《通信原理》課件

通信原理通信原理是信息論和通信系統(tǒng)工程領(lǐng)域的基礎(chǔ)學科。它涵蓋了信號的產(chǎn)生、傳輸、接收和處理等方面的理論和技術(shù)。緒論信息傳遞的橋梁通信是連接世界的重要紐帶，將信息傳遞到遠方。無形的連接無線網(wǎng)絡(luò)的普及改變了生活，為信息傳遞提供了更便捷的途徑。高速傳輸光纖網(wǎng)絡(luò)是高速傳輸?shù)幕?，為信息時代提供了強大的支持。數(shù)字信號的基本概念數(shù)字信號的定義數(shù)字信號是由一系列離散的數(shù)值表示的信號。這些數(shù)值通常表示為二進制數(shù)字，例如0或1。數(shù)字信號的特點數(shù)字信號具有抗噪聲能力強、易于處理、傳輸距離遠等特點。信號的數(shù)字化1采樣將連續(xù)時間信號轉(zhuǎn)換為離散時間信號。2量化將離散時間信號轉(zhuǎn)換為有限個離散值的信號。3編碼將量化后的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。信號數(shù)字化是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程。它包括三個主要步驟：采樣、量化和編碼。采樣將連續(xù)時間信號轉(zhuǎn)換為離散時間信號，量化將離散時間信號轉(zhuǎn)換為有限個離散值的信號，編碼將量化后的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。常見的數(shù)字調(diào)制方式振幅鍵控(ASK)通過改變載波信號的振幅來表示不同的數(shù)字信號。頻率鍵控(FSK)通過改變載波信號的頻率來表示不同的數(shù)字信號。相位鍵控(PSK)通過改變載波信號的相位來表示不同的數(shù)字信號。正交幅度調(diào)制(QAM)結(jié)合了ASK和PSK的優(yōu)點，通過同時改變載波信號的振幅和相位來表示不同的數(shù)字信號。ASK調(diào)制幅移鍵控(ASK)是一種數(shù)字調(diào)制技術(shù)，通過改變載波信號的幅度來表示數(shù)字信息。在ASK調(diào)制中，每個數(shù)字位對應(yīng)一個特定的幅度等級，接收機根據(jù)接收到的信號幅度來判斷所傳輸?shù)臄?shù)字位。ASK調(diào)制簡單易實現(xiàn)，但抗噪聲性能較差，容易受到噪聲干擾的影響。FSK調(diào)制FSK是一種數(shù)字調(diào)制技術(shù)，它通過改變載波頻率來表示數(shù)字信息。FSK調(diào)制在通信系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，例如無線電通信、數(shù)據(jù)傳輸和調(diào)制解調(diào)器。PSK調(diào)制PSK調(diào)制是一種利用載波相位變化來表示數(shù)字信號的調(diào)制方式。PSK調(diào)制根據(jù)載波相位的變化來表示不同的數(shù)據(jù)位，從而將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號進行傳輸。PSK調(diào)制是一種常用的數(shù)字調(diào)制方式，在各種通信系統(tǒng)中都有廣泛的應(yīng)用，例如無線通信、衛(wèi)星通信和光通信。QAM調(diào)制QAM（正交振幅調(diào)制）是一種將數(shù)據(jù)映射到復數(shù)載波信號的調(diào)制方式。它結(jié)合了ASK和PSK的優(yōu)點，能夠在更高的頻譜效率下傳輸數(shù)據(jù)。QAM調(diào)制在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，例如無線局域網(wǎng)和數(shù)字電視。QAM調(diào)制可以通過改變載波信號的幅度和相位來表示不同的數(shù)據(jù)。它可以采用不同的星座圖來實現(xiàn)不同數(shù)量的比特映射。信道編碼抗干擾能力信道編碼通過添加冗余信息，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，減少傳輸過程中的錯誤。編碼方式常見的信道編碼方式包括：線性分組碼、卷積碼、Turbo碼等，每種編碼方式都有其優(yōu)缺點。