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雷文太，董健 著

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• 射频通信
• 无线通信
• 通信系统
• 射频电路
• 信号处理
• 天线
• 无线电
• 微波技术
• 移动通信
• 电磁场理论

出版社： 中国铁道出版社

ISBN：9787113229405

版次：1

商品编码：12077197

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-04-01

用纸：胶版纸

页数：135

字数：211

内容简介

本书以近年来通信领域的若干前沿热点问题为研究对象，并借鉴和参考国内外的相关研究成果而编写。主要内容包括：软件无线电通信技术、超宽带技术、人体区域无线通信系统、机器间通信系统和量子通信系统。在编写的过程中，注意与前后相关课程“通信与网络”“现代通信网络技术”“近距离通信”“物联网技术与应用”“无线传感器网技术”“通信工程管理”在内容上的呼应和互补，保持了整套教材的自洽性。在内容安排上，兼顾通信理论的新发展和实践应用，给出了具体的通信系统实现的实例，有助于学生加深对新技术的理解。
本书适合作为普通高学院校电子信息类专业的教材，也可作为通信工程、网络工程、物联网工程等工程技术人员的参考用书。

目录

第1章软件无线电通信技术1

1��1SDR概述1

1��2SDR关键技术2

1��3SDR系统组成3

1��4SDR平台的架构5

1��4��1以软件为中心的SDR 架构5

1��4��2用于SDR 信号处理的硬件结构7

1��5SDR开发工具9

1��5��1基于可控制硬件的软件无线电平台10

1��5��2基于可编程硬件的SDR平台10

1��5��3基于通用处理器的软件无线电平台12

1��6SDR典型应用14

小结16

思考与练习17

参考文献17

第2章超宽带技术18

2��1超宽带技术概述18

2��1��1超宽带技术的产生与发展18

2��1��2超宽带技术的特点20

2��2超宽带通信的关键技术21

2��2��1脉冲成形技术21

2��2��2调制与多址技术23

2��2��3接收机的关键技术25

2��3超宽带通信的系统方案27

2��3��1单频带系统28

2��3��2多频带系统29

2��4超宽带技术的应用及研究方向30

2��4��1超宽带技术的应用30

2��4��2超宽带技术的研究方向32

小结33

思考与练习33

参考文献34

第3章人体区域无线通信系统36

3��1WBAN概述36

3��2WBAN物理链路实现技术37









3��2��1ZigBee37

3��2��2WLAN37

3��2��3MICS38

3��2��4蓝牙技术38

3��2��5超宽带技术38

3��2��6WBAN物理链路实现技术的对比分析39

3��3WBAN系统中的MAC协议40

3��3��1IEEE 802��15标准41

3��3��2基于PSMA和ER的MAC协议42

3��3��3UWB242

3��3��4U-MAC和DCC-MAC43

3��3��5冲激脉冲UWB的多波段MAC44

3��3��6脉冲串44

3��3��7仅发射的MAC44

3��3��8WBAN系统中MAC协议对比分析45

3��4WBAN通信场景下的MAC协议的设计和模拟46

3��4��1UWB-WBAN系统实现方式46

3��4��2仿真模型47

3��4��3跨层设计50

3��4��4仿真场景和性能参数55

3��4��5仿真结果56

3��5基于超宽带冲激脉冲的收发端设计60

3��5��1UWB发射机设计技术60

3��5��2UWB接收机设计技术62

3��5��3UWB传感节点设计63

3��6基于UWB MAC协议的WBAN系统实现65

3��6��1跨层MAC协议实现65

3��6��2多传感器EGG和温度监测系统的实现67

3��6��3双波段WBAN系统的在线评估68

小结73

思考与练习73

