山東大學(xué)威海分校通信原理課件張遙老師

通信原理課件通信原理是基礎(chǔ)課程之一,涵蓋了信號(hào)分析、信道編碼、調(diào)制解調(diào)等核心知識(shí)點(diǎn)。作為信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ),這門(mén)課將為學(xué)生奠定扎實(shí)的通信基礎(chǔ)。課程簡(jiǎn)介課程背景本課程旨在為學(xué)生提供通信原理的基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用。通過(guò)對(duì)通信系統(tǒng)基本組成、信號(hào)特性、信號(hào)頻域分析等內(nèi)容的詳細(xì)講解，幫助學(xué)生全面理解通信技術(shù)的基本原理。課程內(nèi)容課程涉及信號(hào)表示、線性系統(tǒng)分析、調(diào)制解調(diào)、編碼傳輸?shù)韧ㄐ蓬I(lǐng)域的核心概念和關(guān)鍵技術(shù)，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)通信工程相關(guān)專業(yè)知識(shí)奠定基礎(chǔ)。實(shí)踐環(huán)節(jié)除理論講授外，本課程還包括實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)，讓學(xué)生通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐加深對(duì)通信原理的理解，培養(yǎng)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。課程目標(biāo)掌握通信原理的基礎(chǔ)知識(shí)包括信號(hào)的表示和分類、線性時(shí)不變系統(tǒng)、頻域分析等概念。了解通信系統(tǒng)的基本組成包括發(fā)送端、接收端以及信道的作用和特點(diǎn)。學(xué)習(xí)常見(jiàn)的調(diào)制和編碼技術(shù)如調(diào)幅、調(diào)頻、脈碼調(diào)制等，掌握其原理和應(yīng)用。分析信道編碼和信號(hào)噪聲的影響理解信噪比和各種編碼技術(shù)的性能指標(biāo)。主要內(nèi)容理論基礎(chǔ)包括信號(hào)和系統(tǒng)的基本概念、線性時(shí)不變系統(tǒng)的特性、傅里葉分析等。通信技術(shù)涵蓋調(diào)制與解調(diào)、信道編碼、多址技術(shù)等常用的通信技術(shù)。通信系統(tǒng)介紹典型的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。技術(shù)前沿關(guān)注一些前沿通信技術(shù)的原理和應(yīng)用,如5G、物聯(lián)網(wǎng)、軟件定義無(wú)線等。通信系統(tǒng)的基本組成信源通信系統(tǒng)的信息來(lái)源,包括音頻、視頻、圖像等各種信號(hào)。信源能夠產(chǎn)生和輸出需要傳輸?shù)男畔?。發(fā)送器將信源產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合在信道中傳輸?shù)男问?如編碼、調(diào)制等。發(fā)送器確保信號(hào)可以在信道中傳輸。信道信息傳輸媒體,包括有線和無(wú)線,如電纜、光纖、無(wú)線電波等。信道承載信號(hào)從發(fā)送端傳遞到接收端。接收器接收端對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼等處理,還原為原始信息。接收器確保信息可以被正確解譯和使用。信號(hào)的表示時(shí)域表示通過(guò)描述信號(hào)在時(shí)間上的變化來(lái)表示信號(hào)。頻域表示通過(guò)描述信號(hào)在頻率上的分布來(lái)表示信號(hào)。實(shí)數(shù)和復(fù)數(shù)表示信號(hào)可以用實(shí)數(shù)或復(fù)數(shù)來(lái)表示。復(fù)數(shù)表示可以描述幅度和相位信息。各種信號(hào)的性質(zhì)時(shí)域特性信號(hào)在時(shí)間域中的形狀和變化特征,如幅值、頻率、周期等。頻域特性信號(hào)在頻率域中的頻譜分布特性,反映信號(hào)的頻率成分。連續(xù)性信號(hào)可以是連續(xù)型的,也可以是離散型的(脈沖信號(hào))。能量和功率信號(hào)的能量和功率特性,反映信號(hào)的強(qiáng)度和傳輸性能。線性時(shí)不變系統(tǒng)線性性線性系統(tǒng)具有可疊加和比例特性,輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間存在線性關(guān)系。