【大學(xué)課件】通信系統(tǒng)概論

通信系統(tǒng)概論本課程將介紹通信系統(tǒng)的工作原理，涵蓋從信號(hào)的產(chǎn)生和傳輸?shù)叫畔⒔邮蘸徒獯a等各個(gè)方面。通信概述信息傳遞通信是指信息從一個(gè)地方傳遞到另一個(gè)地方的過程.媒介傳輸信息通過各種媒介，例如電磁波、光纖或電線，進(jìn)行傳輸.理解接收接收方需要能夠理解和解釋發(fā)送的信息.通信系統(tǒng)分類計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)用于計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸和信息交換。電話通信系統(tǒng)用于語音通話和傳真。廣播電視通信系統(tǒng)用于廣播電視節(jié)目和信息傳播。通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通信系統(tǒng)通常由以下幾個(gè)部分組成：信息源：產(chǎn)生要傳輸?shù)男畔?，例如聲音、圖像、數(shù)據(jù)等發(fā)送器：將信息轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)信道：信息傳輸?shù)拿浇?，例如電纜、無線電波等接收器：接收從信道中傳來的信號(hào)，并將其還原成原始信息信息宿：接收最終的信息信號(hào)的表示1數(shù)學(xué)模型信號(hào)可以用數(shù)學(xué)函數(shù)來描述，例如正弦函數(shù)、余弦函數(shù)等，反映了信號(hào)的幅度、頻率和相位等特征。2時(shí)域表示信號(hào)可以用時(shí)域波形圖來表示，反映了信號(hào)隨時(shí)間變化的規(guī)律。3頻域表示信號(hào)可以用頻譜圖來表示，反映了信號(hào)中各個(gè)頻率成分的分布情況。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)模擬信號(hào)是連續(xù)變化的，可以表示為連續(xù)的波形。數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)是離散的，由一系列的離散值組成，通常表示為0和1。采樣定理1連續(xù)信號(hào)模擬信號(hào)是隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)，可以用連續(xù)的曲線表示。2采樣采樣是指在一定時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并記錄其值，將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散信號(hào)。3采樣頻率采樣頻率是指每秒鐘進(jìn)行采樣的次數(shù)，單位是赫茲(Hz)。4重建信號(hào)根據(jù)采樣后的離散信號(hào)，可以使用特定的插值算法來重建原始的模擬信號(hào)。脈沖編碼調(diào)制(PCM)數(shù)字化的關(guān)鍵PCM是一種將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的常用技術(shù)，它在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。三步過程PCM過程包括采樣、量化和編碼三個(gè)步驟，將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)。優(yōu)勢(shì)PCM具有抗噪聲能力強(qiáng)、易于處理和傳輸、便于數(shù)字信號(hào)處理等優(yōu)點(diǎn)，使其成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。信號(hào)編碼方式數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)通過不同的編碼方式來表示信息，常見的編碼方式包括：二進(jìn)制編碼曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼NRZ編碼BPSK編碼編碼方案不同的編碼方案具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，例如：二進(jìn)制編碼簡(jiǎn)單易懂曼徹斯特編碼抗干擾能力強(qiáng)差分曼徹斯特編碼可以識(shí)別時(shí)鐘信號(hào)NRZ編碼適合低速數(shù)據(jù)傳輸BPSK編碼適用于無線通信信道編碼提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?抵抗噪聲和干擾的影響.檢測(cè)和糾正傳輸過程中的錯(cuò)誤.信噪比與信號(hào)失真信噪比(SNR)信號(hào)功率與噪聲功率之比信號(hào)失真接收信號(hào)與原始信號(hào)的偏差熱噪聲和量子噪聲1熱噪聲由于導(dǎo)體中的電子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲，其功率與溫度成正比。在室溫下，熱噪聲是主要噪聲源之一。2量子噪聲由于電磁波的量子化性質(zhì)而產(chǎn)生的噪聲，其功率與頻率成正比。在高頻情況下，量子噪聲變得越來越重要。信道容量定理信道容量定理表示在一定帶寬和信噪比下，信道能夠可靠傳輸?shù)淖畲笮畔⒘?。頻率分割多址頻譜劃分將通信頻帶劃分為多個(gè)子頻帶，每個(gè)用戶分配一個(gè)子頻帶，在子頻帶上進(jìn)行通信。相互隔離不同用戶的信號(hào)在頻域上相互隔離，避免相互干擾。應(yīng)用廣泛廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、廣播電視、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。時(shí)間分割多址時(shí)隙分配TDMA將時(shí)間軸劃分為多個(gè)時(shí)隙，每個(gè)用戶分配一個(gè)特定時(shí)隙。輪流使用用戶輪流使用分配給他們的時(shí)隙，從而實(shí)現(xiàn)共享信道。提高效率TDMA通過減少信道空閑時(shí)間來提高信道利用率。