本书介绍了微波中继通信系统、短波通信系统、卫星通信系统、移动通信系统和光纤通信系统。内容包括系统的组成、相关的新技术、系统性能和设计考虑等。此外,还介绍了基本的网络通信技术——网络协议及其体系结构、网络机制、常用的网络及其互联技术。

本书取材新颖，反映了当前通信系统状况和技术的最新发展。可作为高等学校通信工程、电子信息工程及相关专业的通信系统课程教材，也可作为通信工程技术人员的参考书。

本书介绍了当前实际应用的主要通信系统，内容包括系统的组成、相关的当代技术、系统性能和设计考虑等。本书可作为通信工程、计算机通信、无线电技术与信息工程等专业的通信系统课程教材，也可作为跨专业高年级学生和通信工程技术人员的参考书。

本书共分7章，第1章通信系统概论，介绍了系统的组成、分类、质量指标，以及通信技术的早期和近期发展状况。第2章微波中继通信系统，介绍了微波在近地表的传输特性，讨论了系统组成、工作方式和链路质量指标及其分配等问题。第3章短波通信系统，讨论了短波电离层传播特性、接收机天线有效噪声系数、自适应通信技术和短波跳扩频技术，最后介绍了短波、超短波天地通信。第4章卫星通信系统，内容包括卫星轨道、链路计算、系统组成和多址技术；介绍了当前的星载和地球站设备状况，而卫星移动通信系统和卫星通信系统中的互联网业务也是本章的重要内容。第5章移动通信系统，涉及移动通信的基本概念、网络结构、系统组成和容量分析；讨论了多址、功率控制、切换、多用户检测等基本技术和电波传播特性；还介绍了GSM和IS95系统，以及第三代移动通信系统的网络结构和关键技术。第6章光纤通信系统，介绍了系统的组成和基本特点、光纤传输特性与线路设计、系统的关键部件以及光纤组网方面的问题。第7章网络通信技术，包括通信网模型、网络拓扑和类型，网络协议与体系结构，网络机制和网络连接，局域网、帧中继、ATM和因特网等。

