《信号通信原理》课件

信号通信原理欢迎学习信号通信原理课程本课程将深入探讨现代通信系统的基本原理和技术，从信号的基本特性到复杂的调制解调技术，帮助您建立完整的通信理论体系通过本课程，您将了解信号处理、频谱分析、各类调制技术以及现代通信系统的架构与发展无论您是通信工程专业的学生还是对通信技术感兴趣的爱好者，本课程都将为您打开通信世界的大门通信系统基本结构发送端负责信息的编码、调制和放大，将原始信息转换为适合传输的信号形式包含信源编码器、调制器和功率放大器等组件信道信号传播的媒介，可以是有线（如电缆、光纤）或无线（如大气、太空）信道会引入噪声、衰减和失真，是通信系统设计的关键挑战接收端负责接收、解调和解码信号，恢复原始信息包含低噪声放大器、解调器和信源解码器等组件通信系统的类型有线通信系统无线通信系统使用物理媒介如双绞线、同轴电缆或光纤传输信号通过电磁波在空间传播信号，无需物理连接•稳定性高，受外界干扰少•灵活性高，支持移动通信•传输距离受限，需要物理连接•易受干扰，传输质量受环境影响•典型应用有线电话、宽带互联网、光纤网络•典型应用移动通信、卫星通信、无线局域网有线通信技术已经发展出高达数十的传输能力，特别是在现代无线通信技术已经发展到时代，支持高达的峰Tbps5G10Gbps光纤通信领域值速率信号分类与定义连续时间信号定义在连续时间轴上的信号，表示为，∈xt tR如正弦波、语音信号等自然界中的大多数信号数学上可用连续函数描述，适合模拟系统处理离散时间信号只在离散时间点上有定义的信号，表示为，∈x[n]n Z通常由连续信号采样获得，如数字音频、图像像素值等是数字信号处理的基础，适合计算机处理能量信号总能量有限的信号，满足∫|xt|²dt∞典型如单个脉冲信号、有限时间内的语音能量集中，可用能谱密度描述频域特性功率信号平均功率有限的信号，如平均功率P=limT→∞1/2T∫|xt|²dt∞典型如正弦波、通信载波理论上无限延续，能量无限但功率有限信号的时域特性方波信号三角波信号正弦波信号在时域上呈现方形跳变特性，具有陡峭的上升沿和下在时域上呈现线性上升和下降的三角形状常用于测最基本的周期信号，表达式为其中A·sinωt+φA降沿典型应用于数字电路、时钟信号和开关控制试系统的线性响应和模拟电路中的波形生成其一阶为幅度，为角频率，为初相位是通信系统中最ωφ其数学表达式涉及符号函数或阶跃函数的组合导数为方波，相比方波具有更平滑的特性常用的载波形式，也是复杂信号分解的基本单元信号的频域特性时域表示信号随时间变化的波形，如表示时间处的信号幅度这是我们最直观的信号表示方式，但xt t难以揭示信号的频率构成傅里叶级数将周期信号分解为一系列正弦波的叠加每个分量有特定的频率、幅度和相位例如，方波可分解为无限多个奇次谐波叠加傅里叶变换将任意信号（包括非周期信号）分解为连续谱的正弦波组合，得到信号的频谱表示或XfXω频谱意义频谱揭示了信号的频率构成，包括哪些频率分量以及各分量的强度和相位关系这对通信系统设计至关重要傅里叶级数分解周期信号ft任意周期为的周期信号T级数展开式₀₀₀ft=a+Σ[a cosnωt+b sinnωt]ₙₙ系数计算积分公式确定每个频率分量的权重傅里叶级数是分析周期信号的强大工具，它表明任何周期信号都可以分解为直流分量和一系列谐波分量的叠加对于周期为的信号，其基频为T₀，谐波分量的频率为₀f=1/T nf系数₀代表信号的直流分量，即信号的平均值；系数和分别表示第次谐波的余弦和正弦分量的幅度通过计算这些系数，我们可以完全描述一a ab nₙₙ个周期信号的频率组成以方波为例，其傅里叶级数只包含奇次谐波，且幅度随频率增加而递减，这解释了为什么方波的边缘不可能无限陡峭类似地，三角波的频谱中谐波分量幅度衰减更快，反映了其更平滑的时域特性傅里叶变换基本性质线性性质时移性质频移性质如果₁的傅里叶变换为₁，₂如果的傅里叶变换为，则₀如果的傅里叶变换为，则x t Xωx txt Xωxt-txt Xω的傅里叶变换为₂，那么的傅里叶变换为₀时域上₀的傅里叶变换为Xωe^-jωt Xωxte^jωtXω-₁₂的傅里叶变换为的延迟对应于频域中的相位旋转，但幅度谱₀这一性质是调制理论的基础，说明ax t+bx tω₁₂这一性质是信号分解不变这在通信系统的延时分析中非常重时域中的载波调制对应于频域中的频谱搬aXω+bXω和合成的基础，使我们能够分别分析信号的要移不同成分傅里叶变换的对称性质也非常重要如果是实信号，则其幅度谱是偶函数，相位谱∠是奇函数这种对称性帮助我们减少xt|Xω|Xω计算量，并验证分析结果的正确性信号能量与带宽拉普拉斯变换与信号拉普拉斯变换定义₀，其中是复变量Fs=∫^∞fte^-stdt s=σ+jω极点与零点分析通过平面上的特征点分析系统性质s收敛域与因果性确定变换有效的值范围，与信号特性相关s拉普拉斯变换是傅里叶变换的扩展，通过引入复变量，使我们能够分析更广泛的信号类型，特别是不稳定或增长的信号当时，拉普拉斯变换简化s=σ+jωσ=0为傅里叶变换，因此可以将傅里叶变换视为拉普拉斯变换在虚轴上的特例拉普拉斯变换在信号分析中的最大优势是能够处理初始条件，这使它特别适合于分析电路和控制系统的暂态响应通过变换，复杂的微分方程可以转化为代数方程，大大简化了计算难度在平面上，系统的极点决定了自然响应的形式，而零点影响强制响应的特性极点的实部决定系统稳定性，虚部决定振荡频率这种表示方式为系统设计提供s了直观的几何解释采样与量化原理采样定理奈奎斯特香农采样定理指出对于带宽限制在赫兹的信号，如果采样频率，则原始连续时间信-B fs2B号可以从其采样值完全重建数学表示xt=Σx[n]·sincπfst-πn若采样频率不足（欠采样），将导致频谱混叠，产生不可恢复的失真量化是将采样值映射到有限数量的离散值的过程例如，位量化可以表示个不同的离散值82^8=256量化误差是原始采样值与量化值之间的差异，通常建模为加性噪声量化误差的大小取决于量化步长，均匀量化的误差范围为±ΔΔ/22B2^N

