【大學(xué)課件】通信原理與技術(shù)

通信原理與技術(shù)通信原理與技術(shù)是一門研究信息傳輸和處理的基本原理和技術(shù)的學(xué)科。它涵蓋了從信號處理到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等各個方面。通信基礎(chǔ)概念通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)由信息源、發(fā)送機(jī)、信道、接收機(jī)和信息宿組成。通信方式主要分為單工、半雙工和全雙工三種方式。信號分類信號可分為模擬信號和數(shù)字信號。信道類型信道可分為有線信道和無線信道。信號與信道11.信號信號是信息的載體，可以是電信號、光信號、聲信號等。信號傳輸是指將信號從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩说倪^程。22.信道信道是指信號傳輸?shù)慕橘|(zhì)，例如電纜、光纖、無線電波等。信道會對信號造成衰減、噪聲等影響。33.信號類型信號類型可分為模擬信號和數(shù)字信號，模擬信號連續(xù)變化，數(shù)字信號離散變化。44.信道類型信道類型可分為有線信道和無線信道，有線信道傳輸距離較短，無線信道傳輸距離較長，但易受干擾。信號的頻域表示信號在頻域上的表示，揭示信號的頻率成分分布，即信號的頻譜。頻譜分析可以幫助理解信號的特性，例如信號的帶寬、頻率成分、能量分布等。傅里葉變換是將信號從時域轉(zhuǎn)換到頻域的常用工具，它可以將任何周期性信號分解成不同頻率的正弦波之和。信號的能量與功率信號的能量和功率是信號的重要特征，用于描述信號的強(qiáng)度和持續(xù)時間。信號能量表示信號在整個時間域內(nèi)的能量累積，而信號功率表示信號在單位時間內(nèi)的平均能量。在通信系統(tǒng)中，信號的能量和功率直接影響信號的傳輸距離、抗干擾能力和信噪比。1能量信號在整個時間域內(nèi)的能量累積。2功率信號在單位時間內(nèi)的平均能量。3距離信號的能量越高，傳輸距離越遠(yuǎn)。4抗干擾信號的功率越大，抗干擾能力越強(qiáng)。信號的采樣與量化1采樣將連續(xù)信號轉(zhuǎn)化為離散時間信號2量化將離散幅值信號轉(zhuǎn)化為離散幅值信號3編碼用數(shù)字表示離散幅值信號采樣是指將連續(xù)信號在時間上離散化，將信號的值在某些時間點(diǎn)上進(jìn)行測量并記錄。量化是指將信號的幅值離散化，將信號的幅值分成若干個不同的等級，每個等級對應(yīng)一個特定的數(shù)字值。通過采樣和量化，可以將連續(xù)信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。數(shù)字信號與模擬信號模擬信號模擬信號是連續(xù)變化的信號，可以表示各種物理量，例如聲音、圖像和溫度。數(shù)字信號數(shù)字信號是由離散的數(shù)字組成的信號，可以表示為0和1的序列，用于計算機(jī)和通信系統(tǒng)。模擬信號到數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模擬信號可以通過采樣和量化轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便在數(shù)字系統(tǒng)中處理和傳輸。編碼與調(diào)制技術(shù)編碼將信息轉(zhuǎn)換為適合傳輸?shù)男盘栃问健?shù)字編碼：將信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號模擬編碼：將信息轉(zhuǎn)換為模擬信號調(diào)制將信息信號加載到載波信號上。調(diào)幅：改變載波信號的幅度調(diào)頻：改變載波信號的頻率調(diào)相：改變載波信號的相位應(yīng)用編碼與調(diào)制技術(shù)在無線通信、有線通信等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用?；鶐盘杺鬏?信號類型基帶信號是指包含信息的原始信號，通常是數(shù)字信號或模擬信號。2傳輸介質(zhì)基帶傳輸通常使用雙絞線、同軸電纜或光纖等介質(zhì)，這些介質(zhì)適合傳輸?shù)皖l信號。