《通信原理复习提纲》课件

通信原理复习提纲欢迎进入通信原理复习课程本课件旨在全面梳理通信原理的主干知识，帮助同学们系统掌握这门重要的专业基础课程通过本课件，我们将深入探讨信息传输的基本原理，从信源、信道到信宿的完整通信链路，覆盖模拟与数字通信的核心内容课程结构与考查要求课程内容范围本课程涵盖通信基础理论、模拟调制、数字调制、信道编码、同步技术与噪声分析等内容，共八章核心知识点，形成完整的通信原理体系考试比例分布考试总分100分，其中基础理论约占25%，模拟调制与数字调制约占40%，编码与噪声分析约占20%，综合应用约占15%题型分布第一章通信系统概述通信系统实现远距离信息传递的技术系统信源产生并发送信息的源头信道传输信息的媒介信宿接收并处理信息的终端通信系统根据传输媒介可分为有线通信和无线通信有线通信利用实体线路传输信号，如光纤、铜缆；无线通信则通过电磁波在空间传播，如无线电、微波通信信息的度量信息量熵自信息量定义为事件发生概率的负对熵是信源平均信息量的度量HX=数Ix=-log₂Px，单位为比特-∑Pxlog₂Px它表示信源的不bit当事件发生概率越小，其包含确定性大小熵越大，信源的不确定的信息量越大例如，明天太阳从性越高，平均信息量也越大对于二西边升起比明天太阳从东边升起包元均匀分布的信源，其熵达到最大值含更多信息量1比特互信息互信息IX;Y度量了两个随机变量间的统计相关性，定义为联合分布与边缘分布乘积的对数比值期望它表示通过观察信道输出Y能够获得的关于输入X的信息量信源与信道模型信源模型信道特性信道模型分类信源按其输出特性可分为离散信源和连信道的核心特性包括带宽和信噪比根据传输特性，信道模型主要分为续信源两大类•带宽信道能够传输的频率范围，决•理想信道无噪声、无失真•离散信源输出有限个离散符号，如定信息传输速率•带噪信道有加性噪声，如AWGN信电报码、计算机数据•信噪比信号功率与噪声功率之比，道•连续信源输出连续变化的信息，如决定传输质量•失真信道存在信号失真，如多径信语音、音乐、视频道实际信道还受到非线性失真、频率选择信源的统计特性通常用概率分布描述，性衰落等因素影响是信源编码的理论基础第二章信号与系统基础信号分类•确定性信号可用确定函数描述，如正弦波•随机信号需用统计方法描述，如语音、噪声周期与非周期信号•周期信号ft+T=ft，T为周期•非周期信号无法找到满足周期条件的T值信号能量与功率•能量信号总能量有限，功率为零•功率信号平均功率有限，能量无限通信系统中的信号可以从多个维度进行分类和分析确定性信号与随机信号的处理方法有本质区别前者可以通过具体数学表达式精确描述，后者则需要借助概率统计方法进行分析连续信号与离散信号连续时间信号离散时间信号连续时间信号在任意时刻都有定离散时间信号仅在离散时刻有定义，其自变量t取值于连续的实数义，通常表示为序列x[n]这类轴例如模拟语音、音乐等自然信号可以通过对连续信号采样获界中的大多数物理信号都是连续得，也可直接产生，如数字计算时间信号这类信号可用连续函机中的数据序列离散信号的处数xt表示，其时域和幅值都是理是数字通信和信号处理的基连续的础奈奎斯特采样定理采样定理指出对带宽限制在B Hz的信号，若采样频率fs2B，则可从采样序列无失真地恢复原始连续信号这一定理奠定了模拟信号数字化处理的理论基础，也定义了信号数字化的基本限制傅里叶变换与频谱分析傅里叶级数傅里叶变换周期信号可表示为正弦函数的加权和xt=将时域信号分解为不同频率的正弦波叠加a₀+Σ[a cosnω₀t+b sinnω₀t]Xω=∫xte⁻ʲᵂᵗdtₙₙ时域频域关系频谱分析两种观察信号的视角，通过傅里叶变换互相3研究信号频率组成，揭示信号本质特性转换傅里叶变换是通信理论中最为核心的数学工具之一，它将时域信号转换到频域，使我们能从另一个角度理解信号在频域中，信号表现为幅度谱和相位谱两部分，前者表示各频率分量的强度，后者表示各频率分量的相对相位关系卷积与系统响应线性时不变系统满足叠加原理且响应与时间位置无关卷积积分连续系统输入输出关系yt=xt*ht单位冲激响应系统对δt的响应ht，完全表征系统特性线性时不变系统是通信系统分析的基础模型在这类系统中，任何输入信号都可以分解为一系列单