【大學(xué)課件】信息學(xué)院電子工程系課件 通信技術(shù)

通信技術(shù)通信技術(shù)是現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的一部分，它將人們、信息和設(shè)備連接在一起。它涵蓋了從無(wú)線(xiàn)電到光纖，從手機(jī)到互聯(lián)網(wǎng)的各種技術(shù)，為我們帶來(lái)了便利、信息和娛樂(lè)。通信系統(tǒng)概述無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，如移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，已成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的一部分，為人們提供便捷的溝通和信息服務(wù)。光纖通信網(wǎng)絡(luò)光纖通信網(wǎng)絡(luò)以其高速、低損耗、高容量等優(yōu)勢(shì)，成為現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的主流，為數(shù)據(jù)傳輸提供高速通道?；ヂ?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，簡(jiǎn)稱(chēng)IDC，是互聯(lián)網(wǎng)通信的基礎(chǔ)設(shè)施，為各種互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。信號(hào)與系統(tǒng)信號(hào)是信息的載體，是描述隨時(shí)間或空間變化的物理量。系統(tǒng)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的裝置或過(guò)程。信號(hào)與系統(tǒng)是通信技術(shù)的基礎(chǔ)，涵蓋了信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸、處理和應(yīng)用等方面。信號(hào)分類(lèi)1模擬信號(hào)模擬信號(hào)是連續(xù)變化的信號(hào)，例如語(yǔ)音、音樂(lè)和視頻等。2數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)是由離散數(shù)值表示的信號(hào)，例如計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)和數(shù)字音頻等。3周期信號(hào)周期信號(hào)是重復(fù)出現(xiàn)的信號(hào)，例如正弦波和方波等。4非周期信號(hào)非周期信號(hào)是不會(huì)重復(fù)出現(xiàn)的信號(hào)，例如脈沖信號(hào)和隨機(jī)噪聲等。信號(hào)傅里葉分析傅里葉級(jí)數(shù)周期信號(hào)可以用不同頻率正弦波的線(xiàn)性組合來(lái)表示。每個(gè)正弦波的振幅和相位由傅里葉系數(shù)決定。傅里葉變換將非周期信號(hào)分解成不同頻率的正弦波，每個(gè)頻率分量由傅里葉變換結(jié)果表示。頻譜分析傅里葉變換后的結(jié)果稱(chēng)為信號(hào)的頻譜，它展示了信號(hào)中不同頻率分量的能量分布。連續(xù)信號(hào)傅里葉變換連續(xù)信號(hào)傅里葉變換將時(shí)間域中的信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率域中的信號(hào)。傅里葉變換揭示了信號(hào)的頻率成分，幫助分析信號(hào)的頻譜特性。1頻譜顯示信號(hào)中不同頻率成分的強(qiáng)度。2頻率成分每個(gè)頻率成分的強(qiáng)度和相位信息。3頻域分析識(shí)別信號(hào)中的主要頻率成分。4濾波通過(guò)濾除特定頻率成分來(lái)修改信號(hào)。離散信號(hào)傅里葉變換離散信號(hào)傅里葉變換(DFT)是一種將離散時(shí)間信號(hào)分解成不同頻率分量的數(shù)學(xué)工具。DFT在數(shù)字信號(hào)處理中非常重要，因?yàn)樗试S我們將信號(hào)表示為一系列復(fù)指數(shù)，這些指數(shù)對(duì)應(yīng)于信號(hào)中的不同頻率。這有助于我們分析、處理和合成信號(hào)。DFT的應(yīng)用包括：音頻和圖像壓縮、濾波器設(shè)計(jì)、頻譜分析和數(shù)字通信。信號(hào)取樣信號(hào)取樣是指將連續(xù)時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散時(shí)間信號(hào)的過(guò)程。1采樣頻率采樣頻率必須滿(mǎn)足奈奎斯特采樣定理2采樣信號(hào)離散時(shí)間信號(hào)，可以被存儲(chǔ)和處理3重構(gòu)信號(hào)利用采樣信號(hào)，可以重建原始信號(hào)奈奎斯特采樣定理保證了采樣頻率足夠高，可以從采樣信號(hào)中恢復(fù)原始信號(hào)。脈碼調(diào)制數(shù)字信號(hào)處理脈碼調(diào)制將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。它將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，方便在模擬信道上傳輸。不同調(diào)制方式脈碼調(diào)制有多種方式，包括脈沖幅度調(diào)制（PAM）、脈沖寬度調(diào)制（PWM）和脈沖位置調(diào)制（PPM）。