华中科技大学电信系《通信原理》课件-ch

《通信原理》课件本课件旨在帮助学生理解通信原理的基本概念和技术。内容涵盖信号与系统、数字调制解调、信道编码、无线通信等。课程概述课程目标掌握通信原理基本知识，理解各种通信系统的原理，并应用于实践。课程内容信号与系统、调制解调、信道编码、噪声与干扰、信号检测等。课程应用无线通信、移动通信、互联网、卫星通信等领域。通信系统基本原理发送端将信息转换为电信号，并进行编码和调制。信道传输信号的介质，例如无线电波、光纤或电缆。接收端接收信号，并进行解调和解码，恢复原始信息。信号与系统概念11.信号的定义信号是信息的载体，可以是物理量，例如电压、电流等。22.系统的定义系统是对输入信号进行处理，并产生输出信号的装置或过程。33.信号与系统的分类根据信号的性质，可以分为连续信号和离散信号；根据系统的性质，可以分为线性系统和非线性系统。44.信号与系统分析通过时域和频域分析方法，可以深入了解信号的特性和系统的行为。时域分析基础1信号的定义信号是信息的载体，是随时间变化的物理量。2信号的分类根据信号的幅度变化形式，可分为连续信号和离散信号。3信号的表示信号可以用函数、图形、表格等方式表示。4信号的基本参数幅度、频率、相位等。时域分析是研究信号随时间变化规律的方法，是通信原理的基础。傅里叶变换1定义傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，分析信号的频率成分。2应用广泛应用于信号处理、图像处理、音频处理、通信系统等领域。3类型主要包括连续傅里叶变换和离散傅里叶变换，分别用于处理连续信号和离散信号。频域分析信号频谱频域分析是将信号分解成不同频率的正弦波的叠加，通过观察信号的频谱，可以了解信号的频率成分、带宽等信息。滤波器设计根据频谱信息，可以设计滤波器，以去除信号中的噪声或干扰，提取有用信号成分。系统特性频域分析可以用于分析系统的特性，例如系统的频率响应、相位响应等，有助于理解系统对不同频率信号的响应。通信系统分析频域分析在通信系统设计和分析中起着重要作用，例如信道分析、调制解调分析等。信号的取样与重构信号取样将连续信号转换成离散信号的过程。通过在时间轴上等间隔地采样信号，以获得信号在这些时间点的值。取样定理为了能够从离散信号中完全恢复原始连续信号，采样频率必须不小于信号最高频率的两倍。信号重构利用取样得到的离散信号，使用插值法等方法来重建原始连续信号。数字信号处理基础数字信号处理概述数字信号处理是通信系统中必不可少的组成部分。它涉及对数字信号进行处理，以改善信号质量，提取有用信息，并为通信传输提供必要的编码和解码。主要内容离散时间信号与系统离散傅里叶变换(DFT)快速傅里叶变换(FFT)数字滤波器设计调制解调原理11.信号转换调制将数字信号转换为模拟信号，以便通过模拟信道传输。22.信息传递调制后的模拟信号承载着数字信号的信息，并通过无线电波传播。33.信号恢复解调从接收到的模拟信号中恢复原始数字信号。44.系统应用广泛应用于各种通信系统，例如无线通信、有线通信和卫星通信。信道编码基础纠错编码通过增加冗余信息，提高传输数据的可靠性。常见类型包括汉明码、循环码、卷积码等。信道容量表示信道能够可靠传输的最大信息量，取决于信道带宽和信噪比。编码效率编码效率是指信息码元与总码元之比，代表编码的冗余程度，编码效率越高，冗余越少。信道模型与信道容量信道模型是描述通信信道特性的数学模型，是通信系统设计和性能分析的基础。信道容量是指在给定的信道条件下，能够可靠传输的最大信息量，是衡量信道传输效率的重要指标。信道模型通常包括信道噪声、信道衰落、信道干扰等因素，并根据不同的应用场景和技术特点进行不同的建模。信道容量可以通过香农公式计算，该公式表明信道容量与信道带宽、信噪比成正比。带通信号与带通系统带通滤波器带通滤波器仅允许特定频率范围内的信号通过，同时抑制其他频率。带通信号频谱带通信号的频谱集中在特定频率范围内，这与基带信号的频谱不同。发射机设计发射机设计必须考虑到带通滤波器，以确保信号在无线电频率范围内的有效传输。接收机设计接收机设计同样需要考虑带通滤波器，以分离所需信号并抑制噪声。振幅调制振幅调制（AM）是一种模拟调制技术，其中载波信号的振幅随调制信号的变化而变化。AM广泛应用于广播、无线电通信和电视信号传输。频率调制频率调制是一种将信息信号转换为载波频率变化的调制方式。信息信号的幅度变化会引起载波频率的线性变化。频率调制可以有效抵抗噪声和干扰，适用于远距离传输和无线通信。频率调制也广泛应用于广播、电视和卫星通信等领域。相位调制相位调制(PM)是一种调制技术，通过改变载波信号的相位来传递信息。载波信号的频率保持不变，而相位会根据输入信号的变化而变化。相位调制广泛应用于各种通信系统，例如无线电广播、卫星通信和数字通信。与其他调制技术相比，相位调制具有更好的抗噪声性能和频谱利用率。相位调制可以分为模拟相位调制和数字相位调制。