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isbn号码:9780780385504

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• 通信系统
• IEEE
• 信号处理
• 无线通信
• 数字通信
• 调制解调
• 信道编码
• 多址接入
• 网络协议
• 2004年出版

现代信息传输技术的理论与实践：跨越半个世纪的演进 图书名称： 《通信系统：理论、设计与前沿技术》 出版年份： 2023年（或一个虚拟的、反映当前技术水平的年份） 版本： 第十一版（或一个更迭后的版本） --- 绪论：信息时代的基石与不断演进的挑战 通信系统是现代社会运行的神经中枢，它承载着从早期的电报、电话到如今无处不在的移动互联网、物联网和实时数据流。本书旨在为读者提供一个全面、深入且与时俱进的通信系统知识体系，涵盖从最基础的信号表示、调制解调理论，到现代复杂的编码、多址接入技术，直至面向未来6G及更远超前沿的研究方向。 我们深知，通信领域的发展速度是惊人的。自信息论的奠基石落下，到数字通信的崛起，每一次技术的飞跃都伴随着对频谱效率、传输可靠性、能量消耗以及用户体验的更高要求。本版重点修订了过去十年间最具颠覆性的技术进展，如大规模MIMO（Massive MIMO）、非正交多址接入（NOMA）在实际网络部署中的优化策略，以及量子安全通信的理论基础。 本书的独到之处在于： 它并非仅仅对既有经典理论的简单复述，而是紧密结合当前工业界和学术界的热点难点，通过大量的工程实例和仿真分析，将抽象的数学模型转化为可操作的设计指南。 第一部分：模拟与数字基础：信号的表示与变换 本部分奠定了理解所有通信系统的数学基础。我们从傅里叶分析的视角重新审视信号的频域特性，强调了其在系统带宽限制和噪声分析中的核心作用。 核心内容包括： 1. 随机过程与噪声理论的深化： 详细阐述了维纳过程、平稳过程的数学性质，并重点分析了高斯白噪声（AWGN）在实际信道建模中的局限性，引入了更贴近实际的衰落信道模型（如莱斯衰落、瑞利衰落）的统计特性及其对系统性能的量化影响。 2. 信道特性分析： 深入探讨了线性时不变（LTI）系统的响应，重点解析了多径效应（Multipath Effects）如何导致符号间干扰（ISI）。引入了匹配滤波器的设计原理，并将其与均衡技术（Equalization）——包括线性均衡器和迫零（ZF）/最小均方误差（MMSE）非线性均衡器的实现细节——紧密联系起来。 3. 抽样与量化： 重新审视奈奎斯特采样定理的工程意义，详细分析了过采样和欠采样的影响。在量化部分，重点讨论了变速率量化和基于感知编码的量化技术，这是实现高效语音和图像传输的关键。 第二部分：数字调制与编码：效率与可靠性的博弈 信息从数字域转换到模拟域（或直接在数字域传输）是通信的核心步骤。本部分将数字调制技术的演进视为频谱效率不断提升的历史。 调制技术专题： 线性与非线性调制： 系统地比较了振幅、频率和相位调制方案（ASK, FSK, PSK）。重点阐述了正交幅度调制（QAM）的结构化设计，并扩展到高阶QAM（如256-QAM, 1024-QAM）在实际信噪比下的性能瓶颈和星座图的优化布局。 非均匀和旋转星座： 探讨了如何通过非均匀功率分配和旋转星座设计来抵抗特定类型的信道干扰（如相位噪声），以在不增加带宽的情况下提升接收机的容错能力。 峰均功率比（PAPR）管理： 针对OFDM等多载波系统中的高PAPR问题，详细介绍了抑制技术，如限制法（Clipping）、选择性映射（SLM）和部分响应信号（PTS）的优劣及其实现复杂度。 