《Python数字通信仿真》课件

《Python数字通信仿真》本课程将带领您深入理解数字通信原理，并运用Python编程语言进行仿真实践，掌握数字通信系统的设计、分析和评估方法课程介绍课程目标课程内容课程特色深入理解数字通信原理，掌握涵盖数字通信基础、信号处理、调制理论讲解与实践操作相结合，通过Python编程语言进行通信系统仿解调、信道编码、信道模型、移动通Python仿真工具，加深对数字通信真信系统、卫星通信系统等系统的理解和应用课程大纲数字通信基础概念1信号采样与量化、数字调制技术、基带信号、基带脉冲成型、基带信号的检测信号的调制与解调2信号的线性调制、信号的角度调制、信号的多载波调制、信号功率谱分析、信号的滤波信道编码与噪声3信号的差错检测、差错校正码、信号的编码、信道噪声建模、信号对噪声比、噪声性能分析信道模型与均衡4信道fading效应、多径信道模型、多径信道下的equalizer、OFDM原理、OFDM性能分析移动通信系统5蜂窝移动通信概述、GSM系统概述、CDMA系统概述、WCDMA系统概述、OFDMA系统概述、5G新空口技术其他通信系统6海事通信系统、卫星通信系统、雷达信号处理、应用案例展示、模拟实验演示、课程总结数字通信基础概念数字信号模拟信号数字通信数字信号是指信号的幅值和时间均为离模拟信号是指信号的幅值和时间均为连数字通信是指利用数字信号进行信息传散值的信号它可以用一串离散的数字续值的信号它可以用连续的曲线来表输的通信方式它具有抗噪声能力强、来表示，例如0和1示，例如声音信号易于处理和传输等优点信号采样与量化采样对模拟信号进行采样，即在时间上将连续的信号转换为离散的信号，得到一组离散的样本值量化对采样后的样本值进行量化，即将样本值映射到有限个离散的量化级别，得到一组离散的量化值编码对量化后的量化值进行编码，将每个量化级别用一个唯一的数字表示，得到一串数字信号数字调制技术幅度调制频率调制相位调制改变信号的幅度来携改变信号的频率来携改变信号的相位来携带信息，例如调幅带信息，例如调频带信息，例如调相（AM）（FM）（PM）基带信号基带信号是指未经调制的数字信号，通常为矩形脉冲它的频谱范围较宽，不易直接传输基带脉冲成型矩形脉冲1最简单的脉冲形状，频谱范围宽，易产生符号间干扰升余弦脉冲2频谱较窄，可以减少符号间干扰，但实现较为复杂根升余弦脉冲3频谱形状更适合无线通信，兼顾了频谱利用率和抗干扰能力基带信号的检测匹配滤波利用与发送信号匹配的滤波器，提取信号中的有用信息采样在匹配滤波器输出的特定时刻进行采样，得到信号的最佳估计判决根据采样值，判断发送的是哪个符号，完成信号的检测信号的线性调制幅度调制（AM）频率调制（FM）改变信号的幅度来携带信息，易改变信号的频率来携带信息，抗受噪声影响噪声能力强，但带宽占用较多相位调制（PM）改变信号的相位来携带信息，抗噪声能力较好，但实现较为复杂信号的角度调制2PSK相位移键控，利用信号相位变化来表示不同的数字符号4QPSK正交相位移键控，将信号分成两路，分别进行相位调制，提高传输速率88PSK八相位移键控，利用八个不同的相位来表示不同的数字符号1616PSK十六相位移键控，利用十六个不同的相位来表示不同的数字符号信号的多载波调制OFDM1正交频分复用，将信号分成多个子载波，分别进行调制，提高传输速率和抗多径干扰能力OFDMA2正交频分多址，在OFDM的基础上，将子载波分配给不同的用户，提高频谱利用率MC-CDMA3多载波码分多址，将OFDM与CDMA结合，提高系统容量和抗干扰能力信号功率谱分析信号的滤波低通滤波高通滤波带通滤波滤除高频信号，保留低频信号，用于抑滤除低频信号，保留高频信号，用于提滤除特定频率以外的信号，用于提取特制噪声取有用信号的细节定频率的信号信号的差错检测CRC校验利用多项式除法生成校验码，可以检测出2多种错误奇偶校验根据数据位中1的个数是奇数还是偶1数，添加一个校验位哈希校验3通过对数据进行哈希运算生成一个固定长度的校验值差错校正码汉明码里德-索罗蒙码Turbo码一种线性分组码，可以检测和纠正一位错一种非线性分组码，可以纠正多个错误，一种迭代编码技术，可以达到接近香农极误在存储系统中应用广泛限的性能，应用于3G和4G通信系统信号的编码曼彻斯特编码1数据位0表示从高到低电