3傳輸方式基帶傳輸采用直接傳輸方式，不需要進(jìn)行調(diào)制，信號直接在介質(zhì)上傳輸。數(shù)字基帶信號調(diào)制調(diào)制原理數(shù)字基帶信號調(diào)制將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號?；鶐盘柺菐捰邢薜男盘?，調(diào)制后可以擴(kuò)展到更高的頻率，以便通過信道傳輸。調(diào)制過程包括將數(shù)字信號的每個符號映射到模擬信號中的一個特定參數(shù)，例如幅度、頻率或相位。常見類型常見的數(shù)字基帶信號調(diào)制技術(shù)包括脈沖幅度調(diào)制（PAM）、脈沖寬度調(diào)制（PWM）和脈沖位置調(diào)制（PPM）。每種調(diào)制方式在傳輸效率、抗噪聲性能和帶寬需求方面各不相同，根據(jù)應(yīng)用場景選擇合適的調(diào)制方式。頻帶傳輸與調(diào)制基帶信號基帶信號通常指低頻信號，直接在傳輸介質(zhì)上傳輸會造成信號衰減和干擾。調(diào)制調(diào)制將基帶信號轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)母哳l信號，以提高傳輸效率和距離。頻帶傳輸通過調(diào)制將基帶信號轉(zhuǎn)換為頻帶信號，再利用頻譜資源進(jìn)行傳輸，可以有效利用信道容量。調(diào)制技術(shù)常見的調(diào)制技術(shù)包括調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)和數(shù)字調(diào)制(如QAM,PSK等)，選擇不同的調(diào)制技術(shù)取決于應(yīng)用場景和需求。調(diào)頻調(diào)制原理調(diào)頻（FM）是一種模擬調(diào)制技術(shù)，利用載波頻率隨信號的變化而變化。1載波頻率變化信號幅度改變載波頻率2信息編碼音頻信號轉(zhuǎn)換為頻率變化3傳輸調(diào)制后的信號通過無線電波傳播調(diào)頻調(diào)制在廣播和無線通信中廣泛應(yīng)用，由于其抗噪聲能力強(qiáng)，可提供高保真音頻傳輸。調(diào)頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)調(diào)頻接收機(jī)通常包含以下主要部分：天線、低噪聲放大器、頻率鑒頻器、解調(diào)器、音頻放大器等。天線接收來自發(fā)射端的無線電信號。低噪聲放大器放大信號并減少噪聲。頻率鑒頻器將頻率變化轉(zhuǎn)換為電壓變化。解調(diào)器恢復(fù)原始音頻信號。音頻放大器放大音頻信號以驅(qū)動揚(yáng)聲器。正交振幅調(diào)制基本原理正交振幅調(diào)制，也稱為QAM，是將兩個獨(dú)立的信號調(diào)制到正交載波上的一種技術(shù)。QAM利用載波的振幅和相位來表示數(shù)據(jù)，從而提高信號的帶寬效率。應(yīng)用場景QAM廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信系統(tǒng)，例如有線電視、DSL和無線通信。它可以有效地傳輸大量數(shù)據(jù)，特別是在高頻段和寬帶傳輸中。數(shù)字調(diào)制技術(shù)原理數(shù)字信號的調(diào)制將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)哪M信號。調(diào)制與解調(diào)調(diào)制器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，解調(diào)器將模擬信號恢復(fù)為數(shù)字信號。多種數(shù)字調(diào)制方法常見數(shù)字調(diào)制方法包括幅移鍵控、頻移鍵控和相移鍵控。信道編碼技術(shù)提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性信道編碼在數(shù)據(jù)傳輸過程中引入冗余信息，通過糾錯和檢錯機(jī)制提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。抵抗噪聲干擾信道編碼可以幫助接收端識別并糾正傳輸過程中出現(xiàn)的錯誤，從而提升通信系統(tǒng)的抗噪聲能力。