《武汉大学通信原理》课件

课程简介本课程旨在向学生介绍通信原理的基本概念、理论和方法。课程内容涵盖模拟通信、数字通信、现代通信系统等方面，旨在帮助学生理解通信系统的基本工作原理，并培养学生分析、设计和解决通信问题的能力。做aby做完及时下载aweaw1.1通信系统的基本概念1信息信息是人类社会活动中不可缺少的要素，它能改变人们的思想和行为。信息传递是人类交流的重要形式。2信号信号是信息的载体，用以表示和传递信息，是通信系统的基本元素。信号可以是模拟信号或数字信号。3通信系统通信系统是用于传递信息的系统，它包括发送端、信道和接收端三个基本部分。通信系统是现代社会的重要基础设施。1.2通信系统的基本组成1信息源产生要传输的信息2发送器将信息转换成适合传输的信号3信道传输信号的媒介4接收器将接收到的信号还原成信息5信息宿接收信息通信系统由五个基本部分组成：信息源、发送器、信道、接收器和信息宿。信息源产生要传输的信息，发送器将信息转换成适合传输的信号，信道是传输信号的媒介，接收器将接收到的信号还原成信息，信息宿接收信息。例如，在电话通信系统中，说话人就是信息源，电话机是发送器和接收器，电话线是信道，听话人就是信息宿。1.3通信系统的分类1按传输介质分类有线通信无线通信2按信号类型分类模拟通信数字通信3按应用领域分类固定通信移动通信4按传输方式分类单工半双工全双工通信系统可以根据不同的标准进行分类。按传输介质分类，可分为有线通信和无线通信。按信号类型分类，可分为模拟通信和数字通信。按应用领域分类，可分为固定通信和移动通信。按传输方式分类，可分为单工、半双工和全双工。2.1信号的表示数学表达式信号可以用数学表达式表示，例如函数或方程。数学表达式提供了信号的精确描述，可以用于信号分析和处理。时域波形信号可以用时域波形表示，即信号幅度随时间变化的图形。时域波形直观地展现了信号的变化趋势。频域谱信号可以用频域谱表示，即信号的频率成分。频域谱可以揭示信号的频率特性，例如带宽和频率成分。其他表示方法除了以上方法外，还可以使用其他表示方法，例如相位谱、能量谱等。不同的表示方法侧重于不同的信号特征。2.2信号的分类确定性信号确定性信号是其值在任何时刻都可以准确预测的信号。例如，正弦波和方波都是确定性信号。随机信号随机信号的取值无法事先确定，只能用概率来描述。例如，噪声和随机脉冲都是随机信号。连续信号连续信号的取值在时间上是连续的，可以取任何值。例如，音频信号和视频信号都是连续信号。离散信号离散信号的取值在时间上是离散的，只能取有限个值。例如，数字信号和采样后的信号都是离散信号。周期信号周期信号是指其波形在一段时间内重复出现的信号。例如，正弦波和方波都是周期信号。非周期信号非周期信号是指其波形不重复出现的信号。例如，脉冲信号和随机信号都是非周期信号。2.3信号的基本运算1信号的加法信号加法是将两个或多个信号叠加在一起，得到新的信号。例如，两个正弦波信号相加，可能会产生新的正弦波信号，其幅度和相位取决于原始信号的幅度和相位。2信号的乘法信号乘法是将两个或多个信号相乘，得到新的信号。例如，一个正弦波信号与一个矩形脉冲信号相乘，可以得到一个具有正弦波形状的脉冲信号。3信号的卷积信号卷积是将一个信号与另一个信号的翻转和平移版本进行积分，得到新的信号。卷积在系统分析和信号处理中非常重要，因为它可以用来描述系统对输入信号的响应。3.1线性时不变系统线性时不变系统是信号处理中一种重要的系统类型，在通信系统中具有广泛的应用。1线性性满足叠加原理2时不变性系统参数不随时间变化3因果性输出只与当前和过去输入有关4稳定性有界输入对应有界输出线性时不变系统的特性使其在信号处理中具有重要的应用价值，例如滤波、信号预测等。