具体描述
《数据通信原理与技术》可作为高等院校通信、计算机及电子信息类专业数据通信课程的教材，也可作为相关工程技术人员的参考书。
现代通信系统设计与优化：理论基础与实践应用 本书聚焦于当代信息技术浪潮下，复杂通信系统从理论建模到实际部署的全流程设计与优化策略。它超越了单一技术范畴的局限，旨在为工程师、研究人员及高年级学生提供一套系统化、跨学科的视角，以应对日益增长的高速率、高可靠性及低延迟通信需求。全书内容紧密结合最新的工程实践和前沿研究方向，强调数学原理的严谨性与工程实现的有效性之间的平衡。 --- 第一部分：通信系统性能的理论基石与建模（The Theoretical Bedrock of Communication Systems） 本部分深入剖析了影响现代通信系统性能的几个核心理论支柱，侧重于如何利用数学工具对信号的产生、传输和接收过程进行精确描述和分析。 第一章：随机过程与信息论基础回顾 本章首先对概率论中的重要概念，如随机变量、联合分布和条件概率进行了复习，并在此基础上系统阐述了随机过程（Stochastic Processes）的数学结构。重点分析了平稳过程（Stationary Processes），尤其是宽平稳过程（Wide-Sense Stationary, WSS）和各态历经性（Ergodicity）的物理意义及其在信道建模中的应用。 在信息论方面，本书详细介绍了香农信息论的核心成果。不同于一般教材的简单介绍，本章深入探讨了熵、互信息和条件熵的性质及其在度量信息不确定性和信道容量时的数学推导。特别地，本书详尽分析了信道容量定理（Channel Capacity Theorem）在不同信道模型（如加性高斯白噪声信道 AWGN）下的精确计算方法，并探讨了信源编码（Source Coding）和信道编码（Channel Coding）的理论极限，包括汉明界（Hamming Bound）和范诺界（Fano’s Bound）的实际意义。 第二章：信道建模与衰落分析 准确的信道模型是通信系统设计的起点。本章专注于描述信号在物理信道中传输时所经历的各种失真和干扰。 首先，对线性时不变系统（LTI System）在频域和时域的表示进行了深入分析，特别是脉冲响应函数在建模信道时延扩展中的作用。随后，详细讨论了多径效应（Multipath Effect）的产生机理，并引入了瑞利分布（Rayleigh Distribution）和莱斯分布（Rician Distribution）来精确描述窄带信号的幅度衰落（Fading）。 此外，本章还对大尺度衰落（Large-Scale Fading，如阴影衰落 Shadowing）和小尺度衰落（Small-Scale Fading）进行了区分，并介绍了如何使用对数正态分布（Log-Normal Distribution）来拟合阴影衰落的统计特性。针对移动通信中的多普勒频移（Doppler Shift）现象，本章阐述了如何使用Jakes模型等工具来评估系统的时变特性。 --- 第二部分：数字调制、编码与同步技术（Digital Modulation, Coding, and Synchronization） 本部分将理论基础应用于实际的信号处理层面，构建起数字通信系统的核心模块。 第三章：先进的数字调制方案与性能评估 本章系统性地介绍了现代高速率通信系统中使用的多电平调制和多维调制技术。从基础的MPSK（相移键控）和M-QAM（正交幅度调制）出发，重点分析了它们在星座图（Constellation Diagram）上的几何特性及其对欧氏距离（Euclidean Distance）的影响。 本书特别深入探讨了优化的星座映射，如格形编码调制（Trellis Coded Modulation, TCM）的原理及其如何通过引入编码增益来提升频谱效率与抗噪性能的平衡。针对非均匀幅度的QAM，详细介绍了星形整形（Signal Constellation Shaping）技术在提高平均功率效率方面的作用。性能评估不再局限于误码率（BER）公式的罗列，而是结合误符号率（SER）和平均互信息，对不同调制方案在特定信噪比（SNR）下的实际表现进行量化比较。 第四章：前向纠错编码技术深度解析 纠错编码是实现可靠通信的基石。本章摒弃了对早期线性分组码的简单介绍，而将重点放在了现代高速率、高效率的信道编码技术上。 首先，详细介绍了卷积码（Convolutional Codes）的编码器结构、状态图（State Diagram）和维特比译码算法（Viterbi Algorithm）的详细流程与复杂度分析。随后，本书转向更先进的迭代译码方法。对Turbo 码（Turbo Codes）的结构——包括两个并行的卷积编码器、交织器（Interleaver）的设计及其对数似然比（LLR）的迭代交换过程进行了详尽的推导和仿真分析。 此外，低密度奇偶校验码（LDPC Codes）作为下一代通信标准（如 5G NR）的核心技术，被赋予了专门的章节。