《通信原理培训资料详尽》课件

《通信原理培训资料详尽》欢迎参加通信原理培训课程本课程将全面系统地介绍现代通信系统的基础理论与关键技术，从基本概念到前沿应用，为您提供深入理解通信原理的知识框架不论您是通信领域的新手，还是希望巩固提升的专业人士，这套培训材料都将为您提供宝贵的学习资源本课程涵盖模拟与数字通信技术、信号处理、调制解调技术、编码技术以及现代移动通信系统等内容，将理论与实践相结合，帮助您把握通信技术的发展脉络与未来趋势目录基础理论第一章通信系统概述第二章信号与系统基础调制技术第三章模拟调制技术第四章数字基带传输系统第五章数字调制技术编码与多址技术第六章信道编码与纠错第七章扩频通信技术第八章多址接入技术高级话题第九章同步技术第十章信道特性与均衡第十一章移动通信基础第十二章现代通信网络第一章通信系统概述通信的定义通信系统的目标通信是指信息从信源传送到信宿通信系统的主要目标是以最高的的过程，包括信息的产生、处理、效率、最低的成本和最小的误差传输、接收与利用等环节现代实现信息的可靠传递随着技术通信系统能够实现跨越时空的信发展，现代通信系统还需满足保息交换，已成为人类社会的基础密性、实时性和抗干扰能力等需设施求通信系统的评价指标通信系统性能主要通过带宽利用率、传输速率、误码率、信噪比、功率效率等多种指标来衡量，这些指标相互关联且往往需要权衡优化通信系统的基本组成信源与信源编码将信源产生的信息转换为适合传输的电信号，并进行压缩编码调制与信道编码通过调制将基带信号转换为适合在特定信道传输的信号形式，并添加冗余用于差错控制信道传输信号通过物理媒介（有线或无线）传输，并受到噪声、干扰和失真的影响接收与解调恢复发送的信号，包括同步、解调和信道解码等过程信宿解码将接收到的信号恢复为原始信息，呈现给接收用户通信系统的分类按传输媒质分类按网络结构分类•有线通信系统•点对点通信系统•无线通信系统•广播通信系统按信号形式分类按应用场景分类•光纤通信系统•多点通信系统•模拟通信系统•固定通信系统•数字通信系统•移动通信系统•混合通信系统•卫星通信系统通信系统的发展历程早期通信（1800年前）1人类最早的通信方式包括烽火、驿站、信鸽等，传输距离有限且效率低下古代中国的烽火台和罗马帝国的驿站系统是早期2电报时代（1837-1900）远距离通信的代表1837年摩尔斯发明电报，开创了电子通信时代随后海底电缆铺设成功，大洲间通信成为可能这一时期的代表技术是摩尔电话与广播时代（1900-1950）3斯电码贝尔发明电话后，有线通信迅速发展马可尼的无线电报实验成功，广播技术兴起模拟通信系统在这一时期得到广泛应用4数字通信时代（1950-2000）香农信息论奠定了现代通信理论基础，数字通信和计算机网络兴起移动通信从1G发展到2G，通信与计算开始融合互联网与移动通信时代（2000至今）5互联网普及，移动通信从3G发展到5G，物联网兴起通信系统向高速率、低延时、高可靠、广覆盖方向发展，推动了信息社会的形成第二章信号与系统基础信号的定义与分类系统的特性信号与系统分析方法信号是携带信息的物理量，可按不同标准通信系统通常具有线性、时不变、因果性时域分析关注信号随时间的变化；频域分分类连续时间/离散时间信号，模拟/数和稳定性等特性这些特性使我们能够使析研究信号的频率成分；复频域分析则通字信号，周期/非周期信号，确定性/随机用数学工具（如卷积、傅里叶变换）对系过拉普拉斯变换和Z变换，为系统提供完信号等通信系统中的信号处理是提高传统进行分析和设计，预测系统对各类输入整的数学描述这些分析方法相互补充，输效率和可靠性的关键信号的响应共同构成了通信理论的基础信号的时域和频域表示时域表示频域表示时域与频域的关系信号的时域表示描述信号随时间的变频域表示将信号分解为不同频率的正时域和频域是信号的两种等价表示方化规律，直观反映信号的幅度、相位弦分量之和，通过傅里叶变换实现时式，通过傅里叶变换可以相互转换等特性常见的时域信号包括正弦信域到频域的转换频谱图显示各频率根据不确定性原理，信号在时域的集号、阶跃信号、脉冲信号等时域分分量的幅度和相位，帮助分析信号的中程度与其在频域的集中程度成反比，析适合研究信号的瞬态特性、稳态响频率组成和带宽要求频域分析在通即时域上窄的信号在频域上宽，反之应和系统的时间行为信系统设计中尤为重要亦然这一特性对通信系统的带宽设计至关重要信号的频谱分析系统的时域和频域特性冲激响应系统对单位冲激函数的响应称为冲激响应ht，它完整描述了线性时不变系统的时域特性任何输入信号与系统的冲激响应进行卷积运算，即可得到相应的输出信号频率响应频率响应Hjω描述系统对不同频率正弦信号的幅度和相位变化，是系统冲激响应的傅里叶变换通过频率响应可以直观判断系统对不同频率分量的处理能力传递函数传递函数Hs是系统输出与输入拉普拉斯变换的比值，提供了系统在复频域的完整描述通过传递函数可以分析系统的稳定性、瞬态响应和稳态性能系统的时域和频域特性之间存在密切关系时域中的卷积对应于频域中的相乘，这一性质极大简化了通信系统的分析与设计在通信系统中，我们通常利用频域特性设计滤波器、调制解调器等关键组件，以优化系统性能第三章模拟调制技术模拟调制的目的实现高效率长距离信息传输调制的基本原理改变载波参数以携带信息常见模拟调制方式调幅、调频、调相等模拟调制技术是早期通信系统的核心，通过改变载波信号的某一参数（幅度、频率或相位）将基带信号的信息加载到高频载波上，实现远距离传输模拟调制使低频信号能够通过天线有效辐射，并允许多个