本书的第1至4章和第6章由吴诗其编写，朱立东编写了第5和7章。限于时间和水平，难免有错误、遗漏之处，希望读者不吝指正。

编者  

2005年3月

通信系统概论

第1章通信系统概论1

1.1通信系统的组成1

1.2通信系统的分类和本书的内容2

1.3通信技术的发展3

1.3.1通信技术的早期发展3

1.3.2通信技术的近期发展4

1.4通信系统的质量指标5

第2章微波中继通信系统7

2.1概述7

2.2视距传播特性8

2.2.1天线高度与传播距离8

2.2.2自由空间传播损耗8

2.2.3地面效应10

2.2.4大气效应11

2.3接收信号功率和接收信噪比12

2.3.1接收信号功率12

2.3.2噪声系数NF12

2.4衰落、衰落储备与分集接收13

2.4.1信道衰落13

2.4.2衰落储备与可靠性14

2.4.3分集接收16

2.5微波中继通信系统的组成17

2.5.1系统组成17

2.5.2中继方式17

2.5.3模拟和数字微波中继系统20

2.5.4PDH与SDH20

2.6模拟和PDH微波中继系统21

2.6.1模拟微波中继系统假设参考电路与质量指标21

2.6.2PDH数字微波中继系统23

2.7SDH微波中继系统26

2.7.1SDH速率系列、复接等级和接口26

2.7.2SDH的帧结构和复用映射26

2.7.3关于微波帧补充开销28

2.7.4SDH微波中继系统组成28

2.7.5SDH微波中继传输设备关键技术29

2.7.6SDH假设参考数字通道和差错性能指标及其分配30

2.8点对多点微波通信33

2.8.1系统特点33

2.8.2系统组成34

2.8.3技术体制34

习题35

参考文献37

第3章短波通信系统38

3.1引言38

3.2电离层传播特性38

3.2.1电离层的结构和电特性38

3.2.2多径传播39

3.2.3最高可用频率40

3.3短波信道特性41

3.3.1短波信道模型41

3.3.2短波信道的传输损耗41

3.3.3短波信道特性及其对系统性能的影响43

3.3.4频率预报46

3.4短波通信线路设计47

3.4.1短波天线48

3.4.2有效天线噪声系数50

3.4.3接收机输入信噪比54

3.5短波自适应通信技术54

3.5.1实时信道估计技术54

3.5.2自动链路建立系统58

3.6短波扩频通信技术59

3.6.1扩频通信技术的分类59

3.6.2扩频通信的特点60

3.6.3短波直扩通信系统61

3.6.4短波跳扩频通信系统61

3.7天地短波和超短波通信系统67

3.7.1天地短波通信系统68

3.7.2天地超短波通信系统69

3.7.3飞行器再入大气层电波的传播72

习题73

参考文献73

第4章卫星通信系统74

4.1概述74

4.1.1卫星轨道74

4.1.2系统的组成75

4.1.3频率分配75

4.1.4卫星通信的特点76

4.1.5卫星通信的发展76

4.2卫星通信网结构77

4.2.1卫星通信网的一般特性78

4.2.2点多点网络81

4.2.3点点网络82

4.3链路传输工程82

4.3.1星地链路传播特性82

4.3.2卫星移动通信链路特性84

4.3.3噪声与干扰85

4.3.4卫星通信全链路质量88

4.3.5上、下行链路的RF干扰92

4.4多址技术93

4.4.1频分多址技术93

4.4.2时分多址技术94

4.4.3码分多址技术96

4.4.4ALOHA方式97

4.5星载和地球站设备99

4.5.1高功率放大器和低噪声放大器100

4.5.2星载转发器101

4.5.3通信地球站设备104

4.5.4其他类型的地球站106

4.6VSAT系统110

4.6.1VSAT网络结构111

4.6.2VSAT系统的主站和小站设备112

4.6.3VSAT数据网113

4.6.4VSAT电话网114

4.7卫星移动通信系统115

4.7.1引言115

4.7.2频率规划115

4.7.3非静止轨道卫星系统116

4.7.4静止轨道卫星移动通信系统119

4.8卫星通信系统中的互联网业务120

4.8.1概述120

4.8.2TCP在卫星系统中存在的问题及其对策121

4.8.3改善链路长延时对TCP性能影响的措施128

4.8.4适合多媒体传播的卫星数据链路层技术131

习题133

参考文献135

第5章移动通信系统137

5.1移动通信系统概述137

5.1.1移动通信的概念137

5.1.2移动通信的特点137

5.1.3蜂窝的概念138

5.1.4蜂窝移动通信系统的发展138

5.2移动通信系统的基本结构140

5.2.1系统组成140

5.2.2移动通信网的网络结构142

5.3移动通信系统的电波传播143

5.3.1自由空间传播143

5.3.2移动通信系统的电波传播机理144

5.3.3大尺度衰落144

5.3.4小尺度衰落145

5.4移动通信系统的基本技术146

5.4.1移动通信系统的多址方式146

5.4.2移动通信系统的容量148

5.4.3移动通信系统的功率控制150

5.4.4移动通信系统的切换技术153

5.4.5多用户检测161

5.5GSM系统169

5.5.1GSM的网络结构169

5.5.2GSM无线接口173

5.5.3GSM的无线资源控制186

5.6IS95系统191

5.6.1系统结构191

5.6.2前向链路193