6.02N最小采样频率量化级数量化信噪比带宽为的信号需要的最小采样频率（）位量化可表示的离散值数量位量化的理论信噪比（）B HzN NdB采样与量化是模拟信号转换为数字信号的两个核心步骤在实际应用中，通常使用高于奈奎斯特率的采样频率（过采样）以减轻抗混叠滤波器的设计难度，并使用非均匀量化（如律或律）来提高动态范围μA时域与频域的结合时域表示变换过程信号随时间的变化，直观但难以分析频率成分通过傅里叶变换在时域和频域之间转换时频联合分析频域表示通过短时傅里叶变换、小波变换等方法结合时域和频信号的频率构成，便于分析但失去时间信息域分析时域和频域是信号的两种互补表示方式，各有优势时域表示直观地展示信号随时间的变化，适合分析信号的时间特性；频域表示则揭示信号的频率组成，便于分析信号的频谱特性和系统的频率响应时域和频域之间存在明确的数学联系窄时域信号对应宽频谱，反之亦然例如，理想的脉冲函数在时域极窄，而其频谱覆盖全频带；相反，单一频率的正弦波在频域只有一个点，但在时域无限延伸在实际应用中，我们经常需要同时考虑信号的时间和频率特性例如，在语音处理中，不同的音素在时频上有不同的特征；在无线通信中，信道的时变特性和频率选择性都需要考虑短时傅里叶变换和小波变换等技术提供了时频联合分析的工具，适合处理非平稳信号线性系统与冲激响应线性系统定义单位冲激函数满足叠加原理的系统若输入₁理想的冲激函数在处具有无限x tδt t=0产生输出₁，输入₂产生输出大的幅度，在其他时间为零，且积分y tx t₂，则输入₁₂产生为虽然在物理上不可实现，但作y tax t+bx t1输出₁₂线性系统是信为理论工具极其有用，可视为最窄的ay t+by t号处理的基础模型，使复杂信号可以脉冲极限分解为简单分量单独处理冲激响应本质系统对单位冲激函数的响应称为冲激响应它完全表征了线性时不变系统的特δt ht性，知道后可以计算系统对任意输入的响应，是系统分析的指纹ht冲激响应在通信系统分析中具有核心地位对于线性时不变系统，一旦知道其冲激响应，ht就可以通过卷积运算计算系统对任意输入的输出xt ytyt=xt*ht=∫xτht-τdτ在实际工程中，无法产生理想冲激函数，但可以使用足够窄的脉冲近似，或通过其他测量方法如相关技术或频域测量间接获取冲激响应现代网络分析仪和信号分析仪通常基于这些原理工作系统函数与传递函数系统类型时域特征频域特征连续时间系统冲激响应传递函数ht Hs=L{ht}离散时间系统单位脉冲响应频率响应h[n]He^jω=Σh[n]e^-jωn系统卷积关系代数关系LTI yt=xt*ht Yω=Xω·Hω系统函数是系统输出与输入之比的变换域表示，完整描述了系统的特性对连续时间系统，传递函数是冲激响应的拉普拉斯变换；对离散时间系统，则是单位脉冲响应的变换Hs ZHz传递函数的极点和零点分布决定了系统的基本特性极点位置决定系统的稳定性和自然响应的形式位于左半平面的极点对应衰减响应，虚轴上的极点产生持续振荡，右半平面的极点则导致不稳定增长在频率域，传递函数表示系统对不同频率分量的幅度和相位影响波特图（幅频特性s=jω和相频特性的半对数图）是描述传递函数最常用的方式，直观展示了系统的滤波特性和带宽这对通信系统设计至关重要，帮助分析信号失真和优化系统参数卷积与系统响应输入信号xt系统的激励，可以是任意复杂波形卷积运算*yt=xt*ht=∫xτht-τdτ输出响应yt系统对输入信号的响应结果卷积是线性时不变系统分析的核心运算，它描述了系统的输入和输出之间的关系在时域，卷LTI积积分计算过程可以解释为加权叠加输入信号在每个时刻的值，乘以相应时移的冲激响应，然后对所有贡献求和卷积定理指出，时域卷积等价于频域相乘如果，则这个yt=xt*ht Yω=XωHω性质极大简化了复杂信号的系统响应计算，因为在频域只需进行简单的乘法，而不是复杂的卷积积分实际应用中，卷积运算广泛应用于图像处理（如模糊、锐化）、音频处理（如混响、均衡）和通信系统（如信道效应建模）数字系统中，离散卷积通过离散和取代积分，是数y[n]=Σx[k]h[n-k]字信号处理的基础操作频域分析与系统性质0-3dB20dB3-20dB通带阻带过渡带系统允许信号几乎无衰减通过的频段系统显著衰减信号的频段通带与阻带之间的过渡区域系统的频率响应描述了系统对不同频率正弦信号的幅度和相位影响幅度响应表示各频率分量的增益或衰减，相位响应∠表示各频率分量的相位Hjω|Hjω|Hjω偏移这两者共同决定了系统对信号的整体影响理想滤波器在通带有统一增益，在阻带完全衰减，且具有陡峭的过渡带然而，由于因果性和有限阶数的限制，实际滤波器总是存在一定的非理想特性，如通带波纹、有限阻带衰减和有限的过渡带宽度除了幅度特性外，相位特性同样重要线性相位意味着所有频率分量具有相同的群延迟，这对于保持信号波形非常重要在通信系统中，非线性相位会导致波形失真，即使幅度响应是平坦的因此，系统设计往往需要在幅度和相位特性间取得平衡滤波器分类与应用低通滤波器高通滤波器带通滤波器允许低频信号通过，抑制高频分量典型应允许高频信号通过，抑制低频分量常用于只允许特定频带内的信号通过，同时抑制该用包括音频系统中的低音增强、图像处理中音频系统中的高音增强、图像处理中的边缘频带外的所有频率在无线通信系统中，带的模糊效果以及通信系统中的基带信号提检测