碼分割多址碼分多址(CDMA)CDMA利用不同的碼字來區(qū)分不同的用戶，即使在同一時(shí)間、同一頻率上。抗干擾性強(qiáng)每個(gè)用戶信號(hào)被擴(kuò)頻到較寬的頻帶，不容易受到其他用戶信號(hào)的干擾。容量大CDMA系統(tǒng)可以支持更多的用戶同時(shí)使用同一頻率資源。調(diào)制技術(shù)概述信息傳遞的橋梁調(diào)制是將信息信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)的過程，為信息在不同媒介之間傳遞搭建了橋梁。載波的變革調(diào)制通過改變載波的某些參數(shù)，如幅度、頻率或相位，將信息信號(hào)嵌入到載波中，實(shí)現(xiàn)信息傳輸。信號(hào)的轉(zhuǎn)換調(diào)制將原始信息信號(hào)，如音頻或視頻信號(hào)，轉(zhuǎn)換成更適合長(zhǎng)距離傳輸?shù)男盘?hào)形式，例如無線電波或光波。調(diào)幅(AM)1載波頻率不變調(diào)幅是一種通過改變載波信號(hào)的振幅來傳遞信息的調(diào)制方式。載波頻率保持不變，而載波信號(hào)的振幅隨信息信號(hào)的變化而變化。2簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)AM調(diào)制技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，成本較低，因此在廣播和無線電通信中得到廣泛應(yīng)用。3抗噪聲能力弱AM信號(hào)的抗噪聲能力較差，容易受到噪聲的干擾，導(dǎo)致信號(hào)失真。調(diào)頻(FM)調(diào)頻（FM）是一種將音頻信號(hào)的頻率變化轉(zhuǎn)換成載波頻率變化的調(diào)制方式。FM信號(hào)的頻率變化與音頻信號(hào)的幅度變化成正比。FM調(diào)制廣泛應(yīng)用于廣播、電視等領(lǐng)域，提供更高的音質(zhì)和抗噪聲能力。數(shù)字調(diào)制技術(shù)數(shù)字調(diào)制將數(shù)字信號(hào)加載到載波上，以實(shí)現(xiàn)信息傳輸。常用方法振幅鍵控（ASK）頻率鍵控（FSK）相位鍵控（PSK）優(yōu)勢(shì)抗噪聲能力強(qiáng)便于數(shù)據(jù)處理支持高速傳輸基帶傳輸光纖傳輸使用光纖作為傳輸介質(zhì)，具有高帶寬、低衰減、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)。雙絞線傳輸使用雙絞線作為傳輸介質(zhì)，成本低廉，但帶寬有限。同軸電纜傳輸使用同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，帶寬較高，抗干擾能力強(qiáng)。帶通傳輸信號(hào)調(diào)制將基帶信號(hào)調(diào)制到高頻載波上，以便信號(hào)能夠在無線信道中傳播。濾波使用帶通濾波器來選擇所需的頻帶，并濾除其他頻帶的噪聲和干擾。傳輸將調(diào)制后的信號(hào)通過無線信道傳輸?shù)浇邮斩?。解調(diào)接收端使用解調(diào)器將信號(hào)從載波上解調(diào)下來，恢復(fù)原始的基帶信號(hào)。通信信道有線信道電纜、光纖等物理介質(zhì)傳輸信號(hào)。無線信道利用電磁波在自由空間傳播信號(hào)。有線信道1導(dǎo)線金屬線用于傳輸信號(hào)，例如銅線和光纖。2同軸電纜中心導(dǎo)線周圍包裹著絕緣層，外部是編織屏蔽層。3雙絞線兩根絕緣導(dǎo)線相互纏繞，降低電磁干擾。4光纖通過光纖傳輸光信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)。無線信道無障礙無線信道不受任何物理障礙限制，信號(hào)可以自由傳播。易受干擾無線信道容易受到各種干擾源的影響，如天氣、其他無線信號(hào)。衰落無線信號(hào)在傳播過程中會(huì)發(fā)生衰落，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度下降。多徑傳播信號(hào)在傳播過程中會(huì)遇到多個(gè)反射，導(dǎo)致多徑效應(yīng)。信號(hào)傳播機(jī)理1電磁波傳播無線電波以電磁波的形式在空間中傳播，通過天線進(jìn)行發(fā)射和接收。2傳播路徑信號(hào)傳播會(huì)受到地形、建筑物、大氣等因素的影響，導(dǎo)致信號(hào)衰減、反射、折射等現(xiàn)象。3多徑效應(yīng)信號(hào)在傳播過程中可能會(huì)遇到多個(gè)障礙物，導(dǎo)致多條路徑到達(dá)接收端，造成信號(hào)干擾。頻率復(fù)用技術(shù)頻譜劃分將可用頻譜劃分為多個(gè)子頻帶，每個(gè)子頻帶分配給一個(gè)用戶或通信通道。信道隔離使用濾波器或其他技術(shù)來隔離不同頻率的信號(hào)，防止它們相互干擾。提高容量通過將多個(gè)用戶共享一個(gè)帶寬，頻率復(fù)用技術(shù)可以顯著提高通信系統(tǒng)的容量。路由與交換技術(shù)路由器路由器用于連接不同的網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到正確的目的地。交換機(jī)交換機(jī)用于連接同一網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，并根據(jù)MAC地址將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到正確的設(shè)備。路由協(xié)議路由協(xié)議用于在路由器之間交換路由信息，以便路由器能夠選擇最優(yōu)路徑來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系OSI模型國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)制定的開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)模型，它將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)分為七層，每一層負(fù)責(zé)特定功能，以確保不同系統(tǒng)之間能夠相互通信。TCP