模拟相位调制通常使用正弦波作为载波信号，并通过改变其相位来传输模拟信号。数字相位调制则使用一系列离散的相位值来表示数字信号。常见的数字相位调制技术包括PSK(相位移键控)和QPSK(正交相移键控)。数字调制技术基本概念数字调制将数字信号转换成适合在模拟信道上传输的信号形式。常见的数字调制技术包括幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）以及正交幅度调制（QAM）。应用数字调制广泛应用于现代通信系统，例如手机、无线网络和卫星通信。不同调制技术在抗噪声能力、带宽效率和实现复杂度方面存在差异，适用于不同的通信场景。多址接入技术共享信道多址接入技术允许多个用户共享同一信道，提高频谱利用率。区分用户不同的接入技术采用不同的方式区分用户，确保信号互不干扰。无线应用多址接入技术在无线通信中广泛应用，例如蜂窝网络、Wi-Fi等。扩频技术11.频谱扩展扩频技术将窄带信号扩展到更宽的频率范围，从而提高抗干扰性能。22.伪随机码使用伪随机码来扩展信号频谱，使得信号更难被干扰。33.抗多径衰落扩频技术可以有效地克服无线通信中的多径衰落问题。44.广泛应用扩频技术在无线通信、雷达、导航等领域得到广泛应用。噪声与干扰热噪声热噪声是由于电子元件的热运动产生的随机噪声。它存在于所有电子设备中，其强度与温度成正比。干扰干扰是指来自外部源的信号，例如其他无线电发射器或电力线，它们会干扰通信信号的接收。衰落衰落是指无线通信信号在传播过程中由于多径效应或障碍物阻挡引起的强度变化。信噪比与系统性能信噪比(SNR)是衡量信号强度与噪声强度之比的指标，它直接影响着通信系统的性能。较高的信噪比意味着信号更强，噪声更弱，因此通信系统可以更准确地传输和接收信息。误码率与信噪比呈负相关，信噪比越高，误码率越低。信号检测与估计1信号检测确定接收信号是否存在2参数估计估计信号的幅度、频率等参数3最佳接收机最小化误差概率或最大化信噪比信号检测与估计是通信原理中的重要概念，用于确定接收信号是否存在以及估计信号的特征参数。最佳接收机是指能够最有效地从噪声中提取信号的接收机，通常采用最大似然估计或最小均方误差估计等方法。信号检测基础信号检测器信号检测器接收来自信道的信号，并根据预设的判决准则判断信号的存在与否。噪声影响噪声干扰会降低信号检测的可靠性，需要设计合适的接收机来克服噪声影响。二元判决最简单的信号检测问题是二元判决，即判断信号是否存在两种可能性之一。误差概率信号检测器的性能指标包括误差概率，即错误判决信号存在的概率。最优接收机原理最优接收机，也称为匹配滤波器接收机，是接收机的一种理想模型。它基于最大似然准则，可以最大程度地降低噪声影响，提高信号检测的可靠性。1最大似然准则选择最有可能产生观测信号的信号假设2匹配滤波设计滤波器以匹配信号特征3噪声抑制最大化信噪比，提高检测精度实际应用中，实现最优接收机存在一些限制，比如对信号的先验知识要求较高。信号参数估计1估计目标信号幅度、频率、相位2估计方法最大似然估计、最小二乘估计3性能评估估计误差、估计偏差信号参数估计是通信系统中一项重要任务，通过对接收信号进行分析，估计出信号的某些参数。例如，估计信号的幅度、频率、相位等信息。常用的估计方法包括最大似然估计和最小二乘估计。系统性能分析指标误码率(BER)衡量通信系统传输数据错误的概率，反映信号质量好坏。信噪比(SNR)衡量信号强度与噪声功率的比值，影响数据传输可靠性。频谱效率衡量每赫兹带宽可传输的数据量，反映通信系统利用频谱的效率。吞吐量衡量通信系统单位时间内传输数据的数量，反映数据传输速度。终端设备原理移动终端移动终端是无线通信的重要组成部分，用于发送和接收数据。移动终端包括智能手机、平板电脑和笔记本电脑等设备。固定终端固定终端是连接到固定网络的设备，用于访问互联网和其他服务。固定终端包括台式电脑、路由器和机顶盒等。通信网络概论网络拓扑网络拓扑是指网络中各个节点之间的连接方式。网络设备网络设备负责连接网络中的各个节点，并传递数据。网络协议网络协议是网络设备之间进行通信的规则和标准。网络安全网络安全是指保护网络系统免受攻击和破坏。网络协议与体系结构11.协议层次网络协议分为多个层次，每个层次负责特定的功能，例如数据传输、路由、地址解析等。22.协议栈不同层次的协议相互作用，形成协议栈，实现网络通信的完整流程。33.常见协议常见的网络协议包括TCP、UDP、IP、HTTP、DNS等，它们在互联网中发挥着重要作用。44.网络体系结构网络体系结构定义了网络的整体框架和各部分之间的关系，例如客户端-服务器模型和对等网络模型。新型通信技术5G技术5G技术带来更快速度、更低延迟和更高的容量，推动了物联网、云计算和人工智能等领域的发展。数据传输速率显著提高网络延迟大幅降低支持更多设备同时连接卫星通信卫星通信覆盖范围广，不受地形限制，在灾难救援、远程监控和航空航天等领域发挥重要作用。提供全球覆盖的通信服务应用于紧急情况下的通信用于高精度导航和定位光纤通信光纤