The Mathematical Theory of Communication pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:University of Illinois Press

作者:Claude E Shannon

出品人:

页数:144

译者:

出版时间:1998-9-1

价格:USD 55.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780252725463

丛书系列:

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《信息之海的航行：现代通信系统设计与优化》 作者：张伟，李娜 出版社：博雅科技出版社 出版日期：2023年10月 --- 内容简介 在数字化浪潮席卷全球的今天，信息已成为驱动社会进步的核心能源。我们身处一个前所未有的信息爆炸时代，数据以前所未有的速度和规模在电子设备、光纤网络和无线信道中穿梭往来。然而，信息的有效、可靠、高效传输绝非易事。它依赖于深厚的理论基础、精妙的工程设计以及对物理层、网络层乃至应用层复杂性的深刻理解。《信息之海的航行：现代通信系统设计与优化》正是一本旨在为读者构建起一座连接基础理论与前沿实践的坚固桥梁的专著。 本书并非对经典信息论的重复阐述，而是聚焦于如何将这些抽象的数学框架转化为现实世界中高性能、高可靠的通信解决方案。全书以系统工程的视角出发，从最底层的信号表示与处理，深入到复杂的信道编码、调制解调技术，再延伸至现代多址接入、网络路由与资源管理的实际挑战。 --- 第一部分：数字化的基石与信号的重塑 (Foundations of Digitalization and Signal Reconstitution) 本部分着眼于将模拟世界转化为可计算的数字信号，并为后续处理打下坚实基础。 第一章：采样、量化与信源编码的高效性 本章深入探讨了奈奎斯特-香农采样定理在实际应用中的局限性与扩展。我们详细分析了过采样和欠采样的影响，并重点介绍了感知编码（Perceptual Coding）在音频和视频压缩中的应用，例如如何利用人耳和人眼的生理特性实现有损压缩的最佳效率。此外，熵编码（如算术编码和霍夫曼编码的变体）在面对高复杂度数据流时的实时优化策略被详尽剖析。我们展示了如何通过自适应模型选择，在保证可接受失真度的前提下，将数据速率推向信源的理论极限。 第二章：信道建模与复杂环境的描摹 可靠通信的第一步是准确理解信息所经过的“旅程”。本章突破了传统的平坦衰落模型，转而聚焦于移动通信环境中的时变多径效应。我们引入了威纳滤波器（Wiener Filter）在快速衰落信道均衡中的应用，并详细推导了莱斯（Ricean）和瑞利（Rayleigh）衰落模型的统计特性。特别地，本章对毫米波（mmWave）通信中的几何衰落模型进行了深入建模，解释了其与低频段信道的根本差异，这对于理解5G及未来6G系统的波束赋形至关重要。 第三章：调制技术的演进与性能边界 本章超越了基本的QAM和PSK调制，将讨论提升到多输入多输出（MIMO）系统的维度。我们详细分析了正交频分复用（OFDM）的实现细节，包括循环前缀（CP）的设计对符号间干扰（ISI）的抑制效果，以及在非理想频率同步下的载波频率偏移（CFO）估计与补偿技术。对于MIMO，我们阐述了奇异值分解（SVD）预编码如何将复杂的空间信道解耦，实现并行数据流传输。本章的亮点是对比特交错感知编码（BPSK）在极高阶调制下的性能瓶颈进行的实证分析。 --- 第二部分：差错的对抗与传输的可靠性 (Combating Errors and Ensuring Transmission Reliability) 错误是信道固有的属性，本部分的核心在于如何设计出鲁棒的纠错机制，将错误率降至可接受的水平。 第四章：现代信道编码的迭代优势 本章的核心是对现代前向纠错（FEC）技术的深入剖析。我们没有停留在传统的卷积码和分组码，而是将重点放在了Turbo码和低密度奇偶校验码（LDPC）的译码算法上。详细解析了BP（Belief Propagation）译码的迭代过程、停止准则的优化，以及如何在有限的延迟预算内实现接近香农极限的性能。此外，本章还探讨了极化码（Polar Codes）作为下一代标准潜在选择的理论基础和高效构造方法。 第五章：混合自动重传请求（HARQ）的性能优化 在有限反馈和突发性错误的环境中，FEC需要与重传机制协同工作。本章系统地比较了增量冗余校验（IR）HARQ和选择性重复（SR）HARQ的吞吐量特性。重点在于Chase Combining和Type-II HARQ的性能增益分析，以及如何在功耗受限的设备上设计最优的重传调度策略，以最小化平均延迟。 第六章：物理层安全与抗干扰技术 随着通信系统的开放化，信息安全也渗透到物理层。本章讨论了如何利用信道的不确定性进行物理层加密。我们分析了协作通信中干扰管理的策略，特别是如何利用预编码技术在合法接收端增强信号，同时在窃听者端引入可控干扰，从而实现保密熵（Secrecy Entropy）的最大化。 --- 第三部分：连接的艺术——网络与资源管理 (The Art of Connectivity: Networking and Resource Management) 通信系统绝非孤立的链路，它是一个复杂的网络生态系统。本部分聚焦于网络层的效率与调度的艺术。 第七章：正交与非正交多址接入的权衡 本章详细对比了正交频分多址（OFDMA）和非正交多址接入（NOMA）。对于NOMA，我们深入分析了功率域和编码域复用的实现细节，以及如何通过串行干涉消除（SIC）在接收端分离不同用户的信号。章节还探讨了在异构网络（HetNets）中，如何根据用户信道条件动态选择接入技术，以平衡系统吞吐量与用户公平性。 第八章：动态频谱共享与认知无线电 在频谱日益稀缺的背景下，高效的频谱利用成为关键。本章介绍的认知无线电（CR）框架，侧重于次级用户对主用户信道的动态感知与机会性接入。我们详细介绍了基于能量检测、特征检测和盲检测的频谱感知算法，并讨论了如何通过博弈论模型来设计次级用户的最佳传输功率，避免对主系统造成有害干扰。 第九章：超可靠低延迟通信（URLLC）的调度挑战 面向工业物联网和自动驾驶等关键应用，URLLC对延迟和可靠性提出了极端的双重约束。本章侧重于时间敏感网络（TSN）中的确定性调度算法。我们分析了如何通过预留时间片（Time Slot Allocation）和快速重传机制来保证99.999%的传输在毫秒级完成。理论分析聚焦于服务等级协议（SLA）的达成概率，而非单纯的平均性能指标。 --- 结语：面向未来的通信范式 《信息之海的航行》旨在为通信工程师、系统架构师和高级研究人员提供一个全面、深入且面向实践的参考。本书的深度和广度超越了对特定协议的描述，而是致力于揭示在面对频谱限制、功耗约束和延迟挑战时，如何利用跨越物理层到网络层的综合知识，设计出下一代高效、可靠的通信基础设施。本书的案例研究和仿真分析，将帮助读者掌握将理论转化为强大工程系统的必备技能。 关键词： 数字通信、信道编码、MIMO、OFDM、NOMA、HARQ、频谱感知、URLLC、系统优化。