時(shí)不變性時(shí)不變系統(tǒng)的特性不隨時(shí)間變化,即系統(tǒng)的響應(yīng)只與輸入信號(hào)的差異有關(guān)。優(yōu)勢(shì)線性時(shí)不變系統(tǒng)更易于分析和設(shè)計(jì),可以應(yīng)用傅里葉分析等數(shù)學(xué)工具進(jìn)行研究。應(yīng)用線性時(shí)不變系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于通信、信號(hào)處理、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。卷積積分1輸入信號(hào)需要分析的輸入信號(hào)2系統(tǒng)響應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)特性計(jì)算輸出響應(yīng)3卷積積分通過(guò)一維卷積積分得出最終輸出卷積積分是描述線性時(shí)不變系統(tǒng)輸出響應(yīng)的重要工具。通過(guò)將輸入信號(hào)與系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行卷積運(yùn)算,就可以得到系統(tǒng)的時(shí)域輸出信號(hào)。該方法適用于各種類型的輸入信號(hào)和系統(tǒng),是分析和設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。頻域分析頻譜圖分析頻譜圖可以直觀地展現(xiàn)信號(hào)在頻率域上的能量分布情況。通過(guò)分析信號(hào)的頻譜特性,可以更好地理解信號(hào)的性質(zhì)和特征。頻域分析的基礎(chǔ)傅里葉分析是頻域分析的基礎(chǔ),它可以將時(shí)域信號(hào)分解為不同頻率的正弦波信號(hào)的疊加。濾波器的頻域分析頻域分析還可以用于分析濾波器的頻響特性,了解濾波器對(duì)不同頻率信號(hào)的傳輸和抑制情況。傅里葉級(jí)數(shù)周期信號(hào)分析傅里葉級(jí)數(shù)可將任意周期信號(hào)表示為正弦波和余弦波的無(wú)窮級(jí)數(shù)之和。這種分析方法有助于深入理解周期信號(hào)的結(jié)構(gòu)和特性。諧波分析傅里葉級(jí)數(shù)展現(xiàn)了周期信號(hào)中的諧波成分,使我們能更好地理解信號(hào)的頻譜特性,為后續(xù)的頻域分析奠定基礎(chǔ)。信號(hào)重構(gòu)通過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)的收斂性,我們可以利用少量諧波成分就能逼近甚至恢復(fù)原始的周期信號(hào),這在信號(hào)處理中有廣泛應(yīng)用。傅里葉變換信號(hào)分解通過(guò)傅里葉變換，可以將復(fù)雜信號(hào)分解為許多正弦和余弦波的疊加。頻域分析傅里葉變換可以將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行分析和處理。頻譜表示傅里葉變換可以得到信號(hào)的頻譜表示,為信號(hào)的分析和濾波提供依據(jù)。信號(hào)的功率譜密度功率譜密度描述了信號(hào)在不同頻率上的功率分布情況。它反映了信號(hào)中各頻率分量的相對(duì)重要性。通過(guò)分析信號(hào)的功率譜密度，可以了解信號(hào)中頻率分量的特點(diǎn)，從而更好地分析和處理信號(hào)。該圖展示了一個(gè)信號(hào)的功率譜密度特性?？梢钥吹?信號(hào)的大部分功率集中在低頻區(qū)域,隨著頻率的升高,功率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。這反映了該信號(hào)主要由低頻成分組成。采樣定理1最低采樣頻率采樣頻率必須至少是信號(hào)最高頻率的兩倍,才能對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行完整的數(shù)字化表示。2避免失真若采樣頻率過(guò)低,會(huì)導(dǎo)致高頻信號(hào)在數(shù)字化后產(chǎn)生偽像和混淆,即"混疊"現(xiàn)象。3時(shí)域窗口采樣時(shí)間間隔足夠小,可以捕獲信號(hào)的細(xì)節(jié)變化,確保時(shí)域信息的準(zhǔn)確性。4頻域窗口采樣頻率足夠高,可以獲取完整的頻譜信息,充分表達(dá)信號(hào)的頻域特征。量化和編碼1量化將連續(xù)信號(hào)離散化,分成有限個(gè)電平,以數(shù)字形式表示。這樣可以簡(jiǎn)化信號(hào)傳輸和處理。