信号通过频分复用在同一媒质中传输尽管数字通信已成为主流，模拟调制技术在广播、航空通信等领域仍有广泛应用了解模拟调制原理有助于理解现代通信系统的演进过程和基本概念调幅（）原理AM调幅定义调幅数学表达调幅频谱特性调幅是一种通过改变载波信号幅度来传递标准AM信号可表示为调幅信号的频谱由载波分量和两个边带组信息的模拟调制技术载波的瞬时幅度随成若调制信号带宽为W，则AM信号带宽st=A[1+m·ft]cosωct调制信号的瞬时值按比例变化，而频率和为2W这种频谱结构导致带宽利用率较相位保持不变调幅是最早使用的调制技低，但接收机设计简单为提高效率，可其中A为载波幅度，m为调制指数术之一，至今仍在中短波广播和航空通信（0≤m≤1），ft为已归一化的调制信号，采用单边带（SSB）、双边带抑制载波中广泛应用ωc为载波角频率当m1时，会发生过调（DSB-SC）等改进方案制导致严重失真调频（）原理FM调相（）原理PM0°-360°2πkp相位变化范围相位灵敏度调相信号的相位可在一个周期内完成全范围变化表示单位幅度调制信号引起的相位偏移量2β+1WPM信号带宽与调频信号带宽计算方法类似调相（PM）是通过改变载波信号的瞬时相位来传递信息的调制技术在PM中，载波相位的偏移量与调制信号的瞬时幅度成正比调相信号可表示为st=Acos[ωct+kpft]，其中kp为相位灵敏度系数调相与调频存在密切关系-对频率进行积分得到相位，对相位求导得到频率因此，PM的调制信号经过积分后用于FM，可得到相同的调制效果；反之，FM的调制信号经过微分后用于PM也能获得相同效果这种关系使得调频和调相设备在设计上可以相互转换模拟调制的应用比较调制方式带宽要求抗噪性能发射效率接收机复杂典型应用度AM中等2W较差低简单中短波广播DSB-SC中等2W中等中等中等电视伴音SSB低W中等高复杂通信系统FM高2W优秀中等中等调频广播PM高2W优秀中等复杂相干通信不同模拟调制技术在实际应用中各有优缺点调幅技术实现简单但抗噪性能较差，主要应用于资源有限的场景；调频和调相具有出色的抗噪性能，但带宽需求较大，适用于对信号质量要求高的场景SSB作为一种改进的调幅技术，通过去除冗余的一个边带和载波，大幅提高了频谱和功率效率，广泛应用于长距离通信窄带调频在移动通信和专业无线电中得到应用，宽带调频则用于高品质广播和电视伴音第四章数字基带传输系统数字基带传输的基本概念基带传输的优势与挑战数字基带传输系统直接传输数字脉基带传输系统结构简单、实现成本冲序列，无需载波调制这种系统低，适合近距离高速数据传输但通常用于短距离传输，如计算机网其传输距离受限，抗干扰能力相对络内部、数据中心内通信等场景较弱，且不适合多路复用主要挑数字基带系统的设计涉及脉冲波形战包括码间干扰的控制、带宽受限设计、码元间干扰控制和时钟恢复和同步问题等等关键问题常见基带编码方式常用的基带编码包括不归零码NRZ、归零码RZ、差分码、双极性码、曼彻斯特编码等不同编码方式在功率谱特性、带宽效率、同步能力和差错性能等方面各有优缺点，需根据实际应用场景选择合适的编码数字基带信号的表示数字基带信号是将二进制数据序列映射为电平序列的过程，常见的基带编码方式包括不归零码NRZ，信号电平在整个码元间隔内保持不变；归零码RZ，信号在每个码元间隔内部分时间归零；交替反转码AMI，用零电平表示0，交替使用正负电平表示1；曼彻斯特编码，在每个码元间隔中间有一次跳变，确保自同步能力选择基带编码方式需考虑直流分量、功率谱特性、带宽需求、自同步能力、差错检测能力等因素例如，NRZ编码带宽效率高但缺乏同步能力，曼彻斯特编码具有优秀的同步性能但带宽需求较大，HDB3编码解决了长串零的问题并具有错误检测能力码间干扰和奈奎斯特准则码间干扰成因奈奎斯特准则无ISI脉冲设计码间干扰ISI主要由信奈奎斯特准则指出，在满足奈奎斯特第一准则道带宽限制、多径传播理想带宽为B的信道中，的理想脉冲是sinc函数，和非理想滤波器响应引无码间干扰的最高码元但由于其无限长特性难起当信号通过带宽受传输速率为2B符号/秒以实现实际系统中常限的信道时，脉冲展宽这一准则为数字通信系使用升余弦滚降滤波器会导致相邻码元间相互统的设计提供了理论上作为折衷方案，通过控影响，降低接收端的判限，是信号设计的基础制滚降系数在带宽和ISI决可靠性之间取得平衡码间干扰是数字基带传输系统面临的主要挑战，严重影响系统的误码性能设计无ISI系统需在时域和频域同时满足特定条件时域上要求在采样时刻只有当前符号有贡献；频域上要求系统具有特定的频率响应特性基带信号的最佳接收匹配滤波设计接收滤波器使输出信噪比最大化，抵抗加性噪声干扰最佳采样在信噪比最高的时刻对信号进行采样，提高判决可靠性阈值判决根据采样值和预设阈值确定接收到的符号，完成解调过程基带信号的最佳接收理论基于最大信噪比准则，目标是设计一种能够最大化输出信噪比的接收机结构理论证明，当信道噪声为加性高斯白噪声时，匹配滤波器是最佳接收滤波器，其冲激响应是发送脉冲波形的时间反转共轭最佳接收机的设计需要精确的时间同步和频率同步，以确保在最佳采样点进行判决在实际系统中，常采用相关接收机或匹配滤波器接收机结构，辅以前向均衡和反馈均衡技术，进一步抑制码间干扰，提高系统性能眼图和均衡技术眼图分析线性均衡器判决反馈均衡眼图是评估数字通信系统性能的强大工具，线性均衡器通过有限冲激响应FIR或无限判决反馈均衡器DFE结合了前馈滤波器通过叠加多个码元间隔的波形得到从眼冲激响应IIR滤波器实现，旨在补偿信道和反馈滤