位冲激的加权和，而系统对这些冲激的响应之和就是系统对原输入的响应这一性质使得系统分析变得简洁而统一卷积是描述线性系统输入与输出关系的核心数学工具连续系统中的卷积积分为yt=∫xτht-τdτ，离散系统中的卷积和为y[n]=Σx[k]h[n-k]通过卷积运算，我们可以根据系统的单位冲激响应和输入信号，准确预测系统的输出响应信道的特性与传输损耗理想与实际信道信道失真类型常见噪声类型理想信道应具备无限带宽、零噪声和零信道失真主要表现为通信系统中常见的噪声包括时延特性，但实际信道总是存在各种限•幅度失真不同频率分量衰减不同•热噪声电子热运动产生，普遍存在制•相位失真不同频率分量延时不同•带宽限制导致高频分量衰减•散粒噪声离散电荷流动产生•延迟失真信号到达时间不一致•噪声干扰降低信号质量•相位噪声振荡器相位不稳定导致这些失真会导致信号波形变形，降低信•非线性特性造成信号失真•干扰噪声其他信号源干扰产生号可辨识度这些限制共同决定了信道的信息传输能力上限第三章模拟调制基础幅度调制调频调相AM FM PM幅度调制通过改变载波信号的幅度来传递调频通过改变载波信号的瞬时频率来传递信息基本表达式为st=信息其数学表达式为st=A[1+m·xt]cosωct，其中m为调制指Acos[ωct+kf∫xτdτ]，其中kf为频率偏移数，xt为调制信号AM信号在频域形成常数FM信号具有更好的抗干扰性能，但一个载波频率和两个边带需要更大的带宽调幅原理与分析AM32fm频带分量信号带宽标准AM信号包含载波和双边带调幅信号带宽为调制信号带宽的两倍33%最大效率当调制指数m=1时的理论效率调幅信号的频谱由载波分量和边带组成载波位于ωc处，不携带信息但包含大部分功率；上下边带分别位于ωc±ωm处，携带相同的信息AM信号的数学表达式可写为st=Ac[1+m·xt]cosωct，其中m为调制指数，需满足|m·xt|≤1以避免过调制失真各类调幅变体双边带调幅DSB抑制载波调幅DSB-SC单边带调幅SSB保留调制信号的上下两个边带，但不包含载波分抑制载波的双边带调幅，全部功率用于传输有用信量数学表达式为st=Acm·xtcosωct息相比标准AM效率更高，但解调需要相干检测，DSB信号的频谱对称分布在载波频率两侧，传输的接收机结构更复杂是通信系统中常用的调制方式信息完全相同调频与调相FMPM频谱结构卡森带宽公式频偏与调制指数FM调频信号的频谱由无限多个边带组成，各调频信号的有效带宽可由卡森公式估算频偏Δf表示瞬时频率相对载波频率的最大边带的幅度由贝塞尔函数Jnβ决定，其BT≈2fm1+β，其中fm为调制信号的最偏移量，调制指数β=Δf/fm表示频偏与调中β为调制指数实际上，当n增大到一定高频率，β为调制指数窄带FM（β≪1）制信号最高频率之比调制指数越大，程度后，边带幅度迅速衰减至可忽略不计的带宽接近2fm，而宽带FM的带宽则远FM信号的抗噪声性能越好，但所需带宽的水平大于调制信号带宽也越大调频调制保持载波幅度恒定，通过改变瞬时频率传输信息，其基本表达式为st=Acos[ωct+β·sinωmt]，其中β为调制指数调相与调频原理相似，但PM的瞬时相位与调制信号成正比，而FM的瞬时频率与调制信号成正比调谐与解调发送端信道传输接收端根据不同调制原理生成调制信号经历衰减、失真和噪声干扰通过解调还原原始基带信号解调电路解调电路AM FMAM解调主要有两种方式FM解调的常见方法包括•包络检波利用二极管和RC电路检测AM信号的包络，结构简单但•鉴频器将频率变化转换为幅度变化，然后检波性能一般•PLL解调使用锁相环跟踪载波相位变化•相干检波使用本地载波与接收信号相乘后低通滤波，性能优但需•零差检波利用正交信号和微分运算恢复调制信号要载波同步包络检波仅适用于常规AM，而DSB-SC和SSB必须使用相干检波抗噪声性能分析第四章采样与量化采样定理采样频率必须大于信号最高频率的2倍量化过程将连续幅值映射到有限离散电平编码技术将量化电平转换为二进制比特流采样定理奈奎斯特定理是数字通信的理论基础，它指出对于带限信号，当采样频率fs2fmax时，可以从采样序列完全重建原始信号若采样频率不满足此条件，将产生频谱混叠失真实际应用中，通常采用更高的采样率如fs=

