通信原理 教学课件

通信原理教学课件欢迎学习通信原理课程，本课程将帮助您系统地掌握现代通信系统的基本原理、设计方法与应用技术通过本课程的学习，您将了解从基础理论到前沿技术的通信系统全貌，为未来在通信领域的深入研究或工作实践奠定坚实基础本课程不仅关注理论知识的传授，还注重实践能力的培养我们将通过理论讲解、案例分析、仿真实验等多种教学方式，帮助您建立完整的通信系统知识体系，并培养解决实际通信问题的能力绪论通信的基本概念通信的定义与历史发展通信系统的组成通信是指信息从信源传输到信宿的过程自古以来，人类就有传递信息的需求，从烽火台、驿站到现代的光纤网络、5G技术，通信技通信系统通常由五个基本部分组成术经历了从机械到电子，从模拟到数字的革命性发展•信源产生需要传输的信息1837年摩尔斯发明电报标志着电子通信时代的开始，随后贝尔的电话（1876年）、马可尼的无线电（1895年）相继问世20世纪中•发射机将信息转换为适合传输的信号叶，香农创立了信息论，为现代通信技术奠定了理论基础进入21世纪，移动通信技术迅猛发展，物联网、量子通信等新兴技术不断•信道信号传播的媒介或路径涌现•接收机捕获传输信号并恢复原始信息•信宿接收和使用恢复的信息通信系统分类模拟通信与数字通信按照信号处理方式分类，通信系统可分为模拟通信系统和数字通信系统•模拟通信系统直接处理连续时间、连续幅度的模拟信号，如传统广播、电视系统•数字通信系统处理离散时间、离散幅度的数字信号，通过采样、量化和编码等处理模拟信号，如现代移动通信、计算机网络随着技术发展，数字通信因其抗干扰能力强、保真度高、易于加密等优势，已成为现代通信的主流有线通信与无线通信按照传输媒介分类，可分为有线通信和无线通信•有线通信通过物理连接的媒介传输信号，如电缆、光纤等•无线通信利用电磁波在自由空间传播，如广播、移动通信、卫星通信有线通信稳定可靠，传输容量大；无线通信灵活便捷，覆盖范围广，两者在现代通信网络中相互补充、共同发展通信系统实例从复杂度看，通信系统可分为•简单通信系统如对讲机、无线门铃、遥控器等•复杂通信系统如蜂窝移动通信网络、卫星通信系统、光纤骨干网络等信号与系统基础模拟信号与数字信号信号的时域与频域表示在通信系统中，信号是传递信息的载体，根据时间和幅度的连续性可分为•模拟信号时间和幅度都是连续的，如语音、音乐、自然界中的大多数信号•数字信号时间和/或幅度是离散的，通常表示为二进制数据流（0和1）数字信号相较于模拟信号具有抗干扰能力强、易于处理和存储、传输过程中不易失真等优点，但需要更大的带宽资源在实际应用中，常常需要将模拟信号转换为数字信号进行处理和传输，这个过程称为模数转换（ADC）信号可以从不同角度进行描述•时域表示描述信号随时间变化的特性，直观反映信号的波形•频域表示通过傅里叶变换，展示信号包含的各个频率成分及其强度时域和频域是同一信号的两种等价表示形式，在通信系统分析中，频域分析尤为重要，因为它能清晰地显示信号的带宽、能量分布等关键特性，为系统设计提供依据周期信号与非周期信号随机过程基础（自学内容提示）随机信号的定义与特性平稳过程与非平稳过程随机信号是指其瞬时值不能用确定性函数准确预测的随机过程按照统计特性的时变性可分为信号在通信系统中，大多数实际信号（如语音、视•平稳过程统计特性不随时间变化的随机过程，频）和噪声都属于随机信号随机信号的特点是如热噪声•非平稳过程统计特性随时间变化的随机过程，•不可预测性无法准确预知未来某一时刻的具体如语音信号取值平稳过程又可分为严平稳过程和宽平稳过程严平稳•统计规律性虽然具体取值不确定，但长期行为要求所有统计量不随时间变化，而宽平稳只要求均值符合一定的统计规律和自相关函数不随时间变化在通信系统分析中，通•整体特性需要通过概率分布、数学期望、方差常假设噪声为宽平稳过程，这大大简化了系统设计和等统计量来描述性能分析随机信号理论是现代通信系统分析的重要数学工具，通过随机过程理论，我们可以对信号传输过程中的不确定性进行量化分析自相关函数与功率谱密度自相关函数和功率谱密度是描述随机过程的两个重要工具•自相关函数描述信号在不同时刻取值之间的相关程度，反映信号的记忆性•功率谱密度信号功率在频域的分布，是自相关函数的傅里叶变换信道与噪声信道的定义与类型噪声的来源与分类信道是信息传输的媒介或路径，是通信系统的重要组成部分根据物理媒介的不同，信道可分为•有线信道如双绞线、同轴电缆、光纤