波器，利用已判决符号的信息消图的开口程度可以直观评估系统的码间干引入的频率失真常见的线性均衡技术包除后续符号的码间干扰DFE对噪声放大扰水平；眼图的宽度反映了时间抖动的严括零强制均衡ZF和最小均方误差均衡不敏感，在严重失真的信道中表现优异，重程度；眼图的高度与噪声裕度相关；眼MMSE线性均衡器结构简单，但在深但存在错误传播问题在现代高速通信系图的陡峭度则指示系统对采样时间偏差的度衰落信道中性能有限统中，DFE是关键的均衡技术敏感性第五章数字调制技术数字调制的目标高效可靠地传输数字信息基本调制方法ASK、FSK、PSK、QAM等性能评价指标误码率、频谱效率、功率效率实现技术正交调制、数字实现、软判决等数字调制技术是现代通信系统的核心，它将离散的数字信息映射到连续的载波信号上，实现高效的远距离传输与模拟调制相比，数字调制具有抗干扰能力强、易于处理和集成、便于加密和纠错等显著优势数字调制的本质是在一组预定义的波形中选择一个，以表示一个或多个比特的信息不同调制方式在频谱效率、功率效率和实现复杂度之间存在权衡选择合适的调制方案需要综合考虑信道特性、系统需求和复杂度限制二进制数字调制（、、）ASK FSKPSK幅移键控ASK频移键控FSK相移键控PSKASK通过改变载波振幅来表示数字信息，最FSK使用不同频率的载波表示不同数字符号PSK通过改变载波相位来传输数字信息二简单形式是通断键控OOK，用载波的存在二进制FSK使用两个频率f1和f2分别表示0进制PSKBPSK使用相差180°的两个相位状和不存在分别表示1和0ASK实现简单，和1FSK对非线性失真不敏感，具有较好态表示0和1PSK具有较好的抗噪性能但抗噪性能较差，对线性失真和增益变化敏的抗噪性能，但频谱效率较低FSK在无线和频谱效率，是现代数字通信系统中的重要感，主要用于低成本、低速率应用传呼、蓝牙等需要非相干检测的场合有广泛调制方式，但需要相干解调，设备复杂度较应用高正交幅度调制（）QAMQAM基本原理QAM星座图QAM调制与解调正交幅度调制QAM结合了幅度调制和星座图是QAM调制的直观表示，每个星QAM调制实现通常采用I/Q调制结构，将相位调制的特点，同时在两个正交载波座点对应一个独特的幅度和相位组合，输入比特流映射为同相I和正交Q分量，上传输信息QAM可以看作是两路正交表示一组特定的比特M-QAM调制中，然后分别调制到正交载波上解调则采的幅度调制信号的组合，也可以理解为M个星座点通常排列在方形网格中，每用相干检测方法，恢复I和Q分量后进行在复平面上的星座点映射QAM技术显个符号携带log2M比特信息常见的阈值判决现代QAM系统大多采用数字著提高了频谱利用效率，在现代宽带通QAM阶数有16-QAM、64-QAM和256-实现方式，结合数字信号处理技术，实信系统中得到广泛应用QAM等，阶数越高，频谱效率越高，但现高精度调制解调对信噪比要求也越严格多进制数字调制技术多进制调制的概念优势通过增加调制符号的数量，每个符号携带更提高频谱效率，增加传输速率多信息位应用考量劣势根据信道条件和系统需求选择适当阶数对信噪比要求更高，实现复杂度增加多进制数字调制通过在一个符号中携带多个比特，显著提高了系统的频谱利用效率常见的多进制调制方式包括M进制PSKM-PSK、M进制QAMM-QAM和M进制FSKM-FSK等多进制调制的频谱效率为log2M比特/符号，随M增大而提高然而，增加调制阶数也带来了挑战相邻符号间的欧氏距离减小，导致抗噪性能下降；调制解调设备复杂度和精度要求提高；对相位噪声和同步精度更为敏感实际应用中需要根据信道条件灵活选择调制阶数，必要时实现自适应调制数字调制的性能比较调制方式带宽效率10^-5BER所需对相位噪声敏实现复杂度bit/s/Hz Eb/N0dB感性BPSK

19.6中等低QPSK

29.6中等中8-PSK

314.0高中16-QAM

415.0中中64-QAM

619.0高高256-QAM

823.5极高很高不同数字调制方式在性能、复杂度和适用场景上存在显著差异从误码率性能看，相同信噪比下，调制阶数越低，误码率性能越好；从频谱效率看，调制阶数越高，每赫兹带宽可传输的比特数越多功率受限系统（如卫星通信）通常选择低阶调制；带宽受限系统（如光纤通信）则倾向于高阶调制现代通信系统常采用自适应调制技术，根据信道状况动态调整调制方式此外，结合前向纠错编码的编码调制技术能在相同误码率要求下降低所需信噪比，进一步提高系统性能第六章信道编码与纠错信道编码的作用编码的基本原理编码的分类信道编码通过在发送信息中引入冗余，提信道编码的核心思想是增加码字间的距离，信道编码主要分为块编码和卷积编码两大供差错检测和纠正的能力，改善通信系统提高抗干扰能力通过将k个信息比特映类块编码将信息分组处理，每组独立编的可靠性在噪声和干扰存在的情况下，射为n个编码比特nk，形成冗余结构码，代表有BCH码、RS码等；卷积编码则适当的编码可以在不增加发射功率的条件码字间的最小距离决定了编码的纠错能力，具有记忆特性，当前输出不仅与当前输入下显著降低误码率，实现编码增益一般能纠正t=dmin-1/2个错误有关，还与先前的输入相关现代编码还⌊⌋包括Turbo码和LDPC码等容量逼近香农限的强大编码差错控制编码基础编码理论基础汉明距离与编码性能香农在信息论中证明，只要信息速率汉明距离是衡量两个码字差异的指标，低于信道容量，就存在一种编码方案定义为两个码字对应位置不同的位数使得误码率可以任意小这一理论极编码的最小汉