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出版者:北京邮电学院出版社

作者:王钦笙

出品人:

页数:454

译者:

出版时间:1995-06

价格:19.00

装帧:平装

isbn号码:9787563502066

丛书系列:

图书标签:

• 通信原理
• 数字通信
• 信号处理
• 调制解调
• 信道编码
• 信息论
• 无线通信
• 通信系统
• 现代通信
• 通信工程

《跨越边界：现代信息与信号处理的基石》 第一章：信息论的恢弘图景与信息度量 本章将带领读者深入信息世界的本源，探讨信息作为一种可量化、可传输的物理实体，其深刻的哲学意义和工程学价值。我们将从香农（Shannon）的开创性工作出发，解析信息熵（Entropy）的概念，理解它如何精确地衡量一个信息源的不确定性及其信息量的下限。不同于专注于信号如何在信道中传输的传统视角，本章侧重于“信息”本身——其本质、编码的效率极限，以及信息度量的严谨性。 我们将详细讨论自信息、互信息（Mutual Information）和条件熵的数学定义及其物理含义。互信息作为衡量两个随机变量之间依赖程度的关键指标，在本章中被置于核心地位，用以建立信息量与概率分布之间的桥梁。此外，还会探讨信源编码定理（Source Coding Theorem），即香农第一定理，解释无损压缩的理论极限，并分析霍夫曼编码（Huffman Coding）和算术编码（Arithmetic Coding）在实际应用中如何逼近这一极限，但请注意，本章的重点是理论推导和信息量化，而非具体的信道编码技术。 第二章：随机过程与噪声模型的精确描述 在任何实际的通信系统中，信号的产生和传输都不可避免地受到随机因素的影响。本章致力于构建一个坚实的随机过程数学框架，用以精确描述这些随机现象。我们将超越简单的随机变量分析，进入到对随时间演变的随机序列的研究。 重点内容包括平稳随机过程（Stationary Processes）的定义及其重要性，特别是宽平稳（WSS）和严平稳过程的区分与应用。我们引入功率谱密度（Power Spectral Density, PSD）的概念，这是理解信号在频域特性和噪声对信号影响的关键工具。通过维纳-辛钦定理（Wiener-Khinchin Theorem），我们将随机过程的时域自相关函数与其频域功率谱密度联系起来，揭示了平稳过程的内在对称性。 此外，本章将深入探讨高斯随机过程（Gaussian Processes），它们在许多物理系统建模中占据核心地位。对白噪声（White Noise）和带限高斯噪声的分析将提供理解噪声如何具体地污染信息传输的基础。本章的目标是提供一个全面且严格的随机过程工具箱，为后续处理系统中的不确定性做好数学准备。 第三章：线性系统理论在信号处理中的应用基础 信号的传输和处理本质上是信号通过各种物理介质和电子电路的过程，这些过程通常可以抽象为线性时不变（LTI）系统。本章将系统地回顾和深化线性系统理论，但其重点将完全放在如何利用这些工具来分析和设计信号处理模块上。 卷积（Convolution）作为LTI系统的核心运算，其时域和频域表示（通过傅里叶变换）将被细致地阐述。我们将分析系统的频率响应函数（Frequency Response Function），理解它如何决定哪些频率成分被增强或抑制，以及系统引入的相位失真问题。 本章还将引入诸如巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）等经典滤波器类型的设计原理，但分析的侧重点在于这些滤波器对信号频谱的理想化重塑，而非其在特定通信系统中的调制解调应用。我们还会探讨离散时间信号的采样理论（Nyquist-Shannon Sampling Theorem），理解如何从连续时间信号准确地恢复离散信号，以及欠采样可能导致的混叠（Aliasing）现象，为后续的数字信号处理奠定基础。 