等•无线信道如地面无线信道、卫星信道、水声信道等信道的特性直接影响通信系统的性能信道特性主要包括•带宽信道能够传输的频率范围•衰减信号在传输过程中能量的损耗•时变性信道特性随时间变化的程度•非线性信道对信号的非线性失真噪声是指在通信过程中引入的不希望出现的随机信号，主要包括•热噪声由于导体中电子热运动产生，也称高斯白噪声•散粒噪声由于电荷离散性导致的随机波动•闪烁噪声在半导体器件中由于载流子浓度波动产生•干扰噪声来自其他通信系统或电器设备的干扰信噪比及其影响模拟调制基础调制的目的与基本类型振幅调制（AM）原理调制是将信息信号的某个参数映射到载波信号上的过程，其主振幅调制是最基本的模拟调制方式，其原理是根据调制信号的要目的包括幅度改变载波信号的幅度•频谱搬移将信号频谱搬移到适合传输的频段标准AM信号表达式•减小天线尺寸提高频率，减小所需天线物理尺寸•频分复用允许多个信号在同一媒介上同时传输•改善传输特性适应信道特性，提高抗干扰能力其中，μ为调制指数，mt为调制信号，fc为载波频率根据调制参数的不同，基本调制类型包括振幅调制（AM）、AM的优点是实现简单，但存在功率效率低、抗噪声能力弱等频率调制（FM）和相位调制（PM）缺点为改进这些缺点，发展出了双边带调幅（DSB）、单边带调幅（SSB）和残留边带调幅（VSB）等变体形式频率调制（FM）与相位调制（PM）角度调制包括频率调制和相位调制，它们通过改变载波的瞬时频率或相位来携带信息•频率调制（FM）载波的瞬时频率随调制信号成正比变化•相位调制（PM）载波的瞬时相位随调制信号成正比变化FM信号表达式PM信号表达式模拟调制系统详解AM信号的频谱分析调制指数与带宽关系标准AM信号的频谱由三部分组成•载波分量在fc处的离散谱线，包含大部分功率•上边带（USB）频率范围为fc到fc+fm的连续谱•下边带（LSB）频率范围为fc-fm到fc的连续谱对于复杂调制信号，边带是调制信号频谱的镜像，上下边带包含相同的信息标准AM信号中，载波分量占用了约2/3的总功率，但不携带任何信息，这是其效率低下的主要原因其中Pc为载波功率，μ为调制指数为提高效率，可以使用抑制载波双边带（DSB-SC）或单边带（SSB）调制AM的调制指数μ定义为调制信号峰值与载波幅度之比，决定了调制的深度调制指数必须满足0≤μ≤1，否则会发生过调制，导致信号失真AM信号的带宽等于调制信号的带宽的两倍其中Bm为调制信号的带宽例如，语音信号带宽约为4kHz，则AM调制后的信号带宽为8kHzAM的发射与接收方法AM发射机主要由振荡器、调制器和功率放大器组成根据调制方式的不同，可采用低电平调制或高电平调制AM接收方式主要有包络检波和相干检波两种•包络检波结构简单，但抗噪性能较差，适用于高信噪比环境频率调制系统FM调制原理与频谱特性频率偏移与调频指数FM接收机结构与性能频率调制（FM）是通过改变载波信号的瞬时频率来传递信频率偏移Δf是指载波频率偏离中心频率的最大值，通常以kHz FM接收机的核心是FM解调器，常见的解调方式包括息，其中载波的瞬时频率偏离中心频率的大小与调制信号的幅为单位调频指数β定义为频率偏移与调制信号频率的比值•斜率检波简单但线性范围有限度成正比，偏离的速率与调制信号的频率相同•鉴频器利用谐振电路频率特性的变化检测频率变化FM信号的表达式为•相位锁环（PLL）利用锁相环路跟踪载波相位变化现代FM接收机通常采用超外差结构，包括前置放大、混频、根据调频指数的大小，FM可分为中频放大、限幅和解调等环节由于FM信号的幅度不携带信其中β是调频指数，决定了频率偏移的最大值•窄带FM（NBFM）β≪1，频谱类似于AM，带宽较小息，可以在解调前进行限幅处理，这是FM抗干扰能力强的重•宽带FM（WBFM）β≫1，频谱展宽，带宽较大，但抗要原因与AM不同，FM信号的频谱包含无限多个边带，但实际上只有噪性能更好有限个边带具有显著能量根据卡森带宽规则，FM信号的带宽约为商业FM广播通常使用宽带FM，频率偏移为±75kHz，而无线通信常用窄带FM，频率偏移为±5kHz数字基带传输系统数字信号的基带传输方式码型设计（NRZ、RZ等）数字基带传输是指在不经过调制的情况下，直接传输数字信号的方式，主要应用于有线通信系统，如计算机网络、数字接口等数字基带信号的传输面临几个主要问题•带宽限制实际信道的带宽有限，导致信号失真•码间干扰由于带宽限制，符号之间相互影响•时钟恢复