樊昌信版通信原理課件

樊昌信教授版通信原理課件樊昌信教授是著名的通信專家，其編著的《通信原理》是國(guó)內(nèi)高校通信專業(yè)的重要教材。本課件旨在為學(xué)習(xí)通信原理的學(xué)生提供更直觀的學(xué)習(xí)資源，涵蓋了通信原理的核心內(nèi)容，包括信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字調(diào)制解調(diào)、信道編碼等。課程概述內(nèi)容涵蓋通信原理的核心概念，從信號(hào)的基本理論到數(shù)字調(diào)制解調(diào)，再到信道編碼和噪聲分析。樊昌信教授中國(guó)科學(xué)院院士，通信領(lǐng)域著名專家，其著作《通信原理》是國(guó)內(nèi)通信領(lǐng)域最權(quán)威的教材之一。學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握通信系統(tǒng)的工作原理，理解基本概念和技術(shù)，為后續(xù)學(xué)習(xí)通信技術(shù)奠定基礎(chǔ)。通信系統(tǒng)的基本組成1信息源生成需要傳輸?shù)男畔?，例如語(yǔ)音、文字或圖像。2發(fā)送器將信息源的信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合信道傳輸?shù)男盘?hào)。3信道傳輸信號(hào)的媒介，例如無(wú)線電波、光纖或電纜。4接收器接收并還原信號(hào)，將信息傳遞給信息宿。信號(hào)的分類與數(shù)學(xué)描述信號(hào)的分類信號(hào)可分為連續(xù)時(shí)間信號(hào)和離散時(shí)間信號(hào)。連續(xù)時(shí)間信號(hào)可以用連續(xù)函數(shù)來(lái)表示，而離散時(shí)間信號(hào)則可以用離散的序列來(lái)表示。信號(hào)還可分為確定性信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)。確定性信號(hào)可以用數(shù)學(xué)公式來(lái)描述，而隨機(jī)信號(hào)則無(wú)法用數(shù)學(xué)公式來(lái)完全描述。信號(hào)的數(shù)學(xué)描述信號(hào)可以用數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)描述，例如：正弦波、方波、三角波等。信號(hào)可以用傅立葉變換來(lái)分析，從而得到信號(hào)的頻譜。頻譜可以更直觀地描述信號(hào)的頻率成分，以及信號(hào)的能量分布。傅立葉分析基礎(chǔ)1傅立葉級(jí)數(shù)周期信號(hào)的分解2傅立葉變換非周期信號(hào)的分解3頻譜分析信號(hào)頻率成分4應(yīng)用通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)傅立葉分析是通信原理的基礎(chǔ)，它允許將復(fù)雜的信號(hào)分解成一系列簡(jiǎn)單的正弦波，并通過頻譜分析揭示信號(hào)的頻率成分。這對(duì)于理解和設(shè)計(jì)各種通信系統(tǒng)至關(guān)重要。頻域分析1信號(hào)的頻譜通過傅里葉變換，可以將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)，即頻譜。頻譜描述了信號(hào)中不同頻率分量的幅度和相位信息。2系統(tǒng)頻率響應(yīng)系統(tǒng)對(duì)不同頻率信號(hào)的響應(yīng)特性可以用頻率響應(yīng)曲線來(lái)描述，反映了系統(tǒng)對(duì)不同頻率信號(hào)的增益和相移變化。3濾波器設(shè)計(jì)根據(jù)頻域分析結(jié)果，可以設(shè)計(jì)出特定頻率特性的濾波器，用于去除或增強(qiáng)信號(hào)中的特定頻率分量。信號(hào)的采樣采樣定理采樣頻率應(yīng)大于信號(hào)最高頻率的兩倍，以確保信號(hào)可以完美重建。采樣過程使用脈沖串對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，提取信號(hào)在特定時(shí)間點(diǎn)的幅度信息。采樣信號(hào)采樣后的信號(hào)由一系列離散的樣本點(diǎn)組成，代表了原始信號(hào)的離散化表示。重建信號(hào)利用低通濾波器從采樣信號(hào)中還原出原始的模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的重建。