizing digital communications is due to the technological developments that have occurred during the past five decades. Today, digital communi- cation systems are in common use and generally carry the bulk of our daily information transmission through a variety of communications media, such as wireline telephone channels, microwave radio, fiber optic channels, and satellite channels. We are currently witnessing an explosive growth in the development of personal communication systems xi xii Preface and ultrahigh speed communication networks, which are based on digital transmission of the information, whether it is voice, still images, or video. We anticipate that, in the near future, we will witness a replacement of the current analog AM and FM radio and television broadcast by digital transmission systems. The development of sophisticated, high-speed digital communication systems has been accelerated by concurrent developments in inexpensive high speed integrated circuits (IC) and programmable digital signal processing chips. The developments in Microelectronic IC fabrication have made possible the implementation of high-speed, high precision A/D converters, of powerful error-correcting coders/decoders, and of complex digital modulation techniques. All of these technological developments point to a continuation in the trend toward increased use of digital communications as a means for transmitting information. OVERVIEW OF THE TEXT It is assumed that students using this book have a basic understanding of linear system theory, both continuous and discrete, including a working knowledge of Fourier series and Fourier transform techniques.