優(yōu)化信號傳輸效率信道編碼可以降低數(shù)據(jù)傳輸所需的帶寬，提高頻譜利用率。信道編碼的作用與原理1降低誤碼率提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?增加傳輸效率有效利用帶寬3提高抗干擾能力抑制噪聲和干擾的影響信道編碼是一種將數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼的技術(shù)，通過在數(shù)據(jù)中添加冗余信息來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。它可以降低誤碼率，增加傳輸效率，提高抗干擾能力。線性分組碼11.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)線性分組碼將信息比特分成固定長度的塊，并添加校驗比特，構(gòu)成碼字。22.線性性質(zhì)滿足線性代數(shù)運(yùn)算性質(zhì)，碼字之間可以進(jìn)行加減運(yùn)算，并得到新的碼字。33.編碼效率通過添加校驗比特，提高了碼字的可靠性，但會降低傳輸效率。44.應(yīng)用廣泛廣泛用于各種通信系統(tǒng)，如衛(wèi)星通信、移動通信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。卷積碼編碼原理卷積碼通過對信息位進(jìn)行線性運(yùn)算，生成校驗位，然后將信息位和校驗位組合在一起進(jìn)行傳輸。特點(diǎn)它具有較強(qiáng)的糾錯能力，適用于信道條件較差的環(huán)境，在無線通信和深空通信中得到了廣泛應(yīng)用。編碼結(jié)構(gòu)卷積碼的編碼器由移位寄存器和模二加法器組成，通過不同的連接方式，可以實(shí)現(xiàn)不同的編碼方案。解碼方法維特比算法是一種常用的卷積碼解碼方法，它通過搜索最佳路徑來恢復(fù)原始信息。信道差錯檢測與糾正1檢錯碼檢測傳輸過程中的錯誤2糾錯碼糾正傳輸過程中的錯誤3奇偶校驗最簡單的檢錯碼4海明碼常見的糾錯碼信道差錯檢測與糾正技術(shù)是保證通信系統(tǒng)可靠性的重要手段。檢錯碼可以幫助識別傳輸過程中的錯誤，而糾錯碼則可以修復(fù)這些錯誤。常用的檢錯碼包括奇偶校驗碼，而海明碼是一種常用的糾錯碼。頻譜利用技術(shù)頻譜資源有限無線電頻譜是一種寶貴的自然資源，但可用頻段有限，需要合理利用。頻譜效率頻譜利用技術(shù)旨在提高頻譜利用率，最大化信息傳輸容量。頻譜管理政府機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)制定頻譜管理政策，分配頻譜資源，并確保頻譜資源的有效利用。技術(shù)創(chuàng)新新的通信技術(shù)，如認(rèn)知無線電和軟件定義無線電，可以提高頻譜利用率。多址接入技術(shù)11.定義多址接入技術(shù)是指多個用戶共享同一傳輸介質(zhì)的方法。22.目的提高頻譜利用率，降低通信成本。33.分類常用的多址接入技術(shù)包括時分多址、頻分多址、碼分多址。44.應(yīng)用廣泛應(yīng)用于移動通信、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。時分多址接入基礎(chǔ)原理時分多址（TDMA）是一種多址接入技術(shù)，它將信道時間劃分為多個時隙，每個用戶分配一個時隙。不同用戶在不同的時隙傳輸數(shù)據(jù)。確保用戶間不會發(fā)生信號沖突。時隙分配每個用戶在分配的時隙內(nèi)獨(dú)占信道，能夠以最大速率傳輸數(shù)據(jù)。優(yōu)勢與應(yīng)用TDMA的優(yōu)點(diǎn)是信道利用率高，能夠有效地分配帶寬。廣泛應(yīng)用于蜂窩移動通信系統(tǒng)，例如GSM、LTE等。也應(yīng)用于衛(wèi)星通信、無線局域網(wǎng)等領(lǐng)域。頻分多址接入1頻分多址接入（FDMA）在頻分多址接入系統(tǒng)中，將整個可用頻譜劃分為多個子頻帶，并分配給不同的用戶。2頻率復(fù)用每個用戶使用一個專門的頻率子帶進(jìn)行通信，彼此之間不會干擾，實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用。