5.6.3反向链路195

5.6.4前向链路和反向链路的比较197

5.6.5IS95系统的基本技术198

5.7第三代移动通信系统201

5.7.1第三代移动通信系统概述201

5.7.2WCDMA系统205

5.7.3cdma 2000216

5.7.4TDSCDMA219

5.8第四代移动通信系统225

5.8.1概述225

5.8.2第四代移动通信系统的特点226

5.8.3第四代移动通信的网络结构226

5.8.4第四代移动通信系统的关键技术227

习题228

参考文献229

第6章光纤通信系统231

6.1概述231

6.1.1光纤通信的基本特点231

6.1.2光纤通信系统的组成232

6.2光纤传输特性232

6.2.1光纤的导光原理与传输模式232

6.2.2光纤的传输损耗234

6.2.3光纤的色散特性和传输带宽235

6.2.4实用光纤的类型和选择237

6.2.5光缆的结构与分类238

6.3光源和无源光器件240

6.3.1光源器件（激光器）240

6.3.2无源光器件241

6.4光发送机和光接收机243

6.4.1光发送机243

6.4.2光接收机245

6.5光纤传输线路设计与关键器件248

6.5.1光纤传输特性对传输距离和传输带宽的限制248

6.5.2光放大器251

6.5.3光波分传输系统的关键器件253

6.5.4接收机信噪比255

6.5.5海底光缆传输系统257

6.6SDH光纤传输系统258

6.6.1系统网络结构258

6.6.2终端复用、分/插复用和数字交叉连接设备259

6.6.3光交叉连接262

6.6.4假设参考通道及其指标要求与分配264

6.7SDH光纤系统的组网、保护与恢复265

6.7.1SDH光纤系统组网265

6.7.2SDH光纤网的保护与恢复266

6.8光纤的其他应用270

6.8.1光纤在局域网中的应用270

6.8.2光纤在本地电话网中的应用271

6.8.3光纤在有线电视系统中的应用272

习题272

参考文献273

第7章网络通信技术274

7.1网络通信概述274

7.1.1网络模型274

7.1.2网络的组成部分275

7.1.3网络拓扑275

7.1.4网络的类型276

7.2网络协议与协议体系结构277

7.2.1OSI/RM协议体系结构277

7.2.2TCP/IP协议279

7.2.3OSI模型与TCP/IP模型的层次比较281

7.3网络机制282

7.3.1多路复用和交换282

7.3.2差错控制284

7.3.3流量控制285

7.3.4拥塞控制287

7.4网络拨号连接和家庭联网289

7.4.1拨号网络289

7.4.2modem290

7.4.3DSL290

7.4.4电缆modem292

7.4.5综合业务数字网293

7.5局域网297

7.5.1局域网的概念和特点297

7.5.2局域网的体系结构298

7.5.3局域网标准299

7.5.4局域网互联设备299

7.5.5无线局域网301

7.6帧中继303

7.6.1帧中继网络304

7.6.2帧中继的组成部分304

7.6.3帧中继的帧格式305

7.6.4帧中继操作306

7.7ATM307

7.7.1ATM网络的组成和特点307

7.7.2ATM连接308

7.7.3ATM交换机的工作309

7.7.4ATM交换机的结构310

7.7.5ATM连接的建立310

7.7.6ATM信元格式310

7.7.7ATM协议312

7.7.8ATM适配层的类型314

7.8因特网317

7.8.1因特网的概念及发展历史317

7.8.2因特网的体系结构318

7.8.3TCP/IP的应用层318

7.8.4传输层协议320

7.8.5Internet层协议322

7.8.6IPv4324

7.8.7IPv6325

7.8.8Internet Ⅱ328

习题328

参考文献329

现代通信系统

1.1系统技术要求与建模13

1.1.1电子系统的技术要求13

1.1.2系统模型的建立16

1.2系统级仿真19

1.2.1SystemView动态系统设计、分析和仿真软件19

1.2.2MATLAB 21

1.3系统级综合23

1.3.1综合23

1.3.2优化24

思考题与练习题25

第2章MATLAB及其在EDA技术中的应用26

2.1MATLAB概述26

2.1.1MATLAB的功能和特点26

2.1.2MATLAB的工具箱27

2.1.3MATLAB的工作环境28

2.2MATLAB的基本功能及举例32

2.2.1基本知识32

2.2.2数组与矩阵的算术运算37

2.2.3关系运算、逻辑运算与数组函数42

2.2.4矩阵函数45

2.2.5多项式运算48

2.2.6基本绘图功能51

2.3Simulink简介57

2.3.1概述57

2.3.2基本操作58

2.3.3建立系统模型及仿真60

2.3.4专用Xilinx模块库61

2.4MATLAB工具箱61

2.4.1概述61

2.4.2控制系统工具箱62

2.4.3信号处理工具箱69

2.4.4通信工具箱83

2.5MATLAB应用实例93

2.5.1控制要求及算法设计93

2.5.2控制模型的设计与封装93

电子设计自动化技术基础

思考题与练习题94

第2篇数字系统芯片设计与综合

第3章现代数字系统设计概论99

3.1概述99