2.5fmax以容许滤波器过渡带量化是将采样值映射到有限数量离散电平的过程，不可避免地引入量化误差量化误差通常被建模为加性白噪声，其功率与量化步长的平方成正比对于均匀量化器，量化信噪比SQNR=

6.02n+

1.76dB，其中n为量化比特数采样保持、重建理想采样实际采样信号重建理想采样使用无限窄的冲激序列对连续实际采样系统使用有限宽度的脉冲对信从采样序列重建连续信号的过程需要恢信号进行瞬时采样号采样，常见的有复滤波器理想重建滤波器是截止频率为fs/2的理想低通滤波器st=xt·Σδt-nTs•自然采样在采样时刻保持信号真实值实际重建滤波器有限的过渡带和阻带衰理想采样在频域产生周期性重复的频减会导致以下问题•零阶保持在整个采样周期内保持采谱，中心频率间隔为fs样值不变•旁瓣泄漏滤波器不能完全抑制频谱Sf=fsΣXf-nfs副本实际采样在频域引入额外的sinc函数调当fs2fmax时，各频谱副本不重叠，可制，使高频成分衰减这需要在信号重•带内失真通带不平坦导致的幅度失通过理想低通滤波完全恢复原信号建时进行相应的补偿真第五章数字调制数字基带信号符号速率表示离散信息的时间序列，如NRZ、曼彻斯特码单位时间内传输的符号数，单位为波特Baud等编码方式码间串扰比特速率相邻符号间的相互干扰，限制传输速率单位时间内传输的比特数，单位为bps数字调制是将离散数字信息转换为适合信道传输的连续波形的过程与模拟调制相比，数字调制具有抗干扰能力强、易于集成和易于加密等优势，是现代通信系统的核心技术数字通信中，符号速率Rs与比特速率Rb之间的关系为Rb=Rs·log₂M，其中M为每个符号所携带的比特数例如，在二进制传输中，每符号携带1比特，此时Rs=Rb；而在4-PSK中，每符号携带2比特，此时Rb=2Rs基带传输系统冲激响应奈奎斯特准则理想的数字通信系统基带脉冲应满足无ISI条奈奎斯特准则指出在带宽为B的理想低通信件，即在采样时刻，当前符号有最大值而其他道中，最大无ISI的符号传输速率为Rs=2B这符号采样值为零奈奎斯特在1928年推导出满一理论界限是数字通信系统设计的基础足此条件的时域冲激响应应具有以下频域特举例来说，若信道带宽为3kHz，则理想情况下性最大无ISI的符号速率为6kBaud如果使用Hf=T,|f|≤1/2T QPSK调制每符号2比特，则最大比特率为12kbpsHf=0,|f|1/2T即理想矩形频谱，但这在时域对应于sinc函数，具有无限长的时域响应，实际无法实现升余弦滤波升余弦滤波器是实际系统中最常用的传输滤波器，其频域特性为Hf=1,|f|≤1-α/2THf=

0.5[1+cosπT/α|f|-1-α/2T],1-α/2T|f|≤1+α/2THf=0,|f|1+α/2T常用数字调制方式幅移键控频移键控相移键控ASK FSKPSK通过改变载波幅度传输数字信息，最通过在预定义的频率集合中切换来传简单的形式为OOK通断键控表输数字信息表达式st=达式st=A·dt·cosωct，其中A·cosωc±Δωt，其中Δω为频偏dt为数字调制信号实现简单但抗具有较好的抗噪性能，但频带利用率噪性能较弱较低典型调制方式详解BPSKBPSK调制原理二相相移键控BPSK是最简单的PSK形式，通过180°相位改变表示二进制数据数学表达式st=A·cosωct表示二进制1st=-A·cosωct=A·cosωct+π表示二进制0BPSK的频谱带宽主要由基带数字信号的形状决定，通常约为比特率的两倍BPSK解调方法BPSK的最佳解调方法是相干检测，通过本地载波与接收信号相乘后积分判决具体步骤

1.载波恢复从接收信号中恢复同频同相的载波

2.相干解调接收信号与本地载波相乘

3.低通滤波滤除高频分量

4.采样判决与阈值比较确定接收比特载波同步是BPSK系统的关键挑战BPSK误码性能BPSK的理论误比特率在加性高斯白噪声信道中为BER=Q√2Eb/N0其中Eb为每比特能量，N0为噪声功率谱密度，Q函数为高斯Q函数在所有调相方式中，BPSK具有最佳的抗噪声性能，但频带利用率较低当需要更高的频谱效率时，需要考虑多相位调制方案及高阶相位调制QPSK原理解调星座图分析QPSK QPSK正交相移键控QPSK使用4个相位状QPSK解调采用相干正交解调器，将接收星座图是描述数字调制信号的重要工态，每个符号携带2个比特数学表达信号分别与同相和正交载波相乘后滤波具，展示了信号空间中的各个符号点式判决解调流程QPSK星座图为正方形，四个点等距分布在单位圆上st=A·cosωct+φi，φi∈{π/4,3π/4,

1.载波恢复生成同频同相的cos和sin载波相邻符号点之间的最小欧氏距离决定了5π/4,7π/4}系统的抗噪声能力QPSK的符号点间距

2.I/Q分支解调分别提取同相和正交QPSK可视为两个正交的BPSK信号的组比BPSK减小，但每符号能量增加，使得分量合其误比特率性能与BPSK相近

3.独立判决两路信号独立判决得到比st=It·cosωct-Qt·sinωct特流BER≈Q√2Eb/N0其中It和Qt分别为同相和正交分量QPSK解调器的复杂度略高于BPSK，但然而QPSK的频带利用率是BPSK的两传输效率提高一倍倍进制数字调制MM-PSK M-ASK M-QAMM相相移键控在单位圆上均匀M进制幅移键控使用M个不同正交幅度调制同时调制信号的分布M个相位点，每符号携带的幅度电平表示不同符号，实幅度和相位，符号点在二维平log₂M比特常见的有现简单但抗噪性能较差实际面上形成矩形网格常见的有QPSKM=