典型應(yīng)用頻分多址廣泛應(yīng)用于早期的移動通信系統(tǒng)，例如模擬蜂窩網(wǎng)絡(luò)。碼分多址接入1獨(dú)一無二的碼片序列每個用戶分配一個獨(dú)特的碼片序列，類似于個人識別碼。2正交碼片所有用戶的碼片序列相互正交，即使在同一時間和頻率上使用也能夠區(qū)分。3擴(kuò)頻技術(shù)將數(shù)據(jù)信號與碼片序列相乘，將信號帶寬擴(kuò)展到較寬的頻譜范圍內(nèi)。4同步接收接收方使用與發(fā)送方相同的碼片序列進(jìn)行同步解擴(kuò)，恢復(fù)原始信號。CDMA的原理是將每個用戶的信號乘以一個獨(dú)特的碼片序列進(jìn)行擴(kuò)頻，然后將所有用戶的信號疊加在一起傳輸。接收方通過相同的碼片序列進(jìn)行解擴(kuò)，從而分離出每個用戶的信號。CDMA技術(shù)的優(yōu)勢在于其高效利用頻譜資源、抗干擾能力強(qiáng)、安全性高。通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分層結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)采用分層結(jié)構(gòu)，將復(fù)雜功能分解為獨(dú)立的層，每層完成特定任務(wù)。這種結(jié)構(gòu)便于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、實(shí)現(xiàn)和維護(hù)。層次間交互各層之間通過協(xié)議進(jìn)行交互，確保信息在不同層之間正確傳遞，不同層之間的信息傳遞獨(dú)立，相互隔離。計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的各個組成部分之間的層次關(guān)系和相互作用方式。它定義了網(wǎng)絡(luò)的功能和協(xié)議，使得不同類型的設(shè)備能夠協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。分層結(jié)構(gòu)計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)通常采用分層結(jié)構(gòu)，將復(fù)雜的功能分解為多個層次，每個層次負(fù)責(zé)特定的任務(wù)，從而簡化網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、實(shí)現(xiàn)和維護(hù)。協(xié)議棧每個層次都有一組協(xié)議，用于定義數(shù)據(jù)格式、傳輸規(guī)則和控制機(jī)制，確保網(wǎng)絡(luò)中不同設(shè)備之間能夠正確地進(jìn)行通信。OSI參考模型分層結(jié)構(gòu)OSI參考模型將通信系統(tǒng)分為七層，每一層都有明確的職責(zé)，例如數(shù)據(jù)傳輸、尋址、流量控制等。標(biāo)準(zhǔn)化OSI參考模型提供了一個標(biāo)準(zhǔn)化的框架，幫助不同廠商的設(shè)備互操作，促進(jìn)通信系統(tǒng)的互聯(lián)互通。模塊化設(shè)計分層設(shè)計使通信系統(tǒng)更易于維護(hù)和升級，每個層級可以獨(dú)立開發(fā)和測試。TCP/IP參考模型分層結(jié)構(gòu)TCP/IP參考模型將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層，每一層負(fù)責(zé)特定功能。應(yīng)用層提供用戶與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)交互的接口，如HTTP、FTP等協(xié)議。傳輸層負(fù)責(zé)端到端的數(shù)據(jù)傳輸，提供可靠性、流量控制和擁塞控制。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的路由和尋址，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。物理層技術(shù)物理層概述物理層是通信系統(tǒng)中最底層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)在傳輸介質(zhì)上的傳輸。它定義了數(shù)