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出版者:

作者:Grimble, Michael J.

出品人:

页数:642

译者:

出版时间:2001-4

价格:4052.00 元

装帧:

isbn号码:9780471492252

丛书系列:

图书标签:

• LQ
• GPC
• 工业控制系统
• 控制系统设计
• 自动化
• PLC
• DCS
• SCADA
• 过程控制
• 嵌入式系统
• 实时系统
• 工业网络

现代通信系统中的信号处理与网络安全 本书旨在全面深入地探讨现代通信系统中信号处理的核心技术、网络安全防护策略及其前沿发展趋势。本书内容覆盖了从基础的数字信号处理理论到复杂的无线通信协议安全分析，旨在为通信工程师、网络安全专家以及相关领域的研究人员提供一份详实且具有实践指导意义的参考资料。 第一部分：现代通信系统中的数字信号处理基础与高级应用 本部分将聚焦于通信系统中的信号表示、调制解调技术以及对信号质量的优化处理，强调从理论基础到实际应用的转化。 第一章：通信系统中的信号表示与采样理论 本章将首先回顾连续时间信号与离散时间信号的基本概念，详细阐述傅里叶分析在通信信号处理中的核心地位。重点讨论香农-奈奎斯特采样定理的严格数学推导及其在实际系统中的工程约束。深入剖析量化误差、过采样与欠采样的影响，并介绍Sigma-Delta ($SigmaDelta$) 调制技术在实现高精度模数转换中的作用，这对于确保后续数字处理的准确性至关重要。同时，将涉及小波变换（Wavelet Transform）在非平稳信号分析中的优势，为后续的高效编码和去噪打下基础。 第二章：现代数字调制解调技术 本章详细考察了正交幅度调制（QAM）、相位调制（PSK）及其混合形式（如QAM的变种）的原理。我们将分析星座图（Constellation Diagram）的构建，并量化不同调制方式下的频谱效率与抗噪声能力之间的权衡。着重介绍在多径信道和衰落信道中，如何利用最大似然检测（MLD）和最小均方误差（MMSE）准则设计最优接收机。此外，章节将深入探讨正交频分复用（OFDM）技术，包括循环前缀（CP）的引入目的、循环卷积的实现，以及在实际系统中如何应对载波间干扰（ICI）和载波间窜扰（ISCI）。 第三章：信道编码与纠错机制 信道编码是保证信息可靠传输的关键。本章从信息论的角度引入信道容量的概念，进而介绍经典的前向纠错码（FEC）。详细分析汉明码、卷积码（及其Viterbi译码算法）和分组码（如BCH码和Reed-Solomon码）的编码与译码过程。在现代通信系统中，低密度奇偶校验码（LDPC）和Turbo码因其接近香农极限的性能而被广泛应用，本章将详细剖析其迭代译码流程和性能优势，并对比它们在5G及卫星通信中的应用场景。 第四章：自适应滤波与均衡技术 在存在多径效应和频率选择性衰落的复杂无线环境中，信号会发生失真。本章专注于自适应信号处理技术，特别是自适应滤波器的应用。深入讲解最小均方误差（LME）准则，并详细分析LMS（Least Mean Squares）算法和RLS（Recursive Least Squares）算法的收敛速度与计算复杂度。重点探讨信道均衡器（Channel Equalizer）的设计，包括迫袭均衡（DFE）和迫零均衡（ZF）的结构，以及在软件定义无线电（SDR）平台中实现这些均衡器的具体流程。 