3.2数字系统的设计方法100

3.2.1原理图设计100

3.2.2程序语言设计101

3.2.3状态机设计102

3.2.4功能模块参数化设计102

3.2.5利用IP模块的设计102

3.2.6基于平台的设计103

3.3IP设计与应用104

3.3.1IP核 104

3.3.2IP核的种类与应用104

3.3.3系统芯片和IP核复用107

3.4片上系统技术109

3.4.1片上系统的基本概念109

3.4.2片上系统的系统芯片与设计技术109

3.4.3使可配置片上系统得以实现的FPGA平台118

思考题与练习题126

第4章硬件设计描述语言VHDL基础128

4.1概述128

4.2VHDL程序基本结构129

4.2.1实体说明129

4.2.2结构体131

4.2.3包集合、库及配置137

4．3VHDL语言的数据格式141

4.3.1VHDL语言的对象及其分类141

4.3.2VHDL语言的数据类型143

4.3.3VHDL语言的运算操作符147

4.4VHDL语言的基本描述语句149

4.4.1顺序描述语句149

4.4.2并发描述语句159

4.5VHDL语言的描述方式163

4.5.1结构体的行为描述方式163

4.5.2结构体的数据流描述方式165

4.5.3结构体的结构描述方式167

4.6一位总线温度传感器控制接口设计170

4.6.1单总线的基本原理170

4.6.2程序设计173

思考题与练习题176

第5章可编程ASIC 器件178

5.1概述178

5.1.1可编程ASIC 器件概述178

5.1.2可编程ASIC 器件分类及特点180

5.2PLD器件182

5.2.1可编程阵列逻辑器件182

5.2.2可编程通用逻辑器件184

5.3复杂可编程逻辑器件 188

5.3.1基于乘积项的CPLD基本结构189

5.3.2基于查找表的CPLD电路结构193

5.4现场可编程门阵列FPGA 201

5.4.1FPGA的基本结构201

5.4.2FPGA的电路结构203

5.4.3Spartan Ⅱ/Virtex系列FPGA 209

5．5编程技术224

5.5.1编程原理简介224

5.5.2编程模式225

5.5.3编程流程227

思考题与练习题228

第6章数字系统的设计与综合229

6.1概述229

6.2高级综合233

6.2.1功能性模型化程序234

6.2.2数据235

6.2.3由数据流图到数据通道控制器236

6.2.4控制240

6.2.5数据和控制243

6.3寄存器转移级综合245

6.3.1电平敏感的锁存器246

6.3.2沿敏感的触发器248

6.3.3组合逻辑250

6.3.4约束254

6.3.5FPGA的综合256

6.3.6同步系统的时序259

思考题与练习题 262

第7章可编程ASIC开发平台264

7.1概述264

7.2Xilinx ISE5.1i集成开发环境265

7.2.1Xilinx ISE5.1i的安装266

7.2.2Xilinx ISE5.1i软件简介273

7.2.3利用Xilinx ISE5.1i设计的简易跑表277

7.3其他软件开发平台304

7.3.1ispEXPERT软件平台简介304

7.3.2Altera QuartusⅡ软件平台简介309

7.4硬件实验平台与设计实验313

7.4.1TPG_FPGA实验系统313

7.4.2基于VHDL的数字逻辑电路实验314

思考题与练习题 315

第8章复杂模块设计与跨平台设计317

8.1系统级设计与片上系统设计带来的挑战317

8.2Xilinx公司的System Generator for DSP软件318

8.2.1概述318

8.2.2System Generator软件的安装319

8.2.3 Xilinx BlockSet模块库321

8.2.4System Generator软件的设计流程331

8.2.5设计实例332

8.3Altera DSP Builder338

8.4一个模拟简单智能宠物的设计实现340

8.4.1功能要求340

8.4.2方案设计341

8.4.3设计整合359

思考题与练习题364

第3篇系统电路设计与测试

第9章系统电路的设计方法367

9.1系统电路设计368

9.1.1无源元件的高频特性370

9.1.2数字逻辑的有源元件及其噪声371

9.1.3系统电路设计技术375

9.2系统电路设计与仿真概论379

9.2.1电路原理图的设计379

9.2.2PCB板的设计381

9.2.3电路板的制作与加工382

思考题与练习题385

第10章系统电路板设计386

10.1Protel 99 SE软件简介及安装386

10.1.1Protel 99 SE 软件简介386

10.1.2Protel 99 SE软件安装386

10.2原理图绘制387

10.2.1启动原理图的设计环境387

10.2.2工作环境的管理389

10.2.3文档图纸参数的设置391

10.2.4元器件到工作平面上的放置394

10.2.5电路原理图的绘制398

10.2.6使用画图工具的绘图400

10.2.7电气法则测试400

10.2.8网络表的生成401

10.3制作原理图元器件404

10.3.1原理图元器件库编辑服务器405

10.3.2元器件管理器工具405

10.3.3常用画图工具栏介绍406

