【大学课件】无线通信工程

无线通信工程欢迎来到无线通信工程课程！绪论无线通信概述无线通信是信息传输的一种重要方式，它利用电磁波在空间传播来实现信息的传递。技术发展无线通信技术经历了从模拟到数字、从低速率到高速率的快速发展。应用领域无线通信广泛应用于各个领域，如移动通信、卫星通信、无线局域网等。1.1无线通信的发展历程119世纪末无线电技术诞生220世纪初广播和电视兴起320世纪70年代移动电话问世421世纪至今移动互联网和物联网的快速发展1.2无线通信的应用领域日常生活手机、平板电脑、无线耳机等设备都是无线通信的典型应用，为人们的日常生活提供了便捷和娱乐。工业生产无线传感器网络、无线控制系统等在工业生产中得到广泛应用，提高生产效率和安全性。医疗保健无线医疗设备、远程医疗等应用为医疗保健提供了新的可能性，提高医疗服务质量和效率。公共安全无线报警系统、视频监控系统等在公共安全领域发挥着重要作用，保障社会稳定和安全。1.3无线通信课程的教学目标和内容掌握无线通信的基本理论和技术。了解无线通信系统的设计和应用。培养分析和解决无线通信问题的能力。无线电波的传播原理电磁波无线电波是电磁波的一种，它在空间中以光速传播，具有波粒二象性。传播方式无线电波的传播主要有三种方式：地波传播、天波传播和空间波传播。电磁波的基本特性1横波特性电场和磁场互相垂直，且垂直于传播方向。2速度恒定在真空中传播速度为光速，约为3×108m/s。3频率和波长频率和波长成反比，频率越高，波长越短。自由空间中的电磁波传播1电磁波的传播电磁波以光速传播2衰减随着距离增加，信号强度下降3路径损耗与距离平方成反比电磁波在自由空间中传播时，其能量会随着距离的增加而衰减，这种衰减被称为路径损耗。路径损耗与距离的平方成反比，这意味着距离越远，信号强度下降越快。路径损耗是无线通信系统设计中必须考虑的一个重要因素。2.3电离层和地球反射的影响电离层电离层是地球大气层的一部分，位于平流层之上，热层之下。它包含大量的带电粒子，能够反射无线电波。地球反射无线电波在传播过程中会遇到各种障碍物，例如建筑物，山脉和水体，这些障碍物会反射无线电波。2.4衰落和干扰信号衰落是指无线信号在传播过程中，由于各种因素导致信号强度减弱的现象。干扰是指来自其他无线设备或自然环境的噪声，导致接收信号失真的现象。3.调制与解调技术无线通信中的关键调制和解调是无线通信系统中的关键技术，它们将信息信号转换为适合在无线信道中传输的信号形式，并恢复原始信息信号。信号转换调制是指将信息信号（如音频或视频）转换为适合在无线信道中传输的无线电波，而解调则是将无线电波还原为原始信息信号的过程。3.1模拟调制技术1幅度调制利用载波的幅度变化来传递信息。2频率调制利用载波的频率变化来传递信息。3相位调制利用载波的相位变化来传递信息。3.2数字调制技术脉冲幅度调制PAM是一种将数字信息转换为模拟信号的技术，它通过改变脉冲幅度来表示二进制数据。脉冲位置调制PPM是一种将数字信息转换为模拟信号的技术，它通过改变脉冲位置来表示二进制数据。脉冲宽度调制PWM是一种将数字信息转换为模拟信号的技术，它通过改变脉冲宽度来表示二进制数据。脉冲编码调制PCM是一种将模拟信号转换为数字信号的技术，它将模拟信号数字化。3.3常见的数字调制方式振幅移相键控(ASK)通过改变载波信号的振幅来表示不同的数字信息。频率移相键控(FSK)通过改变载波信号的频率来表示不同的数字信息。相位移相键控(PSK)通过改变载波信号的相位来表示不同的数字信息。正交振幅调制(QAM)同时改变载波信号的振幅和相位来表示不同的数字信息。4.多址接入技术频分多址(FDMA)将频谱划分为多个频段，每个用户占用一个频段。时分多址(TDMA)将时间划分为多个时隙，每个用户占用一个时隙。