明距离决定了其纠错能限称为香农限，是所有编码方案追求力若最小距离为dmin，则编码可的目标实际编码设计需要平衡纠错以检测dmin-1个错误，纠正dmin-⌊能力、码率、编解码复杂度等因素1/2个错误增加汉明距离通常需⌋要增加冗余度错误检测与纠正策略错误控制有两种基本策略前向纠错FEC和自动重传请求ARQFEC依靠接收端解码器纠正错误，适用于实时通信和广播系统；ARQ则在检测到错误时请求重传，适用于非实时通信现代系统常采用混合ARQHARQ策略，结合两者优势线性分组码循环码BCH码•码字循环移位仍为码字•强大的多重错误纠正能力线性码基本概念•可用生成多项式gx描述•最小距离设计精确•通过移位寄存器实现•解码算法复杂度适中里德-所罗门码•任意两个码字的和仍是码字•CRC校验码是典型应用•广泛应用于存储系统•非二进制BCH码的特例•可用生成矩阵G和校验矩阵H描述•擅长处理突发错误•编码c=mG•广泛应用于光盘、通信•校验H·c^T=0•具有最大码距离特性卷积码卷积码结构卷积码通过移位寄存器和模2加法器实现，具有记忆性关键参数包括约束长度K（影响复杂度），码率R=k/n（影响效率），和生成多项式（决定性能）卷积码可用状态图、树图或格子图表示编码过程卷积编码器将信息比特流通过移位寄存器处理，每输入k个比特产生n个编码比特输出不仅取决于当前输入，还受之前输入影响，体现了编码的记忆特性卷积编码过程可以用有限状态机描述解码算法卷积码解码常采用最大似然序列估计方法，如Viterbi算法Viterbi算法通过格子图搜索最可能的发送序列，是一种动态规划算法，复杂度随约束长度指数增长对于长码字，也可使用顺序解码等复杂度较低的次优算法性能与应用卷积码在中低码率下性能优异，实现简单，特别适合硬件实现卷积码解码可提供软输出，便于级联其他系统卷积码广泛应用于卫星通信、深空通信和移动通信系统，也是Turbo码的重要组成部分码和码简介Turbo LDPCTurbo码LDPC码极化码Turbo码是1993年提出的一类并行级联卷积低密度奇偶校验LDPC码由Gallager于1962极化码是2008年由Arikan提出的首个被证明码，性能可以逼近香农限其编码器由两个年提出，因实现复杂直到近年才得到广泛应可以达到信道容量的编码方案其核心思想递归系统卷积编码器并联组成，中间有交织用LDPC码是一类校验矩阵非常稀疏的线是信道极化现象通过递归结构将原始信道器；解码采用迭代解码算法，两个解码器交性分组码，可用二分图表示其解码采用置转换为一系列虚拟信道，部分变得更可靠，换软信息，随着迭代次数增加不断提高可靠信度传播算法，在稀疏图上传递消息部分变得更不可靠发送信息时只使用可靠性Turbo码具有出色的性能，已广泛应用LDPC码性能同样接近香农限，在高码率下的虚拟信道极化码已被采纳为5G控制信道于3G/4G移动通信、深空通信等场景特别出色，被采用于5G、卫星通信、光纤通编码方案，在短码长场景下表现优异信等高速场景第七章扩频通信技术扩频通信概述扩频技术特点扩频通信是一种将信号带宽扩展远超扩频系统的主要特点包括优异的抗信息传输所需最小带宽的技术扩频干扰能力，能有效抵抗窄带干扰和多通信使用远大于信息速率的带宽，通径干扰；良好的抗截获性和保密性，过降低功率谱密度来提高抗干扰能力、信号功率谱密度低且需要扩频码同步；保密性和多址接入能力扩频技术起支持多址接入，不同用户使用不同扩源于军事领域，目前已广泛应用于民频码可共享同一频段；近远效应问题用通信系统需要功率控制解决扩频通信分类扩频通信主要分为直接序列扩频DSSS、跳频扩频FHSS、跳时扩频THSS和线性调频扩频CSS等类型不同扩频技术有各自的优缺点和适用场景，现代通信系统中也常采用混合扩频技术，结合多种扩频方式的优势扩频通信的基本原理R W信息速率扩频带宽表示原始数据的传输速率，单位为比特/秒扩频后信号占用的带宽，远大于最小所需带宽Gp处理增益扩频系统抗干扰能力的关键指标，Gp=W/R扩频通信的核心是在发送端将信号带宽大幅扩展，在接收端再将其压缩回原始带宽这一过程通过使用与原始数据无关的扩频码实现，发送端用扩频码对数据进行调制扩展带宽，接收端用同样的扩频码进行相关处理恢复原始信号扩频系统的主要优势来自其处理增益Gp，处理增益等于扩频带宽与数据速率的比值高处理增益意味着系统具有较强的抗干扰能力当输入S/N低于0dB时，扩频系统仍能正常工作，使得扩频技术在恶劣环境下特别有价值此外，多个扩频信号可共享同一频段而互不干扰，实现多址接入直接序列扩频（）DSSS调制数据准备原始数据经过信源编码和信道编码后，进行基带调制（如BPSK、QPSK等），形成调制数据序列，其码元速率为Rb比特/秒扩频码生成伪随机噪声PN序列作为扩频码，其码元速率Rc远高于数据速率，两者比值称为扩频比常用的扩频码包括m序列、Gold序列和Kasami序列等，具有良好的自相关和互相关特性扩频调制调制数据与扩频码进行模2加运算（或乘法运算），生成扩频信号这一过程使信号带宽从Rb扩展到Rc，功率谱密度降低为原来的1/Gp，形成宽带低功率谱密度的信号接收解扩接收端生成同样的PN序列，与接收信号进行相关运算，将有用信号恢复到原始带宽，同时将窄带干扰和其他用户信号扩展为宽带噪声，提高输出信噪比跳频扩频（）FHSS跳频序列生成载波频率变化根据预定的伪随机规则生成跳频图案载波频率按照跳频序列在多个频点间跳变同步解调接收信号调制传输接收机同步跟随跳频序列并解调信息在每个跳频间隔内完成信息调制和传输跳频扩频FHSS是一种通过改变载波频率实现扩频的技术在FHSS系统中，载波频率按照伪随机序列在预定的频率集合中跳变，每个跳频间隔内信号占用一个窄带信道，但长时间来看信号分布在整个扩频带宽内根据跳变速率与数据速率的关系，FHSS可分为慢跳和快跳两种FHSS系统具有实现简单、对近远效应不敏感、抗多径衰落能力强等优点，特别适合移动通信环境蓝牙技术采用FHSS实现设备间的短距离通信，通过在

