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For Telecommunications courses requiring comprehensive coverage of today's most cutting edge telecommunications technologies and concepts. Rosengrant's 2nd edition deploys a layered approach to examining current telecommunications technology. The first layer provides students with the "big picture" the second layer provides students with the "fundamentals" and the third layer provides students the "real world applications". This layed approach makes telecommunications accessible, relevant, and meaningful for students interested in a career in telecommunications and networking.
深入理解现代通信的基石：《现代通信系统原理与应用》 （A Comprehensive Guide to Modern Communication Systems: Principles and Applications） 导言：跨越时空的连接艺术 在信息爆炸的时代，我们对即时、可靠通信的需求达到了前所未有的高度。从高清视频流到物联网设备间的微小数据包交换，这一切都建立在复杂而精妙的通信系统之上。然而，这些系统的核心机制和底层原理往往隐藏在日常使用的便捷背后。《现代通信系统原理与应用》旨在揭开这些神秘的面纱，为读者提供一个全面、深入且高度实用的知识框架，理解当今世界如何实现“连接”。 本书并非简单地罗列技术术语，而是构建了一套从基础理论到前沿实践的完整学习路径。它专注于那些驱动着我们当前数字生活的核心技术——从模拟信号到数字信号的革命，从信道编码的纠错机制到复杂的频谱管理策略。 第一部分：理论基石——信号、系统与信息论的重塑 本部分奠定了整个通信科学的数学和物理基础，确保读者能够以严谨的视角审视通信过程中的每一个环节。 第1章：连续时间信号与系统的时频分析 深入探讨傅里叶变换（Fourier Transform）及其在通信系统中的核心作用。详细分析周期信号和非周期信号的频谱表示，解释采样定理（Nyquist-Shannon Sampling Theorem）的物理意义和工程限制。此外，本章会详尽介绍线性时不变（LTI）系统的概念，包括系统的冲激响应、频率响应，以及如何使用卷积来预测系统对任意输入信号的响应。我们将重点分析实际系统中常见的滤波器特性（如巴特沃斯、切比雪夫滤波器），及其在信号处理中的应用，为后续的调制解调环节打下坚实的基础。 第2章：随机过程与噪声理论 通信环境永远充满了不确定性。本章聚焦于随机过程，特别是平稳随机过程和高斯随机过程的数学建模。读者将学习如何使用自相关函数和功率谱密度（PSD）来描述信号和噪声的统计特性。噪声作为通信的固有敌人，其建模至关重要。本章将详细分析热噪声（白噪声）、带通噪声等常见噪声源，并引入信噪比（SNR）的概念，这是衡量通信系统性能的核心指标。我们将通过实际案例，展示如何量化和最小化噪声对信息传输的干扰。 第3章：信息论基础与信道容量极限 由香农奠定的信息论是现代通信的哲学和理论上限。《现代通信系统原理与应用》详细解读了信息熵、互信息等核心概念。本章的重中之重是香农-哈特利定理（Shannon-Hartley Theorem），它清晰地界定了在特定带宽和信噪比条件下，信道的最大可靠传输速率。我们将探讨“限带”与“限功率”的权衡，以及如何通过高效的编码和调制策略，努力逼近这一理论极限。 第二部分：从模拟到数字的飞跃——调制与编码技术 信息一旦被量化，就需要被有效地“装载”到载波上进行远距离传输。本部分专注于这些“装载”和“保护”信息的技术。 