山東大學威海分校通信原理課件張遙老師

通信原理課件通信原理是基礎課程之一,涵蓋了信號分析、信道編碼、調制解調等核心知識點。作為信息技術發(fā)展的基礎,這門課將為學生奠定扎實的通信基礎。課程簡介課程背景本課程旨在為學生提供通信原理的基礎知識和實踐應用。通過對通信系統(tǒng)基本組成、信號特性、信號頻域分析等內容的詳細講解，幫助學生全面理解通信技術的基本原理。課程內容課程涉及信號表示、線性系統(tǒng)分析、調制解調、編碼傳輸?shù)韧ㄐ蓬I域的核心概念和關鍵技術，為學生后續(xù)學習通信工程相關專業(yè)知識奠定基礎。實踐環(huán)節(jié)除理論講授外，本課程還包括實驗操作環(huán)節(jié)，讓學生通過動手實踐加深對通信原理的理解，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力。課程目標掌握通信原理的基礎知識包括信號的表示和分類、線性時不變系統(tǒng)、頻域分析等概念。了解通信系統(tǒng)的基本組成包括發(fā)送端、接收端以及信道的作用和特點。學習常見的調制和編碼技術如調幅、調頻、脈碼調制等，掌握其原理和應用。分析信道編碼和信號噪聲的影響理解信噪比和各種編碼技術的性能指標。主要內容理論基礎包括信號和系統(tǒng)的基本概念、線性時不變系統(tǒng)的特性、傅里葉分析等。通信技術涵蓋調制與解調、信道編碼、多址技術等常用的通信技術。通信系統(tǒng)介紹典型的通信系統(tǒng)結構以及網(wǎng)絡技術的發(fā)展趨勢。技術前沿關注一些前沿通信技術的原理和應用,如5G、物聯(lián)網(wǎng)、軟件定義無線等。通信系統(tǒng)的基本組成信源通信系統(tǒng)的信息來源,包括音頻、視頻、圖像等各種信號。信源能夠產生和輸出需要傳輸?shù)男畔ⅰ０l(fā)送器將信源產生的信號轉換為適合在信道中傳輸?shù)男问?如編碼、調制等。發(fā)送器確保信號可以在信道中傳輸。信道信息傳輸媒體,包括有線和無線,如電纜、光纖、無線電波等。信道承載信號從發(fā)送端傳遞到接收端。接收器接收端對信號進行解調、解碼等處理,還原為原始信息。接收器確保信息可以被正確解譯和使用。信號的表示時域表示通過描述信號在時間上的變化來表示信號。頻域表示通過描述信號在頻率上的分布來表示信號。實數(shù)和復數(shù)表示信號可以用實數(shù)或復數(shù)來表示。復數(shù)表示可以描述幅度和相位信息。各種信號的性質時域特性信號在時間域中的形狀和變化特征,如幅值、頻率、周期等。頻域特性信號在頻率域中的頻譜分布特性,反映信號的頻率成分。連續(xù)性信號可以是連續(xù)型的,也可以是離散型的(脈沖信號)。能量和功率信號的能量和功率特性,反映信號的強度和傳輸性能。線性時不變系統(tǒng)線性性線性系統(tǒng)具有可疊加和比例特性,輸入信號和輸出信號之間存在線性關系。時不變性時不變系統(tǒng)的特性不隨時間變化,即系統(tǒng)的響應只與輸入信號的差異有關。優(yōu)勢線性時不變系統(tǒng)更易于分析和設計,可以應用傅里葉分析等數(shù)學工具進行研究。應用線性時不變系統(tǒng)廣泛應用于通信、信號處理、自動控制等領域。卷積積分1輸入信號需要分析的輸入信號2系統(tǒng)響應根據(jù)系統(tǒng)特性計算輸出響應3卷積積分通過一維卷積積分得出最終輸出卷積積分是描述線性時不變系統(tǒng)輸出響應的重要工具。通過將輸入信號與系統(tǒng)的沖擊響應函數(shù)進行卷積運算,就可以得到系統(tǒng)的時域輸出信號。該方法適用于各種類型的輸入信號和系統(tǒng),是分析和設計通信系統(tǒng)的基礎。頻域分析頻譜圖分析頻譜圖可以直觀地展現(xiàn)信號在頻率域上的能量分布情況。通過分析信號的頻譜特性,可以更好地理解信號的性質和特征。