以及通信系统中的噪声和直流偏置消通滤波器用于选择特定频道，抑制相邻频道取在数字通信中，低通滤波器用于接收端除在医疗设备中，高通滤波器可以滤除生干扰在音频均衡器中，多个带通滤波器并重建基带信号，去除采样过程引入的高频分理信号中的缓慢漂移，保留关键的高频诊断联使用，可以精确控制不同频段的增益量信息带阻滤波器（陷波器）则与带通滤波器相反，抑制特定频带内的信号，允许其他频率通过它常用于消除特定频率的干扰，如电源噪声（50Hz或）或无线通信中的窄带干扰60Hz线性调幅原理AM线性调幅（）解调AM包络检波同步检波包络检波是解调的基本方法，基于从调制信号中提取包络的同步检波使用本地产生的载波信号与接收信号相乘，然后通过低AM原理典型的包络检波器由二极管、电容和电阻组成通滤波恢复原始调制信号工作原理二极管整流将信号变为单向脉冲，电容和电阻形工作原理基于正交特性，当两个不同频率的正弦波相乘后经低AM成网络，跟踪信号包络而不响应载波频率的快速变化通滤波，结果为零；当频率相同时，得到的是调制信号RC优点电路简单，成本低，不需要载波同步优点可用于各种变体，包括抑制载波的调制方式；噪声性AM能优于包络检波限制只适用于标准（包含载波），对等抑制载波AM DSB-SC的调制方式无效；在低信噪比条件下性能下降限制需要精确的载波恢复电路，实现复杂度高；相位误差会导致输出信号失真在实际接收机中，同步检波通常需要相位锁定环（）或其他载波恢复技术来提取精确的载波参考信号现代通信系统倾向于使用PLL数字信号处理技术实现同步检波，以获得更高的精度和可靠性调频（）与调相（）基础FM PM信息信号角度调制过程mt需要传输的原始信息改变载波相位或频率解调恢复信息调制信号传输4通过频率或相位变化检测耐噪声、更宽带宽调频（）和调相（）是两种角度调制技术，其共同特点是载波的幅度保持恒定，而频率或相位随调制信号变化信号的瞬时频率与调制信号成正比变化，表达式为FM PM FM st=，其中是频率偏移常数信号的瞬时相位与调制信号成正比变化，表达式为，其中是相位偏移常数Acos[ωct+kf∫mτdτ]kf PMst=Acos[ωct+kpmt]kp和在数学上密切相关对调制信号进行积分后的等效于，而对调制信号进行微分后的等效于这种关系使得两种调制方式可以通过适当的处理相互转换FM PMPMFM FM PM与相比，角度调制具有显著的抗噪声优势，特别是对抗幅度噪声这是因为信息编码在相位或频率中，而接收机可以限幅以消除幅度干扰然而，角度调制通常需要更宽的带宽，带AM宽随调制指数增加而增加，这是一种带宽换抗噪性能的交换与的调制过程FM PM产生电路产生电路调制指数FM PM信号可以通过多种方式产生，最常见的是信号通常通过移相器或平衡调制器产生的调制指数定义为最大频偏与调制信号FM PMFMβ压控振荡器（）法和间接法的谐移相器方法使调制信号直接控制载波相位；频率的比值调制指数决定了边VCO VCOβ=Δf/fm振频率随控制电压（即调制信号）变化，直平衡调制器方法则将载波分为正交分量，通带的分布和能量分配，通过贝塞尔函数Jnβ接产生信号精确度要求高时，常采用基过调整它们的相对幅度实现相位调制数字可以计算各边带的幅度一般来说，越大，FMβ于的间接法，通过相位调制间接实现频实现中，直接数字合成（）技术能精确有效边带数量越多，占用带宽越宽，但抗噪PLL DDS率调制控制相位性能越好在商业广播中，为保证音质和兼容性，标准化了最大频偏（通常为）通信系统中，调制指数的选择是带宽效率和抗噪性能之间的FM75kHz权衡，需根据具体应用场景优化对数前置加重和去加重技术常用于改善系统在噪声环境下的性能FM与的解调方法FM PM斜率检波法将信号转换为信号，然后用解调器检测通过使用谐振电路的频率响应斜FM AMAM率，频率变化转换为幅度变化实现简单但容易受非线性影响相位鉴别器测量接收信号与参考信号间的相位差，输出与瞬时频率成比例常见实现包括福斯特-西利鉴频器和比例鉴频器比例鉴频器具有自限幅特性，抗干扰能力强锁相环检波使用跟踪信号的瞬时频率的控制电压正比于输入信号的频率偏移，即PLL FMVCO为解调输出精度高，适合窄带和宽带，但电路复杂度较高FM数字技术现代接收机常用数字信号处理（）技术解调通过采样后计算相邻样本的相位DSP差，或使用离散傅里叶变换分析频谱，精确提取频率信息解调的关键挑战是将频率变化准确转换为与原始调制信号成比例的电压不同解调方法在精度、FM复杂度和抗干扰性能方面各有优劣在选择解调技术时，需考虑信号带宽、期望的信噪比以及实现复杂度等因素窄带与宽带调制特性窄带宽带FM FM调制指数ββ1β1频谱特性基本只有载波和一对边带多对有效边带带宽需求约等于约等于2fm2β+1fm抗噪性能一般，略优于优秀，随增大而提高AMβ典型应用通信系统，无线对讲广播，高保真音频窄带（）的数学表达式可以近似为，这表明可以看作一个载波加上一个与调制信号成比例的正交调制分量其频谱近似于一个载波和两个边带，FM NBFMst≈Ac[cosωct-β·mtsinωct]NBFM类似于，带宽约为AM-SSB2fm宽带（）则需要使用贝塞尔函数分析其频谱随着增大，有效边带数量增加，占用带宽扩大卡森规则给出了信号带宽的经验估计FM WBFMst=Ac·ΣJnβcos[ωc+nωmt]βFM BW≈2β+1fm的主要优势是优秀的抗噪性能，信噪比改善约为倍（单位为）这种捕获效应使得接收机能锁定最强信号，抑制较弱的干扰商业广播采用宽带调制以获得高保真音质，并使用WBFM3β²dBFMFM预加重和去加重电路进一步提高高频成分的信噪比75μs脉冲调制概述脉冲幅度调制脉冲宽度调制PAM