接收端需要从接收信号中提取同步信息•噪声干扰信道噪声导致的误码为解决这些问题，需要合理设计码型、采用脉冲整形、实现均衡和编码等技术奈奎斯特准则指出，在带宽为B的理想低通信道中，最高无码间干扰的传输速率为2B符号/秒常见的数字基带码型包括•不归零码（NRZ）整个码元周期内保持电平不变，频谱利用效率高•归零码（RZ）码元周期内电平会回到零，便于时钟恢复•双极性码使用正负两种电平表示0和1，如曼彻斯特码•多电平码使用多个电平表示多比特信息，提高频谱效率不同码型在频谱特性、功率效率、时钟恢复、误码性能等方面各有优缺点选择码型需要综合考虑这些因素，以及具体应用场景的需求误码率与信号检测误码率（BER）是数字通信系统的关键性能指标，定义为接收错误的比特数与总传输比特数之比在高斯白噪声信道中，二进制基带传输的理论误码率为数字带通信号传输数字调制技术概述数字调制是将数字基带信号调制到载波上进行传输的技术，是现代数字通信系统的核心与模拟调制相比，数字调制具有抗干扰能力强、信号质量高、易于与数字处理技术结合等优点数字调制的基本思想是将离散数字信息映射到连续载波信号的某个参数（幅度、频率或相位）上，形成一组离散的信号波形，每个波形代表一个或多个比特常见数字调制方式基本的数字调制方式包括•幅移键控（ASK）通过改变载波幅度来表示数字信息，如OOK（通断键控）•频移键控（FSK）通过改变载波频率来表示数字信息，常用于低速数据传输•相移键控（PSK）通过改变载波相位来表示数字信息，包括BPSK、QPSK等这些基本调制方式可以组合形成更复杂的调制方式，如正交振幅调制（QAM）同时调制幅度和相位调制性能比较与适用场景不同调制方式的性能比较•ASK结构简单，但抗噪声能力差，频谱效率低•FSK抗噪声能力较强，但频谱效率不高，适合低速可靠通信•PSK抗噪声能力强，频谱效率高，但对相位跟踪要求高在实际应用中，低速短距离通信（如RFID）常用ASK；中速通信（如无线遥控）常用FSK；高速长距离通信（如卫星链路）常用PSK或QAM现代数字调制技术正交振幅调制（QAM）QAM是同时调制载波的幅度和相位的高效调制方式，可看作是ASK和PSK的组合在QAM中，数字信息被映射到复平面上的一组离散点（称为星座点），每个点代表一个符号M-QAM调制（如16-QAM、64-QAM）中，每个符号可携带log₂M比特信息例如，16-QAM每个符号携带4比特，64-QAM每个符号携带6比特QAM信号的一般表达式为其中，Ai和Bi是根据输入比特确定的幅度，代表星座图中的坐标QAM的主要优点是频谱效率高，缺点是对信道非线性和相位噪声敏感随着M值增加，频谱效率提高，但抗噪声能力下降，因此需要更高的信噪比多进制相位调制（M-PSK）M-PSK调制通过改变载波的相位来表示数字信息，相位值通常均匀分布在0到2π之间常见的M-PSK包括BPSK（2相）、QPSK（4相）、8PSK等信源编码基础信源编码的目的与原理脉冲编码调制（PCM）信源编码是将信源输出的信息转换为适合传输或存储的数字序列的过PCM是将模拟信号转换为数字信号的基本方法，广泛应用于语音、音程，其主要目的是频、视频等信号的数字化PCM过程包括三个基本步骤•减少冗余去除信源信号中的统计冗余和主观冗余•采样以一定的时间间隔对连续信号取样，得到离散时间信号•压缩数据减少传输或存储所需的比特数•量化将采样值映射到有限个离散电平，引入量化误差•适应信道将信源输出转换为适合信道传输的形式•编码将量化电平转换为二进制码字信源编码的理论基础是香农的信息论香农第一定理指出，信源输出的根据采样定理，为了准确重建原信号，采样频率必须大于信号最高频率平均信息量（熵）是编码所能达到的最小平均码长的下界即的两倍例如，电话语音信号带宽为4kHz，则采样频率至少为8kHz标准PCM语音编码（如G.711）采用8kHz采样率和8比特量化精度，码率为其中HX是信源熵，pi是符号xi出现的概率当且仅当码长与符号概率64kbps的对数成反比时，编码达到最优量化与编码过程量化是模数转换中的关键步骤，将连续幅度离散化为有限个电平量化方式分为•均匀量化量化间隔相等，实现简单但动态范围有限•非均匀量化量化间隔不等，如对数量化，适合动态范围大的信号•自适应量化根据信号特性动态调整量化参数量化会引入量化噪声，量化信噪比与量化比特数n成正比在编码阶段，常用的编码技术包括•固定长度编码每个符号使用相同长度的