通信工程基础作业指导书

通信工程基础作业指导书TOC\o"1-2"\h\u15745第1章通信系统概述 3253741.1通信系统的基本概念 348251.2通信系统的分类与组成 330441.3通信系统的功能指标 42625第2章信号与信道 431012.1信号的定义与分类 490612.1.1定义 430482.1.2分类 4308472.2信号的基本运算 4278482.2.1时域运算 572822.2.2频域运算 5306822.3信道模型与信道特性 5139822.3.1信道模型 558362.3.2信道特性 512936第3章模拟通信系统 5136823.1幅度调制 5188253.1.1幅度调制的基本原理 564493.1.2幅度调制的方法 679663.1.3幅度调制系统的抗噪声功能 693703.2频率调制 6114073.2.1频率调制的基本原理 6288963.2.2频率调制的方法 6243333.2.3频率调制系统的抗噪声功能 6133363.3模拟信号的解调与检测 690743.3.1解调原理 6251873.3.2检测原理 6136373.3.3解调与检测系统的功能分析 610606第4章数字通信系统 7293704.1数字通信系统的基本概念 784294.1.1数字通信系统的定义与分类 7178544.1.2数字通信系统的优势 781904.2数字信号的基带传输 7292634.2.1基带传输概述 7262664.2.2数字基带信号 7237304.2.3基带传输的信道编码与解码 78824.2.4基带传输的信号处理技术 7118474.3数字信号的频带传输 7250794.3.1频带传输概述 7138344.3.2数字调制技术 723954.3.3数字解调技术 825574.3.4频带传输的信道特性 873654.3.5频带传输中的信号处理技术 822806第5章数字信号处理技术 8281845.1数字信号处理基础 864995.1.1采样与量化 8163785.1.2数字信号表示 8236805.1.3Z变换与离散时间傅里叶变换 8309705.2离散傅里叶变换与快速算法 993695.2.1离散傅里叶变换 9227935.2.2快速傅里叶变换 998595.3数字滤波器设计 929825.3.1数字滤波器类型 924945.3.2数字滤波器设计方法 91123第6章通信系统的同步与载波恢复 10320886.1同步技术 10165706.1.1同步的概念与分类 10289346.1.2同步的方法 1085106.2载波恢复技术 10317296.2.1载波恢复的概念 10239876.2.2载波恢复的方法 1018046.3锁相环与载波同步 10293336.3.1锁相环的原理 11161066.3.2锁相环在载波同步中的应用 1171826.3.3锁相环的设计与优化 1112650第7章通信系统的多址技术 11208487.1多址技术概述 11239977.2频分多址 1135017.2.1频分多址的原理 11290647.2.2频分多址的优点 12216057.3时分多址与码分多址 1210777.3.1时分多址 1283177.3.1.1时分多址的原理 12270577.3.1.2时分多址的优点 1241917.3.2码分多址 12164217.3.2.1码分多址的原理 1213667.3.2.2码分多址的优点 1214444第8章通信系统的抗干扰技术 12221748.1通信系统的干扰与噪声 13223618.1.1干扰类型 13322908.1.2噪声类型 1376898.2信道编码与误码纠正 1351198.2.1信道编码原理 13147978.2.2误码纠正技术 13223388.3加密与解密技术 1383148.3.1加密技术 14136948.3.2解密技术 1425629第9章通信系统的功能评估 1441419.1通信系统的误码功能 1485489.1.1误码功能概述 14138179.1.2误码率 14179819.1.3误帧率 14305549.1.4误码功能改善技术 1467749.2通信系统的容量与覆盖范围 14146479.2.1系统容量 146189.2.2覆盖范围 15157139.2.3容量与覆盖范围的平衡 15296909.3通信系统的可靠性评估 15225689.3.1可靠性指标 1562409.3.2可靠性模型 15172459.3.3提高通信系统可靠性的方法 15106659.3.4可靠性评估实例 15622第10章通信工程实践 152068610.1通信系统仿真 151038810.2通信设备与组件设计 151274010.3通信网络的规划与优化 16第1章通信系统概述1.1通信系统的基本概念通信系统是由信号传输、信号接收、信号处理及信息处理等部分组成的，用于实现信息传递和交换的系统。