華中科技大學(xué)電信系《通信原理》課件-ch

《通信原理》課件本課件旨在幫助學(xué)生理解通信原理的基本概念和技術(shù)。內(nèi)容涵蓋信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字調(diào)制解調(diào)、信道編碼、無(wú)線通信等。課程概述課程目標(biāo)掌握通信原理基本知識(shí)，理解各種通信系統(tǒng)的原理，并應(yīng)用于實(shí)踐。課程內(nèi)容信號(hào)與系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)、信道編碼、噪聲與干擾、信號(hào)檢測(cè)等。課程應(yīng)用無(wú)線通信、移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。通信系統(tǒng)基本原理發(fā)送端將信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并進(jìn)行編碼和調(diào)制。信道傳輸信號(hào)的介質(zhì)，例如無(wú)線電波、光纖或電纜。接收端接收信號(hào)，并進(jìn)行解調(diào)和解碼，恢復(fù)原始信息。信號(hào)與系統(tǒng)概念11.信號(hào)的定義信號(hào)是信息的載體，可以是物理量，例如電壓、電流等。22.系統(tǒng)的定義系統(tǒng)是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，并產(chǎn)生輸出信號(hào)的裝置或過(guò)程。33.信號(hào)與系統(tǒng)的分類根據(jù)信號(hào)的性質(zhì)，可以分為連續(xù)信號(hào)和離散信號(hào)；根據(jù)系統(tǒng)的性質(zhì)，可以分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。44.信號(hào)與系統(tǒng)分析通過(guò)時(shí)域和頻域分析方法，可以深入了解信號(hào)的特性和系統(tǒng)的行為。時(shí)域分析基礎(chǔ)1信號(hào)的定義信號(hào)是信息的載體，是隨時(shí)間變化的物理量。2信號(hào)的分類根據(jù)信號(hào)的幅度變化形式，可分為連續(xù)信號(hào)和離散信號(hào)。3信號(hào)的表示信號(hào)可以用函數(shù)、圖形、表格等方式表示。4信號(hào)的基本參數(shù)幅度、頻率、相位等。時(shí)域分析是研究信號(hào)隨時(shí)間變化規(guī)律的方法，是通信原理的基礎(chǔ)。傅里葉變換1定義傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，分析信號(hào)的頻率成分。2應(yīng)用廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理、圖像處理、音頻處理、通信系統(tǒng)等領(lǐng)域。3類型主要包括連續(xù)傅里葉變換和離散傅里葉變換，分別用于處理連續(xù)信號(hào)和離散信號(hào)。頻域分析信號(hào)頻譜頻域分析是將信號(hào)分解成不同頻率的正弦波的疊加，通過(guò)觀察信號(hào)的頻譜，可以了解信號(hào)的頻率成分、帶寬等信息。濾波器設(shè)計(jì)根據(jù)頻譜信息，可以設(shè)計(jì)濾波器，以去除信號(hào)中的噪聲或干擾，提取有用信號(hào)成分。系統(tǒng)特性頻域分析可以用于分析系統(tǒng)的特性，例如系統(tǒng)的頻率響應(yīng)、相位響應(yīng)等，有助于理解系統(tǒng)對(duì)不同頻率信號(hào)的響應(yīng)。通信系統(tǒng)分析頻域分析在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析中起著重要作用，例如信道分析、調(diào)制解調(diào)分析等。信號(hào)的取樣與重構(gòu)信號(hào)取樣將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散信號(hào)的過(guò)程。通過(guò)在時(shí)間軸上等間隔地采樣信號(hào)，以獲得信號(hào)在這些時(shí)間點(diǎn)的值。取樣定理為了能夠從離散信號(hào)中完全恢復(fù)原始連續(xù)信號(hào)，采樣頻率必須不小于信號(hào)最高頻率的兩倍。信號(hào)重構(gòu)利用取樣得到的離散信號(hào)，使用插值法等方法來(lái)重建原始連續(xù)信號(hào)。數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)數(shù)字信號(hào)處理概述數(shù)字信號(hào)處理是通信系統(tǒng)中必不可少的組成部分。它涉及對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，以改善信號(hào)質(zhì)量，提取有用信息，并為通信傳輸提供必要的編碼和解碼。