参考文献73

第4章机器间通信系统75

4��1M2M通信概述75

4��1��1M2M基本概念75

4��1��2M2M通信的典型应用78

4��1��3M2M的发展81

4��2M2M通信体系架构和标准83

4��2��13GPP MTC架构83

4��2��2ETSI架构84

4��2��3EXALTED系统架构85

4��3M2M传输模型86

4��3��13GPP和ETSI中的M2M传输模型86

4��3��2M2M传输模型架构86

4��4大规模M2M网络的实用分布式编码方案87

4��4��1相关工作88

4��4��2信号模型89

4��4��3灵活的GMSJC91

4��4��4性能分析93

4��4��5性能评估98

4��5IEEE 802��15��4用于M2M网络通信的有效性分析102

4��5��1信道访问方案102

4��5��2模型建立103

4��5��3数值仿真和性能分析107

小结111

思考与练习111

参考文献112

第5章量子通信系统113

5��1量子通信系统概述113

5��1��1量子密码通信系统113

5��1��2非最大纠缠量子通信技术114

5��1��3超纠缠量子通信技术114

5��1��4混杂纠缠量子通信技术115

5��1��5量子通信与光网络融合机理及实现115

5��1��6量子通信系统安全机制116

5��2量子通信基本原理及特点116

5��2��1量子通信系统模型116

5��2��2量子信道120

5��2��3量子密钥分发系统120

5��2��4量子隐形传态121

5��2��5量子密集编码123

5��2��6量子通信网络123

5��3量子通信协议125

5��3��1量子密钥分发125

5��3��2量子秘密共享128

5��3��3量子匿名通信129

5��4量子通信发展现状与展望129

小结132

思考与练习132

参考文献132

前言/序言

随着电子技术、数字信号处理技术和互联网技术的飞速发展，传统通信领域正面临着冲击与革新。先进的数字信号处理方法配以高速数字处理系统可以取代传统的通信系统，且具有良好的兼容性和可扩展性。这种软件无线电技术已经在当今移动通信基站中加以应用，并成为推动通信领域发展的新的助推器。作为当前个体感知技术的热点，可穿戴设备及其相关技术发展迅猛，由此衍生出人体区域无线通信系统的概念，内容涉及链路层的物理实现方式、MAC协议和终端设计方法等。基于机器到机器通信方式的物联网通信技术，已成为通信领域新的热点，在M2M通信协议、体系架构、系统实现方面还处于发展阶段，该领域的发展近年来方兴未艾，具有广阔的应用前景。另外，高效安全的信息传输日益受到人们的重视，近年来发展起来的量子通信技术成为保障信息安全的重要技术手段，内容涉及量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，该项技术已逐步从理论走向实验，并向实用化方向发展。上述新技术共同推动着通信理论和技术向着更为广阔的领地发展。
通信理论和技术发展越来越快，新技术、新系统不断涌现。作为人才培养主战场的高等学校，有责任将该领域的新理论和技术传授给学生，本书正是在这一背景下进行编写的。本书介绍了通信工程领域的若干热点和前沿技术问题，内容包括：软件无线电通信技术、超宽带技术、人体区域无线通信系统、机器间通信系统和量子通信系统。本书在编写过程中，注意与前后相关课程在内容上的呼应和互补；在内容安排上，兼顾通信理论的新发展和实践应用，给出了具体的通信系统实现的实例。
本书是中国铁道出版社与中南大学信息科学与工程学院合作出版的电子信息大类丛书之一，从选题、编写到定稿，集合了众多学者的智慧。施荣华教授主持了本套丛书的编写工作，并指导了本书的内容安排。王国才老师负责与中国铁道出版社的联络合作事宜。
本书由雷文太、董健任主编，石金晶任副主编。具体编写分工：雷文太编写了第1、3、4章，董健编写了第2章，石金晶编写了第5章，全书由雷文太统稿。在编写过程中得到了中南大学信息科学与工程学院领导和老师们的大力支持，在此致以诚挚的谢意。
由于编者水平有限，书中疏漏与不妥之处在所难免，敬请读者批评指正。
编者
2016年7月

