樊昌信版通信原理課件

通信原理樊昌信老師的經(jīng)典教材通信系統(tǒng)的基本概念發(fā)射機負(fù)責(zé)將信息轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?。信道用于傳輸信號的介質(zhì)，例如無線電波、光纖等。接收機負(fù)責(zé)從接收到的信號中提取信息。信號分類與信號參數(shù)確定性信號可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式精確描述的信號，例如正弦信號、方波信號。隨機信號無法用數(shù)學(xué)表達(dá)式精確描述的信號，例如噪聲信號。信號參數(shù)描述信號特征的量，例如信號的幅度、頻率、相位、持續(xù)時間。傅立葉級數(shù)與傅立葉變換傅立葉級數(shù)將周期信號分解為一系列正弦和余弦函數(shù)的和。傅立葉變換將非周期信號分解為一系列正弦和余弦函數(shù)的積分。頻域分析通過傅立葉變換，可以將信號從時域轉(zhuǎn)換到頻域，從而更清晰地分析信號的頻率成分。信號的周期性與非周期性周期信號周期信號是指在時間軸上以一定周期重復(fù)出現(xiàn)的信號。其周期表示信號重復(fù)一次所需的時間。非周期信號非周期信號是指在時間軸上不重復(fù)出現(xiàn)的信號。它們沒有固定的周期，且在時間上可能無限延伸。信號的功率和能量PowerEnergy信號的功率和能量是描述信號強度的兩個重要指標(biāo)理想低通濾波器理想低通濾波器（IdealLow-PassFilter）在截止頻率以下的頻率信號全部通過，而截止頻率以上頻率的信號全部阻擋。它在通信系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色，用于抑制信號中的高頻噪聲，并保留有用信號的低頻成分。實際低通濾波器實際低通濾波器與理想低通濾波器不同，它們無法完全阻擋高于截止頻率的信號，并且在截止頻率附近存在一個過渡帶。在過渡帶內(nèi)，信號的衰減程度逐漸增加。實際低通濾波器的頻率響應(yīng)曲線通常會呈現(xiàn)一個緩慢下降的趨勢。采樣定理1奈奎斯特頻率采樣頻率至少應(yīng)為信號最高頻率的兩倍，才能保證信號的完整信息。2采樣定理當(dāng)采樣頻率滿足奈奎斯特頻率要求時，可以從采樣數(shù)據(jù)中完全恢復(fù)原始信號。3應(yīng)用采樣定理廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號處理、數(shù)據(jù)采集和通信系統(tǒng)。采樣系統(tǒng)的頻譜分析1頻譜復(fù)制采樣過程將信號的頻譜復(fù)制到采樣頻率的倍數(shù)上。2頻譜混疊當(dāng)采樣頻率低于信號最高頻率的兩倍時，會發(fā)生頻譜混疊。3奈奎斯特頻率為了避免混疊，采樣頻率必須大于或等于信號最高頻率的兩倍。數(shù)字信號的表示1二進制編碼數(shù)字信號通常使用二進制編碼表示，用0和1來表示信號的離散值。2脈沖幅度調(diào)制脈沖幅度調(diào)制（PAM）通過改變脈沖的幅度來表示數(shù)字信號，每個脈沖對應(yīng)一個二進制值。3數(shù)字信號的采樣為了將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，需要對模擬信號進行采樣，將連續(xù)信號轉(zhuǎn)化為離散信號。數(shù)字信號的功率譜密度定義數(shù)字信號的功率譜密度是指數(shù)字信號功率在頻率域上的分布。公式功率譜密度S(f)=|X(f)|^2/T，其中X(f)是數(shù)字信號的傅立葉變換，T是信號的周期。應(yīng)用功率譜密度可以用于分析數(shù)字信號的頻譜特性，例如信號的帶寬、頻率成分等。信號的相關(guān)函數(shù)自相關(guān)函數(shù)一個信號與其自身延遲后的副本之間的相似度?；ハ嚓P(guān)函數(shù)兩個不同信號之間的相似度，用于確定信號之間是否存在關(guān)系。應(yīng)用信號處理、圖像處理和通信系統(tǒng)分析等領(lǐng)域。