主要內(nèi)容離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)離散傅里葉變換(DFT)快速傅里葉變換(FFT)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)調(diào)制解調(diào)原理11.信號(hào)轉(zhuǎn)換調(diào)制將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，以便通過(guò)模擬信道傳輸。22.信息傳遞調(diào)制后的模擬信號(hào)承載著數(shù)字信號(hào)的信息，并通過(guò)無(wú)線電波傳播。33.信號(hào)恢復(fù)解調(diào)從接收到的模擬信號(hào)中恢復(fù)原始數(shù)字信號(hào)。44.系統(tǒng)應(yīng)用廣泛應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)，例如無(wú)線通信、有線通信和衛(wèi)星通信。信道編碼基礎(chǔ)糾錯(cuò)編碼通過(guò)增加冗余信息，提高傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。常見(jiàn)類型包括漢明碼、循環(huán)碼、卷積碼等。信道容量表示信道能夠可靠傳輸?shù)淖畲笮畔⒘浚Q于信道帶寬和信噪比。編碼效率編碼效率是指信息碼元與總碼元之比，代表編碼的冗余程度，編碼效率越高，冗余越少。信道模型與信道容量信道模型是描述通信信道特性的數(shù)學(xué)模型，是通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能分析的基礎(chǔ)。信道容量是指在給定的信道條件下，能夠可靠傳輸?shù)淖畲笮畔⒘?，是衡量信道傳輸效率的重要指?biāo)。信道模型通常包括信道噪聲、信道衰落、信道干擾等因素，并根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行不同的建模。信道容量可以通過(guò)香農(nóng)公式計(jì)算，該公式表明信道容量與信道帶寬、信噪比成正比。帶通信號(hào)與帶通系統(tǒng)帶通濾波器帶通濾波器僅允許特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，同時(shí)抑制其他頻率。帶通信號(hào)頻譜帶通信號(hào)的頻譜集中在特定頻率范圍內(nèi)，這與基帶信號(hào)的頻譜不同。發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)必須考慮到帶通濾波器，以確保信號(hào)在無(wú)線電頻率范圍內(nèi)的有效傳輸。接收機(jī)設(shè)計(jì)接收機(jī)設(shè)計(jì)同樣需要考慮帶通濾波器，以分離所需信號(hào)并抑制噪聲。振幅調(diào)制振幅調(diào)制（AM）是一種模擬調(diào)制技術(shù)，其中載波信號(hào)的振幅隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化。AM廣泛應(yīng)用于廣播、無(wú)線電通信和電視信號(hào)傳輸。頻率調(diào)制頻率調(diào)制是一種將信息信號(hào)轉(zhuǎn)換為載波頻率變化的調(diào)制方式。信息信號(hào)的幅度變化會(huì)引起載波頻率的線性變化。頻率調(diào)制可以有效抵抗噪聲和干擾，適用于遠(yuǎn)距離傳輸和無(wú)線通信。頻率調(diào)制也廣泛應(yīng)用于廣播、電視和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。相位調(diào)制相位調(diào)制(PM)是一種調(diào)制技術(shù)，通過(guò)改變載波信號(hào)的相位來(lái)傳遞信息。載波信號(hào)的頻率保持不變，而相位會(huì)根據(jù)輸入信號(hào)的變化而變化。相位調(diào)制廣泛應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)，例如無(wú)線電廣播、衛(wèi)星通信和數(shù)字通信。與其他調(diào)制技術(shù)相比，相位調(diào)制具有更好的抗噪聲性能和頻譜利用率。相位調(diào)制可以分為模擬相位調(diào)制和數(shù)字相位調(diào)制。模擬相位調(diào)制通常使用正弦波作為載波信號(hào)，并通過(guò)改變其相位來(lái)傳輸模擬信號(hào)。數(shù)字相位調(diào)制則使用一系列離散的相位值來(lái)表示數(shù)字信號(hào)。常見(jiàn)的數(shù)字相位調(diào)制技術(shù)包括PSK(相位移鍵控)和QPSK(正交相移鍵控)。數(shù)字調(diào)制技術(shù)基本概念數(shù)字調(diào)制將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合在模擬信道上傳輸?shù)男盘?hào)形式。常見(jiàn)的數(shù)字調(diào)制技術(shù)包括幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）以及正交幅度調(diào)制（QAM）。