解碼過程接收端需要使用相應(yīng)的解碼算法，將編碼后的數(shù)據(jù)還原成原始信息，同時糾正傳輸過程中的錯誤。應(yīng)用場景信道編碼廣泛應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)，例如：衛(wèi)星通信、移動通信、無線網(wǎng)絡(luò)等。差錯檢測和糾正碼1錯誤檢測檢測接收到的數(shù)據(jù)是否有錯誤，確保信息完整性。2錯誤糾正糾正接收到的數(shù)據(jù)中的錯誤，確保信息準確性。3碼距兩個碼字之間不同位數(shù)的最小數(shù)量，決定編碼的糾錯能力。4編碼技術(shù)海明碼、循環(huán)碼等，應(yīng)用于多種通信系統(tǒng)中。信道編碼的性能分析信道編碼的性能分析是評估編碼方案有效性的關(guān)鍵步驟，通過分析編碼的性能，可以確定最佳編碼方案，以提高通信系統(tǒng)的可靠性和效率。信道編碼的性能通常用以下指標來衡量：編碼增益、誤碼率、信噪比和吞吐量等。3dB編碼增益是指在相同信噪比條件下，采用編碼方案后，誤碼率降低的程度。10^-6BER誤碼率(BitErrorRate)指的是接收端接收到的錯誤比特數(shù)與發(fā)送比特數(shù)的比率。10SNR信噪比(Signal-to-NoiseRatio)指的是信號功率與噪聲功率之比。100Mbps吞吐量(Throughput)指的是單位時間內(nèi)有效傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。信源編碼數(shù)據(jù)壓縮信源編碼的核心是數(shù)據(jù)壓縮，通過去除冗余信息來減少數(shù)據(jù)量。編碼方案常用的編碼方案包括霍夫曼編碼、算術(shù)編碼等，以提高數(shù)據(jù)傳輸效率。編碼類型信源編碼可分為無損壓縮和有損壓縮，根據(jù)應(yīng)用場景選擇合適的編碼類型。熵和信息量熵信息量隨機變量的不確定性事件發(fā)生時攜帶的信息量事件發(fā)生概率的函數(shù)事件發(fā)生概率的負對數(shù)越大，不確定性越大越小，事件發(fā)生概率越大源編碼的性能分析源編碼的性能主要取決于壓縮比和失真率。壓縮比是指壓縮后的數(shù)據(jù)大小與原始數(shù)據(jù)大小之比。失真率是指壓縮后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)之間的差異程度。壓縮比失真率不同的源編碼算法具有不同的壓縮比和失真率，需要根據(jù)實際應(yīng)用場景選擇合適的算法。信道模型1理想信道理想信道假設(shè)無噪聲、無衰減、無失真。在理想信道中，信號可以完美地傳輸，不會受到任何干擾。2加性白噪聲信道加性白噪聲信道假設(shè)噪聲是加性白噪聲，即噪聲疊加在信號上。白噪聲是指功率譜密度在所有頻率上都相同的噪聲。3衰落信道衰落信道是指信號在傳輸過程中受到多徑傳播的影響，導致信號強度發(fā)生起伏。多徑傳播是指信號在傳輸過程中經(jīng)過多個路徑到達接收端，導致信號相位發(fā)生變化。噪聲的種類和特性熱噪聲由電子元件的熱運動產(chǎn)生的隨機噪聲。熱噪聲的功率與溫度成正比，與頻率無關(guān)。在低頻段，熱噪聲的影響比較明顯。散粒噪聲由電子流中的電子隨機到達造成的噪聲。散粒噪聲的功率與電流的平方成正比，與頻率無關(guān)。在高頻段，散粒噪聲的影響比較明顯。信道的帶寬概念頻帶寬度信道帶寬指信道允許通過的頻率范圍。帶寬越寬，可傳輸?shù)男盘栴l率越高，數(shù)據(jù)傳輸速率越高。信號傳輸信道帶寬是影響信號傳輸質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。帶寬不足會導致信號失真，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴挿峙湫诺缼捠怯邢薜馁Y源，需要合理分配給不同的通信系統(tǒng)，以保證高效利用帶寬。信號失真和失真補償1信號失真信號在傳輸過程中，由于信道的影響，信號的波形會發(fā)生改變，產(chǎn)生失真。2失真補償為了消除或減小失真，需要采用一些技術(shù)進行補償。3補償方法常見的補償方法包括：等化技術(shù)、均衡技術(shù)等。4目的使接收到的信號盡可能地恢復原信號的波形。