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An introductory, graduate--level look at modern communications in general and radio communications in particular. This seminal presentation of the applications of communication theory to signal and receiver design brings you valuable insights into the fundamental concepts underlying todaya s communications systems, especially wireless communications. Coverage includes: AM, FM Phase Modulation, PCM, fading, and diversity receivers. This is a classic reissue of a book published by McGraw Hill in 1966.
现代通讯的基石：理论、演进与应用 在这信息爆炸的时代，通讯技术的发展速度与深度，已然成为衡量一个社会现代化程度的关键指标。从最初的电报到如今的5G网络，再到未来无限可能的量子通讯，每一次技术的飞跃都深刻地改变着人类社会的运作模式，重塑着我们的生活、工作与交往方式。本书旨在深入探索通讯科学的核心原理，剖析其发展脉络，并展望其在各个领域的广泛应用，为读者勾勒出一幅现代通讯图景的宏大画卷。 第一部分：通讯的基石——理论之光 通讯的本质，在于信息的传递。而信息的传递，离不开严谨的数学与物理学的支撑。本部分将从最基础的通讯理论出发，为读者构建起理解复杂通讯系统所需的坚实理论框架。 1. 信息论的诞生与深远影响 一切通讯的起点，是对“信息”本身的定义与量化。克劳德·香农，这位信息论的奠基人，以其开创性的工作，为我们揭示了信息的本质——不确定性的减少。我们将深入探讨“比特”这一基本信息单位的含义，理解信息熵如何衡量一个信源的平均信息量，以及信源编码的目标——去除冗余，实现高效的数据压缩。 信息熵的数学定义与直观理解： 探讨熵是如何反映随机变量的不确定性的，以及在不同概率分布下的熵值变化。 信源编码的艺术： 介绍霍夫曼编码、算术编码等经典压缩算法的原理，以及它们在实际应用中的优势与局限。 信道容量的极限： 理解香农-哈特利定理，即一个有限带宽的信道所能承载的最大信息速率，这是通讯系统设计中的核心约束。 2. 信号的语言：模拟与数字的转换 现实世界的信息，大多以模拟信号的形式存在，如声音、图像等。而数字计算机和现代通讯系统，则依赖于离散的数字信号。如何将模拟信号转化为数字信号，并在传输过程中保持其完整性，是通讯系统面临的关键挑战。 采样定理（Nyquist-Shannon Sampling Theorem）： 阐述了将模拟信号无失真地转化为数字信号所需的最小采样频率，这是数字信号处理的基础。 量化与编码： 讲解模拟信号幅度被离散化（量化）以及量化后的数值被编码成二进制比特的过程，分析量化误差对信号质量的影响。 数字信号处理（DSP）的基础： 简要介绍滤波器、调制解调器等数字信号处理单元在信号转换与增强中的作用。 3. 信号的传播：物理世界的奥秘 电磁波是现代通讯最主要的载体。理解电磁波的产生、传播特性以及在不同介质中的衰减与反射，对于设计高效可靠的通讯链路至关重要。 电磁波的产生与特性： 探讨电磁波的波长、频率、振幅等基本属性，以及它们如何承载信息。 传播路径与衰减： 分析自由空间传播、地面波、天波等不同传播模式，以及信号在传播过程中遇到的衰减（如自由空间损耗、吸收损耗、散射损耗等）。 多径效应与衰落： 讲解信号在复杂环境中通过不同路径到达接收端造成的干涉，以及由此引起的信号强度波动（衰落），并介绍对抗衰落的技术。 第二部分：通讯的演进——技术的壮丽史诗 从机械到电子，从有线到无线，通讯技术的每一次革新都标志着人类连接能力的巨大飞跃。本部分将回顾通讯技术发展史上的重要里程碑，展现人类智慧如何克服障碍，不断拓展沟通的边界。 1. 电报与电话：开启远程通信的时代 早期通讯的革命，以电报和电话的发明为标志。它们彻底打破了地理空间的限制，将信息传递的速度提升到前所未有的水平。 摩尔斯电码的智慧： 介绍如何用简单的点划组合来编码字母和数字，实现远距离的点对点通信。 电话的诞生与普及： 阐述贝尔电话的原理，以及它如何首次实现了语音的实时远距离传输，改变了人与人之间的交流方式。 早期交换网络的构建： 简要介绍人工交换台和早期自动交换机的演进，为大规模语音通信奠定基础。 2. 无线电的黎明：从点到面的连接 无线电技术的出现，为通讯带来了革命性的自由。它摆脱了线路的束缚，使得信息的传递可以触及更广阔的地域，催生了广播、移动通信等全新的应用。 马可尼与无线电的先驱： 回顾早期无线电实验的艰难与辉煌，以及无线电技术如何逐步走向实用化。 