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出版者:McGraw-Hill Science/Engineering/Math

作者:A. Bruce Carlson

出品人:

页数:864

译者:

出版时间:2001-06-25

价格:USD 152.19

装帧:Hardcover

isbn号码:9780070111271

丛书系列:

图书标签:

• 通信系统
• 信号处理
• 调制解调
• 无线通信
• 信息论
• 网络通信
• 数字通信
• 通信原理
• 移动通信
• 信道编码

信号的奥秘与技术的脉络：现代信息传输的基石 图书名称：《信号的奥秘与技术的脉络：现代信息传输的基石》 图书简介： 本书旨在为读者构建一个全面、深入且极具实践意义的现代信息传输系统图景。我们深知，在信息爆炸的时代，理解“信息如何从A点可靠、高效地传输到B点”是所有工程、科学乃至日常数字生活的基础。本书摒弃了对特定通信标准或设备细节的机械罗列，转而聚焦于支撑一切通信技术的底层物理原理、数学建模、系统设计哲学以及信号处理的核心算法。 第一部分：信号的本质与数学表征——打破神秘的面纱 本部分是理解后续所有通信技术的基础。我们从信号最原始的形态——物理扰动或电磁波——出发，探讨如何用严谨的数学语言来描述它们。 1.1 连续时间信号与离散时间信号的范式转换： 我们将详细阐述连续信号（如声波、自然电磁场）如何通过采样过程转化为离散信号，并深入探讨采样定理（奈奎斯特-香农定理）的严谨推导及其在实际系统中的限制与优化。 1.2 傅里叶分析的威力：从时域到频域的飞跃： 傅里叶级数和傅里叶变换是分析信号频谱的“瑞士军刀”。本书不仅会讲解其定义和性质，更会侧重于其在通信中的实际应用——如何识别信号的带宽需求、如何理解滤波器的工作原理，以及为什么频谱效率至关重要。我们将引入快速傅里叶变换（FFT）的算法思想，解释其在现代数字信号处理中的核心地位。 1.3 随机过程理论：不可避免的噪声与不确定性： 真实世界中的通信系统永远充斥着噪声和干扰。本章将系统介绍随机过程（如高斯白噪声、平稳过程）的概念，并运用概率论工具来量化和预测系统性能。理解自相关函数和互相关函数，是设计最佳接收机和进行信道均衡的关键。 1.4 线性时不变（LTI）系统理论：信道对信号的“刻印”： 任何信道（无论是有线还是无线）都可以被建模为一个LTI系统。我们将分析系统的脉冲响应、转移函数，并讨论卷积运算在系统分析中的核心作用。这为后续理解信道均衡、滤波设计提供了理论框架。 第二部分：信息论基础——测定传输的极限 信息论是衡量通信系统“好坏”的度量衡。本部分聚焦于如何量化信息、压缩数据以及抵抗干扰。 2.1 信息的度量与熵： 我们将从信息源的角度出发，阐述香农熵的概念，理解信息的“不确定性”与“信息量”之间的关系。这将帮助读者区分有效信息与冗余信息。 2.2 信源编码：效率与冗余的博弈： 详细分析霍夫曼编码、算术编码等无损压缩技术背后的概率原理，以及如何利用统计特性来最小化传输数据量，从而提高信道利用率。 2.3 信道容量：香农-哈特利定理的深远意义： 这是通信领域的“圣杯”。我们将严谨推导在特定噪声和带宽约束下，信道的最大无差错传输速率所能达到的理论极限。