码字，如自然二进制码•可变长度编码根据符号出现概率分配不同长度码字，如霍夫曼编码信道编码与差错控制差错检测与纠正基本概念常见编码方式信道编码是为了提高通信系统的可靠性，通过增加冗余比特来检测或纠正传输过程中的错误根据功能可分为•差错检测码只能检测错误，如奇偶校验码、循环冗余校验码（CRC）•差错纠正码可以检测并纠正一定数量的错误，如汉明码、BCH码编码的基本原理是增加码字间的最小距离汉明距离定义为两个码字中对应位置不同的位数若码字最小距离为d，则可以检测d-1个错误或纠正d-1/2个错⌊⌋误信道编码的理论基础是香农第二定理，指出只要信息传输速率小于信道容量，就存在编码方案使误码率任意小其中C是信道容量，B是带宽，S/N是信噪比线性分组码是最基本的信道编码类型，包括•汉明码最简单的单错纠正码，常用于内存错误纠正•BCH码强大的多错纠正能力，广泛应用于存储系统•里德-所罗门码特殊的非二进制BCH码，擅长纠正突发错误卷积码是另一类重要的信道编码，它不将信息分割成独立的块，而是连续处理信息流，编码器具有记忆功能卷积码通常由三个参数描述n,k,m，其中n是输出比特数，k是输入比特数，m是编码器的约束长度Viterbi译码算法简介Viterbi算法是卷积码最常用的译码算法，属于最大似然序列检测（MLSD）方法其基本思想是在所有可能的状态转移路径中找出累积度量最小的路径作为最优路径Viterbi算法的关键步骤包括同步技术载波同步与时钟同步方法载波同步技术主要包括•锁相环（PLL）通过负反馈调节本地振荡器，使其与接收信号同步•Costas环特殊的PLL结构，适用于抑制载波调制•频率鉴别器直接测量频率偏差并进行校正时钟同步（符号同步）技术包括•早迟门比较信号在最佳采样点前后的能量差异同步的重要性•零交叉检测检测信号过零点来提取时钟信息同步是通信系统中至关重要的环节，它确保接收机能够正确解调和解码•最大似然估计基于统计理论的最优同步方法接收到的信号没有适当的同步，即使信号质量很好，也无法恢复原始现代数字通信系统通常采用软件实现的同步算法，如插值技术、自适应信息算法等，提高了同步的精度和鲁棒性通信系统中的同步主要包括三个层次同步误差的影响与补偿•载波同步恢复与发射端频率和相位一致的载波•符号同步确定每个符号的最佳采样时刻不同类型的同步误差会导致不同形式的性能下降•帧同步识别数据帧的起始和结束位置•频率偏移导致星座图旋转，增加误码率同步的难度随着信噪比的降低和系统复杂度的增加而增大，是高性能通•相位误差造成星座点偏离理想位置信系统设计的关键挑战之一•时钟误差引起符号间干扰（ISI），降低检测性能为补偿同步误差，常用的技术包括•差分编码/解码减轻相位模糊对系统性能的影响•导频信号发送已知信号辅助接收端同步•自适应均衡综合补偿时钟误差和信道失真•前向纠错编码提高系统对同步误差的容忍度复用技术频分复用（FDM）时分复用（TDM）统计复用与波分复用频分复用是将可用频带划分为多个不重叠的子频带，每个子频时分复用是将时间轴划分为多个不重叠的时隙，每个时隙分配统计复用是一种更灵活的复用技术，根据用户的实际数据量动带分配给一个用户，允许多个用户同时传输给一个用户，用户轮流使用整个信道带宽态分配资源，而不是固定分配分组交换网络（如IP网络）本质上采用统计复用原理FDM的关键特性TDM的关键特性统计复用的特点•各用户占用独立的频段，互不干扰•各用户占用独立的时隙，共享频率资源•需要带通滤波器分离各子信道•需要严格的时间同步•资源利用率高，适合突发流量•实现简单，但频谱利用效率不高•适合数字信号传输•可能出现拥塞，需要流量控制•适合模拟信号传输•突发数据传输效率低•服务质量难以保证典型应用包括AM/FM广播、有线电视系统等现代通信中，典型应用包括T1/E1数字传输系统、TDMA蜂窝通信系统等正交频分复用（OFDM）是FDM的一种高效变体，广泛应用统计时分复用（STDM）是TDM的一种改进，根据实际需求于WiFi、4G/5G等系统动态分配时隙，提高了带宽利用率无线通信基础无线信道特性频谱资源与管理无线通信信道具有复杂多变的特性，主要包括•路径损耗信号能量随传播距离衰减，通常与距离的2-4次方成反比•阴影衰落由大型障碍物（如建筑物、山丘）造成的缓慢变化衰落•多径衰落信号通过多条路径到达接收机，导致的快速变化衰落•多普勒效应由收发机相对运动引起的频率偏移多径传播是无线通信中的关键挑战，它导致•时延扩展不同路径信号的到达时间不同•频率选择性在频域上不同频率的衰落程度不同•时变性信道特性随时间变化为了克服这些挑战，现代无线通信系统采用多种技术，如多天线技术（MIMO）、自适应调制编码、均衡器、分集接收等无线电频谱是有限的自然资源，需要合理规划和高效利用频谱划分通常由国际电联（ITU）和各国监管机构协调管理频谱管理的主要方式包括•授权使用特定频段分配给特定用户，如移动通信、广播•免授权使用开放给公众使用的频段，如WiFi使用的