2.4GHz ISM频段内的79个频道间跳变，有效避免其他设备干扰军事通信中也广泛使用FHSS技术，提高通信的抗干扰性和保密性扩频通信的应用扩频通信技术在军事和民用领域都有广泛应用军事通信一直是扩频技术的主要应用领域，其优异的抗干扰能力和保密性使其成为战术通信的理想选择现代军用通信系统采用频谱动态管理和认知无线电技术，结合扩频技术提高频谱利用效率和通信可靠性在民用领域，CDMA蜂窝通信系统利用DSSS技术实现多用户接入；全球定位系统GPS采用DSSS传输导航信号，提供精确定位服务；无线局域网标准IEEE

802.11b使用DSSS技术在

2.4GHz频段提供11Mbps传输速率；蓝牙技术采用FHSS在

2.4GHz频段实现近距离无线连接；低功耗物联网通信如LoRa采用CSS技术，在恶劣环境下提供远距离低功耗通信第八章多址接入技术多址接入的基本需求多用户共享有限的通信资源资源划分策略频率、时间、码、空间等维度关键技术点信道分配、功率控制、干扰抑制典型应用场景蜂窝移动通信、卫星通信、无线局域网多址接入技术是指在同一通信系统中，多个用户共享有限的通信资源（频谱、时间等），实现并发通信的技术随着无线通信用户数量的爆炸性增长，多址接入技术对于提高系统容量和频谱利用率至关重要多址接入技术的核心是解决资源共享和干扰控制的问题，需要考虑系统复杂度、频谱效率、通信质量和灵活性等多方面因素不同的多址接入技术各有优缺点，移动通信的各代技术演进也体现在多址接入技术的更新换代上，从1G的FDMA，2G的TDMA，3G的CDMA，到4G/5G的OFDMA频分多址（）FDMA频谱划分持续通信滤波需求FDMA将可用频谱分成多在FDMA系统中，一旦用FDMA系统需要高性能的个互不重叠的频道，每个户被分配频道，就可以在带通滤波器，以充分隔离用户独占一个频道进行通整个通信过程中连续使用不同频道，防止相邻信道信相邻频道之间通常设该频道，无需时分复用或干扰同时，发射机和接置保护带宽，以避免相互其他共享机制这使得收机需要锁定在特定频率干扰FDMA是最早使用FDMA系统实现简单，尤上，对频率稳定性要求较的多址接入技术，技术相其适合连续传输业务，如高，硬件实现相对复杂对简单成熟传统语音通话FDMA是第一代模拟蜂窝移动通信系统1G采用的多址接入技术，每个语音用户占用30kHz带宽FDMA具有实现简单、延迟低、无需同步等优点，但频谱利用率相对较低，系统容量有限，难以适应突发业务在现代通信系统中，纯FDMA应用减少，但FDMA思想仍在多种系统中使用，如卫星通信中的单信道每载波SCPC系统，以及与其他多址技术结合形成的混合多址方案，如OFDMA中的子载波分组分配就体现了FDMA的思想时分多址（）TDMA时间分片将信道时间划分为固定长度的帧，每帧再分为多个时隙时隙分配每个用户被分配特定的时隙进行传输，不同用户轮流使用信道突发传输用户集中在分配的时隙内以较高速率突发传输数据精确同步系统需要严格的时间同步以防止不同用户的时隙重叠TDMA是第二代数字蜂窝移动通信系统2G中广泛采用的技术，如GSM系统将每个200kHz频道分为8个时隙，实现8个用户共享一个频道TDMA具有频谱利用率高、灵活性好的优点，可以根据业务需求动态分配时隙数量，适应不同速率的数据传输TDMA系统每个用户仅在自己的时隙内工作，因此可以在非工作时隙进行其他操作，如测量其他频率的信号强度，便于切换决策但TDMA也存在严格同步要求、需要复杂的时隙分配算法和突发传输可能引起电磁干扰等问题现代系统中，TDMA经常与FDMA结合使用，形成F/TDMA混合接入方式码分多址（）CDMA码分多址原理CDMA的优势功率控制问题CDMA基于扩频技术，允许多个用户同时CDMA具有突出的抗干扰和抗多径能力，CDMA系统面临近远效应问题距离基站在同一频段内传输，通过分配不同的正交频率重用因子可接近1，系统容量大；具近的用户信号功率可能压制远用户信号或准正交扩频码来区分用户每个用户有软容量和软切换特性，切换过程平滑；解决方案是精确的功率控制，确保所有用的信号用特定扩频码调制后，在接收端通通信质量好，保密性高这些优势使户信号到达基站的功率基本相同3G系统过相关运算分离出目标用户信号CDMA