山东大学威海分校通信原理课件张遥老师

通信原理课件通信原理是基础课程之一,涵盖了信号分析、信道编码、调制解调等核心知识点。作为信息技术发展的基础,这门课将为学生奠定扎实的通信基础。课程简介课程背景本课程旨在为学生提供通信原理的基础知识和实践应用。通过对通信系统基本组成、信号特性、信号频域分析等内容的详细讲解，帮助学生全面理解通信技术的基本原理。课程内容课程涉及信号表示、线性系统分析、调制解调、编码传输等通信领域的核心概念和关键技术，为学生后续学习通信工程相关专业知识奠定基础。实践环节除理论讲授外，本课程还包括实验操作环节，让学生通过动手实践加深对通信原理的理解，培养分析问题和解决问题的能力。课程目标掌握通信原理的基础知识包括信号的表示和分类、线性时不变系统、频域分析等概念。了解通信系统的基本组成包括发送端、接收端以及信道的作用和特点。学习常见的调制和编码技术如调幅、调频、脉码调制等，掌握其原理和应用。分析信道编码和信号噪声的影响理解信噪比和各种编码技术的性能指标。主要内容理论基础包括信号和系统的基本概念、线性时不变系统的特性、傅里叶分析等。通信技术涵盖调制与解调、信道编码、多址技术等常用的通信技术。通信系统介绍典型的通信系统结构以及网络技术的发展趋势。技术前沿关注一些前沿通信技术的原理和应用,如5G、物联网、软件定义无线等。通信系统的基本组成信源通信系统的信息来源,包括音频、视频、图像等各种信号。信源能够产生和输出需要传输的信息。发送器将信源产生的信号转换为适合在信道中传输的形式,如编码、调制等。发送器确保信号可以在信道中传输。信道信息传输媒体,包括有线和无线,如电缆、光纤、无线电波等。信道承载信号从发送端传递到接收端。接收器接收端对信号进行解调、解码等处理,还原为原始信息。接收器确保信息可以被正确解译和使用。信号的表示时域表示通过描述信号在时间上的变化来表示信号。频域表示通过描述信号在频率上的分布来表示信号。实数和复数表示信号可以用实数或复数来表示。复数表示可以描述幅度和相位信息。各种信号的性质时域特性信号在时间域中的形状和变化特征,如幅值、频率、周期等。频域特性信号在频率域中的频谱分布特性,反映信号的频率成分。连续性信号可以是连续型的,也可以是离散型的(脉冲信号)。能量和功率信号的能量和功率特性,反映信号的强度和传输性能。线性时不变系统线性性线性系统具有可叠加和比例特性,输入信号和输出信号之间存在线性关系。时不变性时不变系统的特性不随时间变化,即系统的响应只与输入信号的差异有关。优势线性时不变系统更易于分析和设计,可以应用傅里叶分析等数学工具进行研究。应用线性时不变系统广泛应用于通信、信号处理、自动控制等领域。卷积积分1输入信号需要分析的输入信号2系统响应根据系统特性计算输出响应3卷积积分通过一维卷积积分得出最终输出卷积积分是描述线性时不变系统输出响应的重要工具。通过将输入信号与系统的冲击响应函数进行卷积运算,就可以得到系统的时域输出信号。该方法适用于各种类型的输入信号和系统,是分析和设计通信系统的基础。频域分析频谱图分析频谱图可以直观地展现信号在频率域上的能量分布情况。通过分析信号的频谱特性,可以更好地理解信号的性质和特征。频域分析的基础傅里叶分析是频域分析的基础,它可以将时域信号分解为不同频率的正弦波信号的叠加。滤波器的频域分析频域分析还可以用于分析滤波器的频响特性,了解滤波器对不同频率信号的传输和抑制情况。傅里叶级数周期信号分析傅里叶级数可将任意周期信号表示为正弦波和余弦波的无穷级数之和。这种分析方法有助于深入理解周期信号的结构和特性。谐波分析傅里叶级数展现了周期信号中的谐波成分,使我们能更好地理解信号的频谱特性,为后续的频域分析奠定基础。信号重构通过傅里叶级数的收敛性,我们可以利用少量谐波成分就能逼近甚至恢复原始的周期信号,这在信号处理中有广泛应用。傅里叶变换信号分解通过傅里叶变换，可以将复杂信号分解为许多正弦和余弦波的叠加。频域分析傅里叶变换可以将时域信号转换到频域进行分析和处理。频谱表示傅里叶变换可以得到信号的频谱表示,为信号的分析和滤波提供依据。信号的功率谱密度功率谱密度描述了信号在不同频率上的功率分布情况。它反映了信号中各频率分量的相对重要性。通过分析信号的功率谱密度，可以了解信号中频率分量的特点，从而更好地分析和处理信号。该图展示了一个信号的功率谱密度特性。可以看到,信号的大部分功率集中在低频区域,随着频率的升高,功率呈现逐渐下降的趋势。这反映了该信号主要由低频成分组成。采样定理1最低采样频率采样频率必须至少是信号最高频率的两倍,才能对模拟信号进行完整的数字化表示。2避免失真若采样频率过低,会导致高频信号在数字化后产生伪像和混淆,即"混叠"现象。3时域窗口采样时间间隔足够小,可以捕获信号的细节变化,确保时域信息的准确性。4频域窗口采样频率足够高,可以获取完整的频谱信息,充分表达信号的频域特征。量化和编码1量化将连续信号离散化,分成有限个电平,以数字形式表示。这样可以简化信号传输和处理。