《通信原理·復(fù)習(xí)》課件

通信原理-復(fù)習(xí)掌握通信原理的基礎(chǔ)知識(shí),為后續(xù)的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。本次復(fù)習(xí)將重點(diǎn)介紹通信系統(tǒng)的組成、信號(hào)表示以及各種通信技術(shù)。M課程概述通信原理的重要性通信原理是電子信息工程領(lǐng)域的核心基礎(chǔ)課程,是后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)。了解通信原理對(duì)未來從事通信技術(shù)相關(guān)工作至關(guān)重要。課程內(nèi)容概括本課程涵蓋通信信號(hào)、系統(tǒng)建模、調(diào)制技術(shù)、信源編碼、信道編碼、多址接入等通信原理的基本概念和相關(guān)理論。學(xué)習(xí)目標(biāo)通過本課程的學(xué)習(xí),學(xué)生能夠掌握通信原理的基本知識(shí),并應(yīng)用于實(shí)際通信系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。通信基礎(chǔ)概念信號(hào)傳輸信號(hào)的編碼、傳輸和接收是通信的基礎(chǔ)。信號(hào)可以是電磁波、聲波或光波等各種形式。噪聲干擾在信號(hào)傳輸過程中,必須面對(duì)各種噪聲源的干擾,如熱噪聲、外界電磁干擾等。信道特性通信信道的傳輸特性,如帶寬、信號(hào)衰減、多徑傳播等都會(huì)影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量。信號(hào)和系統(tǒng)信號(hào)的定義信號(hào)是包含信息的物理量,如電壓、電流或聲壓等,是通信系統(tǒng)中的基本單元。信號(hào)可以是連續(xù)的也可以是間斷的。系統(tǒng)的定義系統(tǒng)是一種具有特定功能的結(jié)構(gòu),用于處理和傳輸信號(hào)。系統(tǒng)可以是線性或非線性、時(shí)不變或時(shí)變。信號(hào)與系統(tǒng)的關(guān)系信號(hào)通過系統(tǒng)進(jìn)行傳輸和處理,系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)輸入信號(hào)施加變換,產(chǎn)生輸出信號(hào)。線性時(shí)不變系統(tǒng)線性系統(tǒng)特征線性時(shí)不變系統(tǒng)具有輸入與輸出成線性關(guān)系的特性,可以通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。時(shí)不變性質(zhì)時(shí)不變系統(tǒng)的特性不會(huì)隨時(shí)間而改變,這使得系統(tǒng)的分析和處理更加簡(jiǎn)單高效。系統(tǒng)分析方法利用傅里葉分析、卷積、拉普拉斯變換等工具,可以深入研究線性時(shí)不變系統(tǒng)的性質(zhì)。傅里葉級(jí)數(shù)與變換傅里葉級(jí)數(shù)通過分解周期性信號(hào)為無窮個(gè)正弦和余弦函數(shù)的線性組合，可以更好地分析和理解復(fù)雜信號(hào)的內(nèi)在特性。傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域，可以更清晰地了解信號(hào)的頻譜分布和能量特性，為后續(xù)信號(hào)處理提供重要依據(jù)。連續(xù)與離散針對(duì)連續(xù)時(shí)間信號(hào)和離散時(shí)間信號(hào)分別建立了連續(xù)時(shí)間傅里葉變換和離散時(shí)間傅里葉變換理論。采樣與量化1連續(xù)信號(hào)采樣將連續(xù)時(shí)間信號(hào)離散化為一系列樣本點(diǎn)，滿足奈奎斯特采樣定理以避免失真。2量化與編碼每個(gè)采樣值被分配到最近的離散量化級(jí)別，并用數(shù)字編碼表示，形成數(shù)字信號(hào)。3信號(hào)重構(gòu)利用插值技術(shù)從離散采樣值重構(gòu)原始連續(xù)信號(hào)，盡量減小采樣和量化引入的失真。調(diào)制概論什么是調(diào)制調(diào)制是一種將信號(hào)特性映射到載波信號(hào)上的過程。其目的是將信息信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)距離或者滿足信道特性需求。調(diào)制技術(shù)類型常見的調(diào)制技術(shù)有振幅調(diào)制(AM)、角度調(diào)制(FM/PM)和數(shù)字調(diào)制等。每種技術(shù)都有其特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)調(diào)制技術(shù)建立在信號(hào)分析、系統(tǒng)分析和通信原理等基礎(chǔ)之上。了解這些基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)掌握調(diào)制技術(shù)很重要。調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用調(diào)制技術(shù)廣泛應(yīng)用于無線通信、有線通信、廣播電視、雷達(dá)等各種通信系統(tǒng)中。是現(xiàn)代通信不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。振幅調(diào)制基本原理振幅調(diào)制是通過改變載波信號(hào)的幅度來編碼信息的一種調(diào)制方式。