平跳变，数据位1表示从低到高电平跳变差分曼彻斯特编码2数据位0表示电平不变，数据位1表示电平跳变，且跳变时间位于数据位的中间NRZ编码3数据位0表示低电平，数据位1表示高电平NRZI编码4数据位0表示电平不变，数据位1表示电平跳变信道噪声建模高斯白噪声瑞利噪声莱斯噪声是一种常见的噪声模型，具有平坦的功一种非平稳噪声，多用于无线通信信道一种非平稳噪声，多用于存在直射信号率谱密度模型的无线通信信道模型信号对噪声比信号对噪声比（SNR）表示信号功率与噪声功率的比值，用于衡量信号质量噪声性能分析误码率误块率12误码率是指接收端错误接收误块率是指接收端错误接收的比特数占总接收比特数的的块数占总接收块数的比比例例信噪比阈值3指保证通信质量所需的最低信噪比，低于阈值将导致通信质量下降信号的检测与解调接收信号接收端接收到的信号包含有用信号和噪声滤波通过滤波器去除信号中的噪声，增强有用信号采样在特定时刻对滤波后的信号进行采样，得到离散的样本值判决根据采样值，判断发送的是哪个符号，完成信号的解调简单信源编码行程长度编码1利用重复字符的次数来压缩数据，适用于含有较多重复字符的数据霍夫曼编码2根据字符出现的概率分配不同的编码长度，实现数据压缩算术编码3利用概率模型将数据压缩成一个实数，可以实现更高的压缩率有源信道编码编码在发送数据之前，利用编码规则生成冗余信息，增加数据传输的可靠性传输将编码后的数据通过信道传输，可能会受到噪声和干扰的影响解码接收端利用编码规则对接收到的数据进行解码，纠正错误并恢复原始数据信道fading效应信道fading是指无线信号在传播过程中，由于多径效应和阴影效应引起的信号强度波动多径信道模型瑞利信道莱斯信道多径信道下的信号检测模拟信号在多个路径传播，由于路径长模拟信号在多个路径传播，其中一条路由于多径效应，接收信号会产生符号间度不同，信号到达接收端的时间也不径是直射路径，其他路径是反射路径，干扰，需要使用均衡器来消除干扰同，导致信号叠加产生相位变化导致信号叠加产生相位变化多径信道下的equalizer线性均衡器自适应均衡器利用线性滤波器来消除符号间能够根据信道变化来自动调整干扰滤波器参数，提高均衡效果决策反馈均衡器利用已解码的符号来估计当前符号，提高均衡效果OFDM原理调制串并转换对每个子数据流进行调制，例如QPSK2将输入数据流分成多个并行的子数据或16QAM1流IFFT对每个子载波进行IFFT变换，将频域3信号转换为时域信号5并串转换加窗将多个子载波信号合并成一个信号，通4过信道传输对时域信号进行加窗，避免符号间干扰OFDM性能分析123高频谱效率抗多径干扰易于实现OFDM将频谱分成多个子载波，提高了频每个子载波的带宽较窄，可以有效地抵抗OFDM的实现技术较为成熟，易于在实际谱利用率多径干扰系统中应用蜂窝移动通信概述蜂窝移动通信是指利用蜂窝状的基站网络，为移动用户提供通信服务的技术GSM系统概述GSM是全球移动通信系统，是一种基于时分多址技术的移动通信系统，支持语音、短信等服务CDMA系统概述CDMA是码分多址技术，利用不同的码序列来区分不同的用户，提高了频谱利用率，具有抗干扰能力强等特点WCDMA系统概述WCDMA是宽带码分多址技术，是CDMA的一种演进版本，支持更高的数据速率和更丰富的服务OFDMA系统概述OFDMA是正交频分多址技术，将OFDM与CDMA结合，提高了系统容量和抗干扰能力5G新空口技术5G是第五代移动通信技术，采用OFDMA技术，支持更高的数据速率、更低的延迟和更大的容量，能够满足未来万物互联的需求海事通信系统海事通信系统是指用于船舶之间、船舶与岸站之间通信的系统，包括VHF、AIS、DSC等卫星通信系统卫星通信系统是指利用地球同步卫星或低轨卫星来进行通信的系统，具有覆盖范围广、抗干扰能力强等特点雷达信号处理雷达信号处理是利用雷达信号来探测目标、测量目标距离、速度、方位等参数的技术应用案例展示本课程将展示数字通信技术在不同领域的应用案例，例如移动通信、卫星通信、雷达等模拟实验演示本课程将进行模拟实验演示，例如信号调制解调、信道编码解码、多径信道仿真等课程总结本课程旨在帮助学生掌握数字通信原理和仿真技术，为进一步学习和研究数字通信打下基础QA环节最后，我们将留出时间进行问答环节，解答学生提出的问题，并进行互动交流。