2编码将量化后的数字信号转换为特定的二进制编码,如脉码调制(PCM)和差分脉码调制(DPCM)。3量化噪声由于量化过程引入的误差,会产生量化噪声,需要合理设置量化电平数来控制噪声。4编码效率合理的编码方式可以提高信号传输的效率和质量,减少带宽和功率的消耗。噪声概念噪声种类噪声分为热噪声、电子噪声、射频噪声等多种类型,每种噪声都有不同的特征和影响。噪声产生原因噪声来源于各种电子元件和电路的电子随机运动,以及外部环境的干扰。识别噪声源是降噪的关键。噪声的影响噪声会降低通信系统的信号质量和通信效率,严重时甚至会导致通信失败。因此需要采取有效措施来抑制噪声。降噪方法常见的降噪方法包括使用滤波器、改善电路设计、采用低噪声元件等。选择合适的降噪方案需要针对不同噪声类型进行分析。信噪比信噪比是衡量通信系统性能的重要指标。它表示信号功率与噪声功率的比值,通常以分贝(dB)为单位。信噪比越高,表示信号越清晰,抗干扰能力越强。信号功率噪声功率信噪比1瓦0.1瓦10dB1瓦0.01瓦20dB1瓦0.001瓦30dB通信系统的抗干扰能力通常需要SNR在10dB以上。更高的SNR可以提高通信的可靠性和数据传输速率。信号分类模拟信号连续的物理量，如电压或电流，可以表示为无限多个离散值。数字信号只能取有限的离散值，如0和1,可以用二进制表示。时域信号信号的幅值随时间变化,可以描述信号的特性。频域信号信号的频谱分布,可以分析信号的频率特性。调制原理1调制的基本原理调制是将输入信号的某个特性与高频载波进行某种形式的对应变换的过程。常用的调制方式有幅度调制、频率调制和相位调制。2幅度调制通过改变载波的幅度来携带信息,简单易实现,但抗噪性能较差。广泛应用于广播电台等。3频率调制通过改变载波的频率来携带信息,抗噪性能较好,但实现相对复杂。广泛应用于调频广播和窄带调频通信系统中。调幅通信调幅通信原理调幅是通过改变载波信号的振幅来传输信息的一种调制方式。信号通过调制器与载波相乘,产生具有信号特征的调制波。调幅通信系统组成调幅通信系统主要包括信源、调制器、信道、解调器和信宿等部分,组成了完整的通信链路。调幅通信设备调幅通信设备如收音机、对讲机等广泛应用于日常生活中,提供了基本的语音通信服务。调频通信频率调制调频通信是通过改变载波频率来传输信号的一种方式。它具有良好的抗噪声性能和频谱利用率。带宽利用相比于振幅调制，调频通信可以更好地利用频带资源。它能够在有限带宽内传输更多信息。应用领域调频通信广泛应用于广播电台、调频收音机、移动电话、卫星通信等领域。它是最常见的模拟通信技术之一。数字通信基础数字信号的特点数字信号以离散的方式表示信息,具有可靠性高、传输距离远、隐私性强等特点,广泛应用于现代通信系统中。数字调制技术常见的数字调制方式包括脉码调制(PCM)、相移键控(PSK)和正交振幅调制(QAM)等,各有优缺点。数字编码与复用为提高传输效率,需要对数字信号进行编码和复用技术,如时分复用(TDM)和频分复用(FDM)。数字信道特性数字信道具有噪声、失真和延迟等特性,需要采取有效的检测和纠错措施。脉码调制1采样脉码调制首先将连续时间信号进行采样,将信号离散化为一系列脉冲序列。2量化采样后的脉冲信号被量化成有限级别的离散幅值,以便于后续的数字编码。3编码量化后的脉冲被编码成二进制数字序列,从而实现了信号的数字化转换。4传输编码后的数字信号可以通过数字传输通道进行高效传输。基带传输基带信号传输基带传输直接利用源信号进行传输,无需调制,可以最大限度地保持信号的原始形态,适用于近距离、低数据率的通信系统。抗噪能力基带传输易受噪声干扰,需要采取编码、调制等技术提高抗噪性。如使用曼彻斯特编码可以提高抗噪性。带宽利用效率基带传输信号带宽利用率较高,有利于提高频谱利用率,但传输距离受限。需根据具体应用场景权衡带宽和传输距离。差分相移键控信号调制差分相移键控(DPSK)是一种常见的数字调制技术,通过改变相位来表示信息。相位变化DPSK中,相位的变化不是根据当前比特值,而是根据前一个比特值。数字通信DPSK适用于数字通信系统,能提高抗噪性能,降低误码率。正交振幅调制高谱效率正交振幅调制能够在有限的频率带宽内传输更多的信息,提高了频谱利用率。抗干扰能力强QAM信号具有良好的抗噪声能力,能够有效抑制信号中的干扰。灵活的调制方式QAM可以根据实际需求灵活调整调制阶数,兼顾了传输速率和可靠性。相关器和码匹配滤波器相关器相关器是一种数字信号处理技术,用于识别输入信号中与预定义模式相匹配的部分。它在通信系统中广泛应用于同步和信号检测等关键功能。码匹配滤波器码匹配滤波器是一种特殊的相关器,它利用已知的码型对信号进行滤波,以提高信号检测的可靠性。在数字通信中,它对于提高抗噪性和抗干扰能力至关重要。在通信系统中的应用相关器和码匹配滤波器广泛应用于同步信号检测、扩频通信、雷达和导航系统等,是实现高性能数字通信系统的关键技术。信道编码错误检查信道编码通过添加冗余位来检测和纠正传输过程中的错误,提高信号的可靠性。提高抗噪性编码技术可以使信号更加抗