它通过一定的传输介质，将信息从发送端传输到接收端，以满足人们对信息交流的需求。通信系统在现代社会的各个领域具有广泛的应用，如电话、电视、互联网等。1.2通信系统的分类与组成根据传输介质的不同，通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统两大类。（1）有线通信系统：通过电缆、光纤等有线介质进行信号传输的通信系统。其优点是传输稳定、干扰小，但建设成本较高，布线受限。（2）无线通信系统：通过无线电波、微波等无线介质进行信号传输的通信系统。其优点是传输速度快、布线灵活，但易受电磁干扰、信号衰减等因素影响。通信系统的基本组成包括：（1）信源：产生并输出信息的设备或系统。（2）发送设备：将信源产生的信息转换成适合在传输介质输的信号，并进行放大、调制等处理。（3）传输介质：实现信号传输的物理媒介，如电缆、光纤、无线电波等。（4）接收设备：接收传输介质上的信号，并进行解调、放大等处理，恢复出原始信息。（5）信宿：接收并处理信息的设备或系统。1.3通信系统的功能指标通信系统的功能指标主要包括以下几方面：（1）传输速率：单位时间内传输的信息量，通常用比特率（bps）表示。（2）带宽：通信系统所能处理的频率范围，与传输速率密切相关。（3）误码率：传输过程中出现错误的概率，是衡量通信系统可靠性的重要指标。（4）抗干扰功能：通信系统在受到外部干扰时，保持正常工作的能力。（5）传输距离：信号在传输介质中能够有效传输的最大距离。（6）容量：通信系统在一定时间内能够传输的最大信息量。（7）延迟：信号从发送端到接收端所需的时间，包括传播延迟、处理延迟等。第2章信号与信道2.1信号的定义与分类2.1.1定义信号是携带信息的物理量，它可以通过各种方式在时间域或频率域中表示。信号用于在通信系统中传输信息，是通信工程的基础。2.1.2分类信号可分为以下几种类型：（1）模拟信号：连续时间信号，其幅度随时间连续变化。（2）数字信号：离散时间信号，其幅度在特定时间点取离散值。（3）周期信号：信号在一个周期内重复出现，具有周期性。（4）非周期信号：信号在时间轴上不具有重复性。2.2信号的基本运算2.2.1时域运算时域运算主要包括以下几种：（1）信号的相加：两个或多个信号在同一时间点的幅度相加。（2）信号的相乘：两个信号在同一时间点的幅度相乘。（3）信号的延时：信号在时间轴上沿某一方向移动。（4）信号的翻转：信号在时间轴上沿原点对称翻转。2.2.2频域运算频域运算主要包括以下几种：（1）信号的傅里叶变换：将时域信号转换为频域信号。（2）信号的傅里叶逆变换：将频域信号转换回时域信号。（3）信号的频谱分析：分析信号在不同频率分量上的幅度和相位。2.3信道模型与信道特性2.3.1信道模型信道模型用于描述信号在传输过程中的变化。常见的信道模型有：（1）理想信道：无噪声、无失真的信道。（2）有损信道：信号在传输过程中存在能量损耗。（3）带限信道：限制信号传输的频率范围。2.3.2信道特性信道特性主要包括以下几种：（1）信道带宽：信道允许通过的频率范围。（2）信道增益：信号在信道中的增益或衰减。（3）信道噪声：信道中存在的随机干扰。（4）信道延迟：信号在信道中的传输延迟。（5）多径效应：信号在传播过程中，经过多个路径到达接收端，导致信号相位、幅度和时延的变化。第3章模拟通信系统3.1幅度调制3.1.1幅度调制的基本原理幅度调制（AmplitudeModulation,AM）是一种常见的模拟通信方式，其主要思想是将信息信号的幅值变化映射到载波信号的幅值上。本章首先介绍幅度调制的基本原理，包括线性调制和非线性调制，重点讨论线性幅度调制的过程。3.1.2幅度调制的方法本节介绍幅度调制的方法，包括双边带调制、单边带调制和残留边带调制。分析各种调制方法的优缺点及适用场景。3.1.3幅度调制系统的抗噪声功能讨论幅度调制系统的抗噪声功能，分析信噪比、带宽和调制方式对系统功能的影响。