華中科技大學電信系《通信原理》課件-ch

《通信原理》課件本課件旨在幫助學生理解通信原理的基本概念和技術(shù)。內(nèi)容涵蓋信號與系統(tǒng)、數(shù)字調(diào)制解調(diào)、信道編碼、無線通信等。課程概述課程目標掌握通信原理基本知識，理解各種通信系統(tǒng)的原理，并應(yīng)用于實踐。課程內(nèi)容信號與系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)、信道編碼、噪聲與干擾、信號檢測等。課程應(yīng)用無線通信、移動通信、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，并進行編碼和調(diào)制。信道傳輸信號的介質(zhì)，例如無線電波、光纖或電纜。接收端接收信號，并進行解調(diào)和解碼，恢復原始信息。信號與系統(tǒng)概念11.信號的定義信號是信息的載體，可以是物理量，例如電壓、電流等。22.系統(tǒng)的定義系統(tǒng)是對輸入信號進行處理，并產(chǎn)生輸出信號的裝置或過程。33.信號與系統(tǒng)的分類根據(jù)信號的性質(zhì)，可以分為連續(xù)信號和離散信號；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.信號與系統(tǒng)分析通過時域和頻域分析方法，可以深入了解信號的特性和系統(tǒng)的行為。時域分析基礎(chǔ)1信號的定義信號是信息的載體，是隨時間變化的物理量。2信號的分類根據(jù)信號的幅度變化形式，可分為連續(xù)信號和離散信號。3信號的表示信號可以用函數(shù)、圖形、表格等方式表示。4信號的基本參數(shù)幅度、頻率、相位等。時域分析是研究信號隨時間變化規(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域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，分析信號的頻率成分。2應(yīng)用廣泛應(yīng)用于信號處理、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)信號和離散信號。頻域分析信號頻譜頻域分析是將信號分解成不同頻率的正弦波的疊加，通過觀察信號的頻譜，可以了解信號的頻率成分、帶寬等信息。濾波器設(shè)計根據(jù)頻譜信息，可以設(shè)計濾波器，以去除信號中的噪聲或干擾，提取有用信號成分。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)對不同頻率信號的響應(yīng)。通信系統(tǒng)分析頻域分析在通信系統(tǒng)設(shè)計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。信號的取樣與重構(gòu)信號取樣將連續(xù)信號轉(zhuǎn)換成離散信號的過程。通過在時間軸上等間隔地采樣信號，以獲得信號在這些時間點的值。取樣定理為了能夠從離散信號中完全恢復原始連續(xù)信號，采樣頻率必須不小于信號最高頻率的兩倍。信號重構(gòu)利用取樣得到的離散信號，使用插值法等方法來重建原始連續(xù)信號。數(shù)字信號處理基礎(chǔ)數(shù)字信號處理概述數(shù)字信號處理是通信系統(tǒng)中必不可少的組成部分。它涉及對數(shù)字信號進行處理，以改善信號質(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)容離散時間信號與系統(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)計調(diào)制解調(diào)原理11.信號轉(zhuǎn)換調(diào)制將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，以便通過模擬信道傳輸。22.信息傳遞調(diào)制后的模擬信號承載著數(shù)字信號的信息，并通過無線電波傳播。33.信號恢復解調(diào)從接收到的模擬信號中恢復原始數(shù)字信號。44.系統(tǒng)應(yīng)用廣泛應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)，例如無線通信、有線通信和衛(wèi)星通信。信道編碼基礎(chǔ)糾錯編碼通過增加冗余信息，提高傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。常見類型包括漢明碼、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?，取決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)學模型，是通信系統(tǒng)設(shè)計和性能分析的基礎(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標。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)用場景和技術(shù)特點進行不同的建模。信道容量可以通過香農(nóng)公式計算，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)的信號通過，同時抑制其他頻率。帶通信號頻譜帶通信號的頻譜集中在特定頻率范圍內(nèi)，這與基帶信號的頻譜不同。發(fā)射機設(shè)計發(fā)射機設(shè)計必須考慮到帶通濾波器，以確保信號在無線電頻率范圍內(nèi)的有效傳輸。接收機設(shè)計接收機設(shè)計同樣需要考慮帶通濾波器，以分離所需信號并抑制噪聲。振幅調(diào)制振幅調(diào)制（AM）是一種模擬調(diào)制技術(shù)，其中載波信號的振幅隨調(diào)制信號的變化而變化。AM廣泛應(yīng)用于廣播、無線電通信和電視信號傳輸。頻率調(diào)制頻率調(diào)制是一種將信息信號轉(zhuǎn)換為載波頻率變化的調(diào)制方式。信息信號的幅度變化會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，適用于遠距離傳輸和無線通信。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)，通過改變載波信號的相位來傳遞信息。載波信號的頻率保持不變，而相位會根據(jù)輸入信號的變化而變化。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，并通過改變其相位來傳輸模擬信號。