PWM采样时刻的信号幅度决定脉冲的幅度信号幅度控制脉冲的宽度或持续时间信号可以看作是连续信号的采样版高信号值对应宽脉冲，低信号值对应窄PAM本，每个脉冲的高度对应采样点的值脉冲广泛应用于功率控制和电PWM是数字通信的基础，但其本身仍属机驱动，其优点是转换效率高，对噪声PAM于模拟调制，因为脉冲幅度可以是连续不敏感数字音频放大器常采用PWM变化的原理脉冲位置调制PPM信号幅度决定脉冲在时间窗口内的位置高信号值使脉冲提前出现，低信号值使脉冲延后出现比具有更好的抗噪性能，但需要精确的定时同步在光通信和特定无线PPM PAM系统中有应用脉冲调制技术是连接模拟和数字通信世界的桥梁它们通过在离散时间点对信号进行采样，将连续时间信号转换为由离散脉冲表示的形式这些技术在模拟数字转换过程中发挥关键作用，也-广泛应用于电力电子控制和信号传输与连续波调制相比，脉冲调制具有功率效率高、抗干扰能力强等优势，但要求更精确的同步和定时恢复多路复用能力是脉冲调制的另一显著优点，通过时分复用可以在一个物理信道上传输多个信号，大幅提高频谱利用效率采样保持与恢复信号采样按奈奎斯特率或更高频率对信号取样采样值保持保持采样值直到下一采样点信号重建通过低通滤波恢复原始连续信号采样定理（奈奎斯特定理）是信号采样与重建的理论基础，它指出带宽限制在赫兹的信号，如果以不低于的频率均匀采样，则原始信号可以完全由其采B2B样值重建这一定理确定了信号数字化的最低采样频率要求采样保持电路是模拟数字转换中的关键组件，它在每个采样时刻捕获输入信号的瞬时值，并保持该值直到下一采样点理想的采样保持电路应具有无限快的-采集时间、零漂移的保持能力和精确的定时控制实际电路中，有限的带宽、漏电流和钟摆效应等因素会引入误差信号重建通过插值或滤波实现理想重建滤波器是一个截止频率为的理想低通滤波器，其冲激响应是函数由于理想滤波器不可实现，实际系统中使fs/2sinc用各种近似，如多阶巴特沃斯或切比雪夫滤波器过采样技术（使用高于奈奎斯特率的采样频率）可以降低重建滤波器的设计难度脉冲编码调制（）原理PCM模拟信号连续时间、连续幅度的原始信号采样以固定频率对信号取样，生成信号PAM量化3将采样值映射到离散数值，引入量化误差编码将量化值转换为二进制码字传输存储/二进制数据的传输或存储脉冲编码调制（）是数字通信和数字音频的基础技术，它通过采样、量化和编码三个步骤将模拟信号转换为数字比特流这种转换使信号能够以数字形式传输和处理，享受数字系统的诸多优势PCM的主要优点包括抗噪声干扰能力强（接收端只需判断二进制状态）；传输过程中质量不会降低（可进行再生中继）；便于信号处理和加密；易于与计算机和数字系统集成；支持时分复用，提高带PCM宽利用率的主要缺点是带宽需求较大标准电话信号（带宽）使用位量化和采样率时，产生的比特率，比原始模拟信号需要更多带宽此外，量化过程引入的量化噪声是系统中最PCM4kHz88kHz64kbps PCM主要的失真来源，需通过增加量化位数或采用非均匀量化来优化系统结构PCM信号源模拟信号输入发送端处理抗混叠滤波、采样、量化、编码传输信道数字比特流传输接收端处理同步、解码、平滑滤波信号输出重建模拟信号系统的发送端首先通过低通滤波器限制输入信号带宽，防止混叠然后采样保持电路按固定时间间隔捕获信号值，形成信号量化器将连续幅度的采样值转换为离散电平，通常使用个量化PCM PAM2^n电平，其中是量化比特数最后，编码器将每个量化值转换为位二进制码字n n多路复用器可以将多个信号合并，形成时分复用（）流，提高传输效率帧同步码通常添加到数据流中，确保接收端能正确识别各信道数据在高噪声环境中，可能还需要添加纠错码来增强可PCM TDM靠性接收端首先进行时钟恢复和帧同步，然后解复用提取各信道数据解码器将二进制码字转换回离散量化电平，数模转换器生成相应电压，最后通过重建滤波器（通常是低通滤波器）平滑信号，恢复原始模拟波形整个过程中，时钟同步至关重要，否则会导致严重的信号失真差分脉冲编码（）与自适应调制DPCM基本原理自适应技术DPCM差分脉冲编码调制（）不直接编码采样值，而是编码相邻采自适应差分脉冲编码调制（）通过动态调整预测器参数或量DPCM ADPCM样值之间的差值由于大多数信号（如语音、图像）具有很强的相关化步长，进一步提高编码效率它能根据信号特性的变化自动优化编性，相邻采样值通常相近，差值的动态范围远小于原始采样值码过程编码器包含一个预测器，用于估计当前采样值，然后只传输自适应量化（）根据信号局部统计特性调整量化步长在信号幅DPCM AQ实际值与预测值的差异预测器可以是简单的一阶预测（使用前一个度大的区域使用较大步长，在信号幅度小的区域使用较小步长，从而样本值），也可以是更复杂的线性预测器保持相对恒定的信噪比与标准相比，在相同位数下能提供更高的信号质量，或自适应预测（）则动态调整预测器系数，使预测更准确，减小预PCM DPCMAP在相同质量下减少所需的比特数这种效率提升在信号高度相关时最测误差许多现代语音编码标准（如）结合了这两G.726ADPCM为显著种自适应技术差分编码技术的变体包括增量调制（）和适应性增量调制（）是的极简版本，每个采样只用一位表示（增加或减少）DM ADMDM DPCM虽然极其简单，但在足够高的采样率下也能有效传输语音与标准相比，这些差分技术在相同质量下通常能减少的带宽需求PCM30-50%基础ASK/FSK/PSK振幅键控频率键控ASK FSK1数字信息调制载波振幅数字信息调制载波频率混合调制相位键控PSK结合多种调制参数数字信息调制载波相位振幅键控（）是最简单的数字调制方式，通过改变载波幅度传输数字信息，最基本的二进制（也称为开关键控）在状态发送载波，在状态不发送载波ASK