信噪比和功率譜密度信噪比(SNR)是信號功率與噪聲功率的比值，用來衡量信號的強弱。功率譜密度(PSD)是信號功率在不同頻率上的分布情況，反映了信號的頻率特性。10信噪比信噪比越高，信號越強，傳輸質(zhì)量越好。30dB噪聲功率噪聲功率越低，信噪比越高。10kHz帶寬帶寬越寬，信號的頻率范圍越廣，包含的信息量更多。100M數(shù)據(jù)速率數(shù)據(jù)速率越高，傳輸效率越高。接收機的基本結(jié)構(gòu)天線接收無線電信號，并將其轉(zhuǎn)換為電信號。放大器增強信號強度，提高信噪比。濾波器去除干擾信號，確保接收信號的清晰度。解調(diào)器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，以便進行解碼。同步技術(shù)時鐘同步接收機需要與發(fā)送機時鐘同步才能正確解調(diào)信號。載波同步接收機必須與發(fā)送機載波頻率和相位同步才能解調(diào)信號。幀同步接收機需要確定數(shù)據(jù)幀的起始位置才能正確解調(diào)信號。等化技術(shù)什么是等化技術(shù)？等化技術(shù)旨在補償信道傳輸過程中的信號失真，恢復原始信號。通過調(diào)整信號的頻率特性，使其更接近理想傳輸狀態(tài)，實現(xiàn)更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸。等化技術(shù)的作用提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，減少傳輸錯誤。改善信號質(zhì)量，提升用戶體驗。提高系統(tǒng)頻譜利用率，提升通信效率。OFDM技術(shù)11.多載波調(diào)制技術(shù)將寬帶信號分成多個窄帶子載波，每個子載波獨立傳輸數(shù)據(jù)。22.正交頻分復用子載波之間相互正交，避免了信號之間的干擾。33.頻率選擇性衰落OFDM能夠有效抵抗頻率選擇性衰落，提高傳輸可靠性。44.高頻譜效率OFDM技術(shù)可以有效提高頻譜利用率，降低傳輸成本。移動通信系統(tǒng)概述移動通信系統(tǒng)是現(xiàn)代社會的重要組成部分，它使人們能夠在移動中進行語音、數(shù)據(jù)和視頻等各種通信。移動通信技術(shù)經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字的演進，并不斷朝著高速率、大容量和低功耗的方向發(fā)展。蜂窩系統(tǒng)的基本原理頻率復用蜂窩系統(tǒng)將地理區(qū)域劃分成多個六邊形蜂窩狀小區(qū)，每個小區(qū)使用不同的頻率，避免信號干擾。小區(qū)切換移動用戶在不同小區(qū)之間移動時，系統(tǒng)會自動切換到信號更強的基站，保證通話質(zhì)量。功率控制基站根據(jù)用戶距離和信號強度調(diào)整發(fā)射功率，降低干擾，提高系統(tǒng)效率。信道分配根據(jù)用戶的移動速度和業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)會分配不同的信道，保證不同用戶之間的通信質(zhì)量。2G/3G/4G/5G移動通信技術(shù)2G2G網(wǎng)絡(luò)主要提供語音服務(wù)和簡單的移動數(shù)據(jù)服務(wù)，如短信。3G3G網(wǎng)絡(luò)在2G基礎(chǔ)上大幅提升了數(shù)據(jù)傳輸速度，支持高速網(wǎng)絡(luò)瀏覽和視頻通話。4G4G網(wǎng)絡(luò)進一步提升了數(shù)據(jù)傳輸速率，為移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了更高速的連接。5G5G網(wǎng)絡(luò)具有極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，低延遲，并支持海量設(shè)備連接，為物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)。衛(wèi)星通信系統(tǒng)軌道類型地球同步軌道、地球靜止軌道、極地軌道等多種類型。地面站衛(wèi)星通信需要地面站，用于接收和發(fā)送信號。特點不受地形限制，覆蓋范圍廣，傳輸距離遠。光通信技術(shù)光纖傳