【大学课件】通信原理与技术

通信原理与技术通信原理与技术是一门研究信息传输和处理的基本原理和技术的学科。它涵盖了从信号处理到网络协议等各个方面。通信基础概念通信系统模型通信系统由信息源、发送机、信道、接收机和信息宿组成。通信方式主要分为单工、半双工和全双工三种方式。信号分类信号可分为模拟信号和数字信号。信道类型信道可分为有线信道和无线信道。信号与信道11.信号信号是信息的载体，可以是电信号、光信号、声信号等。信号传输是指将信号从发送端传输到接收端的过程。22.信道信道是指信号传输的介质，例如电缆、光纤、无线电波等。信道会对信号造成衰减、噪声等影响。33.信号类型信号类型可分为模拟信号和数字信号，模拟信号连续变化，数字信号离散变化。44.信道类型信道类型可分为有线信道和无线信道，有线信道传输距离较短，无线信道传输距离较长，但易受干扰。信号的频域表示信号在频域上的表示，揭示信号的频率成分分布，即信号的频谱。频谱分析可以帮助理解信号的特性，例如信号的带宽、频率成分、能量分布等。傅里叶变换是将信号从时域转换到频域的常用工具，它可以将任何周期性信号分解成不同频率的正弦波之和。信号的能量与功率信号的能量和功率是信号的重要特征，用于描述信号的强度和持续时间。信号能量表示信号在整个时间域内的能量累积，而信号功率表示信号在单位时间内的平均能量。在通信系统中，信号的能量和功率直接影响信号的传输距离、抗干扰能力和信噪比。1能量信号在整个时间域内的能量累积。2功率信号在单位时间内的平均能量。3距离信号的能量越高，传输距离越远。4抗干扰信号的功率越大，抗干扰能力越强。信号的采样与量化1采样将连续信号转化为离散时间信号2量化将离散幅值信号转化为离散幅值信号3编码用数字表示离散幅值信号采样是指将连续信号在时间上离散化，将信号的值在某些时间点上进行测量并记录。量化是指将信号的幅值离散化，将信号的幅值分成若干个不同的等级，每个等级对应一个特定的数字值。通过采样和量化，可以将连续信号转化为数字信号。数字信号与模拟信号模拟信号模拟信号是连续变化的信号，可以表示各种物理量，例如声音、图像和温度。数字信号数字信号是由离散的数字组成的信号，可以表示为0和1的序列，用于计算机和通信系统。模拟信号到数字信号转换模拟信号可以通过采样和量化转换为数字信号，以便在数字系统中处理和传输。编码与调制技术编码将信息转换为适合传输的信号形式。数字编码：将信息转换为数字信号模拟编码：将信息转换为模拟信号调制将信息信号加载到载波信号上。调幅：改变载波信号的幅度调频：改变载波信号的频率调相：改变载波信号的相位应用编码与调制技术在无线通信、有线通信等领域广泛应用。基带信号传输1信号类型基带信号是指包含信息的原始信号，通常是数字信号或模拟信号。2传输介质基带传输通常使用双绞线、同轴电缆或光纤等介质，这些介质适合传输低频信号。3传输方式基带传输采用直接传输方式，不需要进行调制，信号直接在介质上传输。数字基带信号调制调制原理数字基带信号调制将数字信号转换为模拟信号。基带信号是带宽有限的信号，调制后可以扩展到更高的频率，以便通过信道传输。调制过程包括将数字信号的每个符号映射到模拟信号中的一个特定参数，例如幅度、频率或相位。常见类型常见的数字基带信号调制技术包括脉冲幅度调制（PAM）、脉冲宽度调制（PWM）和脉冲位置调制（PPM）。每种调制方式在传输效率、抗噪声性能和带宽需求方面各不相同，根据应用场景选择合适的调制方式。频带传输与调制基带信号基带信号通常指低频信号，直接在传输介质上传输会造成信号衰减和干扰。调制调制将基带信号转换成适合在信道中传输的高频信号，以提高传输效率和距离。频带传输通过调制将基带信号转换为频带信号，再利用频谱资源进行传输，可以有效利用信道容量。调制技术常见的调制技术包括调幅(AM)、调频(FM)和数字调制(如QAM,PSK等)，选择不同的调制技术取决于应用场景和需求。调频调制原理调频（FM）是一种模拟调制技术，利用载波频率随信号的变化而变化。1载波频率变化信号幅度改变载波频率2信息编码音频信号转换为频率变化3传输调制后的信号通过无线电波传播调频调制在广播和无线通信中广泛应用，由于其抗噪声能力强，可提供高保真音频传输。调频接收机结构调频接收机通常包含以下主要部分：天线、低噪声放大器、频率鉴频器、解调器、音频放大器等。天线接收来自发射端的无线电信号。低噪声放大器放大信号并减少噪声。频率鉴频器将频率变化转换为电压变化。解调器恢复原始音频信号。音频放大器放大音频信号以驱动扬声器。正交振幅调制基本原理正交振幅调制，也称为QAM，是将两个独立的信号调制到正交载波上的一种技术。QAM利用载波的振幅和相位来表示数据，从而提高信号的带宽效率。应用场景QAM广泛应用于数字通信系统，例如有线电视、DSL和无线通信。它可以有效地传输大量数据，特别是在高频段和宽带传输中。数字调制技术原理数字信号的调制将数字信号转换成适合在信道中传输的模拟信号。调制与解调调制器将数字信号转换为模拟信号，解调器将模拟信号恢复为数字信号。多种数字调制方法常见数字调制方法包括幅移键控、频移键控和相移键控。信道编码技术提高数据传输可靠性信道编码在数据传输过程中引入冗余信息，通过纠错和检错机制提高数据传输的可靠性。