书中阐述了其稀疏校验矩阵的构建、概率图模型，并详细分析了NSA/BP 译码（消息传递算法）的收敛特性，展示了 LDPC 如何逼近香农极限。 第五章：载波恢复与定时同步 系统同步是数字解调成功的先决条件。本章侧重于实际接收机中同步环路的实现细节。 对于载波相位同步，本书对比了基于闭环锁相环（PLL）的同步技术与盲同步方法。重点分析了非线性估计算法（如 Costas 环）在MPSK系统中的应用及其对噪声的敏感度。对于多电平调制的M-QAM，则详细介绍了基于决策的同步技术，如最大似然序列估计（MLSE）在跟踪载波频偏时的表现。 在定时/码元同步方面，本书详细讨论了非数据辅助（NDA）和数据辅助（DA）的同步器设计。对Gardner 算法和极大似然定时估计的原理进行了详尽阐述，并探讨了它们在不同工作点（如过采样率）下的性能差异和实际电路的实现复杂度。 --- 第三部分：多址接入与多天线技术（Multiple Access and MIMO Systems） 随着用户密度的增加，频谱资源利用效率成为关键。本部分聚焦于如何通过先进的资源划分和空间复用技术来服务大量用户。 第六章：正交多址接入与频谱效率 本章首先回顾了频分多址（FDMA）和时分多址（TDMA）的基本原理及其在早期系统中的应用限制。重点转向现代系统中占据主导地位的正交频分多址（OFDMA）。 OFDMA 的核心在于其多载波特性。本书深入分析了离散傅里叶变换/逆变换（DFT/IDFT）在OFDM符号生成与解调中的作用，并详细阐述了循环前缀（CP）如何有效对抗码间干扰（ISI）。此外，本书详尽分析了OFDM系统面临的峰均功率比（PAPR）问题，并对比了选择性映射（SLM）和类原型削峰（PTS）等多种削峰技术的性能与复杂度权衡。 在多址接入（Multiple Access）层面，本书对比了传统的扩频技术（如 CDMA）与基于时频资源灵活调度的 OFDMA 的优劣，特别是在应对小区内干扰（ICI）和小区间干扰（IEI）方面的差异化策略。 第七章：多输入多输出（MIMO）通信系统 MIMO 技术是提升系统吞吐量和可靠性的空间维度技术。本章是全书的难点和重点之一。 首先，从信道容量的视角引入空间复用（Spatial Multiplexing）和发射分集（Transmit Diversity）的概念，并通过奇异值分解（SVD）来分析多天线信道的秩（Rank）和信道矩阵的特性。 在空间复用方面，详细介绍了迫零（ZF）均衡器和最小均方误差（MMSE）均衡器的设计原理，以及它们在实际信道状态信息（CSI）不完美情况下的性能退化分析。对于发射分集，重点分析了空时分组码（STBC，如 Alamouti 码）的结构、编码增益及其译码的复杂度。 最后，本书探讨了预编码（Precoding）技术，如何利用信道反馈信息优化多用户MIMO（MU-MIMO）系统的波束赋形（Beamforming），实现系统级的性能提升。 --- 第四部分：网络层协议与软件定义通信（Networking and SDN） 理解了物理层的传输机制后，本部分将视角提升到更宏观的系统集成和资源管理层面。 第八章：无线网络层次的资源管理与调度 本章聚焦于如何在无线资源受限的环境下，高效地分配功率、速率和时频资源。 详细分析了下行链路调度算法的设计哲学，包括最大化系统吞吐量的调度（如尽力而为/Water-Filling 算法）与保证用户公平性的调度（如比例公平 Proportional Fairness）。书中强调了信道感知调度（Channel-Aware Scheduling）的重要性，并探讨了如何将反馈时延纳入调度决策的优化模型中。 此外，本章还深入探讨了功率控制的机制。通过建立带有干扰约束的优化模型，分析了纳什均衡点在网络中的意义，并比较了集中式与分布式功率控制算法在实现网络稳定性与收敛速度上的差异。 第九章：面向未来的高效能网络架构 本书的最后一部分展望了通信系统向更灵活、可重构架构的演进方向。 软件定义网络（SDN）在无线接入网中的应用是本章的重点。分析了如何将控制平面（Control Plane）与数据平面（Data Plane）分离，以实现对无线资源更灵活、全局视角的管理。重点讨论了SDN控制器在统一管理异构接入技术（如 4G/5G/Wi-Fi 融合）时的挑战与机遇。 最后，本书简要介绍了网络功能虚拟化（NFV）的概念，探讨了如何将传统的硬件通信功能（如基带处理单元、移动核心网功能）虚拟化到通用计算平台（COTS），以期达到快速部署和弹性扩展的目的。 --- 总结： 本书旨在提供一个从电磁波到网络协议的完整、深入的知识体系。它不仅教授读者如何运用数学工具分析单个系统的性能极限，更重要的是，引导读者思考如何在复杂的、多用户、多干扰的实际环境中，设计和优化下一代通信系统的架构与算法。全书力求理论的深度与工程的实用性相结合，为读者构建一个坚实而全面的现代通信技术知识框架。
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