ASKOOK10ASK实现简单但抗噪性能差，主要用于低速光纤通信、和红外遥控等简单系统RFID频率键控（）使用不同频率表示不同数字状态，常见的二进制使用两个频率₁和₂分别表示和比具有更好的抗噪性能，广泛应用于中低速数据传输，FSK FSKf f01FSK ASK如早期调制解调器（）、无线电遥控和某些医疗设备300-1200bps相位键控（）通过改变载波相位传输信息，二进制（）使用°和°两个相位状态在给定功率下具有最佳的抗噪性能，被广泛应用于卫星通信、深空通PSK PSKBPSK0180PSK信和现代无线数据网络的高级形式如、结合了幅度和相位调制，可进一步提高频谱效率PSK QPSK8PSK二进制与多进制调制二进制调制每个符号携带比特信息，每次传输有两种可能状态1•2ASK（OOK）简单但抗干扰能力差，适用于光和红外通信•2FSK中等复杂度和性能，在窄带无线电中常用•2PSK（BPSK）优异的抗噪性能，每比特误码率最低，用于可靠通信优点是实现简单、误码率低；缺点是频谱效率相对较低多进制调制每个符号携带多个比特，提高频谱利用率，但增加误码率•M-ASK振幅有M个可能值，抗噪能力弱，少用•M-FSK每个比特用不同频率表示，抗噪好但占用带宽大•M-PSK使用M个相位状态，如QPSK（4相位，每符号2比特）•M-QAM结合振幅和相位调制，如16QAM（每符号4比特）随着符号携带比特数增加，所需信噪比也增加正交相移键控（）是应用最广泛的多进制调制之一，它在相位空间均匀分布四个点（°°°QPSK0,90,180,°），每个符号携带比特信息与相比，在相同带宽下数据率翻倍，且理论误码性能仅轻微降低2702QPSK BPSK正交幅度调制（）结合振幅和相位调制，形成更密集的星座图使用个不同的振幅相位组合，每个符QAM16QAM16-号携带比特，频谱效率比高两倍现代和系统使用的甚至更高阶调制，在良好信道条件下可4QPSK WiFi5G256QAM实现极高的数据率载波同步与定时恢复⁻⁶1ms1030dB同步获取时间相位抖动锁定范围现代同步系统锁定载波的典型时间高质量的相位误差典型值强信号可靠锁定所需的最小信噪比PLL rad载波同步是相干解调的关键，接收机必须精确重建与发送端完全相同的载波参考信号载波同步的主要方法包括直接发送参考载波（占用带宽但简单可靠）；载波抑制系统中使用非线性电路恢复载波；基于锁相环（）123PLL的同步技术相位锁定环（）是现代通信系统中最常用的载波恢复技术它由相位检测器、环路滤波器和压控振荡器（）组成，通过反馈机制使本地振荡器的频率和相位锁定到输入信号数字在软件定义无线电中广泛应用，提供更灵PLL VCOPLL活的参数优化调制方案性能对比基带传输信道与码间串扰基带传输基本结构码间串扰现象串扰抑制与均衡基带传输是指直接在物理媒介上传输低频信码间串扰（）是数字通信中的主要失真源，抑制的技术包括精心设计的信号波形（如ISI ISI号，无需调制到高频载波上典型应用包括电当信号通过带宽受限信道时，脉冲展宽并相互升余弦滤波）；奈奎斯特信号设计准则；自适缆以太网、通信和部分短距离数据线基重叠，导致当前符号受到相邻符号影响这使应均衡器（如线性均衡器、判决反馈均衡器USB带系统结构通常包括编码器、线路驱动器、传接收端难以正确判决符号值，增加误码概率）现代高速系统中，均衡技术是必不可DFE输媒介、接收放大器和解码器相比带通系在高速传输中，成为限制系统性能的关键因少的，特别是在严重频率选择性信道中ISI统，基带传输结构简单且成本低素眼图是评估和信号质量的强大工具在眼图中，开口越大，表示越小，判决余量越大现代高速串行接口如、等高度依赖复杂的ISI ISIPCIe USB

3.0均衡技术来抵消信道编码（如曼彻斯特码、码）也广泛用于改善信号特性，促进时钟恢复并减少直流漂移ISI8b/10b物理层噪声分类热噪声散粒噪声电子元件中的热运动随机性导致的噪声，由于电流的离散性质（电子流不连续）产又称约翰逊噪声它存在于所有电子系统生的噪声，在半导体器件和真空管中尤为中，强度与绝对温度成正比热噪声的功显著例如，结中的载流子随机穿越PN率谱密度几乎均匀分布在所有频率，是设势垒导致电流波动与电流大小成正比，计通信系统时必须考虑的基本噪声源在在低电流系统如光电探测器中特别重要室温下，电阻的热噪声功率谱密度其统计特性通常接近泊松分布50Ω约为-174dBm/Hz脉冲噪声由电气开关、雷电、电机和其他电气系统产生的短暂高能脉冲干扰其特点是幅度大、持续时间短、发生不规则传统高斯噪声模型难以描述脉冲噪声，通常需要冲激过程或稳定分布α-等特殊统计模型功率线通信系统尤其受此影响除了这些基本噪声类型，实际通信系统还面临其他干扰源相位噪声主要影响振荡器稳定性；噪1/f声（闪烁噪声）在低频段明显，功率与频率成反比；交调噪声由系统非线性导致；多径干扰在无线通信中尤为突出不同噪声源的统计特性决定了最佳处理方法大多数通信理论基于加性高斯白噪声模型，它AWGN假设噪声是高斯分布的且频谱平坦虽然这种简化模型在许多情况下有效，但在特定环境（如水下声通信或电力线通信）中可能不够准确，需要更复杂的噪声模型高斯白噪声特征噪声对调制信号的影响串扰效应误码率分析码间串扰（）是数字通信中的主要非加性失真源当信号通噪声对数字通信系统的最终影响体现在误码率（）上不ISI BER过带宽有限的信道时，符号脉冲会扩展并相互重叠，导致当前符同调制方式在相同信噪比下的误码性能差异很大例如，在号受前后符号影响的严重程度与信道频率响应和符号速率信道中，的理论为₀，而ISI AWGNBPSK BERQ√2Eb/N有关信道频率响应越不平坦，或符号速率越高，就越严的约为₀，这意味着需ISI16QAM BER3Q√

