【大学课件】信息学院电子工程系课件 通信技术

通信技术通信技术是现代社会不可或缺的一部分，它将人们、信息和设备连接在一起。它涵盖了从无线电到光纤，从手机到互联网的各种技术，为我们带来了便利、信息和娱乐。通信系统概述无线通信技术无线通信技术，如移动通信、卫星通信和无线局域网，已成为现代社会不可或缺的一部分，为人们提供便捷的沟通和信息服务。光纤通信网络光纤通信网络以其高速、低损耗、高容量等优势，成为现代通信网络的主流，为数据传输提供高速通道。互联网数据中心互联网数据中心，简称IDC，是互联网通信的基础设施，为各种互联网应用提供数据存储、计算和网络服务。信号与系统信号是信息的载体，是描述随时间或空间变化的物理量。系统是对信号进行处理的装置或过程。信号与系统是通信技术的基础，涵盖了信号的产生、传输、处理和应用等方面。信号分类1模拟信号模拟信号是连续变化的信号，例如语音、音乐和视频等。2数字信号数字信号是由离散数值表示的信号，例如计算机数据和数字音频等。3周期信号周期信号是重复出现的信号，例如正弦波和方波等。4非周期信号非周期信号是不会重复出现的信号，例如脉冲信号和随机噪声等。信号傅里叶分析傅里叶级数周期信号可以用不同频率正弦波的线性组合来表示。每个正弦波的振幅和相位由傅里叶系数决定。傅里叶变换将非周期信号分解成不同频率的正弦波，每个频率分量由傅里叶变换结果表示。频谱分析傅里叶变换后的结果称为信号的频谱，它展示了信号中不同频率分量的能量分布。连续信号傅里叶变换连续信号傅里叶变换将时间域中的信号转换为频率域中的信号。傅里叶变换揭示了信号的频率成分，帮助分析信号的频谱特性。1频谱显示信号中不同频率成分的强度。2频率成分每个频率成分的强度和相位信息。3频域分析识别信号中的主要频率成分。4滤波通过滤除特定频率成分来修改信号。离散信号傅里叶变换离散信号傅里叶变换(DFT)是一种将离散时间信号分解成不同频率分量的数学工具。DFT在数字信号处理中非常重要，因为它允许我们将信号表示为一系列复指数，这些指数对应于信号中的不同频率。这有助于我们分析、处理和合成信号。DFT的应用包括：音频和图像压缩、滤波器设计、频谱分析和数字通信。信号取样信号取样是指将连续时间信号转换为离散时间信号的过程。1采样频率采样频率必须满足奈奎斯特采样定理2采样信号离散时间信号，可以被存储和处理3重构信号利用采样信号，可以重建原始信号奈奎斯特采样定理保证了采样频率足够高，可以从采样信号中恢复原始信号。脉码调制数字信号处理脉码调制将数字信号转换为模拟信号。它将数字信息转换为模拟信号，方便在模拟信道上传输。不同调制方式脉码调制有多种方式，包括脉冲幅度调制（PAM）、脉冲宽度调制（PWM）和脉冲位置调制（PPM）。模拟通信系统模拟通信系统使用连续的信号来表示信息，信号的幅度和频率随时间变化。模拟通信系统具有低成本、实现相对容易等优点，但抗噪声能力较差，传输效率低，在许多应用中已逐渐被数字通信系统所取代。数字通信系统数字通信系统使用数字信号传输信息，包括数字调制解调、信道编码、差错控制等技术。数字通信系统具有抗干扰能力强、保密性好、易于实现数据处理等优点，广泛应用于现代通信领域。信道编码信道编码将信息比特转换为码字，增加数据传输的可靠性，有效抵抗信道噪声的影响。纠错码在接收端检测并纠正传输过程中的错误，确保数据完整性。常见编码方案汉明码循环码卷积码信道模型信道模型是描述信号在传输过程中受到影响的数学模型。它考虑各种因素，例如信号衰减、多径传播和噪声。模型类型描述瑞利衰落信道适用于无线环境，信号强度随机变化莱斯衰落信道包含直射路径和多径传播，信号强度存在强信号成分平坦衰落信道信号带宽小于信道带宽，信号不发生失真频率选择性衰落信道信号带宽大于信道带宽，信号发生失真数字信号的传输1信道编码将数字信号转换为适合在信道中传输的形式2调制将数字信号调制到载波上3传输通过信道发送调制后的信号4解调在接收端恢复原始数字信号5信道解码还原原始信息数字信号的传输需要经过一系列的处理步骤，以确保信号能够在信道中可靠地传输。信道编码可以提高信号的抗干扰能力，调制技术可以将数字信号转换为适合在信道中传输的模拟信号，传输则是将信号发送到接收端，解调则是将接收到的信号恢复为数字信号，信道解码则可以还原原始信息。调制解调技术信号调制将数字信号转换为模拟信号，以便在模拟信道上传输调制器实现信号调制功能的电子设备，将数字信号转换成模拟信号信号解调将接收到的模拟信号还原为数字信号，完成信号的解调解调器实现信号解调功能的电子设备，将模拟信号转换成数字信号扩频技术基本概念扩频技术是一种将窄带信号扩展到更宽频带的传输技术，通过将原始信号的带宽进行扩展，使信号更加不容易受到干扰，提升信号的抗干扰能力和安全性。应用场景扩频技术广泛应用于军事通信、卫星导航、移动通信等领域，例如，GPS、GSM、CDMA等技术都采用了扩频技术。多址接入技术频分多址FDMA将频谱划分为多个子频带，每个用户分配一个唯一的子频带。时分多址TDMA将时间划分为多个时间片，每个用户分配一个时间片，依次使用。