【大學(xué)課件】通信系統(tǒng)概論

通信系統(tǒng)概論本課程將介紹通信系統(tǒng)的工作原理，涵蓋從信號的產(chǎn)生和傳輸?shù)叫畔⒔邮蘸徒獯a等各個方面。通信概述信息傳遞通信是指信息從一個地方傳遞到另一個地方的過程.媒介傳輸信息通過各種媒介，例如電磁波、光纖或電線，進(jìn)行傳輸.理解接收接收方需要能夠理解和解釋發(fā)送的信息.通信系統(tǒng)分類計算機通信系統(tǒng)用于計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸和信息交換。電話通信系統(tǒng)用于語音通話和傳真。廣播電視通信系統(tǒng)用于廣播電視節(jié)目和信息傳播。通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通信系統(tǒng)通常由以下幾個部分組成：信息源：產(chǎn)生要傳輸?shù)男畔?，例如聲音、圖像、數(shù)據(jù)等發(fā)送器：將信息轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男盘栃诺溃盒畔鬏數(shù)拿浇?，例如電纜、無線電波等接收器：接收從信道中傳來的信號，并將其還原成原始信息信息宿：接收最終的信息信號的表示1數(shù)學(xué)模型信號可以用數(shù)學(xué)函數(shù)來描述，例如正弦函數(shù)、余弦函數(shù)等，反映了信號的幅度、頻率和相位等特征。2時域表示信號可以用時域波形圖來表示，反映了信號隨時間變化的規(guī)律。3頻域表示信號可以用頻譜圖來表示，反映了信號中各個頻率成分的分布情況。模擬信號和數(shù)字信號模擬信號模擬信號是連續(xù)變化的，可以表示為連續(xù)的波形。數(shù)字信號數(shù)字信號是離散的，由一系列的離散值組成，通常表示為0和1。采樣定理1連續(xù)信號模擬信號是隨時間連續(xù)變化的信號，可以用連續(xù)的曲線表示。2采樣采樣是指在一定時間間隔內(nèi)對模擬信號進(jìn)行測量，并記錄其值，將連續(xù)信號轉(zhuǎn)換為離散信號。3采樣頻率采樣頻率是指每秒鐘進(jìn)行采樣的次數(shù)，單位是赫茲(Hz)。4重建信號根據(jù)采樣后的離散信號，可以使用特定的插值算法來重建原始的模擬信號。脈沖編碼調(diào)制(PCM)數(shù)字化的關(guān)鍵PCM是一種將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的常用技術(shù)，它在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。三步過程PCM過程包括采樣、量化和編碼三個步驟，將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號。優(yōu)勢PCM具有抗噪聲能力強、易于處理和傳輸、便于數(shù)字信號處理等優(yōu)點，使其成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。信號編碼方式數(shù)字信號數(shù)字信號通過不同的編碼方式來表示信息，常見的編碼方式包括：二進(jìn)制編碼曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼NRZ編碼BPSK編碼編碼方案不同的編碼方案具有不同的優(yōu)缺點，例如：二進(jìn)制編碼簡單易懂曼徹斯特編碼抗干擾能力強差分曼徹斯特編碼可以識別時鐘信號NRZ編碼適合低速數(shù)據(jù)傳輸BPSK編碼適用于無線通信信道編碼提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?抵抗噪聲和干擾的影響.檢測和糾正傳輸過程中的錯誤.信噪比與信號失真信噪比(SNR)信號功率與噪聲功率之比信號失真接收信號與原始信號的偏差熱噪聲和量子噪聲1熱噪聲由于導(dǎo)體中的電子隨機運動而產(chǎn)生的噪聲，其功率與溫度成正比。在室溫下，熱噪聲是主要噪聲源之一。2量子噪聲由于電磁波的量子化性質(zhì)而產(chǎn)生的噪聲，其功率與頻率成正比。在高頻情況下，量子噪聲變得越來越重要。信道容量定理信道容量定理表示在一定帶寬和信噪比下，信道能夠可靠傳輸?shù)淖畲笮畔⒘?。頻率分割多址頻譜劃分將通信頻帶劃分為多個子頻帶，每個用戶分配一個子頻帶，在子頻帶上進(jìn)行通信。相互隔離不同用戶的信號在頻域上相互隔離，避免相互干擾。應(yīng)用廣泛廣泛應(yīng)用于移動通信、廣播電視、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。時間分割多址時隙分配TDMA將時間軸劃分為多個時隙，每個用戶分配一個特定時隙。輪流使用用戶輪流使用分配給他們的時隙，從而實現(xiàn)共享信道。提高效率TDMA通過減少信道空閑時間來提高信道利用率。碼分割多址碼分多址(CDMA)CDMA利用不同的碼字來區(qū)分不同的用戶，即使在同一時間、同一頻率上?？