信號(hào)幅度的變化與調(diào)制信號(hào)的幅度成正比。接收與解調(diào)接收機(jī)利用檢波電路可以從載波信號(hào)中解調(diào)出原始信息信號(hào)。解調(diào)過程去除了載波并恢復(fù)了原始信號(hào)。應(yīng)用場(chǎng)景振幅調(diào)制廣泛應(yīng)用于廣播電臺(tái)、電視臺(tái)以及無線電通信系統(tǒng)等領(lǐng)域,是模擬通信的基礎(chǔ)技術(shù)之一。角度調(diào)制頻率變化角度調(diào)制（AM）通過調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)頻率來實(shí)現(xiàn)信息傳輸。信號(hào)振幅保持不變，但其瞬時(shí)頻率隨調(diào)制信號(hào)變化。相位變化AM調(diào)制實(shí)際上是將調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)相位變化的載波信號(hào)。相位的變化幅度與調(diào)制信號(hào)的幅度成正比。帶寬效率與振幅調(diào)制相比，角度調(diào)制具有更高的帶寬效率。單邊帶調(diào)制可以進(jìn)一步提高帶寬利用率。數(shù)字調(diào)制1基于振幅的數(shù)字調(diào)制包括ASK(振幅移鍵)等,利用信號(hào)波形的幅度來編碼數(shù)字信息,靈活易實(shí)現(xiàn)。2基于相位的數(shù)字調(diào)制包括PSK(相移鍵控)等,利用信號(hào)波形的相位來編碼數(shù)字信息,抗噪性強(qiáng)。3基于頻率的數(shù)字調(diào)制包括FSK(頻移鍵控)等,利用信號(hào)波形的頻率來編碼數(shù)字信息,抗干擾能力好。4正交調(diào)制技術(shù)如QAM(正交幅度調(diào)制),利用振幅和相位的正交組合,提高了譜利用率。信噪比與信道容量10dB信噪比常用單位為分貝(dB)，描述信號(hào)功率與噪聲功率的比值300Mbps信道容量描述信道在給定信噪比下的最大數(shù)據(jù)傳輸速率2編碼效率信息編碼壓縮的理論極限是1/20.5信道利用率實(shí)際編碼和調(diào)制技術(shù)的效率遠(yuǎn)低于理論上限信源編碼數(shù)字信號(hào)壓縮通過編碼壓縮數(shù)字信號(hào)，提高傳輸和存儲(chǔ)效率。常見技術(shù)包括熵編碼、預(yù)測(cè)編碼和變換編碼。語音編碼用于壓縮語音信號(hào)的編碼技術(shù),如線性預(yù)測(cè)編碼和音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)如G.711、G.726等。圖像編碼用于壓縮圖像數(shù)據(jù)的編碼技術(shù),如離散余弦變換編碼、小波變換編碼和新一代的HEVC編碼。視頻編碼用于壓縮視頻信號(hào)的編碼標(biāo)準(zhǔn),如MPEG-2、H.264和H.265,能有效減少視頻數(shù)據(jù)量。信道編碼目的信道編碼的主要目的是提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?減少由于信道噪聲和干擾而導(dǎo)致的傳輸錯(cuò)誤。原理通過為原始數(shù)據(jù)添加冗余位,能夠在接收端檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤,從而提高整體的通信質(zhì)量。常見編碼技術(shù)包括卷積編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)(CRC)、低密度奇偶校驗(yàn)(LDPC)以及Turbo編碼等。應(yīng)用場(chǎng)景信道編碼廣泛應(yīng)用于無線通信、光通信、數(shù)字存儲(chǔ)等領(lǐng)域,以提高對(duì)抗信道噪聲的能力。編碼調(diào)制技術(shù)數(shù)字調(diào)制利用數(shù)字信號(hào)調(diào)整載波的幅度、相位或頻率來傳輸數(shù)字信息。常見如ASK、FSK和PSK等調(diào)制方式。模擬調(diào)制將模擬信號(hào)直接用來調(diào)制載波,如雙邊帶調(diào)幅(AM)、單邊帶調(diào)幅(SSB)和調(diào)頻(FM)等。復(fù)合調(diào)制結(jié)合數(shù)字調(diào)制和模擬調(diào)制的優(yōu)點(diǎn),如正交幅度調(diào)制(QAM)等,提高了頻譜利用率。多址接入技術(shù)1TDMA（時(shí)分多址）利用時(shí)間分割,分配不同時(shí)隙給用戶,實(shí)現(xiàn)共享信道。2FDMA（頻分多址）將頻譜劃分成多個(gè)小帶寬信道,每個(gè)用戶占用一個(gè)信道。3CDMA（碼分多址）利用正交編碼賦予每個(gè)用戶獨(dú)特的碼片,實(shí)現(xiàn)同頻共享。4OFDMA（正交頻分多址）將信道劃分為多個(gè)互相正交的子載波,提高頻譜利用率。移動(dòng)通信系統(tǒng)移動(dòng)通信系統(tǒng)是一種無線通信網(wǎng)絡(luò),它使移動(dòng)設(shè)備能夠在不同地點(diǎn)進(jìn)行通話和數(shù)據(jù)傳輸。主要包括蜂窩網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)和衛(wèi)星通信等技術(shù),提供語音、短信、上網(wǎng)、定位等服務(wù)。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展,從1G到4G再到5G,實(shí)現(xiàn)了從模擬到數(shù)字,從低速到高速的進(jìn)化。