第四章：调制原理与频谱效率的权衡 本章专注于将信息载荷（如基带信号）有效地“放置”到适合在物理信道上传输的载波信号上的技术——即调制。我们将全面探讨模拟调制技术，但侧重于其在频谱效率和功率效率之间的基本权衡关系。 模拟调制技术，包括调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM），将被从信号表示的角度进行解析。我们将详细分析它们的调制指数、带宽需求以及抗噪声能力（SNR改善）。特别是对FM和PM的分析，将深入探讨它们如何利用非线性映射来提高抗干扰性能，但这与数字通信中使用的复杂正交幅度调制（QAM）或相移键控（PSK）的原理是区分开来的。 本章的核心是理解傅里叶分析如何揭示调制后信号的频谱结构，以及如何通过调整载波频率、带宽和发射功率来优化频谱利用率（Bits/Hz）和能量效率（Bits/Joule）。我们将建立一个清晰的框架，展示模拟调制在频谱利用上的固有局限性。 第五章：最优线性滤波与信号估计 在存在噪声的环境中，如何从含有噪声的观测信号中“提取”出最佳的原始信号估计，是信号处理中一个永恒的难题。本章聚焦于基于线性最小均方误差（LMMSE）准则的最优滤波器的设计。 我们将从统计学的角度出发，定义最小均方误差判据，并推导出维纳滤波器（Wiener Filter）的频率域和时域表达式。维纳滤波器的设计严格依赖于信号和噪声的功率谱密度，因此，本章将与第二章的随机过程知识紧密结合。我们将分析维纳滤波器在消除噪声的同时，对有用信号带来的失真程度，即“平滑性-保真度”的矛盾。 此外，本章还将讨论卡尔曼滤波（Kalman Filter）的理论基础，作为一个递归式、最优线性估计器，它在处理随时间变化的动态系统状态估计中的重要性。对这些滤波器的深入研究，旨在提供一套严谨的数学工具，用于在信号被污染的信道模型中实现信号的最优重建，而不是关注于具体的编码或纠错算法。 第六章：多址接入技术与资源共享的拓扑结构 当多个用户需要共享同一个有限的通信资源（如频带或时间）时，多址接入（Multiple Access）技术便应运而生。本章将从系统拓扑和资源分配的角度，详细分析现有的多址接入方案的原理和局限性。 我们将分析频分多址（FDMA）和时分多址（TDMA）的基本结构，理解它们如何通过物理上划分共享资源来隔离不同用户，并讨论其带来的限制，例如对精确同步和带外泄露的严格要求。 随后，我们将深入探讨码分多址（CDMA）的核心概念——利用正交编码来实现用户分离。本章将重点分析扩频技术（Spread Spectrum）的原理，即如何通过宽带调置来抵抗窄带干扰，以及如何利用伪随机序列（PN Sequences）的特性来实现用户间的“软隔离”。本章的重点是系统架构和资源分配策略，而非纠错码的细节。 第七章：信道容量的极限与性能评估指标 在对信息源、随机过程和信号处理有了全面认识后，本章将回归到香农的第二定理——信道容量定理（Channel Capacity Theorem）。我们将精确定义高斯信道的容量，并分析带宽、信噪比（SNR）与系统最大可靠传输速率之间的内在关系。 我们将详细探讨误码率（Bit Error Rate, BER）和误信率（Block Error Rate, BLER）作为衡量通信系统实际性能的关键指标。本章将分析在不同调制方案和噪声水平下，如何计算和测量这些错误率。通过理论曲线（如QPSK在AWGN信道下的BER曲线）的推导，读者可以理解系统性能的理论上限和实际表现之间的差距。本章的宗旨是提供一套严格的性能评估体系，用于量化任何通信方案的有效性，而不涉及具体的纠错码结构或译码算法的实现细节。 --- 本书特色总结： 本书旨在构建一个扎实的现代信息与信号处理的数学基础。它侧重于信息论的量化、随机过程的建模、线性系统的频谱分析、最优滤波估计以及资源共享的系统拓扑。全书强调从物理和统计学的角度理解“为什么”和“如何”量化信息、分析噪声和设计最优滤波器，为后续深入研究复杂的编码和调制方案提供必要的理论支撑。本书内容严格聚焦于信息、信号、噪声、系统和容量的数学物理描述。

