Theory and Design of Digital Communication Systems

Cover......Page 1
Half-title......Page 3
Title......Page 5
Copyright......Page 6
Contents......Page 9
Preface......Page 19
Acknowledgements......Page 21
Symbols......Page 22
Abbreviations......Page 32
1.1 Brief overview......Page 37
1.2 Scope......Page 39
1.3 Summary......Page 44
Bibliography......Page 45
2.1 General description of deterministic signals......Page 46
Discrete-time signals......Page 47
Periodic and aperiodic signals......Page 48
Analog and digital signals......Page 49
2.2 Power and energy......Page 52
2.3 Orthogonal signals......Page 57
Gram–Schmidt procedure......Page 63
Signal vectors......Page 64
2.5 Linear time-invariant systems......Page 70
2.6 Convolution......Page 71
2.7 Fourier series of continuous-time periodic signals......Page 73
Unit step and unit impulse functions......Page 75
Bandwidth......Page 77
Frequency shifting property......Page 78
Response of an LTI system to a periodic signal......Page 81
2.8 Fourier transform of continuous-time signals......Page 83
Frequency shifting property......Page 86
Parseval relation......Page 88
Response of LTI systems......Page 89
2.9 Autocorrelation......Page 92
Autocorrelation and energy spectral density......Page 93
Autocorrelation and power spectral density......Page 95
Output autocorrelation and power spectral density......Page 97
Sampling theorem......Page 98
Impulse-train sampling......Page 99
Reconstruction with an ideal lowpass filter......Page 100
Representations......Page 104
Response of an LTI bandpass system......Page 106
2.12 Summary......Page 108
Problems......Page 109
Bibliography......Page 113
3.1 Review of probability theory......Page 114
3.2 Random variables......Page 115
Bayes theorem and total probability revisited......Page 117
Autocorrelation and autocovariance......Page 118
Types of random processes......Page 121
Power spectral density......Page 128
More properties of WSS bandpass processes......Page 134
Bandlimited WSS bandpass processes......Page 135
Linear transformation......Page 136
Sampling......Page 138
Sufficient statistics for signal processing in white Gaussian noise......Page 139
Karhunen–Loeve expansion......Page 141
Whitening filter......Page 142
Rayleigh and Rice processes......Page 144
Squared envelope......Page 147
Case 2: Diffuse signal is present......Page 148
Nakagami-m density function......Page 149
Log-normal density function......Page 150
3.6 Summary......Page 153
Problems......Page 154
Bibliography......Page 157
4.1 Entropy of a discrete source......Page 158
4.2 Source coding......Page 160
Huffman codes......Page 162
Shannon noiseless source coding theorem (first theorem)......Page 163
4.3 Discrete channel......Page 164
Mutual information......Page 165
Shannon noisy channel coding theorem (main theorem)......Page 167
4.4 Gaussian channel......Page 170
Differential entropy......Page 172
Mutual information and channel capacity......Page 174
Gaussian channel with discrete inputs......Page 180
4.5 Channel coding with block codes......Page 183
Bose–Chaudhuri–Hocquenghem (BCH) codes......Page 185
Reed–Solomon (RS) codes......Page 186
Concatenated codes......Page 187
4.6 Low-density parity-check codes (LDPC)......Page 188
Tanner graph......Page 189
Message passing algorithm (MPA)......Page 190
4.7 Channel coding with convolutional codes......Page 196
Hard decoding–BSC......Page 199
Soft decoding–DMC......Page 201
Soft decoding–Gaussian input vector......Page 203
4.8 Summary......Page 205
Problems......Page 206
Bibliography......Page 211
5.1 Basic wireless communication link......Page 213
Thermal noise......Page 214
Effective noise temperature......Page 217
Receiver noise model......Page 223
System signal-to-noise ratio......Page 226
5.2 Cellular communication link......Page 227
Major cellular standards......Page 228
Cell connection......Page 231
Path loss: two-ray ground reflection model......Page 232
Hata model......Page 235