TDMA/FDMA/CDMATDMA(時(shí)分多址)利用時(shí)間域分割資源,每個(gè)用戶被分配固定時(shí)間槽進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)多用戶共享信道。FDMA(頻分多址)利用頻率域分割資源,每個(gè)用戶被分配固定頻帶進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)多用戶共享信道。CDMA(碼分多址)利用編碼域分割資源,每個(gè)用戶被分配不同的編碼序列,實(shí)現(xiàn)多用戶同時(shí)共享信道。3G、4G、5G技術(shù)3G技術(shù)3G技術(shù)采用碼分多址(CDMA)技術(shù),提供語音、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù),支持移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和高速無線數(shù)據(jù)傳輸。主要標(biāo)準(zhǔn)包括WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。4G技術(shù)4G技術(shù)采用正交頻分多址(OFDMA)技術(shù),提供更高的帶寬和更快的數(shù)據(jù)傳輸速度,支持高清視頻和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用。主要標(biāo)準(zhǔn)包括LTE和WiMAX。5G技術(shù)5G技術(shù)采用先進(jìn)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù),實(shí)現(xiàn)超高速、超低延遲和海量連接,支持物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛和遠(yuǎn)程醫(yī)療等新興應(yīng)用。主要標(biāo)準(zhǔn)包括NR和5G-Advanced。光通信原理1光波傳輸利用光波進(jìn)行遠(yuǎn)距離的信息傳輸2光源與探測(cè)使用LED或激光作為光源,光電探測(cè)器進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)3光纖傳輸?shù)蛽p耗、寬帶、抗干擾的光纖傳輸介質(zhì)4調(diào)制與解調(diào)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào),并在接收端進(jìn)行解調(diào)光通信的基本原理是利用可見光或紅外光波進(jìn)行信息傳輸。通過光源產(chǎn)生光信號(hào),光信號(hào)沿光纖或自由空間傳播,最終到達(dá)光探測(cè)器并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這種通信方式具有抗干擾性強(qiáng)、傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)代通信中廣泛應(yīng)用。光纖通信系統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)光纖通信系統(tǒng)由光發(fā)送端、光傳輸介質(zhì)和光接收端三大部分組成,其采用光波作為信息載體在光纖中進(jìn)行傳輸。傳輸原理通過全反射實(shí)現(xiàn)光波在光纖中的高效傳輸,并利用波分復(fù)用技術(shù)提高傳輸容量。優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)帶寬大、傳輸速率快抗干擾能力強(qiáng)、安全性高體積小、重量輕、布線靈活光網(wǎng)絡(luò)與光通信技術(shù)光纖基礎(chǔ)光纖是光通信的基礎(chǔ)載體,可以通過光傳輸大量數(shù)據(jù),具有低損耗、高帶寬等優(yōu)勢(shì)。波分復(fù)用技術(shù)通過在同一光纖上使用不同波長的光信號(hào),可以大幅提高光網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量。光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)利用光纖、光放大器、光交換等設(shè)備構(gòu)建,可以提供高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。無線局域網(wǎng)與藍(lán)牙技術(shù)1無線局域網(wǎng)基礎(chǔ)無線局域網(wǎng)（WLAN）通過無線電波實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)通信,提供高速、便捷的網(wǎng)絡(luò)接入。廣泛應(yīng)用于家庭、辦公、學(xué)校等領(lǐng)域。2藍(lán)牙技術(shù)簡(jiǎn)介藍(lán)牙是一種基于短距離無線電波的技術(shù),實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的無線連接和數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)用廣泛,如手機(jī)、筆記本、音頻設(shè)備等。3無線網(wǎng)絡(luò)與藍(lán)牙的優(yōu)勢(shì)靈活性強(qiáng)、部署便捷、兼容性好,為用戶帶來高效、自由的網(wǎng)絡(luò)連接體驗(yàn)。是未來信息化和智能化的重要基礎(chǔ)。