4、8PSK、16PSK中往往与相位调制结合使用，16-QAM、64-QAM等，是现等随着M增大，频带利用率如QAM代高速通信系统的核心调制技提高，但抗噪性能降低术频带效率高阶调制显著提高频带利用率，如64-QAM携带6比特/符号，比BPSK提高6倍频谱效率但高阶调制需要更高的SNR才能保持相同的误码率多进制调制误码分析频带利用率与带宽效率带宽效率定义影响因素带宽效率η定义为单位带宽内传输的比特率，单影响带宽效率的主要因素包括调制阶数M、基位为bit/s/Hzη=Rb/B，其中Rb为比特率，B带脉冲成形滤波器、误码率要求以及实现复杂度为占用带宽带宽效率是评价调制方式频谱利用等多进制调制提高了带宽效率，但需要更高的率的重要指标信噪比才能保持可接受的误码率理论极限香农定理给出了在给定信噪比下的理论带宽效率上限C/B=log₂1+S/N实际系统的带宽效率总是低于这一理论极限现代通信系统通过结合高阶调制、信道编码和高级信号处理技术，不断接近这一理论限制12BPSK效率QPSK效率每赫兹带宽传输1比特数据每赫兹带宽传输2比特数据664-QAM效率每赫兹带宽传输6比特数据通道均衡与抗干扰信道失真均衡器设计非理想信道引入振幅失真、相位失真和多径效应设计反向传输特性滤波器抵消信道失真性能评估均衡算法通过眼图、星座图和误码率评估均衡效果零强制、最小均方误差和自适应算法等码间串扰ISI是限制数字通信系统性能的主要因素，尤其在高速传输或多径环境下更为严重通道均衡器的作用是减少ISI，恢复原始信号波形常见的均衡器结构包括前馈均衡器FFE、判决反馈均衡器DFE及其组合形式自适应均衡技术通过训练序列或盲均衡算法，能够动态调整滤波器参数以适应不断变化的信道特性常用的自适应算法包括最小均方误差LMS和递归最小二乘RMS算法前者计算简单但收敛较慢，后者收敛快但复杂度高均衡器的极限能力取决于信道条件和系统设计在某些深度频率选择性衰落信道中，线性均衡可能不足以恢复信号，此时需要结合前向纠错码、分集接收等技术进一步提高系统可靠性同步原理载波同步•频率同步确保本地载波与接收载波频率一致•相位同步确保本地载波与接收载波相位锁定•常用方法平方环、余弦环、Costas环等码元同步•确定最佳采样时刻，减少ISI影响•常用方法早迟门环、零交叉检测•性能指标抖动、捕获时间、稳定性锁相环原理•核心组成鉴相器、环路滤波器、压控振荡器•工作模式捕获、跟踪、锁定•特性参数自然频率、阻尼比、锁定范围同步是数字通信系统的核心问题，没有精确的同步就无法可靠解调信号在接收机设计中，通常需要三种同步载波同步、码元同步和帧同步每种同步都有特定的技术方法和性能指标锁相环PLL是实现同步的基本结构，通过反馈控制使本地振荡器的频率和相位与输入信号同步数字PLL在现代通信系统中应用广泛，具有更高的灵活性和可靠性摩尔环是一种特殊的锁相环结构，常用于二进制数据的码元同步误码与性能优化误码原因增大SNR信道编码通信系统中的误码主要来源于提高信噪比是降低误码率最直前向纠错编码FEC通过增加冗热噪声、干扰、多径效应、同接的方法，可通过增加发射功余信息，使接收端能够检测并步误差和非线性失真等这些率、优化天线设计、采用低噪纠正一定数量的错误常用的因素共同影响系统的位错误率声放大器等方式实现但在实编码方案包括卷积码、Turbo码BER性能，是系统设计中必须际系统中，发射功率往往受到和LDPC码等，能在不增加发射考虑的关键问题设备限制或干扰考虑而不能无功率的情况下显著降低系统误限提高码率分集技术分集接收利用多个独立衰落的信号副本提高可靠性常见的分集技术包括时间分集、频率分集、空间分集和极化分集等MIMO技术是空间分集的高级应用，能同时提高可靠性和吞吐量第六章信道编码基础信道编码增强通信可靠性的技术错误检测码2能发现但不能纠正错误纠错码能自动检测并纠正错误分组码将信息按块独立处理卷积码编码依赖于之前的输入信道编码通过在发送信息中添加冗余位，使接收端能够检测并纠正传输过程中的错误，从而降低误码率、提高通信可靠性信道编码在数字通信系统中的作用相当于数字放大器，在不增加发射功率的情况下降低系统误码率线性分组码是最基本的编码类型，将k个信息比特映射为n个编码比特nk，编码率为R=k/n常见的线性分组码包括汉明码、循环冗余校验码CRC、BCH码和Reed-Solomon码等这些编码根据应用场景的不同而有各自的优势检错与纠错码奇偶校验原理汉明距离CRC奇偶校验是最简单的错误检测码，通过循环冗余校验CRC是一种强大的错误汉明距离是衡量两个等长码字差异的度添加一个校验位使码字中1的个数为奇检测码，基于多项式除法原理发送方量，定义为对应位不同的位数例如，数奇校验或偶数偶校验将信息多项式乘以x^r后除以生成多项式1011和1001的汉明距离为1，因为只有一gx，将余数作为校验位添加到信息位不同例如，对于数据1011，偶校验会添加校验后位1，形成10111，使1的总数为偶数4码的最小距离dmin是码中任意两个码字个CRC的检测能力由生成多项式决定常间的最小汉明距离，决定了码的错误检用的有CRC-16可检测所有单错和双错测和纠正能力奇偶校验只能检测奇数个位错误，对偶和CRC-32检测能力更强CRC实现简数个位错误无能为力检测能力有限但•检测t个错误需要dmin≥t+1单，检测能力强，但不具备纠错能力实现极其简单，常用于低噪声环境•纠正t个错误需要dmin≥2t+1因此，最小距离是编码设计的核心参数典型分组码分析系统码与非系统码生成矩阵系统码的编码输出中包含原始信息比特的生成矩阵G是定义n,k线性分组码的k×n完整副本，而非系统码则不然系统码形矩阵，编码过程可表示为c=i·G，其中i式为I|P，其中I为单位矩阵，P为校验矩为k位信息向量，c为n位码字对于系统阵系统码便于解码，是实际应用中的主码，G可表示为G=[I|P]，其中I为k×k单流选择例如，系统码的7,4汉明码将4位矩阵，P为k×n-k校验矩阵生成矩个信息比特编码为7个比特，其中前4位与阵的设计决定了码的最小距离和纠错能原始信息相同力校验矩阵校验矩阵H是一个n-k×n矩阵，满足G·H^T=0接收端使用校验矩阵计算症候向量s=r·H^T，其中r为接收的n位向量如果s=0，则认为无错误；否则，s指示了错误的位置和类型对于系统码，校验矩阵形式为H=[P^T|I]，便于计算和实现线性分组码的强大之处在于其严格的代数结构，使得编码和解码过程可以通过矩阵运算高效完成然而，随着码长增加，最优解码的复杂度快速增长，这促使研究人员开发各种次优但实用的解码算法实际通信系统中，通常将不同类型的编码级联使用，如将纠错能力强的内码与检错能力强的外码结合，以获得更好的整体性能这种级联编码方案是现代高性能通信系统的重要组成部分卷积码与译码Viterbi卷积码结构状态转移图与分组码不同，卷积码的编码输出不仅依赖于当卷积码的编码过程可以用状态转移图表示，其中前输入，还依赖于之前的输入卷积编码器通常节点表示编码器的状态，边表示状态转移及对应由移位寄存器和加法器组成，可用生成多项式的输出对于约束长度为m的二进制卷积码，共GD描述卷积码通常用n,k,m表示，其中n为有2^m-1个状态输出符号数，k为输入比特数，m为约束长度状态转移图可以展开为格架图Trellis Diagram，显示编码器状态随时间的演变过程格架图是理卷积码的性能由自由距离dfree决定，它是任意解和实现Viterbi算法的基础，清晰地展示了所有两条不同编码序列之间的最小汉明距离自由距可能的编码路径离越大，纠错能力越强Viterbi算法Viterbi算法是卷积码的最优解码方法，基于动态规划原理其核心思想是在格架图上找到与接收序列最接近度量最小的路径算法流程包括