3.2傅里叶级数与傅里叶变换傅里叶级数是将周期信号分解成一系列正弦波的线性组合。每个正弦波的频率是基频的整数倍。1傅里叶级数周期信号分解成正弦波2傅里叶变换非周期信号分解成频谱3频域分析信号在频域的表示傅里叶变换是将非周期信号分解成一系列不同频率的正弦波的积分。傅里叶变换的结果是信号的频谱，它表示信号在不同频率上的能量分布。3.3频域分析1频谱分析频谱分析是将信号分解成不同频率成分的过程。通过频谱分析可以了解信号的频率特性，例如信号的带宽、频率成分等。2滤波器设计频域分析可以帮助设计滤波器，以滤除或增强特定频率成分的信号，从而改善信号质量。3系统特性频域分析可以分析系统的频率响应，从而了解系统对不同频率信号的响应特性，例如系统的带宽、相位特性等。4.1振幅调制振幅调制是一种常用的模拟调制方式，它利用载波的振幅来传递信息信号。1基本原理载波振幅随信息信号变化2调制类型调幅、双边带调幅、单边带调幅3应用场景广播、电视、无线通信振幅调制在广播、电视和无线通信等领域应用广泛，它的优点是实现简单，但缺点是频带利用率低。4.2角度调制角度调制是一种调制方式，将载波信号的相位或频率随信息信号的变化而变化。1相位调制载波信号的相位随信息信号的变化而变化。2频率调制载波信号的频率随信息信号的变化而变化。3数字调制数字信号调制到载波信号上。角度调制在通信系统中广泛应用，如无线通信、卫星通信等。4.3数字调制数字调制概述数字调制是将数字信号转换为模拟信号，以便在模拟信道上传输。数字调制技术是现代通信系统的重要组成部分，广泛应用于各种通信领域。常见数字调制方式常见的数字调制方式包括振幅移相键控（ASK）、频率移相键控（FSK）、相位移相键控（PSK）和正交振幅调制（QAM）。数字调制技术特点数字调制技术具有抗噪声性能好、传输效率高、便于数字信号处理等优点，因此在现代通信系统中得到广泛应用。数字调制技术应用数字调制技术在无线通信、光纤通信、卫星通信等领域都有广泛的应用，为现代社会的信息化发展做出了重要贡献。5.1信道模型信道模型是描述通信系统中信号传输过程的数学模型。它考虑了信号在传输过程中受到的各种影响，例如噪声、衰落、干扰等。1理想信道无噪声、无衰落、无干扰2加性噪声信道信号叠加噪声3衰落信道信号幅度和相位随机变化4多径信道信号经过多条路径到达接收机信道模型可以帮助我们分析和设计通信系统，以便提高系统性能，降低误码率。5.2信道编码1信道编码的目的信道编码的主要目的是为了提高数据传输的可靠性，降低误码率。2编码原理信道编码通过添加冗余信息，使得接收端能够检测和纠正传输过程中的错误。3常见编码方案常用的信道编码方案包括线性分组码、卷积码、Turbo码等，每种方案都有其独特的特点和应用场景。5.3信号检测1匹配滤波最大化信噪比2最佳接收机最小化误码率3自适应均衡补偿信道失真信号检测是通信系统中不可或缺的一部分，用于从接收信号中恢复原始信息。信号检测的目标是最大化信噪比，最小化误码率。常用的信号检测方法包括匹配滤波、最佳接收机和自适应均衡等。6.1多址接入技术频分多址(FDMA)每个用户分配不同的频率信道，避免相互干扰。例如，模拟蜂窝电话系统。时分多址(TDMA)用户轮流使用同一频率信道，时间上分离，避免干扰。例如，GSM数字蜂窝电话系统。码分多址(CDMA)每个用户分配独特的码字，在同一时间、频率使用，通过码字区分不同用户。例如，CDMA数字蜂窝电话系统。空分多址(SDMA)利用空间方向性，不同用户分配不同的天线方向，避免相互干扰。例如，多天线系统。