數(shù)字相位調(diào)制則使用一系列離散的相位值來表示數(shù)字信號。常見的數(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)字信號轉(zhuǎn)換成適合在模擬信道上傳輸?shù)男盘栃问健３Ｒ姷臄?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、無線網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信。不同調(diào)制技術(shù)在抗噪聲能力、帶寬效率和實現(xiàn)復雜度方面存在差異，適用于不同的通信場景。多址接入技術(shù)共享信道多址接入技術(shù)允許多個用戶共享同一信道，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，確保信號互不干擾。無線應(yīng)用多址接入技術(shù)在無線通信中廣泛應(yīng)用，例如蜂窩網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi等。擴頻技術(shù)11.頻譜擴展擴頻技術(shù)將窄帶信號擴展到更寬的頻率范圍，從而提高抗干擾性能。22.偽隨機碼使用偽隨機碼來擴展信號頻譜，使得信號更難被干擾。33.抗多徑衰落擴頻技術(shù)可以有效地克服無線通信中的多徑衰落問題。44.廣泛應(yīng)用擴頻技術(shù)在無線通信、雷達、導航等領(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動產(chǎn)生的隨機噪聲。它存在于所有電子設(shè)備中，其強度與溫度成正比。干擾干擾是指來自外部源的信號，例如其他無線電發(fā)射器或電力線，它們會干擾通信信號的接收。衰落衰落是指無線通信信號在傳播過程中由于多徑效應(yīng)或障礙物阻擋引起的強度變化。信噪比與系統(tǒng)性能信噪比(SNR)是衡量信號強度與噪聲強度之比的指標，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更強，噪聲更弱，因此通信系統(tǒng)可以更準確地傳輸和接收信息。誤碼率與信噪比呈負相關(guān)，信噪比越高，誤碼率越低。信號檢測與估計1信號檢測確定接收信號是否存在2參數(shù)估計估計信號的幅度、頻率等參數(shù)3最佳接收機最小化誤差概率或最大化信噪比信號檢測與估計是通信原理中的重要概念，用于確定接收信號是否存在以及估計信號的特征參數(shù)。最佳接收機是指能夠最有效地從噪聲中提取信號的接收機，通常采用最大似然估計或最小均方誤差估計等方法。信號檢測基礎(chǔ)信號檢測器信號檢測器接收來自信道的信號，并根據(jù)預設(shè)的判決準則判斷信號的存在與否。噪聲影響噪聲干擾會降低信號檢測的可靠性，需要設(shè)計合適的接收機來克服噪聲影響。二元判決最簡單的信號檢測問題是二元判決，即判斷信號是否存在兩種可能性之一。誤差概率信號檢測器的性能指標包括誤差概率，即錯誤判決信號存在的概率。最優(yōu)接收機原理最優(yōu)接收機，也稱為匹配濾波器接收機，是接收機的一種理想模型。它基于最大似然準則，可以最大程度地降低噪聲影響，提高信號檢測的可靠性。1最大似然準則選擇最有可能產(chǎn)生觀測信號的信號假設(shè)2匹配濾波設(shè)計濾波器以匹配信號特征3噪聲抑制最大化信噪比，提高檢測精度實際應(yīng)用中，實現(xiàn)最優(yōu)接收機存在一些限制，比如對信號的先驗知識要求較高。信號參數(shù)估計1估計目標信號幅度、頻率、相位2估計方法最大似然估計、最小二乘估計3性能評估估計誤差、估計偏差信號參數(shù)估計是通信系統(tǒng)中一項重要任務(wù)，通過對接收信號進行分析，估計出信號的某些參數(shù)。例如，估計信號的幅度、頻率、相位等信息。常用的估計方法包括最大似然估計和最小二乘估計。系統(tǒng)性能分析指標誤碼率(BER)衡量通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)錯誤的概率，反映信號質(zhì)量好壞。信噪比(SNR)衡量信號強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)備原理移動終端移動終端是無線通信的重要組成部分，用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。移動終端包括智能手機、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，用于訪問互聯(lián)網(wǎng)和其他服務(wù)。固定終端包括臺式電腦、路由器和機頂盒等。通信網(wǎng)絡(luò)概論網(wǎng)絡(luò)拓撲網(wǎng)絡(luò)拓撲是指網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點之間的連接方式。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備負責連接網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點，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)備之間進行通信的規(guī)則和標準。網(wǎng)絡(luò)安全網(wǎng)絡(luò)安全是指保護網(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)議分為多個層次，每個層次負責特定的功能，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，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的完整流程。33.常見協(xié)議常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包括TCP、UDP、IP、HTTP、DNS等，它們在互聯(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)器模型和對等網(wǎng)絡(luò)模型。新型通信技術(shù)5G技術(shù)5G技術(shù)帶來更快速度、更低延遲和更高的容量，推動了物聯(lián)網(wǎng)、云計算和人工智能等領(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，在災難救援、遠程監(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航和定位光纖通信光纖