信道编码与纠错： 本章不再局限于早期的卷积码和分组码。重点转向现代高性能编码方案： 1. Turbo 码与LDPC 码的深度剖析： 详细解析了迭代译码原理，并展示了低密度奇偶校验码（LDPC）如何通过其优异的逼近香农极限的性能，成为5G和Wi-Fi 6等标准的核心。 2. 极化码（Polar Codes）： 深入讲解了信道极化现象，阐述了极化码如何作为下一代编码技术的有力竞争者，在短码长上展现出优于Turbo码的潜力。 3. 混合自动重传请求（HARQ）： 将前向纠错（FEC）与自动重传请求（ARQ）结合，分析了Type-I, Type-II, 和Type-III HARQ策略在提高吞吐量和可靠性方面的工程权衡。 第三部分：多址接入与多天线系统：频谱共享的艺术 随着用户数量的激增，如何高效共享有限的无线频谱成为关键。本部分聚焦于多用户共享和空间复用技术。 多址接入技术演进： 经典接入回顾： 简要回顾了FDMA, TDMA, CDMA的原理与局限性。 正交频分多址（OFDMA）的应用： 详细分析了OFDMA在LTE和5G中的资源调度机制，包括子载波的灵活分配和对频率选择性衰落的自然抵抗力。 非正交接入的兴起（NOMA）： 深入探讨了NOMA如何通过功率域或编码域的复用，实现更高的频谱效率，并讨论了其在接入公平性与串扰消除方面的挑战与最新的解决方案。 多输入多输出（MIMO）系统： MIMO是现代无线通信的支柱。本章从信息论角度推导了空间复用增益和分集增益的极限。 1. 空时处理： 详细分析了预编码（Precoding）技术，如迫零（ZF）和MMSE预编码，以及它们在多用户MIMO（MU-MIMO）中的实现流程。 2. 大规模MIMO（Massive MIMO）： 聚焦于基站配置大量天线带来的信道状态信息（CSI）获取挑战。介绍了基于信道互换性（Channel Reciprocity）的简化训练方案，以及在有限反馈下的预编码优化算法。 3. 波束赋形（Beamforming）： 结合毫米波通信的需求，详细讲解了混合模拟/数字波束赋形的设计与实现，包括模拟移相器的选择与优化。 第四部分：高级主题与未来展望：迈向智能无线电 本部分将读者的视野引向通信系统设计的前沿和交叉领域。 1. 认知无线电与动态频谱共享（DSS）： 探讨了系统如何感知环境、识别空闲频谱并动态调整传输参数。重点分析了能量检测、特征检测等主要检测技术，以及学习算法在频谱决策中的应用。 2. 弹性与可靠性： 针对工业互联网和自动驾驶对超高可靠性、超低延迟通信（URLLC）的需求，详细研究了先进的调度算法、基于深度学习的快速重传决策模型，以及在异构网络中实现端到端QoS保障的架构设计。 3. 物理层安全（Physical Layer Security, PLS）： 在传统加密层之上的天然安全屏障。分析了窃听者模型，并介绍了基于信道差异的保密波束赋形、功率控制和伪随机序列生成等技术，以确保信息在物理信道上传输的机密性。 4. 基于AI的通信系统优化： 本书的终极前沿讨论：如何利用深度学习（DL）替代传统的信号处理算法。这包括使用神经网络进行信道估计、端到端的符号检测、以及强化学习在动态网络资源管理中的应用潜力。 --- 总结： 《通信系统：理论、设计与前沿技术》力求在数学严谨性和工程实践性之间取得完美平衡。它不仅是对经典理论的忠实再现，更是对当前无线电频谱利用效率极限的不断挑战与探索。本书是通信工程、电子工程、计算机科学相关专业高年级本科生、研究生以及致力于无线通信技术研发的工程师的必备参考书。通过对这些复杂系统的深入理解，读者将具备设计和优化下一代通信基础设施的能力。