《电磁波的奇妙之旅：从自然现象到现代应用》 一、 引言：拨开迷雾，洞见无形的力量 我们生活在一个被无形力量深刻塑造的世界。从清晨唤醒你的收音机广播，到夜晚与远方亲人跨越千山万水的通话，再到导航卫星指引你前行的方向，这一切都离不开一种神奇的现象——电磁波。它们穿梭于空气、水、土壤甚至真空之中，携带信息，连接世界。然而，这些无形的力量究竟是什么？它们如何产生，又如何被捕捉和利用？《电磁波的奇妙之旅》将带你踏上一段探索之旅，揭开电磁波的神秘面纱，洞见它们在自然界中的身影，以及如何被人类智慧巧妙地转化为驱动现代文明的强大引擎。本书并非关注具体设备的设计或工程实现，而是致力于从宏观视角，深入浅出地阐述电磁波的本质、传播规律及其在各个领域广泛而深远的意义，让你在日常生活中，对那些曾经习以为常的通讯和科技现象，产生全新的认识和理解。 二、 第一篇：电磁波的诞生与本质 第一章：静电与磁场的和谐之舞 在深入了解电磁波之前，我们必须先认识它的“父母”——电场和磁场。本章将带领读者回到基础，探讨静电荷是如何产生电场的，以及变化的电流如何催生磁场。我们将了解电荷的性质，如吸引与排斥，以及磁场的特性，如磁力线的方向。通过生动的比喻和直观的解释，我们将理解为何单独的电荷或磁体难以长期稳定存在，它们总是相互关联，构成一个动态的平衡。我们将触及库仑定律和安培定律的直观含义，理解它们如何量化电荷之间的力和电流产生的磁场强度，为后续理解电磁场的相互作用奠定基础。 第二章：法拉第的灵光一闪：电生磁，磁生电 历史的车轮滚滚向前，科学的进步往往源于一次次的灵感迸发。麦克斯韦方程组的提出并非一蹴而就，而是建立在众多先驱者的伟大发现之上。本章将聚焦于迈克尔·法拉第的杰出贡献，详细阐述他如何通过一系列精妙的实验，发现了电磁感应现象——变化的磁场能够产生电流，而变化的电流又能产生磁场。我们将理解法拉第实验的巧妙之处，以及这些发现如何挑战了当时的认知，为电磁波的存在提供了理论的可能性。我们将深入探讨感应电动势的概念，理解其与磁通量变化率的关系，以及在发电机和变压器等早期技术中的体现。 第三章：麦克斯韦的预言：统一的电磁理论 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦，这位伟大的物理学家，以其非凡的洞察力，将散乱的电磁现象统一在了一套简洁而优美的数学框架之下——麦克斯韦方程组。本章将对麦克斯韦方程组进行宏观的介绍，重点在于阐述其物理意义，而非深奥的数学推导。我们将理解，正是麦克斯韦通过引入“位移电流”的概念，才最终完成了电场和磁场之间的闭环，预言了电磁波的存在。他计算出电磁波的传播速度，惊人地与光速一致，从而揭示了光本质上就是一种电磁波。本章将着重解读方程组中各项的物理含义，例如高斯定律在电场中的应用，磁场的高斯定律，法拉第电磁感应定律，以及安培-麦克斯韦定律。我们将理解这些方程如何描述了电场和磁场在时空中的相互演化，从而激发了电磁波的产生和传播。 第四章：光也是电磁波？从可见光到光谱的奥秘 爱因斯坦曾说：“最美好的事情莫过于把已经确定的东西，用一种新的方式看得更清楚。” 当麦克斯韦预言电磁波的速度与光速相等时，这一划时代的发现彻底改变了我们对光的认知。本章将深入探讨光作为一种电磁波的本质。我们将了解，我们看到的可见光仅仅是电磁波谱中的一小部分。从波长更长的无线电波，到波长更短的红外线、紫外线、X射线，乃至更具穿透力的伽马射线，它们都属于同一个大家庭，只是频率和波长的不同，决定了它们各自的特性和表现形式。我们将学习波长、频率、速度之间的关系，并理解它们如何决定了不同电磁波的能量和应用领域。本章将以一种故事性的方式，回顾科学家们如何一步步拓展了对电磁波谱的认知，从最初仅限于可见光，到如今对整个谱系的深刻理解。 三、 第二篇：电磁波的传播与相互作用 第五章：穿越时空的旅程：电磁波的传播方式 电磁波是如何从一个地方传到另一个地方的？它们会受到哪些因素的影响？本章将详细阐述电磁波的传播机制。我们将了解，电磁波可以以直线传播，也可以通过反射、折射、衍射等方式改变传播路径。我们将探讨在不同介质中，电磁波的传播速度和衰减情况。例如，在自由空间中，电磁波可以传播极远的距离，而在某些材料中，它们则会被吸收或阻挡。我们将学习关于波的叠加原理，了解相干与干涉现象，以及它们在光学和通讯中的应用。本章还将简要介绍电磁波在地球大气层中的传播特点，如地面波、天波和空间波，以及它们各自的适用范围。 第六章：物质与电磁波的对话：吸收、反射与透射 当电磁波遇到物体时，会发生什么？本章将深入探讨电磁波与物质之间的相互作用。我们将理解，不同的物质对不同频率的电磁波具有不同的响应。