10.3.4元器件的制作407

10.4印制板设计409

10.4.1印制板设计基础409

10.4.2绘制印制电路板410

10.4.3印制电路板的自动设计414

10.5元器件封装设计426

10.6设计实例432

10.6.1完整原理图的设计432

10.6.2PCB板的设计442

思考题与练习题448

附录AMATLAB函数库和命令级分类索引449

附录BProtel符号库和封装库466

附录C硬件开发实验箱469

附录D基于VHDL的数字逻辑电路实验

471

参考文献513

绪论1

第1章光波导的一般理论4

1.1光频的麦克斯韦方程4

1.2亥姆霍兹方程6

1.3光场纵向分量与横向分量的关系6

习题7

第2章正规光波导8

2.1模式的概念8

2.2模式场的纵向分量与横向分量的关系11

2.3模式的分类12

2.3.1光波导中不可能存在TEM模13

2.3.2TE模13

2.3.3TM模13

2.3.4混合模式HE与EH模13

2.4正向模与反向模的关系14

2.5模式的正交性14

2.6传输常数的积分表达式16

习题18

第3章均匀光波导19

3.1概述19

3.2平面光波导20

3.2.1模式场21

3.2.2特征方程24

3.2.3截止条件、单模传输及远离截止频率的情形26

3.3圆均匀光波导27

3.3.1概述 27

3.3.2线偏振模与标量法31

3.4二层圆均匀光波导（阶跃光纤）34

3.4.1矢量法35

3.4.2标量法51

3.5多层圆均匀光波导58

3.5.1矢量法58

3.5.2标量法60

习题64

第4章正规光波导的传输特性67

4.1概述67

4.2群时延70

4.3脉冲展宽与色散72

4.3.1高斯脉冲展宽73

4.3.2群相移77

4.3.3输入NRZ码的情形78

4.3.4更一般的脉冲展宽的概念81

4.3.5色散的定量描述81

4.3.6色散对于传输系统速率的限制83

4.3.7色散补偿84

4.4高阶色散与基本传输方程84

4.4.1高阶色散84

4.4.2基本传输方程86

4.4.3偏振模色散87

4.5二层圆光波导的传输特性（单模光纤的传输特性）87

4.5.1归一化传输常数b87

4.5.2群延迟87

4.5.3色散89

4.6多层圆均匀光波导的传输特性92

4.6.1基于归一化传输常数b的分析方法92

4.6.2基于矢量法的分析方法94

习题95

第5章圆非均匀光波导98

5.1概述98

5.1.1波动方程98

5.1.2纵向分量与横向分量的关系99

5.1.3矢量模99

5.1.4线偏振模（LP模）与标量法99

5.2平方律圆光波导100

5.2.1直角坐标系法101

5.2.2柱坐标系解法103

5.3高斯近似法106

5.3.1基本思路107

5.3.2具体做法108

5.4级数解法110

5.5Galerkin方法115

习题117

第6章非正规光波导119

6.1概述119

6.2正规光波导的辐射模与空间过渡态123

6.3弱导缓变光波导的模式耦合124

6.4矢量模耦合方程126

6.5光纤光栅129

6.6突变光波导——光纤对接133

习题137

第7章非圆光波导139

7.1非圆光波导与双折射139

7.1.1非圆光波导的有关概念139

7.1.2双折射现象141

7.2非圆均匀光波导144

7.2.1一般解法（微扰法）144

7.2.2二层非圆光波导146

7.2.3椭圆芯阶跃光纤147

7.3非圆非均匀光波导149

7.3.1无限延伸平方律椭圆光波导的标量解法（此段相当于求）149

7.3.2求Δβ的微扰法151

7.4偏振态演化的概念153

7.4.1概述153

7.4.2偏振态的概念155

7.4.3无损光波导的传输矩阵158

7.4.4密勒矩阵159

7.4.5主轴160

7.5任意坐标系下非圆正规光波导的一般解162

7.6非圆非正规光波导中偏振态的演化168

7.6.1偏振模耦合时的传输矩阵168

7.6.2偏振模耦合系数与折射率分布之关系169

7.6.3非圆非正规光波导的偏振主轴172

7.6.4双折射矢量173

7.6.5线双折射和圆双折射175

7.7偏振模色散176

7.8偏振模色散对光信号脉冲波形的影响184

7.8.1与0垂直的情形185

7.8.2更一般的情形186

习题188

第8章两光波导的横向耦合190

8.1正规光波导的横向模式耦合190

8.1.1模式耦合方程190

8.1.2耦合波的特性194

8.1.3用极化电流概念推导模耦合系数196

8.1.4两正圆光纤的横向耦合198

8.2缓变非正规型横向耦合200

8.2.1两正规光波导的缓变耦合201

8.2.2两缓变光波导的横向耦合202

8.3光纤耦合器和MachZehnder干涉仪205

8.3.1光纤耦合器的传输矩阵205

8.3.2光纤耦合器的性能参数207

8.3.3光纤MachZehnder干涉仪208

8.4无源光纤环210

8.4.1萨格奈克光纤环210

8.4.2光纤环形腔212

习题216

第9章光纤的传输损耗218

9.1概述218

9.2材料损耗220

9.2.1本征吸收220

9.2.2瑞利散射221

9.2.3有害杂质吸收222

9.3波导损耗223

9.3.1模式损耗223

9.3.2模耦合损耗223

9.3.3工艺缺陷225

习题226

参考文献228