3.2频率调制3.2.1频率调制的基本原理频率调制（FrequencyModulation,FM）是一种以载波频率为基础，根据信息信号的变化来改变载波频率的模拟通信方式。本节介绍频率调制的基本原理，包括调频指数、频偏等概念。3.2.2频率调制的方法本节介绍频率调制的方法，包括连续调频、脉冲调频等。分析各种调制方法的优缺点及适用场景。3.2.3频率调制系统的抗噪声功能讨论频率调制系统的抗噪声功能，分析信噪比、带宽和调制方式对系统功能的影响。3.3模拟信号的解调与检测3.3.1解调原理解调（Demodulation）是调制的逆过程，本节介绍各种模拟信号的解调原理，包括同步解调和非同步解调。3.3.2检测原理检测是对接收信号进行处理，提取出原始信息的过程。本节介绍模拟信号的检测原理，包括最大似然检测、匹配滤波检测等。3.3.3解调与检测系统的功能分析分析解调与检测系统的功能，包括误码率、抗噪声功能等指标，并讨论如何优化系统功能。第4章数字通信系统4.1数字通信系统的基本概念4.1.1数字通信系统的定义与分类数字通信系统是指利用数字信号进行信息传输的通信系统，主要包括模拟数字模拟（ADA）变换、数字信号处理、数字调制解调等技术。按照信号传输方式，可分为基带传输和频带传输两大类。4.1.2数字通信系统的优势数字通信系统相较于模拟通信系统，具有抗干扰能力强、传输距离远、误码率低、易于加密等优点，因此在现代通信领域得到广泛应用。4.2数字信号的基带传输4.2.1基带传输概述基带传输是指将数字信号直接传输到信道中，不经过频率变换的传输方式。基带传输具有简单、成本低等优点，但传输距离和速率受限。4.2.2数字基带信号数字基带信号是指在通信系统中，未经调制和频谱搬移的原始数字信号。主要包括脉冲信号、方波信号、正弦波信号等形式。4.2.3基带传输的信道编码与解码信道编码是为了提高数字信号在传输过程中的可靠性和抗干扰能力，对原始数字信号进行编码；解码则是将接收到的编码信号还原为原始数字信号。4.2.4基带传输的信号处理技术基带传输中的信号处理技术主要包括滤波、均衡、抽样、量化等，目的是提高信号传输质量和效率。4.3数字信号的频带传输4.3.1频带传输概述频带传输是指将数字信号调制到高频载波上，通过信道传输，到达接收端后进行解调的传输方式。频带传输具有传输距离远、速率高等优点。4.3.2数字调制技术数字调制技术是将数字信号映射到载波信号上，主要有振幅键控（ASK）、频率键控（FSK）、相位键控（PSK）等调制方式。4.3.3数字解调技术数字解调技术是将接收到的已调信号还原为原始数字信号的过程，主要包括同步解调、非同步解调等。4.3.4频带传输的信道特性频带传输中，信道特性对信号传输质量具有重要影响。主要信道特性包括信道带宽、信道噪声、信道衰减等。4.3.5频带传输中的信号处理技术频带传输中的信号处理技术包括信道估计、均衡、分集、编码等，目的是提高信号传输的可靠性和效率。第5章数字信号处理技术5.1数字信号处理基础数字信号处理（DigitalSignalProcessing,DSP）技术是通信工程中的关键技术之一。它通过对模拟信号进行采样、量化处理，将其转化为数字信号，进而利用数字信号处理技术进行分析、处理和优化。本节主要介绍数字信号处理的基础知识。5.1.1采样与量化（1）采样：将模拟信号在时间上离散化，即以固定的时间间隔对模拟信号进行取值。（2）量化：将采样后的信号在幅度上进行离散化，即把连续的幅度值划分为有限个级别。5.1.2数字信号表示数字信号可以用离散时间序列表示，例如：x[n]，其中n表示时间索引。数字信号处理主要涉及以下几种基本运算：（1）线性运算：包括信号的相加、标量乘法等。（2）非线性运算：包括信号的绝对值、幂运算等。（3）系数运算：包括信号的位移、尺度变换等。5.1.3Z变换与离散时间傅里叶变换Z变换是数字信号处理中的一种重要变换方法，用于分析离散时间信号在z域的性质。离散时间傅里叶变换（DiscreteTimeFourierTransform,DTFT）则是将时域信号转换到频域进行分析。5.2离散傅里叶变换与快速算法离散傅里叶变换（DiscreteFourierTransform,DFT）是数字信号处理中的核心算法，用于计算信号的频谱。本节主要介绍DFT及其快速算法。5.2.1离散傅里叶变换DFT的基本思想是将时域信号分解为多个正弦波和余弦波的组合。