頻域分析的基礎傅里葉分析是頻域分析的基礎,它可以將時域信號分解為不同頻率的正弦波信號的疊加。濾波器的頻域分析頻域分析還可以用于分析濾波器的頻響特性,了解濾波器對不同頻率信號的傳輸和抑制情況。傅里葉級數(shù)周期信號分析傅里葉級數(shù)可將任意周期信號表示為正弦波和余弦波的無窮級數(shù)之和。這種分析方法有助于深入理解周期信號的結構和特性。諧波分析傅里葉級數(shù)展現(xiàn)了周期信號中的諧波成分,使我們能更好地理解信號的頻譜特性,為后續(xù)的頻域分析奠定基礎。信號重構通過傅里葉級數(shù)的收斂性,我們可以利用少量諧波成分就能逼近甚至恢復原始的周期信號,這在信號處理中有廣泛應用。傅里葉變換信號分解通過傅里葉變換，可以將復雜信號分解為許多正弦和余弦波的疊加。頻域分析傅里葉變換可以將時域信號轉換到頻域進行分析和處理。頻譜表示傅里葉變換可以得到信號的頻譜表示,為信號的分析和濾波提供依據(jù)。信號的功率譜密度功率譜密度描述了信號在不同頻率上的功率分布情況。它反映了信號中各頻率分量的相對重要性。通過分析信號的功率譜密度，可以了解信號中頻率分量的特點，從而更好地分析和處理信號。該圖展示了一個信號的功率譜密度特性?？梢钥吹?信號的大部分功率集中在低頻區(qū)域,隨著頻率的升高,功率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。這反映了該信號主要由低頻成分組成。采樣定理1最低采樣頻率采樣頻率必須至少是信號最高頻率的兩倍,才能對模擬信號進行完整的數(shù)字化表示。2避免失真若采樣頻率過低,會導致高頻信號在數(shù)字化后產生偽像和混淆,即"混疊"現(xiàn)象。3時域窗口采樣時間間隔足夠小,可以捕獲信號的細節(jié)變化,確保時域信息的準確性。4頻域窗口采樣頻率足夠高,可以獲取完整的頻譜信息,充分表達信號的頻域特征。量化和編碼1量化將連續(xù)信號離散化,分成有限個電平,以數(shù)字形式表示。這樣可以簡化信號傳輸和處理。2編碼將量化后的數(shù)字信號轉換為特定的二進制編碼,如脈碼調制(PCM)和差分脈碼調制(DPCM)。3量化噪聲由于量化過程引入的誤差,會產生量化噪聲,需要合理設置量化電平數(shù)來控制噪聲。4編碼效率合理的編碼方式可以提高信號傳輸?shù)男屎唾|量,減少帶寬和功率的消耗。噪聲概念噪聲種類噪聲分為熱噪聲、電子噪聲、射頻噪聲等多種類型,每種噪聲都有不同的特征和影響。噪聲產生原因噪聲來源于各種電子元件和電路的電子隨機運動,以及外部環(huán)境的干擾。識別噪聲源是降噪的關鍵。噪聲的影響噪聲會降低通信系統(tǒng)的信號質量和通信效率,嚴重時甚至會導致通信失敗。因此需要采取有效措施來抑制噪聲。降噪方法常見的降噪方法包括使用濾波器、改善電路設計、采用低噪聲元件等。選擇合適的降噪方案需要針對不同噪聲類型進行分析。信噪比信噪比是衡量通信系統(tǒng)性能的重要指標。它表示信號功率與噪聲功率的比值,通常以分貝(dB)為單位。信噪比越高,表示信號越清晰,抗干擾能力越強。信號功率噪聲功率信噪比1瓦0.1瓦10dB1瓦0.01瓦20dB1瓦0.001瓦30dB通信系統(tǒng)的抗干擾能力通常需要SNR在10dB以上。更高的SNR可以提高通信的可靠性和數(shù)據(jù)傳輸速率。信號分類模擬信號連續(xù)的物理量，如電壓或電流，可以表示為無限多個離散值。數(shù)字信號只能取有限的離散值，如0和1,可以用二進制表示。時域信號信號的幅值隨時間變化,可以描述信號的特性。頻域信號信號的頻譜分布,可以分析信號的頻率特性。調制原理1調制的基本原理調制是將輸入信號的某個特性與高頻載波進行某種形式的對應變換的過程。常用的調制方式有幅度調制、頻率調制和相位調制。2幅度調制通過改變載波的幅度來攜帶信息,簡單易實現(xiàn),但抗噪性能較差。廣泛應用于廣播電臺等。