0.2Eb/N16QAM重要约更高的信噪比才能达到与相同的误码率7dB BPSK在时域，表现为理想采样点之外的信号能量溢出到相邻符号在实际系统中，除了噪声外，相位误差、频率偏移、定时抖动等ISI周期；在频域，则体现为信号中高频成分的过度衰减眼图是分非理想因素也会增加误码率信道编码（如卷积码、码、Turbo析严重程度的有效工具，眼图开度越大表示越小码）可以显著降低噪声影响，以增加冗余和复杂度为代价ISI ISILDPC换取更低的误码率不同调制方式对噪声的敏感度各异幅度调制（如、）对加性噪声和幅度失真特别敏感；而对频率偏移和相位不稳定性ASK QAMFSK更敏感则在相位噪声存在时性能下降明显现代通信系统通常采用自适应调制和编码（）技术，根据当前信道条件动态选PSK AMC择最佳的调制编码方案，在可靠性和吞吐量之间取得平衡信噪比与误码率定义₀SNR Eb/N信号功率与噪声功率之比每比特能量与噪声谱密度比性能曲线误码率误码率随变化的规律错误接收的比特占总比特的比例SNR信噪比（）是通信系统最基本的性能度量，定义为接收信号功率与噪声功率之比，通常用分贝表示₁₀在数字通信中，更常用的度量是SNR SNR=S/N SNRdB=10log S/N比特能量与噪声功率谱密度之比₀，它与的关系为₀，其中是带宽，是比特率Eb/N SNREb/N=SNR·B/R BR误码率（）是数字通信系统性能的直接指标，定义为错误接收的比特数与传输总比特数之比与₀的关系依赖于调制方式、信道特性和接收机结构在信道中，BER BEREb/N AWGN的理论为₀；为₀；约为₀这些理论公式是评估系统性能的基准BPSK BERQ√2Eb/NQPSK Q√2Eb/N16QAM3Q√

0.2Eb/N误码率测量可通过比特错误测试仪（BERT）进行，通常需要统计大量比特（如10⁶个）以获得可靠结果现代系统设计通常以特定目标BER（如10⁻⁶）为基准，并确定实现此目标所需的最小₀对于不同应用，可接受的标准差异很大语音通信可能接受⁻的，而数据存储系统可能要求低至⁻Eb/N BER10³BER10¹⁵提高信号抗噪声性能方法最优滤波匹配滤波器在加性白噪声环境中提供最大信噪比维纳滤波能最小化均方误差，适用于已知信号和噪声统计特性的场景自适应滤波则能动态调整参数，适应变化的环境冗余与纠错编码通过添加受控冗余来检测和纠正传输错误从简单的奇偶校验到复杂的、码和极化码，纠错码能在相同下显著降低误码率现代通信标准通常采用多层编码策略LDPC TurboSNR分集接收技术利用多个独立信道或信号路径降低衰落影响时间分集、频率分集、空间分集和极化分集等技术让系统在部分信道受损时仍能可靠通信技术是现代空间分集的典型应用MIMO扩频与跳频将信号能量分散到更宽频带，降低窄带干扰影响直接序列扩频和跳频技术提供处理增益和抗干扰能力，广泛应用于军事通信和某些商业标准如蓝牙DSSS FHSS针对不同噪声类型需采用不同策略对抗加性高斯噪声，增加发射功率是最直接方法，但受限于设备和规范；对抗脉冲噪声，可使用非线性处理如中值滤波或克利平技术；对抗窄带干扰，可采用陷波滤波或自适应消除现代通信系统通常综合多种技术形成防御体系例如，标准结合了调制、编码、空时编码和技术，在嘈杂环境中仍能提供高可靠性和吞吐量随着机器学习和人工智能的发展，基WiFi

802.11n/ac/ax OFDMLDPC MIMO于深度学习的噪声抑制和信号恢复也成为研究热点信息论基础概念₂log1/p HX信息量信息熵事件概率为时的自信息量（比特）随机变量的平均信息量，₂p X-Σpxlog pxR熵率每符号平均信息量，对随机过程的扩展信息论由克劳德香农于年创立，旨在量化信息并分析最佳编码和传输方法香农信息量的核心思想是越不·1948可能（低概率）的事件发生，其携带的信息量越大例如，太阳从东方升起几乎不包含信息，而彩票中奖则包含大量信息数学上，事件发生概率为时，其信息量定义为₂比特信息熵是随机变量的平均信息量p Ix=log1/p XHX=-₂，其中是取各值的概率熵表示平均每个符号需要多少比特才能无损编码，是信源编码的理Σpxlog pxpx X论下限例如，均匀分布的值随机变量熵为比特；而如果概率分布不均，熵会小于，说明可以设计更有效的编833码条件熵表示已知的情况下，的不确定性互信息表示提供关于的信息量，是通HX|Y YX IX;Y=HX-HX|Y YX信系统设计的核心概念对于随机过程（如时间序列），熵率₁表示长期平均每符号R=lim→∞HX,...,X/nₙₙ的信息量，考虑了符号间的相关性香农定理与信道容量信源编码与冗余消除原始信息源包含自然冗余的原始数据统计分析识别符号概率分布和相关性编码算法3根据概率分配不同长度的码字压缩结果减少冗余后的高效表示信源编码（源编码）旨在消除信息源中的统计冗余，以最紧凑的形式表示信息香农第一定理表明，信源编码的极限是信源的熵对于熵为的离散信源，平均码长必定不小HX于，且存在编码方案使平均码长接近，其中可任意小HX HX+εε哈夫曼编码是经典的无损压缩算法，基于符号出现概率分配变长码字它从概率最低的符号开始，构建二叉树，确保高频符号获得短码字，低频符号获得长码字哈夫曼码是前缀码，即没有码字是其他码字的前缀，确保解码过程无歧义例如，英语文本中出现频率高，可能分配短码，而可能得到较长码e0z1101实际应用中，更复杂的算法如算术编码能更接近熵极限；算法（如、）则通过识别重复模式实现压缩，无需预先知道符号概率现代压缩格式如Lempel-Ziv LZ77LZ