第4章：数字调制技术详解 本章系统地介绍了数字基带传输和通带传输的各种调制技术。 基带传输： 深入分析了脉冲幅度调制（PAM）、脉冲编码调制（PCM）的原理，并重点讨论了离散傅里叶变换（DFT）在快速傅里叶变换（FFT）算法中的应用，以及如何通过无码间串扰（ISI）设计来优化基带信号的传输。 通带传输（载波调制）： 详细剖析了数字调幅（ASK）、数字调频（FSK）和数字相移键控（PSK）家族。特别强调了正交幅度调制（QAM）——现代高速数据传输的核心技术，包括16-QAM、64-QAM的星座图设计、误码率（BER）性能分析及其在实际系统（如Wi-Fi和蜂窝网络）中的部署。 第5章：信道编码与纠错机制 数字信息在传输中极易受损，信道编码是确保可靠性的关键。“容错”而非“重传”是高效通信的追求。本章从基础的海明码（Hamming Codes）开始，逐步深入到更复杂的编码方案： 线性分组码： 介绍生成矩阵和校验矩阵的构建，以及代数解码的流程。 卷积码与Viterbi译码： 详细解释卷积码的编码过程，并详尽阐述Viterbi算法如何高效地在接收端实现最大似然译码。 现代高性能编码： 探讨Turbo码和低密度奇偶校验码（LDPC），这些是4G/5G和最新Wi-Fi标准中实现接近香农极限性能的关键技术。 第三部分：多址接入与信道提升——优化传输效率 当多个用户共享同一通信资源时，如何有效地分配资源并克服复杂信道是下一代系统的核心挑战。 第6章：多址接入技术（Multiple Access） 本章是理解蜂窝网络和广播系统的关键。我们将对比分析几种主要的接入技术： 频分多址（FDMA） 与 时分多址（TDMA） 的原理与应用场景。 码分多址（CDMA）： 深入解析扩频通信（Spread Spectrum）技术，包括直扩序列（DSSS）和跳频序列（FHSS），重点分析正交性和近远端效应。 正交频分多址（OFDMA）： 作为4G LTE和5G NR的核心，本章将详述OFDMA如何通过将高速数据流分解到大量正交子载波上来抵抗多径衰落，并讨论其在频率选择性衰落信道中的优势。 第7章：多径效应与信道均衡 无线电波在城市环境中会经历反射、散射和绕射，形成多径传播，导致信号失真和码间串扰。本章着重解决这一问题： 信道建模： 学习如何用瑞利（Rayleigh）和莱斯（Rician）衰落模型来描述信道的统计特性。 分集技术： 介绍空间分集（如MIMO系统的基础）和频率分集，如何通过冗余接收来提高链路的可靠性。 均衡器设计： 详细分析线性均衡器（如迫零均衡器）和非线性均衡器（如决策反馈均衡器DFE）的工作原理和在消除ISI中的作用。 第四部分：前沿通信：MIMO与认知无线电 本部分将读者的视野拓展到当前通信研究的前沿领域，展示如何通过更智能的信号处理和资源管理来突破现有速率瓶颈。 第8章：多输入多输出（MIMO）系统 MIMO技术是实现千兆级无线速率的革命性技术。本章深入解析MIMO的理论基础——信道容量的提升： 空间复用（Spatial Multiplexing）： 如何利用多根天线同时传输独立数据流。 空时分组码（STBC）： 提升传输可靠性的编码策略。 预编码与波束赋形（Beamforming）： 学习如何利用信道状态信息（CSI）来集中能量，定向传输信号，极大地提高了有效信噪比，这是大规模MIMO（Massive MIMO）的基础。 第9章：认知无线电与动态频谱接入 随着频谱资源的日益稀缺，如何“智能地”使用频谱成为焦点。本章介绍认知无线电（CR）的三个核心能力： 1. 频谱感知： 如何实时、准确地检测到未被授权用户（Primary User）占用的空闲频谱“白洞”。 2. 动态频谱接入： 次要用户如何在不干扰主要用户的前提下，灵活地利用这些空隙。 3. 频谱共享： 探讨基于软件定义无线电（SDR）的灵活硬件架构，以及对未来智能电网和应急通信的意义。 结语：连接的未来 《现代通信系统原理与应用》旨在培养读者构建和分析复杂通信系统的能力。通过对从信息论到MIMO的全面覆盖，本书提供了一个坚实的理论框架，使用户能够理解当前5G/6G、卫星通信乃至未来量子通信系统的设计哲学，真正掌握“连接”的科学与艺术。这本书是面向电子工程、计算机科学及相关领域研究生、高级工程师和研究人员的权威参考。
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