量化與編碼量化是將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)的過程，而編碼則是將量化后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的二進(jìn)制代碼。1編碼將量化后的信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼2量化將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散值3模擬信號(hào)連續(xù)時(shí)間和幅度的信號(hào)量化和編碼是通信系統(tǒng)中重要的環(huán)節(jié)，它們將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，方便存儲(chǔ)、傳輸和處理。均勻信號(hào)的取樣1采樣過程將連續(xù)時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間信號(hào)的過程稱為采樣。采樣率決定了每秒鐘采集的樣本數(shù)量，它直接影響著信號(hào)重建的質(zhì)量。2采樣定理為了能夠無(wú)失真地重建原始信號(hào)，采樣率必須大于或等于信號(hào)最高頻率的兩倍。這被稱為奈奎斯特采樣定理。3采樣結(jié)果采樣得到的樣本序列，其頻譜是原始信號(hào)頻譜的周期性重復(fù)。因此，采樣過程將信號(hào)的頻譜擴(kuò)展到更高的頻率范圍。非均勻信號(hào)的取樣非均勻采樣原理非均勻采樣是指采樣時(shí)間間隔不固定，而是根據(jù)信號(hào)變化情況動(dòng)態(tài)調(diào)整采樣頻率。應(yīng)用場(chǎng)景適用于信號(hào)變化速率較快或需要保留信號(hào)細(xì)節(jié)的場(chǎng)景，如語(yǔ)音信號(hào)、圖像信號(hào)等。優(yōu)勢(shì)提高采樣效率，降低數(shù)據(jù)量，同時(shí)保留信號(hào)的主要特征。挑戰(zhàn)需要設(shè)計(jì)合適的采樣策略，以確保采樣信號(hào)能夠準(zhǔn)確反映原始信號(hào)。幅度調(diào)制技術(shù)基本原理幅度調(diào)制是利用載波信號(hào)的幅度變化來(lái)傳遞信息信號(hào)。分類幅度調(diào)制技術(shù)主要分為雙邊帶調(diào)制、單邊帶調(diào)制和抑制載波調(diào)制。優(yōu)點(diǎn)幅度調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低廉，應(yīng)用廣泛。缺點(diǎn)帶寬利用率不高，易受噪聲干擾。DSB-AM調(diào)制與解調(diào)1調(diào)制載波信號(hào)與調(diào)制信號(hào)相乘2傳輸通過信道傳輸3解調(diào)恢復(fù)原始信號(hào)DSB-AM調(diào)制是一種常見的模擬調(diào)制技術(shù)，它將信號(hào)的幅度信息疊加到載波信號(hào)上。解調(diào)過程通過包絡(luò)檢波來(lái)恢復(fù)原始信號(hào)。SSB-AM調(diào)制與解調(diào)1載波抑制抑制載波信號(hào)，降低傳輸功率2單邊帶濾波濾除其中一個(gè)邊帶信號(hào)，提高頻譜利用率3解調(diào)采用相干解調(diào)技術(shù)，恢復(fù)原始信號(hào)SSB-AM調(diào)制技術(shù)能夠有效提高頻譜利用率，適用于遠(yuǎn)距離通信。這種技術(shù)在載波抑制和單邊帶濾波過程中需要使用特殊的濾波器，并采用相干解調(diào)技術(shù)來(lái)恢復(fù)原始信號(hào)，對(duì)技術(shù)要求較高。雙邊帶調(diào)制與解調(diào)1調(diào)制載波信號(hào)頻率被調(diào)制信號(hào)改變2傳輸調(diào)制后的信號(hào)通過信道傳輸3解調(diào)恢復(fù)原始調(diào)制信號(hào)雙邊帶調(diào)制（DSB）是一種常用的模擬調(diào)制技術(shù)，它利用載波信號(hào)的幅度或相位變化來(lái)承載信息。雙邊帶調(diào)制方法簡(jiǎn)單易行，但頻譜利用率較低，因此需要采用其他技術(shù)來(lái)提高頻譜效率。頻率調(diào)制技術(shù)頻率偏移FM調(diào)制過程中，載波頻率會(huì)根據(jù)調(diào)制信號(hào)的變化而改變。