78、视频编码结合了变换编码（如离散余弦变换）和熵编码，先降低数据的统计相关性，再应用熵编码，实现高压缩率JPEG H.265DCT信道编码与纠错码奇偶校验海明码卷积码最简单的编码形式，添加一个校验位使码字中能纠正单比特错误的线性分组码海明码使使用滑动窗口处理输入数据流的连续编码卷积编17,4的总数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）能检用个校验位保护个数据位，能纠正任意位置的码器由移位寄存器和模加法器组成，输出比特不342测但不能纠正单比特错误在每个数据位后添加单比特错误海明码的最小码距为，因此能纠正仅依赖当前输入，还依赖之前的输入解码通常使73个校验位的编码效率为优点是实个错误编码效率为用算法，在噪声环境中表现出色卷积码17/8=

87.5%d-1/2=1Viterbi⌊⌋现极其简单；缺点是纠错能力有限，只能检测奇数海明码使用校验矩阵进行编解码，计是深空通信和移动通信的关键技术，也是码4/7≈57%Turbo个比特错误算复杂度低，在内存中广泛应用的基础ECC现代通信系统采用更先进的纠错码，如低密度奇偶校验码和码，它们能在接近香农限的性能下工作码基于稀疏校验矩阵，使用迭代信息LDPC TurboLDPC传递算法解码；码则串联两个卷积编码器，通过迭代解码获得增益系统采用的极化码则利用信道极化现象，在特定应用场景下优于传统Turbo turbo5G码现代通信系统架构有线通信系统无线通信系统现代有线通信系统采用分层架构，从物理层到应用层逐级封装现代无线系统面临更复杂的信道环境，采用多重技术应对挑战在物理层，光纤系统通常使用波分复用（）技术，在单根物理层通常结合调制、天线技术和自适应调制编WDM OFDMMIMO光纤上传输多波长光信号，每波长可达以上铜缆系码将宽带信道分割为多个窄带子载波，每个子载波可100Gbps OFDM统则使用自适应均衡、高阶调制和先进的纠错码克服带宽限制独立调制；利用多天线发射接收，提供空间分集和空间复MIMO用增益数据链路层通常实现帧结构、流控制和基本差错控制；网络层负责路由和寻址；传输层则保证端到端可靠性横跨这些层的技术层负责多址接入控制，常用技术包括、、MAC TDMAFDMA如软件定义网络（）和网络功能虚拟化（）使系统更和等网络层需解决移动管理、切换控制和资SDN NFVCDMA OFDMA灵活可编程源分配等问题跨层优化在无线系统中尤为重要，如联合路由和功率控制可显著提高系统容量和能效不论有线还是无线系统，现代通信架构都越来越依赖软件和可重构硬件软件定义无线电（）使单一硬件平台能支持多种波形和SDR协议；认知无线电则能智能感知和利用可用频谱云化和边缘计算架构使处理资源更灵活分布，适应不同场景需求安全和隐私保护也成为设计的核心考量，从物理层安全到端到端加密贯穿整个系统数字通信发展前沿应用软件定义无线电5G/6G通信已从理论走向规模商用，提供三将传统硬件功能移至软件领域，使单5G SDR大场景增强移动宽带（）、海量一硬件平台支持多种通信标准核心理念eMBB机器类通信（）和超可靠低时延通是将射频前端尽可能靠近天线，数字化后mMTC信（）关键技术包括毫米波通通过通用处理器执行波形处理先进uRLLC SDR信、大规模、超密集组网和网络切系统采用和加速，支持实时重MIMO FPGAGPU片这些技术使峰值速率达到配置从军事应用发展而来，现已在商业5G10-，时延低至，连接密度达每通信、科研和业余无线电领域广泛应用20Gbps1ms平方公里百万级量子通信利用量子力学原理建立的通信系统，提供理论上无法破解的安全性量子密钥分发（）QKD利用量子态不可克隆定理和测量扰动原理，确保密钥分发安全中国已建成超过公里的2000京沪量子骨干网，并通过墨子号卫星实现洲际量子通信实际应用仍面临距离限制和成本挑战展望，研究已经启动，预计年左右商用瞄准太赫兹通信（），空天地一6G20306G

0.1-10THz体化网络和深度智能，理论峰值速率可达级别新型多址接入技术如空域分集多址接入Tbps（）和速率分裂多址接入（）将进一步提高频谱效率智能超表面（）技术也可能SDMA RSMAIRS成为关键技术，通过重新配置电磁环境优化传播路径6G通信原理实际应用案例卫星通信物联网通信智能交通卫星通信系统利用空间轨道卫星作为中继站，提供广物联网通信需兼顾低功耗、广覆盖和海量连接窄带智能交通通信系统包括车车通信和车路通信V2V域覆盖传统地球同步轨道卫星位于高度约物联网技术在蜂窝网络基础上优化，提供，共同构成车用无线通信网络采用的GEO NB-IoT V2I V2X公里处，覆盖范围广但时延高（约约公里城区覆盖，数据率几十，设备电池寿命技术工作在频段，基于36,0001kbps DSRC

5.9GHz IEEE）现代低轨道卫星星座如可达年和等技术则在免授标准，可实现约米范围内车辆的低时250ms LEOSpaceX10LoRa SigFoxLPWAN