CDMA成为3G移动通信的主导技术，代表采用快速闭环功率控制，控制精度达到系统的关键在于扩频码的设计，需要良好系统包括WCDMA、CDMA2000和TD-±1dB，控制速率最高1500次/秒的自相关和互相关特性SCDMA等正交频分多址（）OFDMAOFDM基础OFDMA建立在OFDM技术基础上OFDM将高速数据流分解为多个低速子流，在正交子载波上并行传输，有效对抗频率选择性衰落并提高频谱效率子载波分配OFDMA将OFDM系统中的子载波动态分配给不同用户，实现多用户接入分配可基于连续子载波本地化或分散子载波分布式，根据信道条件和服务需求灵活调整多用户分集增益OFDMA允许在频域进行调度，为每个子载波选择信道条件最好的用户，实现多用户分集增益，显著提高系统吞吐量资源灵活性OFDMA支持不同粒度的资源块分配，可根据QoS需求和信道状况灵活分配时频资源，同时支持TDD和FDD双工方式第九章同步技术同步的基本概念同步的分类同步的挑战同步是使通信系统中发送端和接收端在时按照同步对象可分为载波同步（频率和相同步面临的主要挑战包括多普勒频移导间、频率、相位等方面达成一致的技术位）、码同步（符号定时同步）和帧同步致的频率偏移，尤其在高速移动场景；相没有准确的同步，接收机无法正确解调和按照实现方式可分为数据辅助同步和非数位噪声对相位同步的影响，特别是高阶调解码信号随着通信系统调制方式复杂度据辅助同步同步过程又可分为捕获（粗制；时间同步精度需求高，误差会导致码增加，同步精度要求也相应提高同步）和跟踪（精同步）两个阶段间干扰；多径信道中的同步更加复杂，需要考虑路径延迟载波同步频率同步相位同步锁相环技术频率同步旨在消除接收信号与本地载波相位同步是在频率同步基础上，进一步锁相环PLL是载波同步的核心技术，由之间的频率偏差，这种偏差主要由发送对本地载波相位进行微调，使其与接收相位检测器、环路滤波器和压控振荡器和接收振荡器频率不一致、多普勒效应信号相位一致相位同步对于相干解调组成数字锁相环DPLL在现代通信系等因素引起常用的频率同步方法包括系统尤为重要，如QPSK、QAM等常统中广泛应用，结合数字信号处理技术最大似然估计、FFT谱分析和锁相环用相位同步技术包括Costas环、决策反可实现高精度同步锁相环的设计需要PLL等在高速移动场景下，频率偏移馈锁相环和基于最大似然的相位估计算权衡捕获范围、跟踪精度和响应速度，较大且变化迅速，需要高效的频率跟踪法等高阶调制方式对相位同步精度要并考虑环路噪声带宽、稳定性等因素算法求很高码同步帧同步帧结构设计捕获阶段采用有效的帧格式和同步序列搜索特定同步码确定帧边界恢复机制跟踪阶段检测到同步丢失时快速重新同步持续监控并保持帧同步状态帧同步是定位接收数据流中的帧边界，确保接收机正确识别每个帧的开始和结束位置帧同步建立在载波同步和码同步的基础上，是更高层次的同步帧结构通常包含同步头、控制信息、用户数据和差错检测码等部分常用的帧同步技术包括固定同步码方法，在每帧前插入特定的比特序列作为标记；自同步码技术，利用特殊编码保证数据流中不会出现与同步码相同的序列；相关检测法，通过滑动相关窗口搜索同步序列；CRC校验法，利用差错检测结果辅助判断帧边界现代通信系统常采用分层同步策略，从粗同步逐步过渡到精确同步，提高同步效率和可靠性同步技术在通信系统中的应用OFDM系统同步卫星通信同步5G移动通信同步OFDM系统对同步误差特别敏感频率偏移卫星通信面临大的传播延迟、多普勒频移和5G NR采用灵活的帧结构设计，支持多种子会导致子载波间干扰ICI，定时误差可能破弱信号环境挑战同步常采用两阶段策略载波间隔和槽格式同步信号块SSB包含坏子载波正交性OFDM同步通常采用训练粗同步阶段使用专用捕获序列快速建立初始主同步信号PSS、辅同步信号SSS和物理序列或循环前缀辅助实现常用的OFDM同同步；精同步阶段采用闭环跟踪保持同步精广播信道PBCH，用于小区搜索和初始接步算法包括Schmidl-Cox算法、Minn算法等，度远距离卫星通信还需考虑信号传播延迟入波束扫描同步使5G能在高频毫米波段这些算法利用特殊结构的前导序列进行定时补偿，例如深空通信的往返时延可达数小时可靠工作，同时支持多种子载波间隔适应不和频率同步同场景需求第十章信道特性与均衡信道模型概述均衡的必要性通信信道是指信号从发送端到接收端实际信道通常存在频率选择性衰落、传播的媒介，包括有线信道（线缆、多径传播等非理想特性，导致码间干光纤等）和无线信道（自由空间、大扰ISI，严重降低通信质量均衡技气层等）信道模型描述了信号在传术通过设计一个滤波器（均衡器），输过程中受到的各种影响，如衰减、补偿信道引入的失真，恢复原始信号延迟、失真和噪声等，是通信系统设随着通信速率提高，均衡技术的重要计的基础性日益凸显均衡器分类均衡器按结构可分为线性均衡器和非线性均衡器；按工作模式可分为固定均衡器和自适应均衡器；按实现算法可分为零强制均衡器ZF、最小均方误差均衡器MMSE、判决反馈均衡器DFE等不同类型均衡器在性能、复杂度和适用场景方面存在差异有线信道特性线缆信道特性光纤信道特性有线信道的数学建模有线传输线（如双绞线、同轴电缆）的主光纤信道的主要特性包括色散（导致脉冲有线信道通常可建模为线性时不变系统，要特性包括频率相关的衰减（高频信号衰展宽）、衰减（随波长变化）和非线性效用传递函数Hf或冲激响应ht描述对于减更严重）、分散性（不同频率分量的传应（如四波混频、布里渊散射等）单模简单线缆，可用RC低通滤波器模型近似；播速度不同）和电磁干扰敏感性典型的光纤主要受色散限制，多模光纤则同时受复杂情况下需要考虑皮肤效应、介质损耗线缆信道可用传输线理论和分布参数电路模式色散和材料色散影响现代长距离光等因素，采用更精确的分布参数模型均模型描述线缆长度、绝缘材料特性和屏通信系统采用分布式拉曼放大和数字相干衡设计需要准确估计信道的频率响应和脉蔽效果都会影响信道特性技术，大幅提高传输距离和容量冲响应特性无线信道特性路径损耗阴影衰落•与距离相关的大尺度衰减•地形、建筑物遮挡引起•自由空间模型1/d²•对数正态分布特性1•实际环境1/dⁿn=2~4•变化较慢，相关距离长•受频率、环境影响显著•可用多基站分集克服多普勒效应多径衰落•移动导致的频率偏移•信号经不同路径传播叠加43•频谱扩展，相干时间缩短•快速变化，瑞利/莱