1.初始化各状态度量

2.计算分支度量接收序列与预期输出的距离

3.路径扩展与幸存路径选择

4.回溯决定解码输出Viterbi算法复杂度随约束长度指数增长，实际应用中约束长度通常不超过9信源编码基础冗余消除熵编码原理信源编码旨在消除信息源中的统计冗熵编码是一种无损压缩技术，基于信余，减少传输和存储所需的比特数息熵理论，为出现概率不同的符号分根据香农理论，信源的平均码长不能配不同长度的码字核心思想是为高小于其熵值HX有效的信源编码应概率符号分配短码字，为低概率符号使平均码长接近熵值，同时保证无失分配长码字，从而最小化平均码长真重建理想情况下，符号的码长与其出现概率的负对数成正比霍夫曼编码霍夫曼编码是一种最优前缀码，确保没有码字是其他码字的前缀，便于解码构建霍夫曼码的步骤

1.按概率从小到大排列所有符号

2.合并概率最小的两个符号为一个新节点

3.重复过程直至只剩一个节点

4.为每个分支赋值0或1，从根到叶形成码字例如A

0.4,B

0.3,C

0.2,D

0.1的霍夫曼编码为A0,B10,C110,D111数据压缩简介算法压缩多媒体压缩实例RLE LZW行程长度编码Run-Length EncodingLZWLempel-Ziv-Welch是一种字典现代多媒体压缩通常结合多种技术是一种简单的无损压缩算法，特别适合编码算法，通过构建字符串与码字的动•图像压缩JPEG使用DCT变换、量处理具有重复字符序列的数据其基本态字典实现压缩算法流程化和熵编码原理是将连续出现的相同字符替换为字