抵抗噪声干扰信道编码可以帮助接收端识别并纠正传输过程中出现的错误，从而提升通信系统的抗噪声能力。优化信号传输效率信道编码可以降低数据传输所需的带宽，提高频谱利用率。信道编码的作用与原理1降低误码率提高数据传输的可靠性2增加传输效率有效利用带宽3提高抗干扰能力抑制噪声和干扰的影响信道编码是一种将数据进行编码的技术，通过在数据中添加冗余信息来提高数据传输的可靠性。它可以降低误码率，增加传输效率，提高抗干扰能力。线性分组码11.结构特点线性分组码将信息比特分成固定长度的块，并添加校验比特，构成码字。22.线性性质满足线性代数运算性质，码字之间可以进行加减运算，并得到新的码字。33.编码效率通过添加校验比特，提高了码字的可靠性，但会降低传输效率。44.应用广泛广泛用于各种通信系统，如卫星通信、移动通信、数据传输等。卷积码编码原理卷积码通过对信息位进行线性运算，生成校验位，然后将信息位和校验位组合在一起进行传输。特点它具有较强的纠错能力，适用于信道条件较差的环境，在无线通信和深空通信中得到了广泛应用。编码结构卷积码的编码器由移位寄存器和模二加法器组成，通过不同的连接方式，可以实现不同的编码方案。解码方法维特比算法是一种常用的卷积码解码方法，它通过搜索最佳路径来恢复原始信息。信道差错检测与纠正1检错码检测传输过程中的错误2纠错码纠正传输过程中的错误3奇偶校验最简单的检错码4海明码常见的纠错码信道差错检测与纠正技术是保证通信系统可靠性的重要手段。检错码可以帮助识别传输过程中的错误，而纠错码则可以修复这些错误。常用的检错码包括奇偶校验码，而海明码是一种常用的纠错码。频谱利用技术频谱资源有限无线电频谱是一种宝贵的自然资源，但可用频段有限，需要合理利用。频谱效率频谱利用技术旨在提高频谱利用率，最大化信息传输容量。频谱管理政府机构负责制定频谱管理政策，分配频谱资源，并确保频谱资源的有效利用。技术创新新的通信技术，如认知无线电和软件定义无线电，可以提高频谱利用率。多址接入技术11.定义多址接入技术是指多个用户共享同一传输介质的方法。22.目的提高频谱利用率，降低通信成本。33.分类常用的多址接入技术包括时分多址、频分多址、码分多址。44.应用广泛应用于移动通信、卫星通信等领域。时分多址接入基础原理时分多址（TDMA）是一种多址接入技术，它将信道时间划分为多个时隙，每个用户分配一个时隙。不同用户在不同的时隙传输数据。确保用户间不会发生信号冲突。时隙分配每个用户在分配的时隙内独占信道，能够以最大速率传输数据。优势与应用TDMA的优点是信道利用率高，能够有效地分配带宽。广泛应用于蜂窝移动通信系统，例如GSM、LTE等。也应用于卫星通信、无线局域网等领域。频分多址接入1频分多址接入（FDMA）在频分多址接入系统中，将整个可用频谱划分为多个子频带，并分配给不同的用户。2频率复用每个用户使用一个专门的频率子带进行通信，彼此之间不会干扰，实现频率复用。典型应用频分多址广泛应用于早期的移动通信系统，例如模拟蜂窝网络。码分多址接入1独一无二的码片序列每个用户分配一个独特的码片序列，类似于个人识别码。2正交码片所有用户的码片序列相互正交，即使在同一时间和频率上使用也能够区分。3扩频技术将数据信号与码片序列相乘，将信号带宽扩展到较宽的频谱范围内。4同步接收接收方使用与发送方相同的码片序列进行同步解扩，恢复原始信号。CDMA的原理是将每个用户的信号乘以一个独特的码片序列进行扩频，然后将所有用户的信号叠加在一起传输。接收方通过相同的码片序列进行解扩，从而分离出每个用户的信号。CDMA技术的优势在于其高效利用频谱资源、抗干扰能力强、安全性高。通信网络体系结构分层结构网络体系结构采用分层结构，将复杂功能分解为独立的层，每层完成特定任务。这种结构便于网络设计、实现和维护。层次间交互各层之间通过协议进行交互，确保信息在不同层之间正确传递，不同层之间的信息传递独立，相互隔离。计算机通信网络体系结构网络体系结构计算机通信网络体系结构是指网络系统中的各个组成部分之间的层次关系和相互作用方式。它定义了网络的功能和协议，使得不同类型的设备能够协同工作，实现数据传输。分层结构计算机通信网络通常采用分层结构，将复杂的功能分解为多个层次，每个层次负责特定的任务，从而简化网络的设计、实现和维护。协议栈每个层次都有一组协议，用于定义数据格式、传输规则和控制机制，确保网络中不同设备之间能够正确地进行通信。OSI参考模型分层结构OSI参考模型将通信系统分为七层，每一层都有明确的职责，例如数据传输、寻址、流量控制等。标准化OSI参考模型提供了一个标准化的框架，帮助不同厂商的设备互操作，促进通信系统的互联互通。模块化设计分层设计使通信系统更易于维护和升级，每个层级可以独立开发和测试。TCP/IP参考模型分层结构TCP/IP参考模型将网络协议分层，每一层负责特定功能。应用层提供用户与网络服务交互的接口，如HTTP、FTP等协议。传输层负责端到端的数据传输，提供可靠性、流量控制和拥塞控制。网络层负责网络数据包的路由和寻址，实现网络互联。物理层技术物理层概述物理层是通信系统中最底层，负责数据在传输介质上的传输。它定义了数