理解这一极限，是评估任何实际系统性能的基准。 2.4 联合信源-信道编码定理： 探讨如何将数据压缩和纠错编码联合设计，以最经济的方式实现可靠通信。 第三部分：调制解调与波形设计——在物理介质上“雕刻”信息 本部分将理论转化为具体的信号实现，探讨如何将数字比特映射到可传输的模拟波形上。 3.1 线性调制技术深入解析： 详细分析幅度调制（AM）、频率调制（FM）以及相移键控（PSK）和正交幅度调制（QAM）的原理。我们将侧重于在复数域中对星座图的构建，以及如何通过增加维度（如M-ary调制）来提高频谱效率。 3.2 最佳接收机设计：维特比算法的强大： 针对加性高斯白噪声（AWGN）信道，我们将推导出基于极大似然准则的最佳接收机原理，并详细阐述维特比（Viterbi）算法在解码二进制和非二进制序列中的应用，理解其如何实现近乎理论极限的性能。 3.3 脉冲塑形与码间干扰（ISI）： 探讨如何设计合适的发送滤波器和接收滤波器（如根升余弦滤波器），以最小化由于信道引起的信号脉冲重叠——即码间干扰，这是高速有线和无线数字传输面临的核心挑战。 第四部分：信道编码与可靠性保证——与错误的战斗 本部分关注如何主动引入结构化冗余，以对抗信道中的随机错误。 4.1 代数基础与有限域： 介绍伽罗瓦域（Galois Field, GF）的数学结构，这是理解所有代数纠错码的先决条件。 4.2 块编码与卷积编码： 详细剖析线性分组码（如汉明码、循环冗余校验码CRC）的生成矩阵与校验矩阵，以及它们在错误检测和纠正中的作用。随后，深入探讨卷积码的编码过程，并再次结合维特比算法进行解码，理解其在移动通信系统中的历史地位。 4.3 当代高效编码：Turbo码与LDPC码的革命： 重点介绍现代高性能编码技术——Turbo码和低密度奇偶校验码（LDPC）。分析它们如何通过迭代解码过程逼近香农极限，并阐述它们在下一代高速数据传输系统中的核心地位。 第五部分：多址接入与系统集成——共享稀缺的资源 现代通信系统不再是单对单的点对点链路，而是允许多用户共享同一物理信道的复杂网络。 5.1 频分多址（FDMA）与时分多址（TDMA）： 探讨传统的多址接入技术，分析其频谱效率和同步要求。 5.2 码分多址（CDMA）的核心原理： 深入解析扩频技术（Spread Spectrum）的数学基础，理解伪随机码序列（PN序列）如何实现用户分离和抗干扰能力，以及正交性的重要性。 5.3 正交频分复用（OFDM）的兴起与挑战： OFDM是当前高速无线通信（如Wi-Fi、4G/5G的基础技术）。本书将详细解释OFDM如何利用IFFT/FFT将一个慢速的串行数据流转换为多个并行的窄带子载波，并讨论其应对多径衰落的优势，以及需要解决的对载波间干扰（ICI）和非线性失真等问题。 结论：从理论到未来的展望 本书的最后，我们将超越单一系统的范畴，讨论现代通信系统面临的宏观挑战，如网络化、安全性（密码学在信息传输中的作用）、以及未来物理层技术的发展方向，引导读者将所学知识融会贯通，形成系统的工程思维。 通过对这些核心概念的系统性梳理和深入挖掘，《信号的奥秘与技术的脉络：现代信息传输的基石》将成为致力于掌握信息传输技术、进行前沿系统设计的工程师和研究人员的必备参考书。它提供的不是一套固定的“食谱”，而是理解任何通信系统设计决策背后“为什么”的底层逻辑。

