【大學(xué)課件】通信系統(tǒng)概論

通信系統(tǒng)概論本課程將深入探討通信系統(tǒng)的基本原理、組成和應(yīng)用。我們將從基礎(chǔ)概念開始，逐步深入到復(fù)雜的技術(shù)和方法。緒論通信的重要性通信是現(xiàn)代社會(huì)的基石，影響著我們的日常生活和工作方式。技術(shù)發(fā)展通信技術(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)了全球化進(jìn)程和信息時(shí)代的到來。課程目標(biāo)本課程旨在幫助學(xué)生掌握通信系統(tǒng)的核心概念和原理。通信系統(tǒng)概念定義通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)信息傳輸和交換的技術(shù)集合，包括發(fā)送方、接收方和傳輸媒介。目的通信系統(tǒng)的主要目的是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高效率、高質(zhì)量的信息傳遞。通信系統(tǒng)的組成發(fā)送端負(fù)責(zé)信息的編碼、調(diào)制和發(fā)送。傳輸媒介可以是有線（如光纖）或無線（如電磁波）。接收端負(fù)責(zé)信號(hào)的接收、解調(diào)和解碼。通信系統(tǒng)的分類按信號(hào)類型模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。按傳輸媒介有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)。按應(yīng)用場(chǎng)景廣播系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等。模擬通信系統(tǒng)1信號(hào)特征模擬信號(hào)是連續(xù)變化的，如音頻和視頻信號(hào)。2調(diào)制方式主要包括調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）和調(diào)相（PM）。3應(yīng)用廣播電臺(tái)、傳統(tǒng)電視等領(lǐng)域仍在使用模擬通信。數(shù)字通信系統(tǒng)信號(hào)特征數(shù)字信號(hào)由離散的數(shù)字序列組成，如0和1。優(yōu)勢(shì)抗干擾能力強(qiáng)，易于存儲(chǔ)和處理，可實(shí)現(xiàn)加密。應(yīng)用移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字電視等現(xiàn)代通信領(lǐng)域。信號(hào)與系統(tǒng)基礎(chǔ)1信號(hào)處理2系統(tǒng)分析3信號(hào)類型4系統(tǒng)特性信號(hào)與系統(tǒng)是通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)，理解它們對(duì)深入學(xué)習(xí)通信至關(guān)重要。信號(hào)的分類連續(xù)時(shí)間信號(hào)在時(shí)間上連續(xù)變化的信號(hào)，如模擬音頻信號(hào)。離散時(shí)間信號(hào)在離散時(shí)間點(diǎn)上定義的信號(hào)，如數(shù)字音頻信號(hào)。連續(xù)時(shí)間信號(hào)定義連續(xù)時(shí)間信號(hào)在任意時(shí)刻都有定義，如正弦波。特點(diǎn)信號(hào)值隨時(shí)間連續(xù)變化，可用數(shù)學(xué)函數(shù)表示。示例音頻信號(hào)、溫度變化、電壓波形等。離散時(shí)間信號(hào)時(shí)間特性信號(hào)僅在離散時(shí)間點(diǎn)上有定義。表示方法通常用序列或離散點(diǎn)表示。應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。信號(hào)的采樣定理1采樣頻率必須大于信號(hào)最高頻率的兩倍。2奈奎斯特頻率最低采樣頻率，等于信號(hào)帶寬的兩倍。3應(yīng)用指導(dǎo)數(shù)字信號(hào)采集和重建過程。系統(tǒng)的分類線性/非線性系統(tǒng)根據(jù)輸入輸出關(guān)系的線性性質(zhì)分類。時(shí)不變/時(shí)變系統(tǒng)系統(tǒng)特性是否隨時(shí)間變化。因果/非因果系統(tǒng)輸出是否只依賴于當(dāng)前和過去的輸入。系統(tǒng)的分析1時(shí)域分析研究系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的時(shí)域響應(yīng)。2頻域分析研究系統(tǒng)對(duì)不同頻率信號(hào)的處理特性。3狀態(tài)空間分析用狀態(tài)變量描述系統(tǒng)的內(nèi)部特性和動(dòng)態(tài)行為。