码分多址CDMA使用不同的码序列来区分不同的用户，每个用户使用唯一的码序列。空分多址SDMA利用不同的天线来分离不同用户，每个用户分配一个唯一的空间通道。移动通信系统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。移动通信系统通常由基站、移动台和核心网络组成。移动台，例如手机，通过无线电波与附近的基站进行通信。基站连接到核心网络，核心网络负责管理移动台的呼叫和数据传输。移动通信系统的发展历程可以追溯到第一代模拟移动通信系统。随着技术的进步，移动通信系统不断发展，已经经历了从模拟到数字、从低速率到高速率的演变。第一代移动通信系统1技术特点第一代移动通信系统采用模拟信号传输，主要技术包括AMPS、TACS和NMT等。主要用于语音通话，带宽有限，通话质量较差，安全性较低，并存在严重的频谱利用率低问题。2应用场景第一代移动通信系统主要用于语音通话，主要应用于个人移动通信，例如手机。3发展历程第一代移动通信系统于20世纪80年代初期开始发展，并在20世纪90年代达到高峰，随后逐渐被第二代移动通信系统取代。第二代移动通信系统1GSM全球移动通信系统2TDMA时分多址接入3CDMA码分多址接入4GPRS通用分组无线业务第二代移动通信系统是第一代模拟通信系统的升级版，它采用数字信号传输，提供更高的语音质量和更强的抗干扰能力。GSM和TDMA是第二代移动通信系统的两种主要技术标准。CDMA是一种更先进的无线通信技术，它能够在同一频段上同时传输多个信号。GPRS是基于GSM网络的无线数据传输技术，它提供高速数据传输能力。第三代移动通信系统13G技术第三代移动通信系统（3G）于20世纪90年代后期开始发展，并于21世纪初开始商用。3G系统提供比2G更高的数据速率，能够支持语音通话、短信、移动互联网接入和视频通话等服务。2主要技术3G系统使用宽带码分多址(WCDMA)、时分同步码分多址(TD-SCDMA)和高数据速率分组接入(HSPA)等技术，以提高数据传输速度和容量。33G发展3G系统的出现改变了人们的通信方式，促进了移动互联网和移动应用的发展。3G技术在数据传输速度、服务质量和用户体验方面取得了显著进步。第四代移动通信系统1高速率峰值速率可达100Mbps2低延迟响应时间小于50毫秒3高容量支持更多用户和设备连接4移动性支持高速移动场景第四代移动通信系统是第三代移动通信系统的升级，它采用更加先进的通信技术，实现了更高的数据传输速率、更低的延迟和更大的网络容量。第四代移动通信系统支持更高速的移动场景，例如高速行驶的汽车和高速移动的火车。5G技术高速率、低延迟5G技术提供极高的数据传输速率，并显著降低传输延迟，为实时应用和高带宽服务提供了坚实基础。大容量、高连接5G网络能够支持大量设备同时连接，并提供可靠的连接质量，为物联网、车联网等应用场景奠定了基础。应用场景丰富5G技术广泛应用于智能制造、智慧城市、远程医疗、无人驾驶等领域，推动着社会经济的数字化转型。物联网通信技术连接万物物联网通过无线网络连接各种设备、传感器和系统，实现实时数据传输和交互。数据分析收集来自设备和环境的数据，进行分析和处理，从而获得洞察力和做出明智的决策。智能应用通过物联网技术实现智能家居、智慧城市、工业自动化等各种应用，提高效率和生活质量。未来趋势物联网与人工智能、云计算等技术的融合，将推动更广泛和更深入的应用。超高频RFID技术超高频RFID标签超高频RFID标签具有体积小、成本低、读取距离远等特点，适用于各种场景的物品识别和追踪。超高频RFID读写器超高频RFID读写器能快速、准确地识别和读取标签信息，并与其他系统集成。应用场景超高频RFID广泛应用于物流管理、仓储管理、资产追踪、人员管理等领域，提高效率和安全性。蓝牙技术蓝牙技术是一种无线个人区域网络(WPAN)技术，允许不同设备在短距离内互相通信。蓝牙使用短距离无线电波在不同设备之间进行数据传输，支持多种设备，例如手机、电脑、耳机、智能家居等。蓝牙技术提供可靠的连接，适用于多种应用场景，例如数据传输、语音通话、音频流、文件共享、控制设备等等。无线传感网络无线传感器网络（WSN）由大量分布式部署的传感器节点组成，这些节点通过无线通信进行互联。WSN应用广泛，例如环境监测、智慧农业、智能家居、工业自动化等领域，能够收集实时数据并进行数据处理。光通信技术高带宽光纤通信具有巨大的带宽，可以传输大量数据，满足现代高速通信的需求。低损耗光纤通信的传输损耗非常低，能够实现远距离传输，为长距离通信提供可靠的解决方案。抗干扰光纤通信不受电磁干扰的影响，确保通信的稳定性和可靠性，适合于各种复杂环境。量子通信技术11.量子密钥分发量子密钥分发使用量子力学原理，实现安全的密钥交换，有效解决传统加密算法面临的安全性问题。22.量子隐形传态通过量子纠缠特性，将量子态从一个地方传输到另一个地方，无需物理传递信息载体。33.量子计算量子计算机能够执行经典计算机无法完成的任务，解决复杂的科学和工程问题。