2編碼將量化后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為特定的二進(jìn)制編碼,如脈碼調(diào)制(PCM)和差分脈碼調(diào)制(DPCM)。3量化噪聲由于量化過(guò)程引入的誤差,會(huì)產(chǎn)生量化噪聲,需要合理設(shè)置量化電平數(shù)來(lái)控制噪聲。4編碼效率合理的編碼方式可以提高信號(hào)傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量,減少帶寬和功率的消耗。噪聲概念噪聲種類噪聲分為熱噪聲、電子噪聲、射頻噪聲等多種類型,每種噪聲都有不同的特征和影響。噪聲產(chǎn)生原因噪聲來(lái)源于各種電子元件和電路的電子隨機(jī)運(yùn)動(dòng),以及外部環(huán)境的干擾。識(shí)別噪聲源是降噪的關(guān)鍵。噪聲的影響噪聲會(huì)降低通信系統(tǒng)的信號(hào)質(zhì)量和通信效率,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致通信失敗。因此需要采取有效措施來(lái)抑制噪聲。降噪方法常見(jiàn)的降噪方法包括使用濾波器、改善電路設(shè)計(jì)、采用低噪聲元件等。選擇合適的降噪方案需要針對(duì)不同噪聲類型進(jìn)行分析。信噪比信噪比是衡量通信系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。它表示信號(hào)功率與噪聲功率的比值,通常以分貝(dB)為單位。信噪比越高,表示信號(hào)越清晰,抗干擾能力越強(qiáng)。信號(hào)功率噪聲功率信噪比1瓦0.1瓦10dB1瓦0.01瓦20dB1瓦0.001瓦30dB通信系統(tǒng)的抗干擾能力通常需要SNR在10dB以上。更高的SNR可以提高通信的可靠性和數(shù)據(jù)傳輸速率。信號(hào)分類模擬信號(hào)連續(xù)的物理量，如電壓或電流，可以表示為無(wú)限多個(gè)離散值。數(shù)字信號(hào)只能取有限的離散值，如0和1,可以用二進(jìn)制表示。時(shí)域信號(hào)信號(hào)的幅值隨時(shí)間變化,可以描述信號(hào)的特性。頻域信號(hào)信號(hào)的頻譜分布,可以分析信號(hào)的頻率特性。調(diào)制原理1調(diào)制的基本原理調(diào)制是將輸入信號(hào)的某個(gè)特性與高頻載波進(jìn)行某種形式的對(duì)應(yīng)變換的過(guò)程。常用的調(diào)制方式有幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制。2幅度調(diào)制通過(guò)改變載波的幅度來(lái)攜帶信息,簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn),但抗噪性能較差。廣泛應(yīng)用于廣播電臺(tái)等。3頻率調(diào)制通過(guò)改變載波的頻率來(lái)攜帶信息,抗噪性能較好,但實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜。廣泛應(yīng)用于調(diào)頻廣播和窄帶調(diào)頻通信系統(tǒng)中。調(diào)幅通信調(diào)幅通信原理調(diào)幅是通過(guò)改變載波信號(hào)的振幅來(lái)傳輸信息的一種調(diào)制方式。信號(hào)通過(guò)調(diào)制器與載波相乘,產(chǎn)生具有信號(hào)特征的調(diào)制波。調(diào)幅通信系統(tǒng)組成調(diào)幅通信系統(tǒng)主要包括信源、調(diào)制器、信道、解調(diào)器和信宿等部分,組成了完整的通信鏈路。調(diào)幅通信設(shè)備調(diào)幅通信設(shè)備如收音機(jī)、對(duì)講機(jī)等廣泛應(yīng)用于日常生活中,提供了基本的語(yǔ)音通信服務(wù)。調(diào)頻通信頻率調(diào)制調(diào)頻通信是通過(guò)改變載波頻率來(lái)傳輸信號(hào)的一種方式。它具有良好的抗噪聲性能和頻譜利用率。帶寬利用相比于振幅調(diào)制，調(diào)頻通信可以更好地利用頻帶資源。它能夠在有限帶寬內(nèi)傳輸更多信息。應(yīng)用領(lǐng)域調(diào)頻通信廣泛應(yīng)用于廣播電臺(tái)、調(diào)頻收音機(jī)、移動(dòng)電話、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。它是最常見(jiàn)的模擬通信技術(shù)之一。