有些物质会反射大部分电磁波，例如光滑的金属表面；有些物质会吸收电磁波，将其转化为热能，例如黑色物体；还有些物质则允许电磁波穿过，例如玻璃。我们将学习关于介电常数、磁导率等概念，理解它们如何决定了物质对电磁场的响应特性。本章将通过举例说明，解释为何某些材料适合用于屏蔽电磁波，而另一些则适合用于透射电磁波，以及这些特性如何被应用于实际生活中，如防晒霜的防紫外线原理，以及雷达的探测机制。 第七章：衍射的魅力与全反射的奇迹 即使遇到障碍物，电磁波也并非束手无策。本章将聚焦于电磁波传播中的两种重要现象：衍射和全反射。我们将理解，当电磁波遇到比其波长小的障碍物或缝隙时，会发生衍射，即电磁波会绕过障碍物继续传播。这种现象解释了为何我们即使在视野之外，也能听到声音。而全反射则发生在光从光密介质射向光疏介质时，当入射角大于临界角时，光线将全部被反射回光密介质。我们将学习光纤通信的原理，正是利用了全反射，使得光信号能够沿着光纤进行长距离、低损耗的传输。本章将用生动形象的例子，揭示这些现象背后的物理机制，并强调它们在自然界和工程技术中的重要作用。 四、 第三篇：电磁波的应用：连接你我，塑造未来 第八章：无形的信使：广播、电视与无线通信的黎明 在人类文明的发展史上，电磁波最显著的贡献之一便是实现了信息的远距离传输。本章将追溯广播、电视和早期无线通信的发展历程。我们将了解，这些技术是如何利用不同频率的电磁波作为载体，将声音和图像传递到千家万户。我们将学习调幅（AM）和调频（FM）的基本原理，理解它们如何将原始信号“调制”到载波电磁波上。我们将探讨无线电波在远距离通信中的应用，例如短波通信，以及其在航海、航空领域的重要性。本章将以一种回顾性的视角，展现电磁波如何打破了时空的限制，使得信息传播的速度发生了革命性的飞跃。 第九章：看得更远，测得更准：雷达、声纳与遥感技术 电磁波不仅能传递信息，还能探测目标。本章将介绍利用电磁波进行探测的技术，如雷达、声纳和遥感。我们将理解，雷达系统通过发射电磁波并接收反射回来的信号，来探测物体的距离、速度和方向。这在军事、航空管制和气象观测中发挥着至关重要的作用。声纳技术虽然利用的是声波，但其原理与雷达类似，都是通过发射和接收波来探测目标。遥感技术则利用电磁波从远处探测地表信息，如卫星遥感，为我们提供了地球环境、资源分布等宝贵数据。我们将学习不同类型的电磁波在这些探测技术中的应用，例如微波雷达、红外遥感等，以及它们各自的优势和局限性。 第十章：从微波到红外：生活中的电磁波魔法 我们的日常生活早已离不开电磁波的应用。本章将聚焦于微波和红外线等我们日常接触到的电磁波。我们将深入了解微波炉的工作原理，以及微波是如何加热食物的。我们将探讨红外线在热成像、夜视设备和医疗诊断中的应用。例如，红外摄像头可以“看到”人体散发的热量，从而在黑暗中进行观察。我们还将接触到红外遥控器，以及它们如何通过红外信号控制家电。本章将通过一系列贴近生活的例子，展现电磁波在改善生活品质、提升便利性方面的巨大作用。 第十一章：光的应用：从激光到显示技术的革新 光，作为最广为人知的电磁波，其应用更是无处不在。本章将重点介绍激光和现代显示技术的革新。我们将了解激光的独特性质，如高方向性、高单色性和高相干性，以及其在工业切割、医疗手术、条形码扫描和信息存储等领域的广泛应用。我们还将探讨平板显示器（如LCD、OLED）的原理，理解它们是如何利用光的特性来产生图像的。从扫描仪到光学显微镜，从光纤到3D打印，光的影响渗透到现代科技的方方面面。本章将以一种赞叹的口吻，展示人类如何利用光的本质，创造出令人惊叹的技术奇迹。 第十二章：走向未来：新一代通信与未知探索 电磁波的研究和应用从未停止。本章将展望电磁波在未来科技发展中的潜力。我们将简要介绍5G、6G等新一代通信技术的发展趋势，以及它们将如何进一步提升通信速度和连接密度。我们将触及太赫兹波等新兴频段的研究，以及它们在安检、医疗和科学研究中的潜在应用。同时，我们也将探讨天文学家如何利用射电望远镜等设备，接收来自宇宙深处的电磁波信号，从而揭示宇宙的奥秘。本章将激发读者对未来科技的想象，并强调电磁波作为一种基础而强大的工具，将继续驱动人类文明的进步。 五、 结语：电磁波的无尽魅力 《电磁波的奇妙之旅》旨在为读者提供一个全面而深刻的电磁波知识体系。本书穿越古今，从基础概念到前沿应用，力求用最通俗易懂的语言，揭示电磁波这一无形力量的强大与神奇。我们希望通过这段旅程，读者能够对我们身边的世界有一个全新的认识，能够更深入地理解现代科技的根基，并对未来充满好奇与期待。电磁波的魅力远不止于此，它们的故事仍在继续，等待着我们去发现，去创造。