模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)使用連續(xù)的信號(hào)來(lái)表示信息，信號(hào)的幅度和頻率隨時(shí)間變化。模擬通信系統(tǒng)具有低成本、實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易等優(yōu)點(diǎn)，但抗噪聲能力較差，傳輸效率低，在許多應(yīng)用中已逐漸被數(shù)字通信系統(tǒng)所取代。數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)使用數(shù)字信號(hào)傳輸信息，包括數(shù)字調(diào)制解調(diào)、信道編碼、差錯(cuò)控制等技術(shù)。數(shù)字通信系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、保密性好、易于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信領(lǐng)域。信道編碼信道編碼將信息比特轉(zhuǎn)換為碼字，增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕行У挚剐诺涝肼暤挠绊?。糾錯(cuò)碼在接收端檢測(cè)并糾正傳輸過(guò)程中的錯(cuò)誤，確保數(shù)據(jù)完整性。常見(jiàn)編碼方案漢明碼循環(huán)碼卷積碼信道模型信道模型是描述信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到影響的數(shù)學(xué)模型。它考慮各種因素，例如信號(hào)衰減、多徑傳播和噪聲。模型類(lèi)型描述瑞利衰落信道適用于無(wú)線(xiàn)環(huán)境，信號(hào)強(qiáng)度隨機(jī)變化萊斯衰落信道包含直射路徑和多徑傳播，信號(hào)強(qiáng)度存在強(qiáng)信號(hào)成分平坦衰落信道信號(hào)帶寬小于信道帶寬，信號(hào)不發(fā)生失真頻率選擇性衰落信道信號(hào)帶寬大于信道帶寬，信號(hào)發(fā)生失真數(shù)字信號(hào)的傳輸1信道編碼將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合在信道中傳輸?shù)男问?調(diào)制將數(shù)字信號(hào)調(diào)制到載波上3傳輸通過(guò)信道發(fā)送調(diào)制后的信號(hào)4解調(diào)在接收端恢復(fù)原始數(shù)字信號(hào)5信道解碼還原原始信息數(shù)字信號(hào)的傳輸需要經(jīng)過(guò)一系列的處理步驟，以確保信號(hào)能夠在信道中可靠地傳輸。信道編碼可以提高信號(hào)的抗干擾能力，調(diào)制技術(shù)可以將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合在信道中傳輸?shù)哪M信號(hào)，傳輸則是將信號(hào)發(fā)送到接收端，解調(diào)則是將接收到的信號(hào)恢復(fù)為數(shù)字信號(hào)，信道解碼則可以還原原始信息。調(diào)制解調(diào)技術(shù)信號(hào)調(diào)制將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，以便在模擬信道上傳輸調(diào)制器實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制功能的電子設(shè)備，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)信號(hào)解調(diào)將接收到的模擬信號(hào)還原為數(shù)字信號(hào)，完成信號(hào)的解調(diào)解調(diào)器實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)功能的電子設(shè)備，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)擴(kuò)頻技術(shù)基本概念擴(kuò)頻技術(shù)是一種將窄帶信號(hào)擴(kuò)展到更寬頻帶的傳輸技術(shù)，通過(guò)將原始信號(hào)的帶寬進(jìn)行擴(kuò)展，使信號(hào)更加不容易受到干擾，提升信號(hào)的抗干擾能力和安全性。應(yīng)用場(chǎng)景擴(kuò)頻技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍事通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、移動(dòng)通信等領(lǐng)域，例如，GPS、GSM、CDMA等技術(shù)都采用了擴(kuò)頻技術(shù)。多址接入技術(shù)頻分多址FDMA將頻譜劃分為多個(gè)子頻帶，每個(gè)用戶(hù)分配一個(gè)唯一的子頻帶。時(shí)分多址TDMA將時(shí)間劃分為多個(gè)時(shí)間片，每個(gè)用戶(hù)分配一個(gè)時(shí)間片，依次使用。碼分多址CDMA使用不同的碼序列來(lái)區(qū)分不同的用戶(hù)，每個(gè)用戶(hù)使用唯一的碼序列?？辗侄嘀稴DMA利用不同的天線(xiàn)來(lái)分離不同用戶(hù)，每個(gè)用戶(hù)分配一個(gè)唯一的空間通道。移動(dòng)通信系統(tǒng)移動(dòng)通信系統(tǒng)允許用戶(hù)在移動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信。