2.4GHz和5GHz•共享使用主用户和次用户共享频谱，如认知无线电技术频谱效率是衡量无线通信系统性能的重要指标，定义为单位带宽内可传输的比特数（bit/s/Hz）提高频谱效率的技术包括高阶调制、多址技术、MIMO等常见无线通信系统信号传输媒介有线传输媒介双绞线是最常见的有线传输媒介，由两根绝缘铜线相互缠绕组成扭绞结构可以减少电磁干扰根据屏蔽程度可分为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）UTP按性能分为多个类别（Cat3/5/5e/6/6a等），应用于电话网络和数据网络同轴电缆由中心导体、绝缘层、网状屏蔽层和外层绝缘套管组成相比双绞线，同轴电缆抗干扰能力强，带宽大，传输距离远，但成本高，应用于有线电视网络和高速数据传输光纤是现代通信骨干网的主要媒介，利用全反射原理传输光信号按传输模式分为单模光纤和多模光纤光纤具有带宽极大、衰减小、抗电磁干扰、保密性好等优点，适合远距离大容量传输无线传输媒介无线传输利用电磁波在自由空间传播，频率范围从几kHz到数百GHz电磁波的传播特性与频率密切相关•低频（LF，30-300kHz）主要沿地面传播，衰减小，但带宽有限•中频（MF，300kHz-3MHz）地面波和天波结合传播•高频（HF，3-30MHz）主要通过电离层反射传播，可实现远距离通信•甚高频（VHF，30-300MHz）和超高频（UHF，300MHz-3GHz）主要沿视线传播•微波（3-30GHz）直线传播，易被障碍物阻挡，但带宽大•毫米波（30-300GHz）传播距离短，但带宽极大，是5G通信的关键频段无线传输受到多径、衰落、干扰等因素影响，需要采用先进的调制、编码和信号处理技术来提高可靠性传输媒介的优缺点比较不同传输媒介各有优缺点，选择时需考虑多种因素•带宽光纤同轴电缆双绞线无线（具体频段相关）•传输距离光纤（数十至数百公里）无线（频段相关）同轴电缆（数百米）双绞线（数十至百米）•成本双绞线无线同轴电缆光纤•安装和维护无线最简便，光纤最复杂•安全性有线（特别是光纤）优于无线•移动性无线具有明显优势传输信号的频谱分析傅里叶变换基础信号频谱与带宽傅里叶变换是通信系统分析的基本工具，它将时域信号表示为不同频率正弦波的加权和，实现了时域与频域之间的转换连续时间傅里叶变换（CTFT）定义为离散时间傅里叶变换（DTFT）定义为在实际应用中，通常使用离散傅里叶变换（DFT）和快速傅里叶变换（FFT）算法进行数字信号处理傅里叶变换的主要性质包括•线性性信号的线性组合对应频谱的线性组合•时移性时域平移导致频域相位变化•频移性频域平移对应时域调制•卷积性质时域卷积等价于频域相乘•帕塞瓦尔定理信号能量在时域和频域保持不变信号的频谱描述了信号能量在频域的分布情况，是分析信号特性的重要工具常见信号的频谱特征•矩形脉冲频谱为sinc函数，带宽与脉冲宽度成反比调制解调器（）原理Modem1调制器与解调器功能调制解调器（Modem）是连接数字设备与模拟通信线路的接口设备，其名称源自调制器（Modulator）和解调器（Demodulator）的组合调制器的主要功能是将数字信号转换为适合在特定信道传输的模拟信号，包括•编码与脉冲整形将比特流转换为基带信号•载波调制将基带信号调制到载波上•滤波与放大限制信号带宽并提供适当功率解调器的主要功能是从接收到的模拟信号中恢复原始数字信息，包括•信号滤波与放大提取有用信号并增强信噪比•载波同步恢复与发射端一致的载波•解调从调制信号中提取基带信号•时钟恢复重建比特时钟•判决与译码将模拟信号转换回数字比特流2模拟信号与数字信号的转换数字到模拟（D/A）转换涉及以下关键技术•数字调制ASK、FSK、PSK、QAM等•滤波器设计控制信号带宽，减少邻道干扰•预失真处理补偿信道非线性模拟到数字（A/D）转换主要包括•信号采样根据奈奎斯特准则选择采样率•量化将采样值映射到离散电平•编码将量化值转换为二进制数现代调制解调器通常采用数字信号处理（DSP）技术，将大部分处理功能通过软件实现，提高了灵活性和性能，同时降低了成本3常见调制解调技术应用不同通信系统采用不同的调制解调技术•电话线Modem早期使用FSK（V.21，300bps），后来发展到QAM（V.90/V.92，56kbps）•DSL技术利用DMT（离散多音调制）技术在普通电话线上实现高速数据传输，如ADSL、VDSL•电缆Modem在有线电视网络上采用QAM调制，提供高达数百Mbps的下行速率•无线Modem