斯分布•高速场景下尤为严重•导致频率选择性和时变特性•需要频率跟踪和信道估计•需要均衡、分集等技术克服信道均衡技术线性均衡器线性均衡器通过FIR或IIR滤波器结构，尝试逆转信道的频率响应，抵消信道引入的失真零强制ZF均衡器在无噪声条件下可完全消除ISI，但在深度衰落频点会显著放大噪声；最小均方误差MMSE均衡器则在消除ISI和抑制噪声间取得平衡，综合性能更优判决反馈均衡器判决反馈均衡器DFE结合前馈滤波器和反馈滤波器，利用已判决符号消除未来符号的ISIDFE不会放大噪声，在处理深度频率选择性衰落时性能优于线性均衡器，但存在错误传播问题，且结构更复杂一个典型的DFE结构包括T/2间隔的前向滤波器和T间隔的反馈滤波器自适应均衡时变信道需要均衡器能够动态调整参数，跟踪信道变化自适应均衡通常采用训练序列辅助初始化，然后在数据传输阶段转为判决导向模式继续适应LMS和RLS是两种常用的自适应算法，前者计算简单但收敛慢，后者收敛快但复杂度高高级均衡技术现代通信系统采用更先进的均衡技术，如最大似然序列估计MLSE、图符号算法等Turbo均衡将均衡与解码紧密结合，通过迭代处理提升性能多输入多输出MIMO系统中的均衡则需要同时考虑空间和时间维度的干扰消除，算法更为复杂自适应均衡算法算法计算复杂度收敛速度稳态误差跟踪能力数值稳定性LMS ON慢高中等好NLMS ON中等中等良好好RLS ON²快低优秀差CMA ON很慢高有限好快速RLS ON快低优秀中等自适应均衡算法的核心是根据误差信号不断调整均衡器系数，使均衡器输出尽可能接近期望信号最小均方LMS算法是最基本的自适应算法，简单易实现，采用梯度下降法最小化均方误差，但收敛速度受特征值分布影响，可能较慢归一化LMSNLMS通过步长归一化提高收敛速度和稳定性递归最小二乘RLS算法基于最小化加权最小二乘准则，收敛速度快，不受信号特征值分布影响，但计算复杂度高且可能存在数值稳定性问题无导频信号场景下常用恒模算法CMA，利用信号统计特性进行盲均衡现代系统常采用多种算法的混合策略，如初始阶段用RLS快速收敛，稳态阶段切换到LMS降低复杂度第十一章移动通信基础用户体验需求随时随地接入网络，享受高质量服务网络架构设计分层结构满足覆盖和容量需求无线接入技术多址接入、调制解调和资源管理协议栈实现4复杂协议支持移动性和服务质量移动通信系统是现代社会的关键基础设施，经历了从1G到5G的快速演进1G系统（如AMPS）提供模拟语音服务；2G系统（如GSM）实现数字化，支持短信和低速数据；3G系统（如WCDMA）提供初步的移动互联网体验；4G系统（如LTE）实现真正的移动宽带；5G则面向万物互联时代，支持增强移动宽带、海量物联网和超可靠低时延通信移动通信系统面临独特的挑战，包括频谱资源有限、无线信道复杂多变、用户高速移动、干扰管理困难等现代移动通信系统采用蜂窝架构、多层覆盖、先进的信道编码和调制技术、精细的资源管理和干扰协调机制，平衡覆盖、容量和服务质量需求蜂窝移动通信系统结构蜂窝概念蜂窝系统将服务区域划分为大小相近的小区，每个小区由一个基站覆盖蜂窝结构允许有限频谱在不同小区重复使用，大幅提高系统容量小区半径从几百米到几十公里不等，根据用户密度和地理环境确定现代系统采用多层覆盖，包括宏小区、微小区、皮小区等不同层次网络架构移动通信网络由无线接入网和核心网组成无线接入网负责空口通信，包括基站和控制器；核心网处理呼叫控制、用户认证、计费和网络互联等功能5G引入网络切片和边缘计算概念，实现更灵活的网络架构，支持多样化的应用场景和服务需求移动性管理移动通信系统的关键特性是支持用户移动，这需要复杂的移动性管理机制位置管理跟踪用户位置，优化寻呼效率；切换管理确保用户移动过程中通信不中断，包括硬切换、软切换和软合并等方式5G系统进一步增强了移动性管理能力，支持高速（500km/h）场景下的可靠通信移动通信中的传播特性城市传播环境移动性影响城市环境中的无线传播极为复杂，建用户移动导致信道快速时变，多普勒筑物反射、绕射和散射导致严重的多频移和频谱扩展是其显著特征多普径传播城市信道模型常采用COST勒频移fd=v/λ（v为相对速度，λ为

231、Okumura-Hata等经验模型，预波长），高速移动场景下可达数千Hz测路径损耗随距离和频率的变化城这导致相干时间缩短，增加信道估计市环境中阴影衰落标准差通常在6-和跟踪难度现代系统采用导频辅助10dB，多径时延扩展可达几微秒，信道估计、自适应调制编码和分集技对高速数据传输构成挑战术应对移动性挑战室内与穿透损耗现代移动通信系统需要提供良好的室内覆盖，但建筑物穿透损耗显著，根据材料和频率不同可达10-30dB高频段（如5G毫米波）穿透能力更差室内环境中，反射和散射更加复杂，时延扩展较小但路径损耗指数较大，约为3-4分布式天线系统、小基站和中继技术是改善室内覆盖的有效手段多径衰落和分集技术多径衰落是移动通信面临的主要挑战之一信号通过不同路径传播，到达接收端的多径分量因为相位差异可能相互增强或抵消，导致接收信号强度快速波动在瑞利衰落信道中，信号强度呈瑞利分布，有约

36.8%的时间信号低于均值的一半，严重影响通信质量分集技术是克服多径衰落的有效方法，通过提供多个相对独立的信号副本，降低所有分支同时深度衰落的概率常用的分集方式包括时间分集（通过编码和交织提供时间域冗余）、频率分集（跨越相干带宽分配信号）、空间分集（使用多天线收发）和偏振分集（利用不同偏振方向）现代系统如5G NR广泛采用MIMO技术，实现空间分集和空间复用，显著提高链路可靠性和频谱效率移动通信的发展趋势1超大规模MIMO基站配备数十甚至数百个天线单元，通过高精度波束赋形提高频谱效率，同时服务多个用户超大规模MIMO使空口接近点对点链路性能，大幅提升系统容量和能效，是5G及未来移动通信的关键技术太赫兹通信2探索