頻率偏移FM調(diào)制器會(huì)根據(jù)輸入信號(hào)的幅度改變輸出信號(hào)的頻率。頻率解調(diào)FM解調(diào)器會(huì)將接收到的頻率變化還原為原始信號(hào)。FM調(diào)制與解調(diào)頻率調(diào)制(FM)是一種將信息信號(hào)嵌入載波頻率的調(diào)制技術(shù)。1頻率偏移信息信號(hào)改變載波頻率2調(diào)制指數(shù)頻率偏移與信息信號(hào)幅度的比值3帶寬FM信號(hào)的頻率范圍4解調(diào)從調(diào)制信號(hào)中恢復(fù)信息信號(hào)FM調(diào)制可以提高抗噪聲性能，因?yàn)樵肼曋饕绊懶盘?hào)的幅度，而FM信號(hào)的頻率信息不受影響。相位調(diào)制與解調(diào)1相位調(diào)制載波信號(hào)的相位隨調(diào)制信號(hào)的變化而改變，調(diào)制信號(hào)幅度決定相位變化量。2相位調(diào)制方式包括線性相位調(diào)制和非線性相位調(diào)制，前者相位變化與調(diào)制信號(hào)成正比，后者不。3相位解調(diào)通過檢測(cè)接收信號(hào)相位變化恢復(fù)原始調(diào)制信號(hào)，需要相位解調(diào)器，常采用鎖相環(huán)路實(shí)現(xiàn)。數(shù)字調(diào)制技術(shù)1數(shù)字信號(hào)的傳輸數(shù)字調(diào)制技術(shù)是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合于在物理信道上傳輸?shù)哪M信號(hào)。2調(diào)制方法常見的數(shù)字調(diào)制方法包括幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)。3信號(hào)特性這些調(diào)制方法利用信號(hào)幅度、頻率或相位來(lái)代表數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并提供良好的抗噪聲性能。4應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)字調(diào)制技術(shù)在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，例如無(wú)線通信、衛(wèi)星通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?shù)字調(diào)制技術(shù)ASK幅移鍵控（ASK）調(diào)制技術(shù)通過改變載波信號(hào)的幅度來(lái)表示數(shù)字信息。每個(gè)幅度等級(jí)代表不同的數(shù)字符號(hào)。FSK頻移鍵控（FSK）調(diào)制技術(shù)通過改變載波信號(hào)的頻率來(lái)表示數(shù)字信息。每個(gè)頻率等級(jí)代表不同的數(shù)字符號(hào)。PSK相移鍵控（PSK）調(diào)制技術(shù)通過改變載波信號(hào)的相位來(lái)表示數(shù)字信息。每個(gè)相位等級(jí)代表不同的數(shù)字符號(hào)。信號(hào)的傳輸傳輸介質(zhì)信號(hào)通過各種介質(zhì)傳輸，例如電纜、光纖、無(wú)線電波等。選擇合適的介質(zhì)對(duì)于信號(hào)質(zhì)量和傳輸效率至關(guān)重要。信號(hào)調(diào)制將信號(hào)疊加在載波上，使之適合于在特定介質(zhì)中傳輸，例如調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相等。信號(hào)編碼將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合傳輸?shù)男问?，例如二進(jìn)制編碼，提高傳輸效率和抗干擾能力。信號(hào)傳輸通過選定的介質(zhì)將信號(hào)從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩?，例如衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信等。信道模型理想信道無(wú)噪聲、無(wú)失真、無(wú)延遲，信號(hào)不受任何影響。加性噪聲信道噪聲疊加在信號(hào)上，信號(hào)經(jīng)過信道后會(huì)疊加噪聲。