應(yīng)用數(shù)字調(diào)制廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)，例如手機(jī)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信。不同調(diào)制技術(shù)在抗噪聲能力、帶寬效率和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度方面存在差異，適用于不同的通信場(chǎng)景。多址接入技術(shù)共享信道多址接入技術(shù)允許多個(gè)用戶共享同一信道，提高頻譜利用率。區(qū)分用戶不同的接入技術(shù)采用不同的方式區(qū)分用戶，確保信號(hào)互不干擾。無(wú)線應(yīng)用多址接入技術(shù)在無(wú)線通信中廣泛應(yīng)用，例如蜂窩網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi等。擴(kuò)頻技術(shù)11.頻譜擴(kuò)展擴(kuò)頻技術(shù)將窄帶信號(hào)擴(kuò)展到更寬的頻率范圍，從而提高抗干擾性能。22.偽隨機(jī)碼使用偽隨機(jī)碼來(lái)擴(kuò)展信號(hào)頻譜，使得信號(hào)更難被干擾。33.抗多徑衰落擴(kuò)頻技術(shù)可以有效地克服無(wú)線通信中的多徑衰落問(wèn)題。44.廣泛應(yīng)用擴(kuò)頻技術(shù)在無(wú)線通信、雷達(dá)、導(dǎo)航等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。噪聲與干擾熱噪聲熱噪聲是由于電子元件的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲。它存在于所有電子設(shè)備中，其強(qiáng)度與溫度成正比。干擾干擾是指來(lái)自外部源的信號(hào)，例如其他無(wú)線電發(fā)射器或電力線，它們會(huì)干擾通信信號(hào)的接收。衰落衰落是指無(wú)線通信信號(hào)在傳播過(guò)程中由于多徑效應(yīng)或障礙物阻擋引起的強(qiáng)度變化。信噪比與系統(tǒng)性能信噪比(SNR)是衡量信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度之比的指標(biāo)，它直接影響著通信系統(tǒng)的性能。較高的信噪比意味著信號(hào)更強(qiáng)，噪聲更弱，因此通信系統(tǒng)可以更準(zhǔn)確地傳輸和接收信息。誤碼率與信噪比呈負(fù)相關(guān)，信噪比越高，誤碼率越低。信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)1信號(hào)檢測(cè)確定接收信號(hào)是否存在2參數(shù)估計(jì)估計(jì)信號(hào)的幅度、頻率等參數(shù)3最佳接收機(jī)最小化誤差概率或最大化信噪比信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)是通信原理中的重要概念，用于確定接收信號(hào)是否存在以及估計(jì)信號(hào)的特征參數(shù)。最佳接收機(jī)是指能夠最有效地從噪聲中提取信號(hào)的接收機(jī)，通常采用最大似然估計(jì)或最小均方誤差估計(jì)等方法。信號(hào)檢測(cè)基礎(chǔ)信號(hào)檢測(cè)器信號(hào)檢測(cè)器接收來(lái)自信道的信號(hào)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的判決準(zhǔn)則判斷信號(hào)的存在與否。噪聲影響噪聲干擾會(huì)降低信號(hào)檢測(cè)的可靠性，需要設(shè)計(jì)合適的接收機(jī)來(lái)克服噪聲影響。二元判決最簡(jiǎn)單的信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題是二元判決，即判斷信號(hào)是否存在兩種可能性之一。誤差概率信號(hào)檢測(cè)器的性能指標(biāo)包括誤差概率，即錯(cuò)誤判決信號(hào)存在的概率。最優(yōu)接收機(jī)原理最優(yōu)接收機(jī)，也稱為匹配濾波器接收機(jī)，是接收機(jī)的一種理想模型。它基于最大似然準(zhǔn)則，可以最大程度地降低噪聲影響，提高信號(hào)檢測(cè)的可靠性。1最大似然準(zhǔn)則選擇最有可能產(chǎn)生觀測(cè)信號(hào)的信號(hào)假設(shè)2匹配濾波設(shè)計(jì)濾波器以匹配信號(hào)特征3噪聲抑制最大化信噪比，提高檢測(cè)精度實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)接收機(jī)存在一些限制，比如對(duì)信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)要求較高。