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说实话，我对这类偏硬核的工程学科书籍通常抱着敬而远之的态度，因为它们常常伴随着大段晦涩难懂的数学公式，读起来非常吃力，很容易就产生了阅读疲劳。但这本书在处理“数学工具”与“物理意义”的关系上，处理得极其高明。它没有把傅里叶变换、随机过程这些工具当作目的，而是将其作为理解信号在信道中行为的“显微镜”。例如，在讨论噪声对信号的影响时，作者没有直接跳到高斯白噪声的复杂积分，而是先用一个非常生动的比喻解释了什么是“信息的不确定性”，然后再将随机过程的理论引入，用更简洁的方式展示了噪声是如何“污染”我们的信号。这种由浅入深，先搭概念框架再填充数学细节的结构，极大地降低了初学者的入门门槛。我个人尤其欣赏它在系统性能分析章节的处理方式，通过清晰的框图和简洁的数学表达，成功地将一个复杂的通信链路拆解成若干个可分析的小模块。这让我在尝试自己搭建仿真模型时，能够迅速定位到关键的性能瓶颈，而不是在一堆公式中迷失方向。

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这套书真是让我茅塞顿开，特别是对于那些对信号处理和信息论有初步了解，但又想深入研究现代通信系统设计的人来说，简直是宝藏。我记得我刚接触这领域的时候，很多概念像是空中楼阁，公式推导也常常让人望而生畏。但这本书的叙述方式却非常巧妙，它没有一上来就堆砌复杂的数学模型，而是先用非常直观的例子和清晰的逻辑把“为什么需要这些技术”讲透彻。比如，在讲到信道编码时，作者没有仅仅罗列各种编码方案的性能指标，而是深入剖析了香农极限的实际意义，让我们明白在噪声干扰下，信息传输效率的理论边界到底在哪里。随后，对于纠错码的介绍，从早期的汉明码到后来的Turbo码和LDPC码，每一步的演进都紧密结合了实际应用中的瓶颈和解决方案。尤其是对现代迭代译码算法的阐述，步骤清晰，配合图示，即便是初次接触的人也能抓住核心思想。读完这一部分，我感觉自己对如何平衡系统复杂度和可靠性有了全新的认识，这不仅仅是书本知识，更是一种工程思维的培养。它让我明白，好的通信系统设计，就是在各种约束条件下，寻求最优折中的艺术。

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这本书的编排逻辑简直是为自学者量身定做的，那种循序渐进的节奏感让人欲罢不能。它构建了一个非常扎实的基础结构，让你在学习后续更前沿的技术时，不会感到知识的断裂。举个例子，当你理解了基带信号传输的限制后，它自然而然地引出了带通信号的等效基带表示法，这使得理解复杂的高级调制技术变得水到渠成。更值得称赞的是，作者对现代通信系统的“前沿热点”也有所涉猎，但其切入点依然牢牢地扎根于基础原理。比如，在介绍MIMO（多输入多输出）系统时，它并没有急于展示复杂的预编码矩阵运算，而是先用简单的二维信道模型清晰地解释了空间复用和分集增益的物理含义。这种“万变不离其宗”的教学方法，确保了读者不仅学会了某一种具体的技术，更是掌握了解决一类问题的通用思维框架。读完后我感觉自己像是打通了任督二脉，对于任何新的通信技术文档，我都能迅速找到它与基础原理之间的联系。

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我平时工作接触的很多通信资料都是碎片化的，要么是某个标准的技术规范，要么是某项具体技术的应用手册，缺乏一个宏观的、系统的理论指导。这本书的出现，恰好填补了这一空白。它不仅仅是一本理论教材，更像是一部构建现代通信世界观的地图集。它对整个通信链路的描述——从信源编码到信道编码，再到调制、多址接入和同步——构成了一个完整的闭环。尤其是关于同步技术的章节，处理得非常到位。在很多入门读物中，同步往往是一带而过，但在这本书里，时钟同步和载波同步的难点被充分剖析，无论是基于锁相环（PLL）的实现思路，还是盲均衡算法的原理，都有足够的篇幅进行阐述，这对于从事实际系统调试的工程师来说，简直是福音。它让我意识到，一个看似简单的“同步”功能，背后竟然蕴含着如此精妙的信号处理技巧。总而言之，这是一本能将抽象概念转化为具体工程能力的优质读物，它的价值在于提供了一种从底层原理审视复杂系统的视角。

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我一直觉得，很多技术书籍的通病在于，它们要么过于偏向理论的纯粹性，让人感觉脱离实际；要么就是过度追求工程实现的细节，而忽略了背后的数学原理支撑。然而，这本关于通信原理的著作，在这两者之间找到了一个近乎完美的平衡点。特别是关于调制解调技术的部分，它的讲解层次感极强。从基础的幅度、频率、相位调制开始，逐步过渡到MPSK、M-QAM这些现代数字通信的核心。最让我印象深刻的是，作者在介绍正交频分复用（OFDM）技术时，没有止步于讲解其如何解决多径衰落问题，而是深入探讨了其在循环前缀（CP）设计、子载波功率分配等方面的权衡取舍。我甚至能想象出工程师在设计一个4G基站时，必须考虑的那些细微之处。书中对星座图的分析细致入微，对于误码率（BER）性能的推导和仿真结果的对比，都展现了作者深厚的功底。读起来，仿佛有一位经验丰富、耐心细致的导师在你身边，不仅告诉你“是什么”，更会告诉你“为什么是这样”，以及“在不同场景下该如何调整”。这种深度和广度兼备的讲解，让这本书的价值远超一本教科书，更像是一本通信系统设计的参考手册。

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