DFT的数学表达式如下：$$X[k]=\sum_{n=0}^{N1}x[n]\cdote^{j\frac{2\pi}{N}kn}$$其中，$X[k]$表示频域信号，$x[n]$表示时域信号，N为信号的长度。5.2.2快速傅里叶变换快速傅里叶变换（FastFourierTransform,FFT）是DFT的一种快速算法，其基本思想是将DFT分解为多个较小的DFT，从而减少计算量。FFT算法的核心是蝶形运算，其时间复杂度为$O(N\log_2N)$。5.3数字滤波器设计数字滤波器是数字信号处理中的重要组成部分，用于对信号进行滤波处理。本节主要介绍数字滤波器的设计方法。5.3.1数字滤波器类型根据滤波器的特性，数字滤波器可分为以下几种类型：（1）低通滤波器：允许低频信号通过，抑制高频信号。（2）高通滤波器：允许高频信号通过，抑制低频信号。（3）带通滤波器：允许一定频率范围内的信号通过，抑制其他频率的信号。（4）带阻滤波器：抑制一定频率范围内的信号，允许其他频率的信号通过。5.3.2数字滤波器设计方法数字滤波器设计方法主要包括以下几种：（1）窗函数法：通过窗函数对理想滤波器的冲击响应进行截断，得到实际的数字滤波器。（2）拟合法：根据给定的频率响应，利用最小二乘等方法拟合出滤波器的系数。（3）模拟滤波器原型法：将模拟滤波器的原型转换为数字滤波器，如巴特沃斯、切比雪夫等滤波器。通过以上介绍，本章对数字信号处理技术的基本概念、算法和应用进行了阐述。在实际通信工程中，数字信号处理技术发挥着重要作用，为信号的传输、处理和分析提供了有效手段。第6章通信系统的同步与载波恢复6.1同步技术6.1.1同步的概念与分类同步是通信系统中一个重要的技术环节，它保证了收发双方在时间上的协调一致。同步可分为符号同步、帧同步和载波同步三大类。其中，符号同步是指接收方与发送方在单个符号上的时间对齐；帧同步是指在数据传输中，接收方与发送方在帧级别的时间对齐；载波同步则是指接收方与发送方的载波频率与相位的一致。6.1.2同步的方法通信系统的同步方法主要包括以下几种：插入导频法、自同步法、辅助同步法和数字同步法。插入导频法通过在发送信号中插入专门的同步信号，以便接收方提取同步信息；自同步法则依赖于信号本身的特性，通过接收信号的自相关性质实现同步；辅助同步法利用外部辅助信号实现同步；数字同步法则是在数字通信系统中，采用特定的同步序列进行同步。6.2载波恢复技术6.2.1载波恢复的概念载波恢复是接收方从接收信号中提取载波频率和相位的过程，它是保证接收信号正确解调的关键技术。在数字通信系统中，载波恢复的精度直接影响到信号的误码率。6.2.2载波恢复的方法载波恢复的方法主要包括：非相干解调法、相干解调法和锁相法。非相干解调法不对载波进行同步，适用于对同步要求不高的低速通信系统；相干解调法则要求接收方与发送方的载波同步，适用于高速通信系统；锁相法则是通过锁相环（PLL）实现对载波频率和相位的跟踪与恢复。6.3锁相环与载波同步6.3.1锁相环的原理锁相环（PhaseLockedLoop,PLL）是一种反馈控制系统，用于实现信号的相位锁定。锁相环主要由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成。鉴相器比较输入信号与本地振荡器的相位差，产生误差信号；环路滤波器对误差信号进行滤波处理，减小噪声和频率波动的影响；压控振荡器根据滤波后的误差信号调整其输出频率和相位，实现与输入信号的相位锁定。6.3.2锁相环在载波同步中的应用锁相环在载波同步中的应用主要有以下两个方面：一是提取接收信号中的载波频率和相位，实现载波的恢复；二是跟踪发送端载波频率的变化，保持接收端与发送端的载波同步。锁相环具有很好的频率跟踪功能和相位锁定能力，因此在高速通信系统中得到了广泛应用。6.3.3锁相环的设计与优化锁相环的设计与优化是保证其功能的关键。主要考虑因素包括：鉴相器的设计、环路滤波器的设计和压控振荡器的功能。合理选择鉴相器类型、环路滤波器参数和压控振荡器特性，可以实现对载波同步功能的优化，降低通信系统的误码率。第7章通信系统的多址技术7.1多址技术概述通信系统的多址技术是一种在多个用户之间分配和共享通信资源的方法。它使得多个用户可以同时使用同一信道进行通信，而不相互干扰。在本章中，我们将讨论几种常见的多址技术，包括频分多址、时分多址和码分多址。7.2频分多址频分多址（FrequencyDivisionMultipleAccess,FDMA）是一种将整个频带划分为多个子频带，并将这些子频带分配给不同用户的技术。