0.1-10THz频段，提供TB级传输速率太赫兹波的超短波长允许紧凑型天线阵列，实现精确波束方向控制关键挑战包括大气吸收、器件技术和波束跟踪等，主要面向短距离超高速应用场景空天地一体化网络整合地面蜂窝网络、高空平台和卫星系统，实现全球无缝覆盖低轨卫星星座（如Starlink）大幅降低传输延迟，使卫星通信成为地面网络的有效补充异构网络协同面临复杂的资源管理和干扰控制挑战智能通信网络人工智能和机器学习技术深度融入通信系统，实现网络自优化、自配置和自修复智能通信从感知环境到预测用户行为，从资源分配到干扰管理，全面提升网络效率和用户体验第十二章现代通信网络网络融合趋势网络智能化万物互联支撑现代通信网络正经历深度融合，传统的电人工智能和大数据技术正重塑通信网络未来通信网络将成为万物互联的基础设施，信网、互联网、广播电视网和物联网边界智能网络可以预测流量模式，优化资源配预计到2030年全球连接设备数量将超过日益模糊全IP化是融合的技术基础，软置，自动检测和修复故障，甚至预防安全500亿这要求网络具备海量连接、超低件定义网络SDN和网络功能虚拟化NFV威胁认知无线电利用AI实现频谱感知和功耗、高可靠低时延等多样化能力网络使网络资源更加灵活可编程云计算、边动态接入，提高频谱利用率网络切片和架构也从以人为中心向以物为中心演进，缘计算和雾计算为融合网络提供分布式计意图驱动的网络管理使网络能够根据业务数据中心网络、传感器网络和设备间直接算能力，满足不同应用的延迟和处理需求需求自动调整配置，实现真正的服务差异通信成为重要组成部分化通信网络的分层结构物理层负责比特流的传输，定义电气、光学或无线接口特性数据链路层提供可靠的点对点数据传输，包括介质访问控制和差错处理网络层实现端到端数据路由和转发，处理网络拥塞和流量控制传输层提供端到端的可靠数据传输，包括连接管理和流量控制应用层支持各种网络应用和服务，提供用户接口和数据表示通信网络采用分层结构设计，每层执行特定功能并为上层提供服务，实现复杂系统的模块化OSI七层模型是标准化的网络架构参考，而TCP/IP模型是互联网的事实标准，将OSI模型简化为四层（链路层、网络层、传输层和应用层）现代网络设计趋向跨层优化，打破传统严格的层次界限，根据应用需求和网络状况动态调整各层参数5G网络采用服务化架构SBA，将网络功能定义为可重用的服务组件，通过开放接口实现灵活组合，支持多样化的业务需求和网络切片网络和互联网技术IP终端设备接入网络通过IP协议接入网络的各类设备连接终端和骨干网的第一跳网络边界网关4骨干网络连接不同自治系统的路由器高速路由器连接的核心传输网络互联网作为全球最大的通信网络，建立在IP协议基础上IP网络采用分组交换技术，将数据分割成小包独立路由，与电路交换相比更灵活高效IPv4地址空间已耗尽，IPv6提供128位地址空间，并改进了安全性、路由效率和服务质量等方面IP协议栈中，TCP提供可靠的面向连接服务，UDP提供简单的无连接服务现代IP网络面临的主要挑战包括QoS保障，通过DiffServ或IntServ实现业务差异化；网络安全，应对DDoS攻击和数据窃取等威胁；移动性支持，通过移动IP和代理移动IP处理终端移动；多播和内容分发，高效传送流媒体和大文件软件定义网络SDN通过控制平面与数据平面分离，提高网络可编程性和灵活性，是IP网络演进的重要方向移动通信网络5G10Gbps1ms峰值速率端到端时延理论下行最大传输速率超可靠低时延场景最低延迟万100/km²500km/h连接密度支持移动速度每平方公里最大连接设备数高速移动场景下的可靠连接5G网络是第五代移动通信技术，相比4G实现了全方位的性能提升5G定义了三大应用场景增强移动宽带eMBB提供极高数据速率；超可靠低时延通信URLLC支持工业自动化和远程控制；海量机器类通信mMTC实现物联网大规模连接这些场景的性能需求各不相同，需要灵活的网络架构支持5G采用服务化网络架构SBA，将网络功能重构为松耦合的服务，通过统一的接口交互，提高灵活性和可扩展性网络切片技术允许在共享物理基础设施上创建逻辑独立的端到端网络，为不同应用提供定制化服务新空口NR设计支持灵活的帧结构、大规模MIMO和毫米波通信，极大提升了频谱效率和网络容量结语通信技术的未来展望6G愿景与技术量子通信新型人机交互第六代移动通信技术6G预计在2030年左量子通信利用量子力学原理实现理论上无法未来通信技术将超越传统界面，实现直接的右商用，将实现Tbps级传输速率、微秒级破解的安全通信量子密钥分发QKD已在人脑交互非侵入式脑机接口已能识别简单时延和近乎无限的连接能力6G将探索太多个国家建设应用网络，但传输距离和速率意图并转化为控制信号随着神经科学和微赫兹和可见光通信，集成感知与通信，支持仍有限制量子中继器和量子存储器将突破电子技术发展，高分辨率脑信号采集和解析全息通信和数字孪生人工智能将深度融入这些限制，实现全球量子通信网络量子互将实现更丰富的信息交换触觉互联网和全通信系统各层，从信号处理到网络优化，实联网将支持分布式量子计算和量子传感，开沉浸式体验将创造全新的虚拟现实世界，模现真正的智慧网络创信息技术新纪元糊物理和数字边界。