6.2蜂窝移动通信系统1蜂窝结构蜂窝移动通信系统采用蜂窝结构，将覆盖区域划分为多个六边形小区，每个小区使用独立的频率资源，以避免干扰。2频率复用为了提高频谱利用率，蜂窝移动通信系统采用频率复用技术，在相邻小区使用不同的频率，以减少相互干扰。3移动切换当用户移动到另一个小区时，系统会自动切换到新的基站，以保证通信的连续性。6.3无线局域网技术1IEEE802.11标准定义无线局域网的协议2物理层数据传输的物理机制3数据链路层数据帧的封装和解析4MAC层媒体访问控制，管理无线信道无线局域网（WLAN）是近年来发展迅速的一种通信技术。其主要特点是使用无线电波进行数据传输，方便易用，不受地理位置的限制。WLAN技术广泛应用于家庭、办公室、学校、咖啡馆等场所。其主要应用包括：上网数据共享语音通话视频监控7.1光纤通信系统光纤通信系统概述光纤通信系统利用光纤作为传输介质，以光信号进行信息的传输。光纤通信系统具有带宽大、损耗低、抗干扰能力强等优点，在现代通信系统中得到广泛应用。光纤通信系统的组成光纤通信系统主要由光发射机、光纤、光接收机等部分组成，此外还包括光放大器、光开关等器件。光纤通信系统的优势光纤通信系统具有带宽大、损耗低、抗干扰能力强、安全性高、信息容量大等优点，使其成为现代通信系统的主流。光纤通信系统的发展趋势未来光纤通信系统将朝着更高的传输速率、更低的成本、更广泛的应用方向发展，例如5G、光网络等。7.2卫星通信系统卫星通信系统是指利用人造地球卫星作为中继站，实现地面站之间无线通信的系统。它具有覆盖范围广、不受地形限制、传输容量大、组网灵活等优点，在广播电视、移动通信、数据传输、导航定位等领域得到了广泛应用。1地球同步轨道卫星运行周期与地球自转周期相同，可实现对某一特定区域的持续覆盖。2地球静止轨道卫星轨道高度约为35786公里，相对地面静止，可提供连续稳定的通信服务。3中地球轨道卫星轨道高度介于低地球轨道和地球静止轨道之间，可提供较大的覆盖范围和较快的传输速率。4低地球轨道卫星轨道高度较低，传输延时小，但覆盖范围有限。5卫星通信系统主要由卫星、地面站、用户终端等组成。卫星通信系统的技术发展趋势主要包括：高通量卫星、星间链路、卫星互联网、低轨卫星星座等。7.3移动通信系统概述移动通信系统允许用户在移动过程中进行语音和数据通信。它们利用无线电波来传输信号，并使用蜂窝网络架构来提供覆盖范围。关键技术移动通信系统依赖于多种技术，包括多址接入、信道编码、调制解调以及移动性管理。标准移动通信系统遵循标准，例如GSM、CDMA、LTE和5G，以确保互操作性和兼容性。应用移动通信系统已成为现代生活中不可或缺的一部分，用于语音通话、短信、数据传输和各种移动应用程序。8.1通信系统的性能指标1误码率衡量数字通信系统可靠性的重要指标2信噪比衡量信号强度与噪声强度的比值3频带利用率衡量通信系统有效利用频谱资源的能力4传输速率衡量通信系统每秒传输的数据量通信系统性能指标用于评估通信系统的质量和效率。主要指标包括误码率、信噪比、频带利用率和传输速率等。误码率表示错误传输的比特数占总传输比特数的比例，信噪比反映信号强度与噪声强度的比值，频带利用率衡量系统有效利用频谱资源的能力，传输速率表示系统每秒传输的数据量。8.2通信系统的设计1需求分析首先，需要明确通信系统的需求，包括数据传输速率、可靠性、成本等。2系统架构根据需求分析结果，设计系统架构，包括物理层、数据链路层、网络层等。3性能优化通过调整参数和算法，优化系统的性能，例如降低误码率、提高传输速率等。4测试与验证最后，对系统进行测试和验证，确保其满足设计要求。8.3通信系统的发展趋势通信系统不断发展，技术不断进步，朝着更加高效、便捷、智能的方向发展。1智能化人工智能、大数