每个用户在整个通信过程中占用固定的频带宽度，从而实现多用户之间的通信。7.2.1频分多址的原理频分多址技术将可用的频谱资源划分为多个子信道，每个子信道具有不同的频率范围。这些子信道之间保持一定的间隔，以避免相互干扰。每个用户分配到一个子信道，在该信道上独占传输，从而实现多用户同时通信。7.2.2频分多址的优点（1）简化信号处理：由于每个用户占用固定频率的信道，因此信号处理较为简单，易于实现。（2）信道稳定：在固定频率下，信道特性相对稳定，有利于提高通信质量。7.3时分多址与码分多址7.3.1时分多址时分多址（TimeDivisionMultipleAccess,TDMA）是一种将时间分割为若干个时隙，并将这些时隙分配给不同用户的技术。在TDMA系统中，多个用户共享同一频率，但在不同的时间进行通信。7.3.1.1时分多址的原理时分多址将时间划分为固定长度的时隙，每个用户在一个完整的帧周期内占用一个或多个时隙。通过这种方式，多个用户可以轮流使用同一频率资源，实现多用户通信。7.3.1.2时分多址的优点（1）频谱利用率高：多个用户共享同一频率，提高了频谱利用率。（2）系统容量大：通过增加时隙数量，可以容纳更多用户。7.3.2码分多址码分多址（CodeDivisionMultipleAccess,CDMA）是一种基于扩频技术的多址方法。在CDMA系统中，每个用户分配一个唯一的码片序列，利用该序列对数据进行调制，实现多用户在同一频带内同时传输。7.3.2.1码分多址的原理码分多址通过为每个用户分配唯一的码片序列，使得多个用户可以在同一时间和同一频率下进行通信。接收端根据码片序列的差异来区分不同用户的数据。7.3.2.2码分多址的优点（1）抗干扰能力强：由于采用扩频技术，信号在传输过程中具有较好的抗干扰功能。（2）系统容量大：码分多址能够实现多用户在同一频带内同时通信，因此具有较大的系统容量。第8章通信系统的抗干扰技术8.1通信系统的干扰与噪声通信系统在传输过程中，常常受到各种干扰与噪声的影响，这些干扰与噪声会影响通信信号的传输质量，甚至导致通信中断。本节将对通信系统中的干扰与噪声进行分析。8.1.1干扰类型通信系统的干扰可分为以下几种类型：（1）自然干扰：如雷电、太阳黑子、宇宙射线等自然现象产生的干扰。（2）人为干扰：如电磁辐射、工业噪声、交通工具等人为活动产生的干扰。（3）系统内部干扰：如通信设备内部的热噪声、散弹噪声等。8.1.2噪声类型通信系统中的噪声可分为以下几种类型：（1）热噪声：由电阻、电容等无源器件内部电子的热运动引起的噪声。（2）散弹噪声：由电子器件内部载流子的随机运动引起的噪声。（3）闪烁噪声：由光电子器件、真空器件等产生的噪声。（4）人为噪声：如电磁干扰、射频干扰等。8.2信道编码与误码纠正为了提高通信系统的抗干扰能力，信道编码技术应运而生。信道编码的主要目的是在传输过程中增加冗余信息，使得接收端能够检测并纠正一定数量的错误。8.2.1信道编码原理信道编码通过对原始数据添加冗余信息，使得传输数据具有一定的纠错能力。常见的信道编码方法有：汉明码、循环冗余校验（CRC）码、卷积码等。8.2.2误码纠正技术误码纠正技术主要包括以下几种：（1）前向纠错（FEC）：接收端利用编码规则，对接收到的数据进行错误检测和纠正。（2）自动重传请求（ARQ）：发送端在发觉错误后，主动重传错误数据。（3）混合纠错：结合前向纠错和自动重传请求，提高通信系统的可靠性。8.3加密与解密技术为了保障通信系统的安全性，加密与解密技术在通信领域得到了广泛应用。本节将介绍通信系统中的加密与解密技术。8.3.1加密技术加密技术是将原始数据（明文）转换为不可识别的数据（密文）的过程。常见的加密算法有：对称加密算法（如AES、DES等）、非对称加密算法（如RSA、ECC等）和哈希算法（如SHA256等）。8.3.2解密技术解密技术是将加密后的数据（密文）恢复为原始数据（明文）的过程。解密过程需要使用相应的解密算法和密钥。拥有合法密钥的用户才能成功解密数据，从而保障通信系统的安全性。通过本章的学习，读者应掌握通信系统的抗干扰技术，包括信道编码、误码纠正以及加密与解密技术，以提高通信系统的可靠性和安全性。第9章通信系统的功能评估9.1通信系统的误码功能9.1.1误码功能概述误码功能是评估通信系统传输质量的重要指标。在本节中，我们将讨论误码功能的基本原理、评估方法和相关功能指标。9.1.2误码率误码率（BitErrorRate,