衰落信道信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間和空間變化，導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)波動(dòng)和衰落現(xiàn)象。多徑信道信號(hào)經(jīng)過多個(gè)路徑傳播，導(dǎo)致信號(hào)相互疊加，可能造成信號(hào)失真和干擾。信道編碼基礎(chǔ)對(duì)抗噪聲信道編碼增加冗余信息，提高信號(hào)抗噪聲能力，防止傳輸過程中數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。糾錯(cuò)能力信道編碼通過添加校驗(yàn)位，檢測(cè)并糾正傳輸過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，保證數(shù)據(jù)完整性。提高傳輸效率信道編碼根據(jù)信道特性優(yōu)化編碼方式，最大限度地利用信道帶寬，提高信息傳輸效率。線性分組碼編碼規(guī)則將信息位分成固定長(zhǎng)度的塊，并按照一定的規(guī)則添加校驗(yàn)位，形成碼字。生成矩陣線性分組碼的編碼過程可以用生成矩陣表示，可以方便地進(jìn)行編碼操作。糾錯(cuò)能力線性分組碼可以檢測(cè)和糾正一定數(shù)量的錯(cuò)誤，提高通信系統(tǒng)的可靠性。典型碼常見的線性分組碼包括漢明碼、循環(huán)碼等，應(yīng)用廣泛。卷積碼編碼原理卷積碼是一種特殊的線性分組碼，它利用前幾個(gè)編碼位的線性組合來(lái)生成當(dāng)前編碼位。特點(diǎn)碼率靈活糾錯(cuò)能力強(qiáng)編碼復(fù)雜度高應(yīng)用卷積碼廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、深空探測(cè)等領(lǐng)域。信道容量信道容量是信道在一定條件下所能傳輸?shù)淖畲笮畔⒘?，是一個(gè)非常重要的概念，它衡量了信道傳輸信息的能力。信道容量可以通過香農(nóng)公式計(jì)算，公式中包含帶寬、信噪比和編碼效率等因素。信道容量是通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，它可以指導(dǎo)我們選擇合適的調(diào)制方式、編碼方案和傳輸速率，以最大限度地利用信道資源。信號(hào)檢測(cè)與接收機(jī)結(jié)構(gòu)匹配濾波匹配濾波器可以最大限度地提高信號(hào)在噪聲背景下的檢測(cè)性能。它可以將信號(hào)的能量集中在一個(gè)特定的時(shí)間點(diǎn)，從而提高信噪比。相干解調(diào)相干解調(diào)是一種利用已知載波信號(hào)的相位和頻率信息來(lái)恢復(fù)原始信號(hào)的方法。它可以有效地抑制噪聲和干擾，提高信號(hào)的質(zhì)量。非相干解調(diào)非相干解調(diào)不需要已知載波信號(hào)的相位信息，它利用信號(hào)的包絡(luò)或頻率信息來(lái)恢復(fù)原始信號(hào)。它通常用于接收機(jī)不知道載波相位的場(chǎng)景。數(shù)字信號(hào)處理現(xiàn)代接收機(jī)通常采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)和處理。數(shù)字信號(hào)處理可以提供更靈活、更強(qiáng)大的信號(hào)處理能力，提高接收機(jī)的性能。同步技術(shù)1時(shí)鐘同步確保接收器和發(fā)送器使用相同的時(shí)鐘頻率和相位，以便準(zhǔn)確地接收和解碼信號(hào)。2數(shù)據(jù)同步確保接收器正確地識(shí)別和對(duì)齊數(shù)據(jù)幀，以便準(zhǔn)確地解釋數(shù)據(jù)。3同步源使用精確的時(shí)間信號(hào)源，如GPS衛(wèi)星或原子鐘，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步。等化技術(shù)等化目的補(bǔ)償信道引入的失真，提高接收信號(hào)質(zhì)量，改善系統(tǒng)性能。等化原理通過在接收端加入一個(gè)與信道特性相反的濾波器，來(lái)抵消信道造成的失真。等化類型線性等化非線性等化等化技術(shù)應(yīng)用廣泛應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)，例如無(wú)線通信、有線通信等。噪聲對(duì)系