衛(wèi)星通信原理通信衛(wèi)星的工作原理通信衛(wèi)星利用太空中的衛(wèi)星作為中繼器,將地面站發(fā)送的信號(hào)接收并放大后再轉(zhuǎn)發(fā)給另一地面站,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的通信。這種技術(shù)突破了地球曲率的限制,可以實(shí)現(xiàn)全球性的通信覆蓋。衛(wèi)星軌道類型通信衛(wèi)星主要采用三種軌道類型:地球同步軌道、傾斜軌道和低軌道。不同軌道類型有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn),需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的衛(wèi)星。地面天饋系統(tǒng)地面站需要配備大型的天線和功率放大器,以確保與衛(wèi)星之間的可靠通信鏈路。先進(jìn)的天線技術(shù)能夠提高通信質(zhì)量和容量。衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要使用地球同步軌道衛(wèi)星,位于距地球36,000公里的赤道上空,可覆蓋大范圍區(qū)域。信號(hào)傳輸衛(wèi)星接收地面用戶信號(hào),經(jīng)過轉(zhuǎn)發(fā)器處理后再傳輸給其他地區(qū)用戶,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)衛(wèi)星通信覆蓋范圍廣,可為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供通信服務(wù),是實(shí)現(xiàn)全球通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。應(yīng)用場(chǎng)景衛(wèi)星通信廣泛應(yīng)用于廣播電視、氣象、導(dǎo)航、軍事等領(lǐng)域,為人類社會(huì)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。通信網(wǎng)絡(luò)概述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)通常由核心網(wǎng)絡(luò)、匯聚網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)三部分組成，提供全面的覆蓋和連接。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)協(xié)議定義了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,確?；ヂ?lián)設(shè)備能順利進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新興技術(shù)為通信網(wǎng)絡(luò)提供了更強(qiáng)大的連接和處理能力。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)通信網(wǎng)絡(luò)為用戶提供語音、視頻、數(shù)據(jù)等多種服務(wù),滿足日益增長的通信需求。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)協(xié)議定義了計(jì)算機(jī)之間通信的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,確保數(shù)據(jù)能夠順暢傳輸。主要包括IP協(xié)議、TCP協(xié)議、UDP協(xié)議等,每種協(xié)議都有其獨(dú)特的功能。體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)描述了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的整體框架,其中OSI參考模型和TCP/IP模型是兩個(gè)重要的代表。它們定義了網(wǎng)絡(luò)通信的各層結(jié)構(gòu)和責(zé)任劃分。分層設(shè)計(jì)分層設(shè)計(jì)使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)更加模塊化和可擴(kuò)展。每一層都有特定的功能,相互獨(dú)立又相互協(xié)作,從而提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性和穩(wěn)定性。協(xié)議棧協(xié)議棧是指各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的集合,能夠?qū)崿F(xiàn)完整的網(wǎng)絡(luò)通信功能。常見的有TCP/IP協(xié)議棧、OSI七層參考模型等。云計(jì)算與大數(shù)據(jù)通信云計(jì)算技術(shù)云計(jì)算提供了高彈性、按需使用的IT資源，大大提高了通信效率和成本效益。大數(shù)據(jù)處理海量的數(shù)據(jù)需要通過先進(jìn)的分析技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和挖掘,以提供有價(jià)值的洞見。融合應(yīng)用云計(jì)算和大數(shù)據(jù)能夠深度融合,在通信領(lǐng)域創(chuàng)造新的商業(yè)模式和創(chuàng)新服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)感知層利用各種傳感器和驅(qū)動(dòng)器采集和感知物理世界