第二部分：先进无线通信系统中的信号处理挑战与对策 本部分将视角转向日益复杂的现代无线接入技术，探讨大规模MIMO、认知无线电等前沿领域中的信号处理难点。 第五章：大规模多输入多输出（Massive MIMO）的信号处理 Massive MIMO是提升频谱效率的关键技术。本章首先阐述大规模天线阵列带来的信道容量增益，并区分TDD和FDD模式下的信道状态信息（CSI）获取问题。详细分析波束赋形（Beamforming）技术，包括迫零（ZF）波束赋形和迫零加干扰消除（ZF-IC）。特别关注信道互易性（Channel Reciprocity）的应用，以及在下行链路中，如何通过预编码技术（如脏纸编码Dirty Paper Coding, DPC）来抑制用户间干扰，最大化系统吞吐量。 第六章：认知无线电与动态频谱接入 认知无线电（CR）旨在提高频谱利用率。本章讨论CR系统的基本架构，包括频谱感知、频谱决策和频谱共享。重点深入探讨盲源分离和盲均衡在未经授权用户信号检测中的作用。详述能量检测、小波变换检测和循环平稳性检测等主要感知技术，并分析它们在低信噪比环境下的性能限制。此外，还将介绍基于机器学习的动态频谱接入策略，以实现更高效的频谱资源动态分配。 第三部分：通信网络安全与信号完整性保障 随着系统向软件化、虚拟化发展，通信链路的安全性成为核心关注点。本部分聚焦于信号层面的加密、认证和抗干扰/抗欺骗技术。 第七章：通信链路的物理层安全 物理层安全（PLS）是抵御窃听和干扰的第一道防线。本章不依赖于复杂的密钥管理，而是利用信道的不确定性。详细分析信息论安全的概念，包括互信息和保密容量的计算。阐述如何通过信道噪音塑造（Channel Noise Shaping）和编码调制方案的随机化来增加窃听者的信息熵。重点讲解合法用户与窃听者之间的信道增益差异，以及如何利用波束赋形增强合法信道增益，同时抑制窃听信道。 第八章：抗干扰与信号欺骗防御 本章侧重于对抗恶意干扰和信号欺骗攻击。首先，深入研究跳频（Frequency Hopping）和扩频（Spread Spectrum）技术，特别是直扩（DSSS）和序列展开（FHSS）的数学模型及其抗窄带干扰能力。随后，详细分析针对GPS/GNSS信号的欺骗攻击（Spoofing Attack）原理，包括合成信号的生成和时间戳的篡改。提出基于多传感器融合和接收信号指纹识别（Signal Fingerprinting）的实时检测和定位干扰源的防御框架，强调在时间同步和频率同步层面建立鲁棒性。 第九章：嵌入式系统中的安全通信协议栈 本章探讨现代通信基带处理单元（如FPGA和DSP）中的安全实现。分析硬件安全模块（HSM）在密钥存储和安全启动中的作用。详细介绍在传输层（如TLS/DTLS）之上的应用层加密机制，以及如何利用硬件加速器优化高吞吐率下的对称加密算法（如AES-GCM）。最后，讨论针对嵌入式固件的侧信道攻击（Side-Channel Attacks），如功耗分析（DPA）和电磁辐射分析，并介绍相应的硬件防护设计，确保通信处理流程的物理安全。 本书的结构设计旨在引导读者逐步建立起对现代通信系统信号处理的深刻理解，并将其与日益严峻的网络安全挑战相结合，提供一套完整的、从物理层到应用层的综合性解决方案。全书采用大量的数学推导、工程案例和仿真结果支撑理论，确保内容既有理论深度，又具备工程实用价值。