评分☆☆☆☆☆

我是一位对智能家居和物联网充满热情的爱好者，一直想了解连接这些设备背后的无线通信技术。这本书给我打开了一个全新的视角。我看到了书中对各种无线通信标准，如Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等，进行了详细的介绍，不仅仅是它们的技术参数，更重要的是它们在实际应用中的优劣势以及适用的场景。我特别感兴趣的是书中关于低功耗广域网（LPWAN）技术的讨论，比如LoRa和NB-IoT，这正是我在构建大规模物联网应用时最关心的问题。书中关于这些技术在功耗、覆盖范围和数据传输速率之间的权衡分析，为我提供了宝贵的参考。我还在书中看到了对射频前端电路，包括滤波器、放大器、混频器等关键器件的介绍，虽然这部分内容对我来说稍微有些技术深度，但作者试图用图示和实例来解释这些器件的功能，让我能够对射频系统的“硬件”层面有初步的认识。我希望书中能更多地介绍一些实际的案例，比如智能电表、智能门锁等物联网设备是如何通过这些射频技术实现互联互通的，这能让我更好地将书本知识与我的兴趣结合起来。

评分☆☆☆☆☆

作为一名对未来科技趋势敏感的学生，我对《射频通信系统》的期待是了解前沿技术和发展方向。书中关于下一代移动通信技术（如5G/6G）的展望让我感到非常兴奋。我注意到书中对毫米波（mmWave）通信、可见光通信（VLC）以及太赫兹（THz）通信等新兴领域的介绍，这些都是我之前接触不多但非常感兴趣的方向。书中对于这些新技术所带来的挑战和机遇的分析，比如高频段的传播损耗、高带宽的潜力以及新的应用场景，让我对未来的通信世界有了更深刻的认识。我尤其希望书中能详细讲解波束赋形（Beamforming）技术是如何在毫米波通信中实现定向传输，以及它如何提高频谱利用效率。另外，书中关于信息论在通信系统中的应用，比如香农极限的探讨，也让我思考通信的本质和理论边界。我期待书中能够提供更多关于这些前沿技术实现的路线图和关键瓶颈的分析，这将有助于我更好地把握未来的学习和研究方向。