1.初始化字典包含所有基本字符•视频压缩H.264/H.265结合运动补符+计数的形式

2.查找最长已在字典中的字符串偿、块变换和熵编码例如，字符串AAAABBBCCDAA可压

3.输出该字符串对应的码字•语音压缩LPC模型分析人声特性进缩为4A3B2C1D2ARLE对于图像中的行高效编码

4.将当前字符串加下一字符添加到字典大面积相同颜色区域压缩效果显著，常用于传真和某些图像格式这些算法通常允许有损压缩，权衡压缩比与质量，结合感知心理学原理丢弃人LZW无需传输字典，压缩效率高，被广类不敏感的信息泛应用于GIF、TIFF等格式和数据存储第七章同步与载波恢复时钟同步需求载波同步需求同步误差影响数字通信系统需要精确的时钟同步以确定相干解调系统需要精确的载波同步，包括同步误差对系统性能的影响是多方面的最佳采样时刻接收端必须从接收信号中频率同步和相位同步接收机需要产生一时钟同步误差会导致采样点偏离最佳位恢复精确的符号定时信息，以最大限度减个与发送载波频率相同、相位一致的本地置，增加码间干扰；载波同步误差会导致少码间干扰并优化判决性能时钟同步精载波载波同步不准确会导致星座图旋转相位旋转和功率损失；频率偏差会导致星度直接影响系统的误码性能和可靠性或扩散，显著降低系统性能座图持续旋转这些误差共同导致信号判决能力下降，误码率显著增加锁相环同步PLL鉴相器环路滤波器压控振荡器检测输入信号与本地振荡器的相位差滤除高频噪声并控制环路动态特性产生频率可调的本地振荡信号锁相环PLL是实现同步的核心电路，通过负反馈控制使本地振荡器的频率和相位与输入信号保持同步PLL基本原理鉴相器产生与相位差成比例的误差信号，经环路滤波器滤波后控制VCO，调整其输出频率和相位，形成闭环控制系统PLL的性能由环路增益、带宽、阻尼比等参数决定这些参数影响PLL的捕获范围、锁定时间和跟踪性能一级PLL对频率阶跃响应存在稳态相位误差，而二级PLL可消除稳态频率误差，但系统稳定性降低，需要更谨慎的设计数字通信中，PLL广泛应用于载波恢复、符号定时恢复和频率合成数字PLLDPLL使用数字部件实现PLL功能，具有更高的灵活性、稳定性和集成度，是现代通信系统的首选实现方式载波同步技术载波恢复基本要求直接锁定方案相干解调需要本地载波与发送载波频率完全相直接锁定方案包括同，相位偏差最小常见的载波恢复挑战包•方波恢复在发送信号中添加未调制的载括波分量•多普勒频移导致的频率偏移•倍频法对PSK信号进行非线性处理消除•信道相位噪声引起的相位抖动调制相位•信号调制相位导致的载波恢复困难•余弦环用于BPSK载波恢复的特殊PLL结构不同调制方式需要不同的载波恢复技术直接锁定方案结构简单，但可能需要额外功率开销或仅适用于特定调制方式辅助锁定方式辅助锁定方式包括•Costas环经典的PSK载波恢复结构，能抑制相位调制的影响•判决反馈利用已解调符号辅助载波同步•导频辅助在信号中插入已知导频符号或序列辅助锁定方式通常性能更好，但复杂度也更高现代系统常采用数字实现的辅助锁定方案，结合信道估计和均衡技术第八章噪声理论基础噪声的分类噪声的统计特性噪声的影响量化通信系统中的噪声按来源可分为内部噪噪声通常用统计方法描述，包括概率分噪声对通信系统的影响主要通过信噪比声和外部噪声内部噪声包括热噪声、布、功率谱密度、自相关函数等特性SNR、载噪比CNR和误比特率BER散粒噪声、闪烁噪声等，由系统内部电热噪声和许多自然噪声源呈高斯分布，等指标量化这些指标之间存在数学关子元件产生；外部噪声包括大气噪声、其功率谱密度在很宽频带内近似恒定，系，可通过理论分析或实验测量获得宇宙噪声和人为干扰等，来自系统外部被称为白噪声噪声的统计特性是通信噪声影响量化是系统设计和性能评估的环境系统分析的基础重要依据高斯白噪声特性高斯过程定义白噪声特性信道模型AWGN高斯噪声是最常见的噪声模型，其概率密度白噪声是指功率谱密度在整个频率范围内均加性高斯白噪声AWGN信道是最基本的通函数为匀分布的噪声，类似于白光包含所有可见光信信道模型，其数学表达式为频率理想白噪声的功率谱密度为px=1/√2πσ²·exp-x-μ²/2σ²rt=st+ntSf=N₀/2，-∞f∞其中μ为均值，通常为0；σ²为方差，表示噪其中rt为接收信号，st为发送信号，nt声功率高斯噪声具有以下重要特性其中N₀为单边功率谱密度白噪声的关键特为高斯白噪声AWGN信道假设性•线性变换后仍为高斯过程•噪声加性叠加于信号•独立样本间的函数关系完全由均值和协方•自相关函数为冲激函数Rτ=•噪声与信号统计独立差确定N₀/2·δτ•噪声在不同时刻统计独立•任意两个不同时刻的采样值统计独立•数学处理相对简便，便于理论分析尽管简化，AWGN模型仍能有效描述许多实•理论上功率无限，实际系统中总被带宽限这些特性使高斯噪声成为通信系统分析的首际通信场景，是性能分析的基准制选模型这种简化模型在分析中极为有用信噪比计算与优化SNR信噪比定义信噪比SNR是评估通信系统性能的核心指标，定义为有用信号功率与噪声功率之比SNR=Ps/Pn通常以分贝dB表示SNRdB=10·log₁₀Ps/Pn在数字通信中，常用的比特能量与噪声功率谱密度之比Eb/N0与SNR的关系为Eb/N0=SNR·B/Rb其中B为系统带宽，Rb为比特率SNR计算方法实际系统中SNR的计算需考虑整个通信链路