WiFi采用OFDM和高阶QAM，4G/5G采用OFDMA和多种先进调制技术•光纤Modem光通信系统采用相位调制（PSK）和相干检测技术，实现Tbps级传输速率多输入多输出（MIMO）技术MIMO基本概念与优势空间复用与空间分集多输入多输出（MIMO）技术是利用多个发射天线和接收天线在同一频段同时传输多路信号的技术，是现代无线通信系统的核心技术之一MIMO系统通常表示为NtxNr，其中Nt是发射天线数，Nr是接收天线数根据天线配置，可分为•SISO（单输入单输出）传统的单天线系统•SIMO（单输入多输出）接收分集系统•MISO（多输入单输出）发射分集系统•MIMO（多输入多输出）全面利用空间维度MIMO技术的主要优势•提高频谱效率在不增加带宽的情况下提高传输速率•增强可靠性通过空间分集提高抗衰落能力•扩大覆盖范围通过波束形成提高信号强度•减少干扰通过空间滤波抑制干扰信号MIMO技术的两种基本应用模式•空间复用（Spatial Multiplexing）将数据流分为多个子流，通过不同天线同时发送，提高传输速率理论上，容量增益与minNt,Nr成正比•空间分集（Spatial Diversity）将同一数据通过不同天线或在不同时间发送，利用独立衰落特性提高可靠性常见的分集技术包括•发射分集如Alamouti空时码•接收分集如最大比合并（MRC）、选择合并（SC）在实际系统中，常采用自适应MIMO技术，根据信道条件动态选择复用或分集模式，实现容量和可靠性的最佳平衡MIMO在现代通信中的应用MIMO技术已成为现代无线通信系统的标准配置•WiFi（IEEE

802.11n/ac/ax）采用最多8x8MIMO，提供Gbps级传输速率•4G LTE支持最多8x8MIMO，是提高小区容量的关键技术•5G NR引入大规模MIMO（Massive MIMO），使用数十甚至上百个天线单元，实现更精确的空间分离MIMO技术的最新发展包括通信系统性能指标95%85%75%误码率与信噪比带宽效率与功率效率系统容量与覆盖范围误码率（BER）是衡量数字通信系统可靠性的基本指标，定义带宽效率（频谱效率）指单位带宽上可传输的信息量，单位为系统容量是指通信系统在给定资源（频谱、时间、空间）下可为接收错误的比特数与总传输比特数之比BER与信噪比bit/s/Hz提高带宽效率的主要方法支持的最大用户数或数据量影响系统容量的因素（SNR）密切相关，一般来说，信噪比每提高约1dB，BER可•高阶调制如从QPSK（2bit/s/Hz）到256QAM（8•可用带宽频谱资源的总量以降低约一个数量级bit/s/Hz）•频谱效率单位带宽利用效率不同调制方式的BER性能不同•编码调制如TCM、LDPC、Polar码•空间复用小区分裂、MIMO、波束赋形•BPSK/QPSK在相同SNR下BER最低，鲁棒性最好•MIMO技术利用空间自由度提高容量•干扰控制干扰协调、干扰对齐•16QAM/64QAM BER较高，但频谱效率高功率效率指传输单位信息所需的能量，通常用Eb/N0（每比覆盖范围是指通信系统可提供服务的地理区域，与发射功率、特能量与噪声功率谱密度之比）表示提高功率效率的方法包现代通信系统通常要求BER低于10^-6，通过前向纠错编码天线增益、接收灵敏度、传播环境等因素相关覆盖与容量通括低阶调制、先进编码和功率控制等（FEC）可以显著降低所需的SNR香农极限定义了在给定常存在权衡关系，提高覆盖往往会降低系统容量SNR下可实现的最低理论BER带宽效率和功率效率往往是一对矛盾，高阶调制提高带宽效率但降低功率效率实际系统设计需要在两者间找到平衡点数字信号的最佳接收最优检测理论相关检测器与匹配滤波器数字通信中的信号检测是根据接收到的噪声信号判断发送了哪个符号的过程最优检测理论