信號的功率譜密度1定義信號功率譜密度表示信號功率在不同頻率上的分布2計算通過傅里葉變換計算信號的自相關(guān)函數(shù)3應(yīng)用分析信號的頻率特性，如帶寬、頻譜形狀等信號的功率譜密度與相關(guān)函數(shù)的關(guān)系1維納-辛欽定理功率譜密度是自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換2頻域與時域?qū)⑿盘柕臅r域特征與頻域特征聯(lián)系起來3系統(tǒng)分析用于分析信號的頻率成分和能量分布隨機過程的基本概念隨機變量隨機變量是一個在特定時間點上的隨機現(xiàn)象的數(shù)值表現(xiàn)。它可以是離散的（如擲骰子結(jié)果）或連續(xù)的（如身高）。隨機過程隨機過程描述了隨著時間推移的隨機變量的變化。例如，股票價格的波動就是一個隨機過程。概率分布函數(shù)概率分布函數(shù)描述了隨機變量在特定值或特定范圍內(nèi)的概率。它可以是離散的（如伯努利分布）或連續(xù)的（如正態(tài)分布）。隨機過程的平穩(wěn)性1嚴(yán)平穩(wěn)隨機過程的統(tǒng)計特性不隨時間變化，包括均值、方差和自相關(guān)函數(shù)等。2寬平穩(wěn)隨機過程的均值和自相關(guān)函數(shù)不隨時間變化，但高階統(tǒng)計量可能隨時間變化。3平穩(wěn)性假設(shè)在通信系統(tǒng)中，常常假設(shè)信號是平穩(wěn)隨機過程，以便簡化分析和計算。隨機過程的相關(guān)函數(shù)自相關(guān)函數(shù)描述隨機過程在不同時間點的相關(guān)性。自相關(guān)函數(shù)越大，表示隨機過程在不同時間點的相似度越高?；ハ嚓P(guān)函數(shù)描述兩個不同隨機過程在不同時間點的相關(guān)性?；ハ嚓P(guān)函數(shù)越大，表示兩個隨機過程在不同時間點的相似度越高。隨機過程的功率譜密度隨機過程的功率譜密度是指隨機過程的功率在不同頻率上的分布情況，反映了隨機過程的頻率特性。它可以用來描述隨機過程的頻譜特性，例如，信號的帶寬、噪聲的頻譜特性等。信號的信噪比概念信號功率與噪聲功率之比公式SNR=Ps/Pn單位dB影響通信質(zhì)量噪聲的分類熱噪聲熱噪聲是由導(dǎo)體中電子的熱運動引起的隨機噪聲，也稱為白噪聲。散粒噪聲散粒噪聲是由電子流中電子數(shù)量的隨機波動引起的，存在于電子器件中。閃爍噪聲閃爍噪聲是由器件內(nèi)部缺陷或表面狀態(tài)引起的，頻率較低，與器件的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)。高斯隨機過程正態(tài)分布高斯隨機過程的樣本值服從正態(tài)分布，概率密度函數(shù)呈鐘形曲線。統(tǒng)計特性由均值和方差完全決定，均值和方差是描述隨機過程統(tǒng)計特性的關(guān)鍵參數(shù)。數(shù)學(xué)模型用數(shù)學(xué)公式精確描述隨機過程的統(tǒng)計規(guī)律，方便進行理論分析和仿真。帶通信號及其頻譜帶通信號是指頻譜集中在某一頻率范圍內(nèi)的信號。其頻譜的特點是，在中心頻率附近有一個非零的頻帶，而在其他頻率范圍內(nèi)的頻譜則為零。帶通信號通常用于無線通信系統(tǒng)，因為無線信道可以有效地傳輸帶通信號。單邊帶調(diào)制1抑制載波消除載波信號，節(jié)省功率2僅保留一個邊帶降低帶寬需求，提高頻譜利用率3相位敏感解調(diào)需恢復(fù)載波相位信息，實現(xiàn)信號恢復(fù)雙邊帶調(diào)制1調(diào)制過程載波信號與調(diào)制信號相乘，產(chǎn)生包含調(diào)制信號頻譜的兩倍帶寬的雙邊帶信號。2優(yōu)點傳輸效率高，可以有效地利用帶寬，同時保留了調(diào)制信號的所有信息。3缺點帶寬占用較大，需要更大的帶寬來傳輸信號，同時對調(diào)制信號的頻率范圍有一定的限制。頻率調(diào)制載波頻率變化頻率調(diào)制(FM)是一種調(diào)制方式，通過改變載波頻率來傳遞信息。瞬時頻率載波頻率隨信息信號的變化而變化，信息的頻率變化量決定了調(diào)制信號的頻率變化范圍。調(diào)制指數(shù)調(diào)制指數(shù)表示調(diào)制信號對載波頻率的影響程度，影響著調(diào)制信號的頻譜帶寬。相位調(diào)制1載波相位變化信息信號改變載波相位2調(diào)制方式模擬信號調(diào)制3應(yīng)用場景無線通信