移動(dòng)通信系統(tǒng)通常由基站、移動(dòng)臺(tái)和核心網(wǎng)絡(luò)組成。移動(dòng)臺(tái)，例如手機(jī)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波與附近的基站進(jìn)行通信?；具B接到核心網(wǎng)絡(luò)，核心網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)管理移動(dòng)臺(tái)的呼叫和數(shù)據(jù)傳輸。移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展歷程可以追溯到第一代模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，移動(dòng)通信系統(tǒng)不斷發(fā)展，已經(jīng)經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字、從低速率到高速率的演變。第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)1技術(shù)特點(diǎn)第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)采用模擬信號(hào)傳輸，主要技術(shù)包括AMPS、TACS和NMT等。主要用于語(yǔ)音通話(huà)，帶寬有限，通話(huà)質(zhì)量較差，安全性較低，并存在嚴(yán)重的頻譜利用率低問(wèn)題。2應(yīng)用場(chǎng)景第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)主要用于語(yǔ)音通話(huà)，主要應(yīng)用于個(gè)人移動(dòng)通信，例如手機(jī)。3發(fā)展歷程第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)于20世紀(jì)80年代初期開(kāi)始發(fā)展，并在20世紀(jì)90年代達(dá)到高峰，隨后逐漸被第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)取代。第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)1GSM全球移動(dòng)通信系統(tǒng)2TDMA時(shí)分多址接入3CDMA碼分多址接入4GPRS通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)是第一代模擬通信系統(tǒng)的升級(jí)版，它采用數(shù)字信號(hào)傳輸，提供更高的語(yǔ)音質(zhì)量和更強(qiáng)的抗干擾能力。GSM和TDMA是第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)的兩種主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。CDMA是一種更先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，它能夠在同一頻段上同時(shí)傳輸多個(gè)信號(hào)。GPRS是基于GSM網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，它提供高速數(shù)據(jù)傳輸能力。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)13G技術(shù)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G）于20世紀(jì)90年代后期開(kāi)始發(fā)展，并于21世紀(jì)初開(kāi)始商用。3G系統(tǒng)提供比2G更高的數(shù)據(jù)速率，能夠支持語(yǔ)音通話(huà)、短信、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入和視頻通話(huà)等服務(wù)。2主要技術(shù)3G系統(tǒng)使用寬帶碼分多址(WCDMA)、時(shí)分同步碼分多址(TD-SCDMA)和高數(shù)據(jù)速率分組接入(HSPA)等技術(shù)，以提高數(shù)據(jù)傳輸速度和容量。33G發(fā)展3G系統(tǒng)的出現(xiàn)改變了人們的通信方式，促進(jìn)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)應(yīng)用的發(fā)展。3G技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸速度、服務(wù)質(zhì)量和用戶(hù)體驗(yàn)方面取得了顯著進(jìn)步。第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)1高速率峰值速率可達(dá)100Mbps2低延遲響應(yīng)時(shí)間小于50毫秒3高容量支持更多用戶(hù)和設(shè)備連接4移動(dòng)性支持高速移動(dòng)場(chǎng)景第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的升級(jí)，它采用更加先進(jìn)的通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更低的延遲和更大的網(wǎng)絡(luò)容量。