3頻率調制通過改變載波的頻率來攜帶信息,抗噪性能較好,但實現(xiàn)相對復雜。廣泛應用于調頻廣播和窄帶調頻通信系統(tǒng)中。調幅通信調幅通信原理調幅是通過改變載波信號的振幅來傳輸信息的一種調制方式。信號通過調制器與載波相乘,產生具有信號特征的調制波。調幅通信系統(tǒng)組成調幅通信系統(tǒng)主要包括信源、調制器、信道、解調器和信宿等部分,組成了完整的通信鏈路。調幅通信設備調幅通信設備如收音機、對講機等廣泛應用于日常生活中,提供了基本的語音通信服務。調頻通信頻率調制調頻通信是通過改變載波頻率來傳輸信號的一種方式。它具有良好的抗噪聲性能和頻譜利用率。帶寬利用相比于振幅調制，調頻通信可以更好地利用頻帶資源。它能夠在有限帶寬內傳輸更多信息。應用領域調頻通信廣泛應用于廣播電臺、調頻收音機、移動電話、衛(wèi)星通信等領域。它是最常見的模擬通信技術之一。數(shù)字通信基礎數(shù)字信號的特點數(shù)字信號以離散的方式表示信息,具有可靠性高、傳輸距離遠、隱私性強等特點,廣泛應用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)中。數(shù)字調制技術常見的數(shù)字調制方式包括脈碼調制(PCM)、相移鍵控(PSK)和正交振幅調制(QAM)等,各有優(yōu)缺點。數(shù)字編碼與復用為提高傳輸效率,需要對數(shù)字信號進行編碼和復用技術,如時分復用(TDM)和頻分復用(FDM)。數(shù)字信道特性數(shù)字信道具有噪聲、失真和延遲等特性,需要采取有效的檢測和糾錯措施。脈碼調制1采樣脈碼調制首先將連續(xù)時間信號進行采樣,將信號離散化為一系列脈沖序列。2量化采樣后的脈沖信號被量化成有限級別的離散幅值,以便于后續(xù)的數(shù)字編碼。3編碼量化后的脈沖被編碼成二進制數(shù)字序列,從而實現(xiàn)了信號的數(shù)字化轉換。4傳輸編碼后的數(shù)字信號可以通過數(shù)字傳輸通道進行高效傳輸。基帶傳輸基帶信號傳輸基帶傳輸直接利用源信號進行傳輸,無需調制,可以最大限度地保持信號的原始形態(tài),適用于近距離、低數(shù)據(jù)率的通信系統(tǒng)?？乖肽芰鶐鬏斠资茉肼暩蓴_,需要采取編碼、調制等技術提高抗噪性。如使用曼徹斯特編碼可以提高抗噪性。帶寬利用效率基帶傳輸信號帶寬利用率較高,有利于提高頻譜利用率,但傳輸距離受限。需根據(jù)具體應用場景權衡帶寬和傳輸距離。差分相移鍵控信號調制差分相移鍵控(DPSK)是一種常見的數(shù)字調制技術,通過改變相位來表示信息。相位變化DPSK中,相位的變化不是根據(jù)當前比特值,而是根據(jù)前一個比特值。數(shù)字通信DPSK適用于數(shù)字通信系統(tǒng),能提高抗噪性能,降低誤碼率。正交振幅調制高譜效率正交振幅調制能夠在有限的頻率帶寬內傳輸更多的信息,提高了頻譜利用率?？垢蓴_能力強QAM信號具有良好的抗噪聲能力,能夠有效抑制信號中的干擾。靈活的調制方式QAM可以根據(jù)實際需求靈活調整調制階數(shù),兼顧了傳輸速率和可靠性。相關器和碼匹配濾波器相關器相關器是一種數(shù)字信號處理技術,用于識別輸入信號中與預定義模式相匹配的部分。它在通信系統(tǒng)中廣泛應用于同步和信號檢測等關鍵功能。碼匹配濾波器碼匹配濾波器是一種特殊的相關器,它利用已知的碼型對信號進行濾波,以提高信號檢測的可靠性。在數(shù)字通信中,它對于提高抗噪性和抗干擾能力至關重要。在通信系統(tǒng)中的應用相關器和碼匹配濾波器廣泛應用于同步信號檢測、擴頻通信、雷達和導航系統(tǒng)等,是實現(xiàn)高性能數(shù)字通信系統(tǒng)的關鍵技術。信道編碼錯誤檢查信道編碼通過添加冗余位來檢測和糾正傳輸過程中的錯誤,提高信號的可靠性。提高抗噪性編碼技術可以使信號更加抗