1.发射功率考虑发射机输出功率和天线增益

2.路径损耗基于距离、频率和环境计算

3.接收灵敏度考虑接收机噪声系数和最小可检测信号

4.系统增益包括处理增益、编码增益等链路预算分析综合考虑这些因素，预测系统性能SNR优化技术提高系统SNR的常用方法包括•增加发射功率直接但受限于设备和规范•降低系统噪声使用低噪声放大器和优化前端设计•带宽匹配根据奈奎斯特准则优化滤波器带宽•预加重/去加重针对有色噪声优化频谱分配•分集技术空间、频率、时间或极化分集•信号处理自适应滤波、预失真校正等实际系统通常结合多种技术获得最佳性能典型调制下的误码率性能香农信道容量定理1948C1+S/N定理提出年份信道容量决定因素克劳德·香农奠定信息论基础单位时间内可靠传输的最大信息量信噪比与带宽共同决定容量上限香农信道容量定理是通信理论中最基本也是最重要的定理之一，为通信系统性能设定了理论上限对于加性高斯白噪声信道，香农定理给出了信道容量的表达式C=B·log₂1+S/N bits/s其中B为信道带宽Hz，S/N为信噪比该定理揭示了几个重要结论首先，给定带宽和信噪比条件下，存在一个信息传输速率的理论上限，超过此上限就不可能实现无差错通信；其次，只要传输速率低于信道容量，原则上可以通过适当的编码方案实现任意低的误码率；最后，带宽和信噪比可以在一定程度上相互替代，这为系统设计提供了灵活性香农定理还表明，当信噪比很高时，容量近似正比于带宽；而当信噪比很低时，容量近似正比于信噪比这启发了低信噪比下的扩频通信和高信噪比下的高阶调制技术的发展现代通信技术前瞻OFDM技术MIMO系统5G核心技术正交频分复用OFDM是现代通信系多输入多输出MIMO技术使用多根发第五代移动通信5G基于多项创新技统的基石，将高速数据流分割为多个射和接收天线，通过空间复用大幅提术毫米波通信利用高频段大带宽资低速子流，每个子流在正交子载波上升频谱效率MIMO系统可实现空间源；波束赋形精确控制信号方向性；传输OFDM有效抵抗频率选择性衰分集增益和空间复用增益，前者提高边缘计算降低时延；网络切片实现虚落，降低码间干扰，实现高频谱效率可靠性，后者提高容量大规模拟独立网络5G支持三大应用场景通过快速傅里叶变换FFT高效实现，MIMOMassive MIMO在5G中发挥增强移动宽带eMBB、大规模机器通为4G、5G和下一代WiFi提供关键技核心作用，使用数十甚至数百根天线，信mMTC和超可靠低时延通信术支持进一步提升系统性能和能效URLLC，为智能交通、工业互联网等领域提供技术基础未来展望未来通信技术发展方向包括太赫兹通信开拓更高频段；空天一体网络实现全球覆盖；量子通信提供理论上绝对安全的信息传输；人工智能赋能通信系统自主优化；全息通信和触觉互联网开创沉浸式体验通信技术持续演进将推动社会迈向智能互联时代信号处理新方法机器学习在通信中的应用智能天线技术人工智能和机器学习正重塑通信系统设计范式深智能天线系统将多天线阵列与先进信号处理相结度学习可以端到端地优化通信链路，而不必严格遵合，实现信号方向性控制关键技术包括循传统模块化设计具体应用领域包括•自适应波束赋形动态调整天线阵列方向图•信道编码神经网络辅助的编解码器设计•空间滤波抑制特定方向干扰•信道估计在复杂信道环境中实现高精度估计•空间分集利用多径传播提高可靠性•信号检测尤其在非线性失真条件下优于传统•空间复用在同一频率上传输多路独立数据流方法5G大规模MIMO是智能天线技术的集大成者，为移•资源分配实时优化频谱、功率和天线资源动通信带来革命性突破这些技术在硬件受限或复杂环境中表现尤为突出自适应信号处理自适应算法能够实时响应环境变化，持续优化系统性能核心方法包括•自适应滤波LMS、RLS等经典算法•神经网络用于非线性系统建模和处理•强化学习通过尝试和奖励优化决策•迁移学习利用已有知识加速新场景适应这些技术在动态复杂环境下的信道均衡、干扰消除和资源管理中发挥关键作用典型通信系统架构举例蜂窝移动系统卫星通信系统光纤通信系统蜂窝移动通信系统通过频率复用实现大规卫星通信利用空间卫星作为中继站，实现光纤通信通过调制的光信号在玻璃或塑料模覆盖其核心组件包括移动台MS、超视距通信按轨道高度分为地球同步轨纤维中传输信息系统主要包括光发射基站BS、基站控制器BSC和移动交换道GEO、中轨道MEO和低轨道LEO机含激光器或LED、光纤传输媒质和光中心MSC系统采用小区结构，相邻小卫星GEO卫星固定于赤道上空接收机含光电探测器光纤通信具有超区使用不同频率以避免干扰，而距离足够36000km处，覆盖范围广但传播时延大；大带宽、低衰减、抗电磁干扰等优势，是远的小区可复用相同频率，显著提高频谱LEO卫星距地面500-2000km，时延小但现代骨干网络的基础，单根光纤可实现利用率需要更多卫星才能实现全球覆盖Tbps级传输能力通信原理常见题型与答题技巧基础概念题计算应用题注重概念准确性、完整性和层次性，突出关键词和专清晰列出公式和已知条件，计算过程分步骤呈现，注业术语意单位换算推导证明题作图类题目明确起点和终点，推导步骤逻辑严密，关键步骤详细坐标轴标注完整，关键点精确标出，波形图要体现特解释征形状通信原理考试中，答题规范性直接影响得分对概念类题目，应当精准把握定义，避免泛泛而谈答题语言要专业、简洁，避免口语化表达解题时应遵循定义-分析-结论的逻辑框架，确保表述完整而不冗余计算题的关键在于正确使用公式和单位首先要明确题目条件和所求量，选择适当的公式，列出计算步骤，注意单位换算，最后验证结果合理性对于复杂计算，可先梳理思路，再按步骤求解在使用信噪比、频率和带宽等参数时，要特别注意对数与线性单位的转换作图和推导题要注重逻辑性和规范性图表应有明确标注，波形图要准确展示信号特征推导题则要从已知条件出发，通过严密的数学分析，逐步得出结论，关键步骤不可省略重点易错点及典型例题易混知识点常见错误通信原理中容易混淆的概念包括调幅与常见的解题错误包括混淆线性与对数单调相的区别、频域与时域分析的适用场景、位、忽略复数信号的相位信息、AM调制各类调制方式的频谱特性差异、同步与异指数计算错误、数字调制中符号率与比特步通信系统的区别等学习时应注重概念率换算失误、信噪比计算中功率与电压关对比，建立知识间的联系与区别，形成系系使用不当等解题时应仔细审题，明确统性认知物理量的单位，检查计算过程是否合理例题分析例如，计算调幅信号的功率分布问题对于调幅信号st=Ac[1+m·cosωmt]cosωct，其中m为调制指数分析思路是先展开表达式，识别载波分量和边带分量，分别计算功率，再求总功率与有用功率比值常见错误是忽略了边带功率的计算或混淆了有用功率的定义在数字调制系统的误码率分析中，需要区分符号错误率SER和比特错误率BER对于多进制调制，两者之间存在转换关系，但并非简单的倍数关系例如，对于均匀分布的Gray编码M-QAM，符号错误会导致平均约1个比特错误，因此BER≈SER/log₂M是一个近似估计理解通信系统中的折衷关系也很重要，如带宽效率与功率效率、信号复杂度与抗噪声性能、系统性能与实现复杂度等掌握这些基础原则，有助于在解题中做出合理判断，避免违背基本物理规律的错误复习建议与资源推荐课本与参考书深入研读课本核心章节，结合樊昌信《通信原理》和杨鸿文《现代通信原理》等经典教材习题与真题系统练习课后习题，分析历年考题，找出题型规律和考点分布网络资源利用MOOC、B站优质课程和国际开放课程补充学习复习策略推荐推荐学习资料有效的复习策略应分为三个阶段除了基本教材，以下资源对深入理解通信原理很有帮助