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这本书的封面设计乍一看颇具年代感，那种略显硬朗的字体排版，让人立刻联想到那个特定的时间节点——2004年。我翻开扉页，首先映入眼帘的是大量的公式和晦涩的术语，这立刻给我一种强烈的预感：这不是一本面向初学者的入门读物，而更像是一本为行业内资深工程师或研究生准备的“武功秘籍”。我花了些时间尝试理解其中关于信道编码和调制的章节，里面的数学推导极其密集，每一步都要求读者对傅里叶变换和概率论有扎实的功底。坦白说，我花了近两个小时才勉强跟上作者关于低密度奇偶校验码（LDPC）性能分析的那一小节的逻辑。书中的图表清晰度尚可，但与今天的出版物相比，那种2004年的印刷风格显得有些单调，缺乏现代教材中那种鲜明的色彩对比和直观的示意图。整体而言，它散发出一种沉稳、严谨的气息，仿佛在告诉我：“要掌握这些知识，你必须付出足够的汗水和时间。”它更像是一本工具书，而不是一本轻松愉快的阅读材料，对于那些需要深入研究特定通信理论细节的人来说，它或许是金矿，但对于想快速了解整个通信系统概貌的读者，门槛未免太高了些。

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阅读这本书的过程，简直像是在上一堂由一位老派教授主讲的、不容许开小差的课堂。作者的叙事风格极其克制，几乎没有使用任何可以被认为是“煽情”或“激励性”的语言，所有的信息都以一种近乎纯粹的、去个人化的方式呈现。举个例子，介绍接收机设计时，他会直接跳入噪声模型和误码率的积分求解，中间没有任何过渡性的比喻或者生活化的例子来帮助理解，这要求读者必须保持极高的专注力。我印象特别深的是关于均衡器的章节，从线性均衡到非线性均衡的演进描述得一丝不苟，但那种叙述方式，更像是工程师在撰写技术规范文档，而不是一位教育者在尝试传授知识。对于我这种习惯了网络公开课那种互动式、高密度趣味点的学习方式的读者来说，这本厚重的文本显得有些“干燥”。它更像是那个年代学术界的缩影：严谨到近乎苛刻，知识密度高到让人喘不过气，但如果你能熬过那些晦涩的推导，你会发现自己对“为什么”有了更深刻的理解，而不仅仅是“怎么做”。

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这本书的装帧和纸张质量给我留下了非常深刻的印象，即便经过了时间的洗礼，它依然保持着一种令人放心的厚重感。当我将它平放在书桌上时，那种略微发黄的书页和略带油墨味的触感，仿佛能将我拉回到那个还在使用PDAs和早期3G网络的年代。在查阅特定概念时，我注意到索引部分的编排非常细致，任何一个关键术语几乎都能在第一时间被定位，这体现了那个时代出版物在工具性设计上的用心。然而，这种对细节的执着也带来了一些小小的困扰：某些图示中的线条过于细密，在光线不佳的环境下，辨认细微的差异确实需要打起精神来。此外，虽然它全面覆盖了从信号发射到接收的整个链路，但对于现代通信系统越来越重要的“系统级仿真”和“软件定义无线电（SDR）”的概念，书中的提及非常有限，这使得这本书在应用层面显得有些“脱节”。它专注于数学和物理层面的完美理论模型，对于如何在实际的计算平台上快速实现和验证这些模型，着墨不多。

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说实话，我买这本书主要是冲着它在通信领域历史地位去的，而不是为了立刻应用它来解决当前的问题。翻阅的过程中，我发现它更像是一部“史诗”，记录了特定时期内，通信理论工作者们是如何构建起现代数字通信的数学框架的。作者在处理特定随机过程和高斯白噪声（AWGN）信道下的性能分析时，那种旁征博引、引用了大量早期经典文献的做法，非常能体现出那个时代学术界的严谨性——每一步结论都必须有深厚的理论根基支撑。虽然书中缺乏对现代编码技术如Turbo码的深入分析（Turbo码在2004年前后正处于商业化爆发的前夜，这本书的视角可能略早了一步），但它对BPSK、QPSK等基础调制方式的深入剖析，却是无可替代的。总而言之，它不是一本让你在最短时间内获得最高效率的教材，它更像是一张详细的、用数学语言绘制的通信系统“古代地图”，让你能追溯到如今许多先进技术理论的最初源头，理解那些奠基石是如何被一块块垒起来的，这是一种慢而有价值的阅读体验。

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我拿到这本“通信系统”时，原本期望能找到对无线通信领域最新进展的概览，毕竟2004年距离今天也有一段时间了，但阅读体验告诉我，这本书的重心似乎完全放在了经典理论的深度挖掘上。例如，关于多址接入技术（Multiple Access）的论述，篇幅占据了相当大的比例，作者用了大量篇幅来对比FDMA、TDMA和CDMA的理论极限和实际性能损耗，那种详尽程度几乎可以拿去直接写学位论文了。有趣的是，书中对OFDM（正交频分复用）的介绍，虽然详尽，但明显缺乏后来LTE和5G标准中对循环前缀（CP）优化和高峰均值功率比（PAPR）抑制技术的那种前瞻性探讨，这让我深刻体会到了技术迭代的速度。当我试图寻找关于MIMO（多输入多输出）系统的章节时，我发现那部分内容相对简略，更侧重于早期的空时分组码（STBC），对于后来的预编码和波束赋形技术鲜有提及。这无疑证明了，这本书的价值更在于其对通信“基石”的夯实，而不是对“前沿应用”的捕捉，对于想要理解现代蜂窝网络底层原理的读者来说，它提供了不可或缺的理论基础，但绝不能指望它能告诉你最新的手机是如何工作的。

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