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这本书的阅读体验是极其顺畅且富有启发性的。我通常对技术书籍抱有敬畏之心，觉得它们要么过于枯燥，要么过于侧重于单一软件工具的介绍。然而，此书的行文风格非常亲切，仿佛一位经验丰富的导师在耳边循循善诱。它没有陷入冗长晦涩的公式推导，而是巧妙地运用比喻和类比来解释抽象的概念，使得“回路整定”、“反馈控制”这些核心概念变得触手可及。特别值得称赞的是，书中对不同通信协议（如Profibus、EtherNet/IP）的对比分析，没有流于表面的参数罗列，而是深入剖析了它们在不同工业环境下的适用性、实时性和抗干扰能力，这种深度对比非常实用。此外，书中对“项目文档管理”和“变更控制流程”的重视程度，反映了作者对工程质量的严格要求，这对于任何想要建立规范化设计流程的团队来说，都是宝贵的财富。读完之后，我感到自己不仅仅是学到了设计技巧，更是建立了一套严谨的、系统化的工程方法论。

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说实话，刚开始翻阅这本书时，我有些担心它会过于学术化，但在阅读了前几章后，我的顾虑完全打消了。这本书的叙事方式非常动态，它似乎在引导读者亲身参与到一次完整的控制系统设计项目中去。作者在描述如何处理“瞬态响应”和“稳态误差”时，采用了非常生动的“情景模拟”手法，让你仿佛能“看到”系统的行为变化。书中对“嵌入式系统在控制中的应用”这一前沿话题的介绍也十分到位，它不仅介绍了微控制器在采集和执行中的作用，更重要的是探讨了如何将复杂的算法移植到资源受限的硬件平台上，并保证其实时性和确定性，这对于当前大力推进的“智能化工厂”建设极具指导意义。此外，书中对不同生命周期阶段的维护和升级策略的讨论，展现了作者的远见卓识——一个好的设计不仅要能用，更要易于维护和扩展。这本书的价值在于，它不仅教会你如何“做”，更重要的是教会你如何“思考”一个健壮、可持续的工业控制系统。

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我对这本书的评价是：它是一份结构严谨、逻辑缜密的“工业控制系统设计蓝图”。与其他侧重于特定品牌或特定软件的指南不同，这本书提供了一种跨越厂商界限的通用设计哲学。它的章节划分体现了高度的结构化思维，从底层信号调理开始，逐步构建起现场总线网络，再到上位监控和数据历史记录的搭建，每一步都环环相扣，形成一个完整的知识体系。书中在“分布式控制系统（DCS）”架构设计上的论述尤为精彩，它详尽地介绍了如何根据生产规模和工艺复杂程度，合理划分控制域和监控域，并给出了确保跨域通信稳定性的多种策略。我尤其关注了其中关于“过程安全管理（PSM）”的部分，书中对安全仪表系统（SIS）的等级划分、独立性要求以及验证方法进行了清晰的阐述，这对于处理高风险工艺流程的设计师来说，无疑是至关重要的一手资料。这本书的知识密度非常高，但得益于清晰的排版和详尽的索引，即使是需要快速查找特定信息的专业人士，也能高效地定位所需内容。

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这本书简直是为我这种对工业控制系统设计充满好奇的初学者量身定制的！我以前对PLC、SCADA这些术语一窍不通，总觉得它们高深莫测，但读完这本书后，我对整个系统的架构、各个组件的功能以及它们之间如何协同工作有了清晰的认识。作者的讲解非常注重实用性，从基础的概念入手，逐步深入到实际的设计流程和注意事项。比如，在谈到硬件选型时，书中不仅罗列了各种传感器的性能参数，还结合具体的应用场景，分析了不同类型变送器的优缺点，让人在面对实际工程问题时，能迅速做出明智的判断。更让我印象深刻的是，书中对安全性和可靠性设计方面的阐述，这在很多同类书籍中往往被一带而过，但本书却花费了大量篇幅，详细介绍了冗余设计、故障自检以及网络安全防护措施，这对于构建现代化的、高可靠性的工业系统至关重要。书中的图示清晰明了，复杂的控制逻辑图也能被拆解得井井有条，即便是初次接触这类图纸的人，也能很快掌握其阅读方法。总的来说，这是一本理论与实践紧密结合的优秀教材，极大地拓宽了我的视野，让我对工业自动化领域充满了探索的欲望。

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作为一个在自动化领域摸爬滚打了十多年的工程师，我习惯了从厚重的标准手册和晦涩的行业规范中寻找答案，很少有书籍能让我有眼前一亮的感觉，但这本《工业控制系统设计》做到了。它最大的亮点在于其对“系统思维”的培养。作者没有将控制系统仅仅视为一堆硬件和代码的堆砌，而是将其视为一个生命体，强调了从项目需求定义到生命周期管理的完整视角。书中对控制策略的论述非常精到，特别是对先进控制算法（如模型预测控制MPC）的应用场景分析，摆脱了纯理论的推导，而是聚焦于如何将复杂的数学模型转化为稳定、高效的实际控制方案。我特别欣赏其中关于“人机交互界面（HMI）”设计的章节，它不仅仅讨论了界面美观度，更深入探讨了操作员的认知负荷和决策效率，提供了大量基于人因工程学的优化建议，这对于减少误操作、提高生产效率有着立竿见影的效果。即便是对于我们这些老兵来说，书中穿插的几个大型案例分析，也提供了新的思路，尤其是关于跨平台数据集成和云计算在工业物联网中的应用的探讨，紧跟时代前沿，让人受益匪浅。

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