802.11p300的，轨道高度仅公里，通过数权频段工作，覆盖范围可达数公里至数十公里，适合延（约）通信，支持紧急制动预警、交叉口碰Starlink500-12002ms千颗卫星网络覆盖全球，提供低时延（）农业监测、智慧城市等场景撞预警等安全应用20-40ms高带宽服务在这些应用中，通信原理知识得到全面应用卫星通信需要精确的链路预算和多普勒补偿；物联网需要优化调制方案以平衡覆盖和耗电；智能交通则要求极低的时延和高可靠性，同时应对高速移动带来的信道快速变化通信系统的可靠性在这些场景中往往关系到安全与效率，因此深入理解通信原理对于设计优化这些系统至关重要通信系统的未来趋势常见误区与注意事项基础理论易混点工程实践注意点•混淆带宽与数据率带宽是信号占用的频率范围•低估同步重要性载波同步和定时恢复对系统性（），数据率是信息传输速度（），两者能影响巨大，实际系统中往往比理论分析更复Hz bps通过调制方式关联但不等同杂•忽视非线性效应功率放大器非线性特性会导致•误解奈奎斯特采样定理采样频率需大于信号最频谱扩展和相邻信道干扰，需谨慎处理高频率的两倍，而非等于两倍，且仅适用于带宽•过度依赖理想模型实际信道往往非高斯、非平有限的信号稳、有记忆，简单模型可能掩盖关键问题•错误理解信噪比与误码率关系提高发射功率并•轻视实施细节阻抗匹配、接地、屏蔽等看似基非总能线性改善误码率，信道特性和调制方式会础的问题往往是系统性能的关键影响其效果•混淆线性与时不变性系统线性不代表时不变，反之亦然两者是独立的系统特性系统设计常见误区•单纯追求高数据率实际应用中，可靠性、延迟、功耗等因素同样重要，需平衡考虑•过度关注理论极限香农极限虽然重要，但实际系统常受其他因素限制，如设备复杂度和成本•忽视共存问题现代通信系统需在拥挤频谱环境下共存，干扰协调至关重要•轻视安全考量通信安全不应是事后添加的功能，而应融入系统架构设计学习通信原理时，建议从概念理解入手，再深入数学推导，最后结合实际案例巩固复杂的数学推导固然重要，但不应掩盖物理意义和工程直觉的培养通过软件仿真和硬件实践相结合的方式，可以更好地理解理论与现实之间的差距综合实验与案例分析信号生成与观测1使用信号发生器产生基本波形如正弦波、方波、三角波，通过示波器观察其时域特性使用频谱分析仪观察频域特性，验证傅里叶理论重点比较不同波形的频谱结构，如方波的奇次谐波特征基本调制技术实现搭建、、等基本调制解调电路，观察调制信号的波形和频谱测量不同调制指数下的信号特性，比较AM FMPM理论与实测结果特别关注过调制现象，及其对信号失真的影响数字通信系统构建利用数字调制技术如、、实现简单的数字通信链路测量不同信噪比下的误码率，绘制性能曲ASK FSKPSK线探究采样率、滤波器参数等对系统性能的影响综合通信系统演示集成上述技术构建完整通信系统，实现从信源到信宿的端到端通信添加信道编码、同步机制等增强系统鲁棒性分析系统瓶颈，提出优化方案综合实验是理论与实践结合的关键环节通过亲手搭建和调试通信系统，学生能直观理解理论概念，发现教科书中未强调的实际问题例如，信号的上升沿有限导致的带宽扩展，环境噪声对接收机性能的影响，以及器件非理想特性带来的失真案例分析则提供了系统思维训练的机会通过分析真实通信系统的设计选择，可以理解不同技术间的权衡如系统中的WiFi技术既解决了多径问题，又实现了高谱效，但同时带来了峰均比大的挑战；蓝牙采用的跳频技术提高了抗干扰能力，但OFDM增加了同步复杂度这些案例帮助学生建立知其然并知其所以然的深度理解复习思考与习题推荐章节重点概念推荐习题类型信号与系统基础时域频域分析，系统特性傅里叶级数展开，频谱计算模拟调制技术原理与带宽调制指数计算，频谱分析数字基带传输采样定理，码间干扰奈/AM/FM/PM奎斯特准则应用，眼图分析数字调制技术原理误码率计算，星座图分析信息论基础熵，信道容量信源熵计算，编码效率分析ASK/FSK/PSK/QAM有效复习应采取螺旋上升的策略，先快速回顾基本概念，再深入理解关键理论，最后通过解题巩固应用对于信号与系统基础部分，重点掌握时域和频域分析方法的转换，理解线性系统特性与冲激响应的关系建议从基本信号的傅里叶变换入手，逐步过渡到更复杂的调制信号分析模拟与数字调制技术的复习应注重原理与应用的结合不仅要掌握各种调制方式的数学表达，更要理解其频谱特性、功率分布和抗噪声性能推荐通过比较不同调制方案在各种信道环境下的表现，建立系统性认识对于信息论部分，关键是理解熵的物理意义和香农定理的实际应用典型例题如计算给定带宽下的最大无失真传输速率；分析非理想滤波器对采样信号重建的影响；求解特定调制方式在给定信噪比下的误码率；设计满足特定频谱效率和可靠性要求的调制编码方案这些问题既检验基础知识掌握情况，又训练综合应用能力课程总结与展望系统架构调制技术本课程探讨了从简单连接到复杂网络的通信系统架构演进，展理论基础从模拟调制发展到数字调制，我们看到通信技术如何在可靠示了分层设计、模块化实现的工程思想现代通信系统的复杂本课程建立了信号处理与通信系统的理论框架，从时域和频域性、抗干扰能力和频谱效率方面不断进步现代通信系统能够性需要跨学科知识，从电磁场、微电子到信号处理、网络协分析入手，通过线性系统理论连接信号特性与系统响应，进而根据信道特性自适应选择最优调制方案，充分利用有限资源满议，这种综合性也正是通信工程的魅力所在探索信息传输的基本规律与限制这些基础知识构成了现代通足不断增长的通信需求未来，智能化调制技术将进一步提升信技术的理论支柱，无论通信技术如何发展，这些原理始终适系统性能用信号与通信原理是一门理论性与实践性并重的学科通过本课程学习，你已经掌握了分析和设计通信系统的基本工具这些知识将支持你在专业方向上的进一步发展，无论是深入研究无线通信、光通信、网络技术，还是探索人工智能、量子通信等前沿领域未来学习建议一是深化数学基础，特别是概率论、随机过程和最优化理论，这些是高级通信理论的数学支撑；二是拓展相关知识，如计算机网络、信号处理和电磁场理论，建立更全面的知识体系；三是关注技术前沿，包括、人工智能通信、量子通信等，把握行业发展脉络5G/6G最后，希望同学们能将理论与实践相结合，积极参与科研和工程项目，在实际应用中加深对通信原理的理解通信技术是信息社会的基础设施，随着万物互联时代的到来，通信工程师将在构建智能世界中发挥越来越重要的作用相信大家通过本课程的学习，已经建立了坚实的专业基础，未来可期！。