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**评价二：** 我对于这本书的结构感到非常惊喜，它完全颠覆了我对传统通信教材的刻板印象。我原以为会是一本堆砌了大量傅里叶变换、卷积积分和高斯噪声分析的教科书，但事实远比我想象的要“野性”得多。它开篇就引入了“连接的艺术”这一概念，随后将话题迅速转向了不同媒介的物理特性对信息承载能力的限制。书中关于电磁波传播特性的描述，简直像是在读一本关于自然现象的散文集，对路径损耗、多径效应的解释充满了画面感，仿佛能亲眼看到信号在城市楼宇间挣扎前行的样子。最让我印象深刻的是，它用近乎诗意的语言描述了编码和解码过程中的“失真与重构”，强调了信息在传输过程中必然经历的“磨难”与“净化”。这种浪漫主义的手法，虽然在严谨性上可能不如纯理论著作，但在激发读者对通信系统内部运作的好奇心方面，起到了无可替代的作用。读完后，我对那些看似平淡无奇的无线连接充满了敬畏。

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**评价五：** 这本书的语言风格极其口语化和富有感染力，读起来完全没有传统技术书籍的僵硬感。作者似乎总能找到最恰当的比喻来解释最抽象的概念。例如，当解释信道容量的限制时，它将信息传输比喻成给水管注水，管道的粗细（带宽）和水流的压力（信噪比）共同决定了单位时间内能输送多少“有效内容”，这个比喻瞬间打消了我对复杂数学模型的恐惧。更妙的是，在讨论到网络拓扑结构时，作者竟然引入了城市交通规划的例子，将总线型、星型和网状结构与不同城市的道路布局进行类比，使得结构效率的优劣一目了然。这种将高深理论“接地气”的处理方式，极大地提升了阅读体验，让原本晦涩难懂的知识点变得平易近人，仿佛是正在听一位经验丰富的老工程师在茶余饭后分享他的心得体会，充满了生活智慧。

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**评价三：** 坦白说，这本书的叙事节奏掌握得极其老练，它非常懂得如何吊人胃口。它没有急于展示那些令人头晕目眩的复杂架构，而是花了大量的篇幅去描绘通信系统在历史长河中的演进脉络。作者似乎对通信技术的“前传”有着近乎偏执的热爱，从烽火台到摩尔斯电码，再到早期电话交换机中的机械继电器，每一个历史节点都被细致入微地还原。这种“考古式”的写作风格，让我对现代数字通信的出现有了更深刻的理解——明白如今的便捷并非凭空而来，而是建立在无数次失败和迭代的基础之上。书中对早期工程师们在资源极端匮乏的情况下如何巧妙解决问题的描述，简直是工程智慧的教科书式展示。它成功地将工程实践提升到了“智慧的胜利”的层面，而不是单纯的技术进步。对于那些认为技术发展只是线性增长的人来说，这本书无疑是一剂强心针，提醒我们理解基础的价值。

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**评价一：** 这本书的视角非常新颖，它并没有直接深入到那些晦涩难懂的数学公式和复杂的调制解调技术细节中去。相反，作者选择了一条更加宏观、更侧重于“为什么”而非“如何做”的路径。我发现它在介绍信息论的基本原理时，着重强调了信息在社会、经济甚至生物系统中的流动和价值。例如，书中对香农定理的阐述，没有用枯燥的数学推导，而是通过大量的实际案例——从早期的电报系统到现代的互联网骨干网——来解释其背后的哲学意义。这种处理方式极大地降低了入门的门槛，让一个对底层技术不甚了解的管理者也能迅速把握通信系统的核心价值所在。尤其值得称赞的是，它对频谱资源稀缺性的探讨，不是简单地罗列技术指标，而是将其提升到了地缘政治和资源分配的高度，使得原本冰冷的技术问题变得鲜活起来，充满了人文关怀。总而言之，这本书更像是一部关于信息时代基石的“思想史”，而非单纯的技术手册，非常适合希望建立全局观的初学者或跨界学习者。

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**评价四：** 我特别欣赏作者在处理“系统安全与隐私”这一章节时所采取的审慎态度。与其他强调速率和容量的著作不同，这本书将安全和可靠性放在了与效率同等重要的地位来讨论。它避免了使用过于夸张的“黑客入侵”场景，而是专注于探讨通信协议层面固有的脆弱性，以及信息在多层网络结构中暴露的风险。书中对“端到端加密”概念的引入，是通过一个模拟的、分层代理传输的场景来阐述的，这个例子设计得极为巧妙，清晰地展示了中间环节可能带来的信息泄露点。此外，它还对不同时代下的监管环境和技术伦理进行了深入的反思，比如早期广播信号的不可控性与现代数据流的精准定向之间的道德困境。这种对技术边界的严肃探讨，使得这本书的价值远超技术教学范畴，更像是一本关于现代社会信息伦理的入门读物，非常引人深思。

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