Modified Hata model......Page 238
5.3 Co-channel interference in a narrowband cellular system......Page 239
Combined signal-to-interference and noise ratio......Page 242
Sectoring......Page 244
Microcell-zoning......Page 246
Forward link......Page 247
Reverse link......Page 250
5.5 Satellite communication link......Page 251
5.6 Summary......Page 255
Problems......Page 256
Bibliography......Page 260
6.1 Review of double sideband-amplitude modulation (DSB-AM)......Page 261
6.2 Digital modulation......Page 265
6.3 Phase shift keying (PSK)......Page 267
6.4 Differential phase shift keying (DPSK)......Page 270
6.5 Amplitude shift keying (ASK)......Page 272
6.6 Frequency shift keying (FSK)......Page 274
Power spectral density......Page 276
6.7 Minimum shift keying (MSK)......Page 278
Power spectral density......Page 279
Modulator......Page 283
6.8 Gaussian minimum shift keying (GMSK)......Page 285
6.9 The need for M-ary modulation......Page 287
Signal space......Page 288
Power spectral density......Page 289
6.11 M-ary phase shift keying (MPSK)......Page 291
Signal space......Page 292
Power spectral density......Page 294
Offset quadrature phase shift keying (OQPSK)......Page 296
6.12 Differential M-ary phase shift keying (DMPSK)......Page 298
Alternative differential encoding for DQPSK......Page 300
Modulator......Page 301
6.13 π/4-shifted differential quadrature phase shift keying (π/4-QPSK)......Page 302
Signal space......Page 303
Direct symbol mapping......Page 304
Signal space......Page 306
Power spectral density......Page 307
Differential MQAM (DMQAM)......Page 310
6.15 Code shift keying (CSK)......Page 311
Modulator......Page 312
6.16 M-ary frequency shift keying (MFSK)......Page 313
Power spectral density......Page 314
Modulator......Page 315
6.17 Continuous phase modulation (CPM)......Page 316
Power spectral density......Page 317
6.18 Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM)......Page 318
Practical baseband implementation......Page 319
Cyclic prefix......Page 323
6.19 Trellis coded modulation (TCM)......Page 326
Ungerboeck TCM......Page 327
Pragmatic TCM......Page 331
6.20 Summary......Page 334
Problems......Page 335
Bibliography......Page 338
Introduction......Page 341
Time domain interpretation......Page 342
Output signal and noise waveforms......Page 346
Decision variable......Page 347
7.2 The correlator......Page 348
7.3 The matched filter–envelope detector (noncoherent matched filter)......Page 349
Output signal-to-noise ratio......Page 353
7.4 The quadrature correlator–square law detector (noncoherent correlator)......Page 354
Optimum threshold......Page 356
Maximum likelihood criterion......Page 357
7.6 The maximum detector......Page 358
Rice and Rayleigh decision variables......Page 359
7.7 Binary demodulation......Page 361
Coherent PSK......Page 362
Coherent DPSK......Page 364
Direct detection ASK......Page 365
Coherent FSK......Page 367
Coherent MSK and precoded MSK and GMSK......Page 368
Noncoherent FSK and MSK......Page 373
Noncoherent DPSK......Page 375
7.8 Minimum Euclidean distance detector......Page 381
Symbol error probability......Page 384
7.9 M-ary maximum detector......Page 386
Gaussian decision variables......Page 387
Rice and Rayleigh decision variables......Page 389
Coherent L-path demodulator: a signal space approach......Page 391
Coherent M-path demodulator......Page 394
Noncoherent M-path demodulator......Page 396
7.11 Coherent MASK......Page 398
7.12 Coherent MPSK......Page 402
7.13 Coherent DMPSK......Page 407
7.14 Noncoherent DMPSK......Page 411
7.15 Noncoherent π/4-DQPSK......Page 415
7.16 Coherent MQAM and DMQAM......Page 416
7.17 Coherent CSK and MFSK......Page 419
7.18 Noncoherent CSK and MFSK......Page 420
7.19 Coherent CPM with sequence detection......Page 422
7.20 Coherent CPM with symbol-by-symbol detection......Page 431
7.21 Noncoherent CPM......Page 433
7.22 Performance summary of M-ary modulation techniques......Page 437