调幅（AM）与调频（FM）： 介绍这两种基本的调制方式，以及它们在广播和早期无线通信中的应用。 无线电频谱的分配与管理： 讨论无线电频谱作为宝贵资源的稀缺性，以及国际和国内如何对其进行规划和分配。 3. 数字革命的浪潮：高效、可靠与智能 随着计算机技术的发展，通讯领域迎来了数字化浪潮。数字通讯以其更高的效率、更强的抗干扰能力和更灵活的处理方式，逐渐取代了模拟通讯，并为后来的互联网和移动通信奠定了基础。 脉冲编码调制（PCM）： 详解PCM如何将模拟信号转化为高质量的数字信号，是数字语音传输的核心技术。 数字调制技术： 介绍ASK、FSK、PSK、QAM等数字调制方式，以及它们如何提高频谱利用率和数据传输速率。 差错控制编码： 讲解纠错码（如海明码、卷积码、Turbo码、LDPC码）的作用，如何检测和纠正传输过程中产生的错误，保证数据可靠性。 4. 蜂窝网络与移动通信：连接无处不在 移动通信是现代通讯技术最成功的应用之一。从第一代模拟移动电话到如今的5G，每一次迭代都极大地提升了通信的速度、容量和智能化水平，使得“连接无处不在”成为现实。 蜂窝网络的基本原理： 阐述基站、小区、频率复用等概念，以及它们如何构建起覆盖广泛的移动通信网络。 2G、3G、4G、5G的演进： 重点介绍各代移动通信技术的关键特征，如GSM、CDMA、WCDMA、LTE、5G NR，以及它们在数据速率、延迟、连接密度等方面的突破。 移动通信中的关键技术： 探讨OFDM、MIMO、波束赋形等技术在提升移动通信性能中的作用。 第三部分：通讯的应用——连接世界的脉搏 通讯技术不仅仅是理论的堆砌和技术的迭代，更是服务于人类社会发展的强大驱动力。本部分将聚焦通讯技术在各个关键领域的应用，展现其如何改变我们的生活，促进社会进步。 1. 互联网与全球互联：信息共享的无限可能 互联网，这个由无数计算机组成的庞大网络，已经成为现代社会不可或缺的基础设施。它改变了信息的生产、传播和消费方式，催生了电子商务、社交媒体、云计算等新兴产业。 TCP/IP协议栈： 深入理解互联网通信的底层协议，包括IP地址、域名解析、TCP/UDP等，它们是互联网正常运行的基石。 路由与交换技术： 讲解数据包如何在复杂的网络中被高效地路由和交换，实现全球范围内的信息流通。 宽带接入技术： 介绍DSL、光纤、Wi-Fi等不同的宽带接入方式，以及它们如何为用户提供高速的网络连接。 2. 物联网（IoT）：万物互联的新时代 物联网将传感器、通信技术和互联网深度融合，使得物理世界的物体能够接入网络，实现智能化感知、识别、定位、跟踪和管理。 传感器技术与数据采集： 探讨各类传感器（温度、湿度、压力、图像等）如何采集环境信息，以及如何将这些信息转化为可传输的数据。 低功耗广域网（LPWAN）： 介绍LoRa、NB-IoT等技术，它们专为物联网设备设计，具有低功耗、长距离通信的特点。 物联网平台的架构与应用： 阐述物联网平台如何实现设备接入、数据存储、分析和应用开发，以及其在智能家居、智慧城市、工业自动化等领域的应用。 3. 卫星通信：跨越地理障碍的连接 卫星通信利用高轨道或低轨道卫星作为中继站，实现地球表面任何两点之间的通信，尤其在地面通信设施难以覆盖的地区，发挥着不可替代的作用。 卫星通信系统组成： 介绍地面站、卫星转发器、上行链路和下行链路等关键组成部分。 不同轨道卫星的应用： 区分地球同步轨道（GEO）、中地球轨道（MEO）和低地球轨道（LEO）卫星的特点和应用场景，例如GPS、Starlink等。 卫星通信的挑战与机遇： 探讨信号延迟、带宽限制、成本等挑战，以及其在全球互联网覆盖、灾难通信、军事通信等领域的未来发展潜力。 4. 光纤通信：信息高速公路的基石 光纤通信利用光信号在光纤中传输信息，具有极高的带宽、低损耗和抗电磁干扰的优势，是现代高速数据传输网络的主干。 光纤的原理与类型： 介绍光在光纤中全反射传输的原理，以及单模光纤和多模光纤的区别和适用场景。 光通信的关键器件： 讲解激光器、光电探测器、光放大器等核心器件的作用。 光网络架构： 介绍波分复用（WDM）技术如何在一根光纤中传输多个不同波长的光信号，极大地提升了传输容量。 5. 未来展望：下一代通讯技术的探索 通讯技术的进步永无止境。本部分将简要展望未来可能引领新一轮变革的通讯技术。 6G网络： 探讨6G可能具备的超高速度、超低延迟、更广连接能力，以及其对全息通信、数字孪生等应用的赋能。 量子通信： 介绍量子密钥分发（QKD）等技术，其提供的理论上的绝对安全性，以及其在未来信息安全领域的重要性。 人工智能（AI）在通讯中的应用： 探讨AI如何优化网络管理、提升信号处理效率、实现更智能化的通信服务。 本书力求以清晰易懂的语言，系统地梳理通讯科学的理论根基、技术演进路径以及在现代社会中的广泛应用。我们希望通过对这些内容的深入解读，能够帮助读者深刻理解通讯技术在塑造我们当下和未来的过程中所扮演的关键角色，并激发对这一充满活力与创新领域的进一步探索。
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