1.基础巩固阶段系统回顾课本内容，梳理知识框架，理解基本概念和•普罗阿基斯《数字通信》详细讲解数字通信系统原理原理•MIT OpenCourseWare通信系统课程提供系统性的视频讲解

2.强化训练阶段大量做习题，针对薄弱环节重点突破，形成题型解题•IEEE通信学会资源库包含前沿研究论文和技术报告思路•MATLAB通信工具箱提供通信系统仿真平台

3.综合提升阶段模拟考试环境，锻炼时间分配能力，查漏补缺不同资料侧重点不同，组合使用可获得全面理解复习过程中应注重知识点间的联系，建立完整的知识网络，而非孤立记忆复习方法建议高效复习通信原理的方法包括•概念图谱法绘制知识脑图，理清概念间关系•问题驱动法通过解题深化理解原理•教学相长法尝试向他人解释复杂概念•定期回顾法按艾宾浩斯遗忘曲线安排复习将理论与实际应用结合，利用信号处理软件辅助理解抽象概念结语与答疑预告1复习总结通过本课件，我们已经系统梳理了通信原理的核心内容，包括基础理论、模拟调制、数字调制、信道编码、同步技术与噪声分析这些知识构成了通信系统的理论基础，是进一步学习现代通信技术的必要前提答疑安排为帮助大家解决学习中的疑难问题，我们将于下周三（5月15日）14:00-16:00在主教学楼304教室举行集中答疑欢迎同学们带着具体问题前来交流讨论此外，也可通过学习平台在线提问，我们会及时回复学习建议通信原理是一门理论性与实践性兼具的学科，建议大家在掌握基本概念的基础上，多做习题，通过解题加深对原理的理解同时，可以利用MATLAB等工具进行简单的系统仿真，将抽象的理论直观化，加深印象寄语通信技术是信息时代的基石，掌握通信原理不仅有助于通过课程考试，更是未来深入学习现代通信技术的必备基础希望大家通过系统复习，不仅能取得优异成绩，更能真正理解和应用这些原理，为将来在通信领域的发展奠定坚实基础。