線性時(shí)不變系統(tǒng)定義滿足線性疊加原理且系統(tǒng)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。特點(diǎn)可用單位脈沖響應(yīng)完全描述，適用于卷積定理。應(yīng)用在通信系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)的時(shí)域分析離散卷積描述線性時(shí)不變系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系。差分方程描述系統(tǒng)的時(shí)域行為。單位脈沖響應(yīng)表征系統(tǒng)的時(shí)域特性。z變換1定義z變換是離散時(shí)間信號(hào)的復(fù)頻域表示。2作用簡化離散系統(tǒng)的分析，將時(shí)域卷積轉(zhuǎn)換為代數(shù)運(yùn)算。3應(yīng)用廣泛應(yīng)用于數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)和系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。頻域分析傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域。頻譜分析研究信號(hào)的頻率組成。濾波器設(shè)計(jì)基于頻域特性設(shè)計(jì)濾波器。濾波器1濾波器2模擬濾波器3數(shù)字濾波器4應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)V波器是通信系統(tǒng)中重要的信號(hào)處理工具，用于選擇或抑制特定頻率的信號(hào)。模擬濾波器低通濾波器允許低頻信號(hào)通過，抑制高頻信號(hào)。高通濾波器允許高頻信號(hào)通過，抑制低頻信號(hào)。帶通濾波器只允許特定頻帶的信號(hào)通過。帶阻濾波器抑制特定頻帶的信號(hào)。數(shù)字濾波器FIR濾波器有限脈沖響應(yīng)濾波器，具有線性相位特性。IIR濾波器無限脈沖響應(yīng)濾波器，可實(shí)現(xiàn)更陡峭的頻率響應(yīng)。信道編碼基礎(chǔ)1信道編碼目的提高通信系統(tǒng)的可靠性和效率。2編碼類型差錯(cuò)檢測(cè)碼和糾錯(cuò)碼。3應(yīng)用場(chǎng)景數(shù)字通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。信道編碼的基本概念冗余添加額外信息以提高傳輸可靠性。碼率有效信息比特與總傳輸比特的比值。碼距衡量不同碼字之間差異的指標(biāo)。線性編碼生成矩陣用于編碼過程的關(guān)鍵工具。校驗(yàn)矩陣用于解碼和錯(cuò)誤檢測(cè)。線性性質(zhì)任意兩個(gè)碼字的和仍是有效碼字。卷積碼編碼器由移位寄存器和模2加法器組成。解碼通常使用維特比算法進(jìn)行最大似然解碼。應(yīng)用在深空通信、移動(dòng)通信等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。差錯(cuò)檢測(cè)和糾正1奇偶校驗(yàn)簡單的差錯(cuò)檢測(cè)方法。2循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)強(qiáng)大的差錯(cuò)檢測(cè)技術(shù)。3漢明碼能夠檢測(cè)雙錯(cuò)和糾正單錯(cuò)。調(diào)制技術(shù)1調(diào)制2模擬調(diào)制3數(shù)字調(diào)制4高級(jí)調(diào)制技術(shù)調(diào)制是將信息信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合傳輸?shù)男问降倪^程，是通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。數(shù)字調(diào)制技術(shù)ASK幅移鍵控，通過改變載波幅度傳輸數(shù)字信息。FSK頻移鍵控，通過改變載波頻率傳輸數(shù)字信息。PSK相移鍵控，通過改變載波相位傳輸數(shù)字信息。QAM正交調(diào)幅，同時(shí)調(diào)制幅度和相位，提高頻譜效率。多址接入技術(shù)定義允許多個(gè)用戶同時(shí)共享同一通信資源。目的提高系統(tǒng)容量和資源利用率。主要技術(shù)包括TDMA、FDMA、CDMA等。多址接入的基本概念信道共享多個(gè)用戶共享同一物理信道。資源分配根據(jù)時(shí)間、頻率或碼分配通信資源。干擾管理控制用戶間互相干擾。TDMA（時(shí)分多址接入）時(shí)間分割將信道按時(shí)間分割給不同用戶使用。同步要求需要嚴(yán)格的時(shí)間同步。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于2GGSM系統(tǒng)。FDMA（頻分多址接入）頻譜分割將可用頻譜分成多個(gè)子