7.23 OFDM demodulation......Page 438
Timing synchronization......Page 439
Carrier phase synchronization......Page 445
7.24 Binary demodulation with convolutional codes......Page 446
Hard decoding......Page 447
Soft decoding–Gaussian input vector......Page 448
Soft decoding–x2 input vector......Page 450
7.25 TCM demodulation and decoding......Page 452
Appendix 7A: The Q-function......Page 458
Problems......Page 459
Bibliography......Page 466
8.1 Direct sequence modulation......Page 468
Orthogonal covering......Page 472
IS-95 forward link......Page 476
Code division multiple access (CDMA)......Page 479
IS-95 reverse link......Page 480
8.2 Direct sequence demodulation......Page 482
Quadrature orthogonal covering demodulation......Page 486
Noncoherent demodulation of DS-CSK......Page 490
CDMA: performance evaluation......Page 493
8.3 Frequency hop spread spectrum......Page 496
Partial-band jamming......Page 497
Multi-tone jamming......Page 498
Follower jamming......Page 500
Problems......Page 502
Bibliography......Page 507
9.1 Intersymbol interference......Page 509
Nyquist criterion for zero ISI......Page 511
9.2 Optimum demodulator for bandlimited channel......Page 513
Solution for |HT(f)| and |HR(f)|......Page 516
9.3 Zero-forcing linear equalizer (ZF-LE)......Page 518
Summary......Page 529
9.4 Mean-square error linear equalizer (MSE-LE)......Page 530
9.5 Zero-forcing decision-feedback equalizer (ZF-DFE)......Page 537
9.6 Mean-square error decision-feedback equalizer (MSE-DFE)......Page 542
9.7 Maximum likelihood sequence detection......Page 545
9.8 Fractionally spaced equalizer (FSE)......Page 552
9.9 Summary......Page 553
Problems......Page 554
Bibliography......Page 556
Introduction......Page 558
Time-varying effect......Page 560
Space-varying effect......Page 562
Summary of fading characteristics......Page 563
Channel impulse response......Page 564
Multipath autocorrelation and Doppler profiles......Page 566
Discrete sum approach......Page 568
Integral approach......Page 569
Generalized Doppler power spectrum......Page 570
Equivalent complex-valued demodulator......Page 572
Rayleigh......Page 575
Rice......Page 576
Nakagami-m......Page 577
Effect of channel tap error......Page 579
10.4 Pilot symbol-aided decision-feedback demodulation......Page 583
Differential and double-differential decision-feedback algorithms......Page 585
10.5 OFDM......Page 588
Low mobility......Page 592
High mobility......Page 593
Rice......Page 594
Doppler tracking of MFSK......Page 595
Doppler tracking of CSK......Page 598
Complex spreading and despreading......Page 602
Doppler analysis......Page 603
10.8 Noncoherent demodulation of offset quadrature DS-CSK......Page 608
10.9 Time diversity......Page 610
Level crossing rate......Page 611
Average fade duration......Page 613
10.10 Maximal ratio combining (MRC)......Page 614
Rayleigh......Page 615
Nakagami-m......Page 617
10.11 Selection combining (SC)......Page 619
Coherent EGC......Page 621
Noncoherent EGC......Page 622
10.13 Frequency diversity......Page 623
OFDM subcarrier combining......Page 624
Rake receiver......Page 626
10.14 Receive antenna diversity (SIMO)......Page 631
Mobile station antennas......Page 632
Base station antennas......Page 633
Performance......Page 634
Space-time coding......Page 636
Alamouti code......Page 638
Rate ½ space-time code......Page 639
Rate ¾ space-time code......Page 640
10.16 Transmit–receive antenna diversity (MIMO)......Page 641
10.17 Channel capacity......Page 644
Slow fading......Page 645
Slow fading–receive antenna diversity......Page 646
Slow fading–transmit antenna diversity......Page 647
Slow fading–OFDM......Page 648
Fast fading......Page 651
10.18 Summary......Page 652
Appendix 10B: Bit error probabilities......Page 653
Nakagami-m......Page 654
Rayleigh–diversity: x2-density function with 2L degrees of freedom......Page 655
Problems......Page 656
Bibliography......Page 663
Index......Page 665