的目标是在给定约束条件下最小化检测错误概率根据不同的优化准则，常用的最优检测方法包括•最大后验概率（MAP）准则最小化符号错误概率，当先验概率相等时，等价于最大似然（ML）准则•最小错误概率（MEP）准则考虑错误代价，最小化平均风险•最大信噪比（MNR）准则最大化输出信噪比，等价于匹配滤波在加性高斯白噪声（AWGN）信道中，最优检测器的判决规则可简化为•二进制信号比较接收信号与判决门限•M元正交信号选择相关器输出最大的分支•一般信号选择与接收信号欧氏距离最小的参考信号相关检测器和匹配滤波器是实现最优检测的两种等效方法•相关检测器计算接收信号与参考信号的相关值，选择相关值最大的符号•匹配滤波器滤波器的冲激响应是参考信号的时间反转复共轭，在符号周期结束时采样匹配滤波器的频率响应为其中S*f是参考信号频谱的共轭，T是采样时刻匹配滤波器具有以下特性•最大化采样时刻的信噪比•对白噪声最优，对有色噪声需要预白化现代通信系统实例4G/5G移动通信技术光纤通信系统卫星通信系统4G（LTE/LTE-Advanced）和5G（New Radio）是当前最先进的移动通信光纤通信是现代通信网络的骨干，提供了超大容量和远距离传输能力卫星通信系统利用空间轨道上的卫星中继站提供全球范围的通信服务，特别适技术合覆盖海洋、沙漠、山区等传统网络难以覆盖的区域光纤通信系统的基本组成4G LTE的关键技术按轨道高度分类•光发射机将电信号转换为光信号，包括激光器和调制器•OFDMA接入技术高效利用频谱资源•光纤传输光信号的媒介，包括单模和多模光纤•地球同步轨道（GEO）高度约36,000公里，相对地球静止•MIMO技术提高传输速率和可靠性•光放大器如掺铒光纤放大器（EDFA），补偿传输损耗•中地球轨道（MEO）高度约8,000-20,000公里，如GPS卫星•先进编码Turbo码提供强大的纠错能力•光接收机将光信号转换回电信号，包括光电探测器和放大器•低地球轨道（LEO）高度约500-2,000公里，如Starlink、OneWeb•全IP网络架构扁平化网络结构，降低延迟现代卫星通信技术现代光通信技术5G NR的创新点•波分复用（WDM）在单根光纤上同时传输多个波长•多波束技术提高频率复用效率和系统容量•毫米波通信利用高频段提供超大带宽•相干光通信利用光的相位信息提高频谱效率•自适应波束赋形动态调整覆盖区域•大规模MIMO使用数百天线单元精确波束赋形•光网络交换实现全光路由，减少电-光-电转换•星间链路卫星之间直接通信，减少地面站依赖•超密集组网通过小基站提高网络容量•弹性光网络根据业务需求动态分配光谱资源•先进调制编码提高频谱效率和抗干扰能力•网络切片为不同应用提供定制化服务当前单根光纤的传输容量已达数十Tbps，传输距离可达数千公里，是互联网和5G支持三大应用场景增强移动宽带（eMBB）、超高可靠低延迟通信全球通信的物理基础（URLLC）和大规模机器类通信（mMTC），实现了从人与人通信到万物互联的跨越MATLAB在通信系统中的应用通信系统建模与仿真常用通信工具箱介绍MATLAB是通信系统研究、设计和验证的强大工具，其优势在于•丰富的矩阵运算和信号处理函数库•直观的可视化功能•快速原型设计能力•与硬件实现的良好接口MATLAB支持多种仿真方式•链路级仿真模拟单个通信链路的信号处理过程•系统级仿真模拟整个网络的性能•蒙特卡洛仿真通过随机试验评估统计性能通信系统仿真的基本流程•定义系统参数和仿真设置•生成信息源数据•实现发射端信号处理（编码、调制等）•模拟信道影响（噪声、衰落、干扰）•实现接收端信号处理（同步、解调、解码）•计算性能指标（BER、吞吐量）•结果分析与可视化MATLAB提供多个专业工具箱支持通信系统开发•通信工具箱（Communications Toolbox）提供调制、编码、信道模型等基本组件•信号处理工具箱（Signal ProcessingToolbox）支持滤波、频谱分析等信号处理操作•RF工具箱（RF Toolbox）用于射频电路和系统设计•天线工具箱（Antenna Toolbox）支持天线设计和分析•LTE/5G工具箱提供符合标准的LTE和5G系统模型•WLAN工具箱支持IEEE