垢蓴_性強每個用戶信號被擴頻到較寬的頻帶，不容易受到其他用戶信號的干擾。容量大CDMA系統(tǒng)可以支持更多的用戶同時使用同一頻率資源。調(diào)制技術(shù)概述信息傳遞的橋梁調(diào)制是將信息信號轉(zhuǎn)換為適合在信道中傳輸?shù)男盘柕倪^程，為信息在不同媒介之間傳遞搭建了橋梁。載波的變革調(diào)制通過改變載波的某些參數(shù)，如幅度、頻率或相位，將信息信號嵌入到載波中，實現(xiàn)信息傳輸。信號的轉(zhuǎn)換調(diào)制將原始信息信號，如音頻或視頻信號，轉(zhuǎn)換成更適合長距離傳輸?shù)男盘栃问?，例如無線電波或光波。調(diào)幅(AM)1載波頻率不變調(diào)幅是一種通過改變載波信號的振幅來傳遞信息的調(diào)制方式。載波頻率保持不變，而載波信號的振幅隨信息信號的變化而變化。2簡單易實現(xiàn)AM調(diào)制技術(shù)相對簡單，易于實現(xiàn)，成本較低，因此在廣播和無線電通信中得到廣泛應(yīng)用。3抗噪聲能力弱AM信號的抗噪聲能力較差，容易受到噪聲的干擾，導(dǎo)致信號失真。調(diào)頻(FM)調(diào)頻（FM）是一種將音頻信號的頻率變化轉(zhuǎn)換成載波頻率變化的調(diào)制方式。FM信號的頻率變化與音頻信號的幅度變化成正比。FM調(diào)制廣泛應(yīng)用于廣播、電視等領(lǐng)域，提供更高的音質(zhì)和抗噪聲能力。數(shù)字調(diào)制技術(shù)數(shù)字調(diào)制將數(shù)字信號加載到載波上，以實現(xiàn)信息傳輸。常用方法振幅鍵控（ASK）頻率鍵控（FSK）相位鍵控（PSK）優(yōu)勢抗噪聲能力強便于數(shù)據(jù)處理支持高速傳輸基帶傳輸光纖傳輸使用光纖作為傳輸介質(zhì)，具有高帶寬、低衰減、抗干擾等優(yōu)點。雙絞線傳輸使用雙絞線作為傳輸介質(zhì)，成本低廉，但帶寬有限。同軸電纜傳輸使用同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，帶寬較高，抗干擾能力強。帶通傳輸信號調(diào)制將基帶信號調(diào)制到高頻載波上，以便信號能夠在無線信道中傳播。濾波使用帶通濾波器來選擇所需的頻帶，并濾除其他頻帶的噪聲和干擾。傳輸將調(diào)制后的信號通過無線信道傳輸?shù)浇邮斩?。解調(diào)接收端使用解調(diào)器將信號從載波上解調(diào)下來，恢復(fù)原始的基帶信號。通信信道有線信道電纜、光纖等物理介質(zhì)傳輸信號。無線信道利用電磁波在自由空間傳播信號。有線信道1導(dǎo)線金屬線用于傳輸信號，例如銅線和光纖。2同軸電纜中心導(dǎo)線周圍包裹著絕緣層，外部是編織屏蔽層。3雙絞線兩根絕緣導(dǎo)線相互纏繞，降低電磁干擾。4光纖通過光纖傳輸光信號，抗干擾能力強。無線信道無障礙無線信道不受任何物理障礙限制，信號可以自由傳播。易受干擾無線信道容易受到各種干擾源的影響，如天氣、其他無線信號。衰落無線信號在傳播過程中會發(fā)生衰落，導(dǎo)致信號強度下降。多徑傳播信號在傳播過程中會遇到多個反射，導(dǎo)致多徑效應(yīng)。信號傳播機理1電磁波傳播無線電波以電磁波的形式在空間中傳播，通過天線進(jìn)行發(fā)射和接收。2傳播路徑信號傳播會受到地形、建筑物、大氣等因素的影響，導(dǎo)致信號衰減、反射、折射等現(xiàn)象。3多徑效應(yīng)信號在傳播過程中可能會遇到多個障礙物，導(dǎo)致多條路徑到達(dá)接收端，造成信號干擾。頻率復(fù)用技術(shù)頻譜劃分將可用頻譜劃分為多個子頻帶，每個子頻帶分配給一個用戶或通信通道。信道隔離使用濾波器或其他技術(shù)來隔離不同頻率的信號，防止它們相互干擾。提高容量通過將多個用戶共享一個帶寬，頻率復(fù)用技術(shù)可以顯著提高通信系統(tǒng)的容量。路由與交換技術(shù)路由器路由器用于連接不同的網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到正確的目的地。交換機交換機用于連接同一網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，并根據(jù)MAC地址將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到正確的設(shè)備。路由協(xié)議路由協(xié)議用于在路由器之間交換路由信息，以便路由器能夠選擇最優(yōu)路徑來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系OSI模型國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)制定的開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)模型，它將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)分為七層，每一層負(fù)責(zé)特定功能，以確保不同系統(tǒng)之間能夠相互通信。TCP