數(shù)字通信基礎(chǔ)數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)數(shù)字信號(hào)以離散的方式表示信息,具有可靠性高、傳輸距離遠(yuǎn)、隱私性強(qiáng)等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)中。數(shù)字調(diào)制技術(shù)常見(jiàn)的數(shù)字調(diào)制方式包括脈碼調(diào)制(PCM)、相移鍵控(PSK)和正交振幅調(diào)制(QAM)等,各有優(yōu)缺點(diǎn)。數(shù)字編碼與復(fù)用為提高傳輸效率,需要對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼和復(fù)用技術(shù),如時(shí)分復(fù)用(TDM)和頻分復(fù)用(FDM)。數(shù)字信道特性數(shù)字信道具有噪聲、失真和延遲等特性,需要采取有效的檢測(cè)和糾錯(cuò)措施。脈碼調(diào)制1采樣脈碼調(diào)制首先將連續(xù)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行采樣,將信號(hào)離散化為一系列脈沖序列。2量化采樣后的脈沖信號(hào)被量化成有限級(jí)別的離散幅值,以便于后續(xù)的數(shù)字編碼。3編碼量化后的脈沖被編碼成二進(jìn)制數(shù)字序列,從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的數(shù)字化轉(zhuǎn)換。4傳輸編碼后的數(shù)字信號(hào)可以通過(guò)數(shù)字傳輸通道進(jìn)行高效傳輸?；鶐鬏敾鶐盘?hào)傳輸基帶傳輸直接利用源信號(hào)進(jìn)行傳輸,無(wú)需調(diào)制,可以最大限度地保持信號(hào)的原始形態(tài),適用于近距離、低數(shù)據(jù)率的通信系統(tǒng)?？乖肽芰鶐鬏斠资茉肼暩蓴_,需要采取編碼、調(diào)制等技術(shù)提高抗噪性。如使用曼徹斯特編碼可以提高抗噪性。帶寬利用效率基帶傳輸信號(hào)帶寬利用率較高,有利于提高頻譜利用率,但傳輸距離受限。需根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景權(quán)衡帶寬和傳輸距離。差分相移鍵控信號(hào)調(diào)制差分相移鍵控(DPSK)是一種常見(jiàn)的數(shù)字調(diào)制技術(shù),通過(guò)改變相位來(lái)表示信息。相位變化DPSK中,相位的變化不是根據(jù)當(dāng)前比特值,而是根據(jù)前一個(gè)比特值。數(shù)字通信DPSK適用于數(shù)字通信系統(tǒng),能提高抗噪性能,降低誤碼率。正交振幅調(diào)制高譜效率正交振幅調(diào)制能夠在有限的頻率帶寬內(nèi)傳輸更多的信息,提高了頻譜利用率。抗干擾能力強(qiáng)QAM信號(hào)具有良好的抗噪聲能力,能夠有效抑制信號(hào)中的干擾。靈活的調(diào)制方式QAM可以根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)整調(diào)制階數(shù),兼顧了傳輸速率和可靠性。相關(guān)器和碼匹配濾波器相關(guān)器相關(guān)器是一種數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),用于識(shí)別輸入信號(hào)中與預(yù)定義模式相匹配的部分。它在通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用于同步和信號(hào)檢測(cè)等關(guān)鍵功能。碼匹配濾波器碼匹配濾波器是一種特殊的相關(guān)器,它利用已知的碼型對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波,以提高信號(hào)檢測(cè)的可靠性。在數(shù)字通信中,它對(duì)于提高抗噪性和抗干擾能力至關(guān)重要。在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用相關(guān)器和碼匹配濾波器廣泛應(yīng)用于同步信號(hào)檢測(cè)、擴(kuò)頻通信、雷達(dá)和導(dǎo)航系統(tǒng)等,是實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)字通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。信道編碼錯(cuò)誤檢查信道編碼通過(guò)添加冗余位來(lái)檢測(cè)和糾正傳輸過(guò)程中的錯(cuò)誤,提高信號(hào)的可靠性。提高抗噪性編碼技術(shù)可以使信號(hào)更加抗