第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)支持更高速的移動(dòng)場(chǎng)景，例如高速行駛的汽車(chē)和高速移動(dòng)的火車(chē)。5G技術(shù)高速率、低延遲5G技術(shù)提供極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，并顯著降低傳輸延遲，為實(shí)時(shí)應(yīng)用和高帶寬服務(wù)提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。大容量、高連接5G網(wǎng)絡(luò)能夠支持大量設(shè)備同時(shí)連接，并提供可靠的連接質(zhì)量，為物聯(lián)網(wǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場(chǎng)景奠定了基礎(chǔ)。應(yīng)用場(chǎng)景豐富5G技術(shù)廣泛應(yīng)用于智能制造、智慧城市、遠(yuǎn)程醫(yī)療、無(wú)人駕駛等領(lǐng)域，推動(dòng)著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)連接萬(wàn)物物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接各種設(shè)備、傳感器和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和交互。數(shù)據(jù)分析收集來(lái)自設(shè)備和環(huán)境的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析和處理，從而獲得洞察力和做出明智的決策。智能應(yīng)用通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居、智慧城市、工業(yè)自動(dòng)化等各種應(yīng)用，提高效率和生活質(zhì)量。未來(lái)趨勢(shì)物聯(lián)網(wǎng)與人工智能、云計(jì)算等技術(shù)的融合，將推動(dòng)更廣泛和更深入的應(yīng)用。超高頻RFID技術(shù)超高頻RFID標(biāo)簽超高頻RFID標(biāo)簽具有體積小、成本低、讀取距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，適用于各種場(chǎng)景的物品識(shí)別和追蹤。超高頻RFID讀寫(xiě)器超高頻RFID讀寫(xiě)器能快速、準(zhǔn)確地識(shí)別和讀取標(biāo)簽信息，并與其他系統(tǒng)集成。應(yīng)用場(chǎng)景超高頻RFID廣泛應(yīng)用于物流管理、倉(cāng)儲(chǔ)管理、資產(chǎn)追蹤、人員管理等領(lǐng)域，提高效率和安全性。藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙技術(shù)是一種無(wú)線(xiàn)個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(WPAN)技術(shù)，允許不同設(shè)備在短距離內(nèi)互相通信。藍(lán)牙使用短距離無(wú)線(xiàn)電波在不同設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，支持多種設(shè)備，例如手機(jī)、電腦、耳機(jī)、智能家居等。藍(lán)牙技術(shù)提供可靠的連接，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，例如數(shù)據(jù)傳輸、語(yǔ)音通話(huà)、音頻流、文件共享、控制設(shè)備等等。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）由大量分布式部署的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信進(jìn)行互聯(lián)。WSN應(yīng)用廣泛，例如環(huán)境監(jiān)測(cè)、智慧農(nóng)業(yè)、智能家居、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域，能夠收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。光通信技術(shù)高帶寬光纖通信具有巨大的帶寬，可以傳輸大量數(shù)據(jù)，滿(mǎn)足現(xiàn)代高速通信的需求。低損耗光纖通信的傳輸損耗非常低，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，為長(zhǎng)距離通信提供可靠的解決方案?？垢蓴_光纖通信不受電磁干擾的影響，確保通信的穩(wěn)定性和可靠性，適合于各種復(fù)雜環(huán)境。量子通信技術(shù)11.量子密鑰分發(fā)量子密鑰分發(fā)使用量子力學(xué)原理，實(shí)現(xiàn)安全的密鑰交換，有效解決傳統(tǒng)加密算法面臨的安全性問(wèn)題。22.量子隱形傳態(tài)通過(guò)量子糾纏特性，將量子態(tài)從一個(gè)地方傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地方，無(wú)需物理傳遞信息載體。33.量子計(jì)算量子計(jì)算機(jī)能夠執(zhí)行經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的任務(wù)，解決復(fù)雜的科學(xué)和工程問(wèn)題。