码分多址(CDMA)每个用户使用不同的编码序列，并将其叠加到同一频率上。4.1频分多址接入频分多址(FDMA)将可用频谱划分为多个非重叠的频率段，每个用户分配一个独立的频率段进行通信。频谱分配每个用户在分配的频率段内进行发射和接收，避免信号相互干扰。独立通信不同用户可以在同一时间段使用各自的频率进行通信，实现同时通信。4.2时分多址接入概念时分多址(TDMA)是一种将时间资源分配给多个用户的技术。每个用户在特定的时间段内独占整个信道带宽。工作原理TDMA系统将时间划分为多个时隙。每个时隙分配给一个特定的用户，用户可以在其时隙内传输数据。时隙的排列和分配由控制信道管理。4.3码分多址接入独特的编码每个用户分配一个唯一的码片序列，实现同时传输数据。正交性不同用户的码片序列相互正交，避免相互干扰。高容量支持大量用户同时接入，提高系统容量和效率。5.信道编码技术信道编码的必要性通信信道中存在噪声和干扰，会导致数据传输错误，影响数据质量。信道编码技术通过增加冗余信息来提高数据的可靠性。常见的信道编码方式常见的信道编码方式包括线性分组码、卷积码、Turbo码、LDPC码等，每种编码方式都有其独特的优点和缺点。5.1信道编码的必要性抗干扰能力在无线信道中，信号会受到各种噪声和干扰的影响，导致数据传输错误。数据丢失信道编码可以有效地降低传输错误率，保证数据的完整性和可靠性。5.2常见的信道编码方式卷积码广泛用于移动通信系统，具有良好的纠错能力，可用于处理各种噪声干扰。分组码常用在数据传输，具有较高的纠错能力，但编码复杂度较高。Turbo码近年来发展的一种新兴编码技术，性能接近香农极限，可用于高数据速率和低误码率的通信场景。LDPC码具有低复杂度和高性能，适用于无线通信、存储等领域。5.3信道编码性能分析不同的信道编码方案具有不同的误码率性能。移动通信系统移动通信系统是指能够在移动状态下进行通信的系统，是现代社会中不可或缺的一部分。移动性用户可以在移动状态下进行通信，不受固定地点的限制。无线接入用户通过无线电波与网络进行连接，无需有线连接。蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统将覆盖区域划分为多个小区，每个小区都有一个基站，通过基站与移动用户进行通信。每个小区使用不同的频率或时隙，以避免不同小区之间的干扰。当用户在不同小区之间移动时，系统会自动进行切换，确保通信质量。移动通信网络结构基站负责与用户终端通信，并与核心网络进行连接。核心网络负责管理用户数据，提供各种移动通信服务。用户终端包括手机、平板电脑等，用于访问移动通信网络。2G/3G/4G/5G技术12G第二代移动通信技术，主要以GSM和CDMA为代表，提供语音和基本数据服务。23G第三代移动通信技术，如WCDMA和EV-DO，提供了高速数据传输，支持移动互联网。34G第四代移动通信技术，以LTE和WiMAX为代表，具备更高速度和更低延迟，支持高清视频和在线游戏。45G第五代移动通信技术，具有超高速率、超低延迟和高容量的特点，支持物联网、云计算和车联网等新兴应用。7.无线局域网和物联网无线局域网技术无线局域网（WLAN）是一种利用无线电波进行数据传输的局域网络技术。物联网技术物联网（IoT）是通过互联网连接各种物理设备，实现信息共享和交互的网络技术。7.1无线局域网技术WLAN(WirelessLocalAreaNetwork)是一种使用无线电波在局域网内进行数据传输的技术。WLAN通过无线路由器连接设备，提供无线接入点，方便用户在室内或室外使用。常见的WLAN应用包括手机、笔记本电脑、平板电脑等设备的无线网络连接。7.2物联网技术传感器网络物联网设备使用传感器收集数据，例如温度、湿度、压力等。无线通信物联网设备通过无线网络连接，例如Wi-Fi、蓝牙或蜂窝网络。数