评分☆☆☆☆☆

作为一名对信号处理和系统设计颇有研究的工程师，我拿到《射频通信系统》这本书，首先就被其严谨的学术风格所吸引。书中的章节编排逻辑清晰，从基础理论入手，逐步深入到复杂的系统架构和关键技术。我尤其欣赏作者在分析各种通信链路时，所展现出的深度和广度。例如，在介绍基带信号处理时，书中详细阐述了数字信号处理技术在现代通信中的核心作用，从采样、量化到编码、滤波，每一个环节都进行了深入的剖析，并辅以严谨的数学推导和公式。我尝试着跟随书中的推导过程，验证了一些我工作中遇到的关键问题，发现书中提供的理论框架能够很好地解释实际现象。对于一些新兴的通信技术，比如MIMO（多输入多输出）系统，书中不仅介绍了其基本原理，还深入探讨了空间复用、分集等关键技术的实现细节和性能优势，这对于我正在进行的相关项目非常有启发。此外，书中对噪声、干扰等影响通信质量的因素进行了详尽的分析，并提出了相应的对抗策略，这对于提升系统鲁棒性和可靠性至关重要。我尤其期待书中在先进信道编码技术，如LDPC码和Polar码方面的讲解，这些技术在5G和未来的6G通信中扮演着越来越重要的角色。

评分☆☆☆☆☆

我是一名电子工程专业的本科生，正在学习射频电路和通信原理。这本书的出现，就像是为我量身定制的教材。我被书中详细的原理分析和丰富的工程实例所深深吸引。在学习了书中的第二章关于调幅、调频、调相的原理后，我尝试着在仿真软件中搭建相应的电路，并对比书中的波形图，发现书中的讲解非常准确，让我对模拟调制有了更直观的理解。更让我惊喜的是，书中还对各种数字调制技术，如ASK、FSK、PSK、QAM等进行了深入的讲解，并分析了它们在不同信道条件下的性能表现。这对于我理解现代通信系统的基础至关重要。我尤其喜欢书中关于接收机结构和性能指标的分析，比如灵敏度、选择性、动态范围等，这些都是实际设计中需要重点考虑的参数。我希望书中能够提供更多实际射频电路的设计实例，比如简单的收发机模块，并附带原理图和关键参数的计算过程，这将有助于我将理论知识转化为实践技能。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计就充满了科技感，简约的蓝色背景搭配银色的天线图案，让人一眼就能联想到无线电波的神秘与力量。我迫不及待地翻开第一页，期待能在这个夏天，跟随作者的指引，深入了解那些塑造了我们现代生活方方面面的“看不见”的信号。虽然我是一名对射频通信知之甚少的初学者，但从书中引人入胜的开篇，我可以感受到作者并非只是枯燥地堆砌专业术语，而是试图构建一个宏大的叙事，从历史的维度，讲述射频通信是如何一步步改变人类沟通方式的。我尤其对书中提到的早期无线电报的发明和发展过程感到好奇，想象着那些工程师们如何在有限的条件下，用智慧和毅力打开了远距离通信的大门。这种对技术演进的溯源，让我觉得这本书不仅仅是一本技术手册，更像是一部关于人类探索未知、不断突破的史诗。我期待着书中能够详细介绍各种通信体制的演变，从模拟到数字，从单向到双向，这些技术革新是如何一步步提升通信效率、拓展通信功能的。同时，我希望作者能够用通俗易懂的语言，解释那些复杂的物理原理，比如电磁波的产生、传播和接收，以及各种调制解调技术的奥秘，让我这个门外汉也能领略其中的精妙之处。