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作为一名长期在应用领域摸爬滚打的从业者，我曾以为自己对通讯系统已经有了足够多的了解，直到我翻开了这本书。这本书的视角是如此宏大而根本，它仿佛是从宇宙诞生之初，信息是如何以最小能耗进行交换的角度来审视这个问题。其中关于互信息（Mutual Information）的讨论，简直是点睛之笔，它精准地量化了两个随机变量之间共享的信息量，这对于设计高效的传感器网络和优化决策过程具有不可估量的指导意义。我特别欣赏作者在阐述复杂概念时所保持的克制和精确性，每一个定义、每一个定理的提出都带着无可辩驳的必然性。这本书不是在“教你做”什么，而是在“告诉你为什么”会是这样。这种对基础原理的深刻挖掘，使得在面对新技术变革时，我们不再是盲目跟从，而是能迅速判断新技术的理论上限在哪里，从而避免走上设计上的死胡同。

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我花了很长时间才真正消化这本书中的大部分内容，它要求的不只是智力上的投入，更是一种心性的沉淀。它像一部古典音乐的总谱，每一个音符、每一个休止符都有其确切的意义和功能，绝不容许丝毫的含糊。阅读过程中，我体会到了一种极度的秩序感，作者将一个原本充满随机性和不确定性的领域，硬生生地用清晰的公理和定理构建起一座坚不可摧的理论大厦。书中对各种编码方案的性能界限的论证，尤其令人印象深刻，它为工程实践设置了一个神圣不可侵犯的“物理定律”——你无法在不增加冗余的情况下，让传输速率超过信道容量。这本书不仅是对通讯领域的贡献，更是对人类理性思维能力的一种精彩展示，它证明了即便是最混乱的信号，也能被数学的逻辑之光所穿透和理解。

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这本书的阅读体验，与其说是学习一门技术，不如说是一次智力上的朝圣之旅。它的文字风格冷峻而精确，几乎没有多余的修饰，所有的篇幅都紧密围绕着理论的推进展开。我发现自己常常需要停下来，反复咀嚼那些看似简单的定义，因为它们背后蕴含着巨大的信息结构。尤其是信源编码和信道编码的对比分析，清晰地划分了“压缩”与“保护”这两大信息处理任务的数学边界。这本书的伟大之处在于，它成功地将一个原本充满模糊性的物理过程——“说话”或“发送信号”——提炼成了可以被精确计算和优化的数学模型。它塑造了一种全新的思维范式，让我开始用信息熵的眼光去看待日常生活中的所有数据流动，从股票市场的波动到基因序列的排列，无一不被这套理论的框架所照亮。

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这部著作以其严谨的数学框架和深邃的洞察力，为理解信息本质提供了一套无可匹敌的分析工具。作者并未将焦点停留在信息传输的表象，而是深入挖掘了信息量的度量、信源的统计特性以及信道容量的极限。阅读过程中，我清晰地感受到了作者如何将概率论和统计物理学的精髓巧妙地融入到通讯的理论构建之中。书中对熵概念的引入，尤其令人拍案叫绝，它不仅仅是一个数学符号，更是对不确定性的量化描述，是衡量信息有效性的基石。随后的章节对离散和连续信源的编码方案进行了详尽的探讨，清晰地展示了如何在有噪声的介质中，以尽可能高的效率和准确性传递信息。对于任何希望从根本上掌握现代通讯系统工作原理的工程师或理论研究者而言，这本书无疑是绕不开的圣经，它提供的理论深度，远非那些只关注具体硬件实现的教材所能比拟。它教会我们思考“信息”本身的极限，而非仅仅是“如何发送”一个比特。

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老实说，初次接触这本书时，我被其数学的密度压得有些喘不过气。这不是一本可以轻松在咖啡馆里消遣的书籍，它要求读者具备扎实的数学基础，尤其是在线性代数和微积分方面有相当的功底。然而，一旦跨过了最初的门槛，其内部的逻辑美感便会逐渐显现出来。作者对噪声处理的论述极其精妙，特别是关于信道编码定理的证明，那种层层递进、滴水不漏的推导过程，展现了一种数学上的纯粹和优雅。它揭示了在现实世界的物理限制下，信息传输理论的内在约束和可能达到的最佳性能。这本书的价值在于它的普适性，书中构建的理论框架，不仅适用于早期的电报系统，也深刻地影响了今天的数字网络、数据压缩乃至更广阔的认知科学领域。它提供了一套观察世界的“数学语言”，使得我们能够用一致且可量化的方式来谈论“沟通”。

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