信號(hào)參數(shù)估計(jì)1估計(jì)目標(biāo)信號(hào)幅度、頻率、相位2估計(jì)方法最大似然估計(jì)、最小二乘估計(jì)3性能評(píng)估估計(jì)誤差、估計(jì)偏差信號(hào)參數(shù)估計(jì)是通信系統(tǒng)中一項(xiàng)重要任務(wù)，通過(guò)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行分析，估計(jì)出信號(hào)的某些參數(shù)。例如，估計(jì)信號(hào)的幅度、頻率、相位等信息。常用的估計(jì)方法包括最大似然估計(jì)和最小二乘估計(jì)。系統(tǒng)性能分析指標(biāo)誤碼率(BER)衡量通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的概率，反映信號(hào)質(zhì)量好壞。信噪比(SNR)衡量信號(hào)強(qiáng)度與噪聲功率的比值，影響數(shù)據(jù)傳輸可靠性。頻譜效率衡量每赫茲帶寬可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，反映通信系統(tǒng)利用頻譜的效率。吞吐量衡量通信系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)量，反映數(shù)據(jù)傳輸速度。終端設(shè)備原理移動(dòng)終端移動(dòng)終端是無(wú)線通信的重要組成部分，用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。移動(dòng)終端包括智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦等設(shè)備。固定終端固定終端是連接到固定網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，用于訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)和其他服務(wù)。固定終端包括臺(tái)式電腦、路由器和機(jī)頂盒等。通信網(wǎng)絡(luò)概論網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫侵妇W(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連接方式。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備負(fù)責(zé)連接網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，并傳遞數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間進(jìn)行通信的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)安全網(wǎng)絡(luò)安全是指保護(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)免受攻擊和破壞。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與體系結(jié)構(gòu)11.協(xié)議層次網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分為多個(gè)層次，每個(gè)層次負(fù)責(zé)特定的功能，例如數(shù)據(jù)傳輸、路由、地址解析等。22.協(xié)議棧不同層次的協(xié)議相互作用，形成協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的完整流程。33.常見(jiàn)協(xié)議常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包括TCP、UDP、IP、HTTP、DNS等，它們?cè)诨ヂ?lián)網(wǎng)中發(fā)揮著重要作用。44.網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)定義了網(wǎng)絡(luò)的整體框架和各部分之間的關(guān)系，例如客戶端-服務(wù)器模型和對(duì)等網(wǎng)絡(luò)模型。新型通信技術(shù)5G技術(shù)5G技術(shù)帶來(lái)更快速度、更低延遲和更高的容量，推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和人工智能等領(lǐng)域的發(fā)展。數(shù)據(jù)傳輸速率顯著提高網(wǎng)絡(luò)延遲大幅降低支持更多設(shè)備同時(shí)連接衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信覆蓋范圍廣，不受地形限制，在災(zāi)難救援、遠(yuǎn)程監(jiān)控和航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。提供全球覆蓋的通信服務(wù)應(yīng)用于緊急情況下的通信用于高精度導(dǎo)航和定位光纖通信光纖