802.11系列无线局域网仿真通信工具箱的核心功能•信源编码熵编码、源编码算法•信道编码卷积码、Turbo码、LDPC码等•调制技术PSK、QAM、OFDM等•信道模型AWGN、Rayleigh、Rician等•同步算法载波、时钟和帧同步通信系统设计流程需求分析与系统规划通信系统设计的第一步是明确系统需求和性能目标，包括•服务类型语音、数据、视频等•覆盖范围室内、城市、郊区、全球•用户容量支持的最大用户数•数据速率上下行最大和平均速率•延迟要求端到端传输延迟•可靠性误码率、中断概率•功耗限制尤其对移动终端•成本约束系统投资和运营成本系统规划阶段需要进行频谱分析、链路预算、容量规划、业务预测和经济可行性分析，确定系统架构和关键技术路线根据系统规模和复杂度，可能需要建立数学模型和仿真平台进行初步验证模块设计与集成通信系统通常划分为多个功能模块，每个模块负责特定的信号处理任务•物理层模块调制、编码、同步、均衡等•链路层模块媒体访问控制、重传机制等•网络层模块路由、寻址、QoS保障等•应用层模块特定业务处理模块设计需遵循以下原则•接口标准化定义清晰的模块间接口•功能独立性减少模块间依赖•可测试性便于单独验证•可扩展性支持未来功能增强模块集成阶段，需要解决模块间的交互问题，确保系统作为一个整体正常工作这通常采用自底向上的集成策略，先集成底层模块，再逐步添加高层功能测试与优化通信系统测试是确保系统满足设计要求的关键环节，包括多个层次•单元测试验证各模块的功能正确性•集成测试检验模块间交互•系统测试评估整体性能•实验室测试在受控环境中模拟实际场景•现场试验在真实环境中验证性能测试过程中常用的性能指标•误码率/丢包率评估传输可靠性•吞吐量有效数据传输速率•延迟和抖动传输时延特性•信号覆盖信号强度分布•系统容量最大支持用户数通信技术发展趋势物联网（IoT）通信物联网是通过通信技术将各类物理设备连接到互联网的技术体系，实现人、物、系统的互联互通物联网通信面临的主要挑战•海量连接支持数十亿设备同时接入•低功耗终端设备电池寿命需达数年•低成本通信模块成本需足够低•广覆盖包括地下、室内等困难环境为满足这些需求，涌现出多种物联网专用通信技术•NB-IoT/eMTC基于蜂窝网络的窄带物联网•LoRa/Sigfox低功耗广域网技术•ZigBee/Z-Wave短距离网状网络•BLE/Wi-Fi HaLow低功耗局域网技术物联网通信的发展趋势是异构网络融合、边缘计算加强和智能化水平提升，以支持更多元的应用场景软件定义无线电（SDR）软件定义无线电是一种通过软件实现传统硬件功能的无线通信技术，具有极高的灵活性和可编程性SDR的核心理念是将信号处理尽可能靠近天线，最小化专用硬件，最大化软件处理SDR的关键技术•高性能ADC/DAC实现宽带信号采样和重建•通用处理平台FPGA、DSP、GPP协同处理•射频前端可调谐的宽带射频单元•实时信号处理高效实现复杂算法SDR的应用领域不断扩展•多模多频通信一套硬件支持多种通信标准•认知无线电动态感知和利用频谱资源•通信研发快速原型验证和测试•软件定义网络灵活重构网络架构SDR技术正在推动通信系统从固定功能向可编程平台转变，未来将形成统一的软硬件生态系统人工智能与通信融合人工智能技术正深刻改变通信系统的设计、优化和运维方式，实现智能通信AI在通信中的应用场景•网络规划与优化预测流量模式，自动规划网络资源•智能资源分配根据用户需求动态分配频谱、功率•预测性维护预测设备故障，提前干预通信系统中的安全与隐私加密技术基础认证与访问控制加密是保护通信安全的基本技术，通过将明文转换为密文，使未授权方无法获取信息内容加密技术可分为三类•对称加密发送方和接收方使用相同密钥，如AES、DES特点是加解密速度快，但密钥分发困难•非对称加密使用公钥/私钥对，如RSA、ECC特点是解决了密钥分发问题，但计算复杂度高•哈希函数单向映射，用于数据完整性验证，如SHA-

256、MD5在实际通信系统中，通常采用混合加密策略•会话建立使用非对称加密安全交换会话密钥•数据传输使用对称加密保护通信内容•完整性检验使用哈希函数验证数据完整性量子通信是一种基于量子力学原理的新型加密技术，理论上可以实现无条件安全的通信量子密钥分发（QKD）已在多个国家实现商用认证是确认通信双方身份的过程，是安全通信的前提常用的认证机制•密码认证基于共享密钥或密码•证书认证基于公钥基础设施（PKI）•多因素认证结合知识、所有和生物特征•零知识证明证明身份而不泄露敏感信息访问控制确保只有授权用户才能访问特定资源，主要模型包括•基于身份的访问控制（IBAC）•基于角色的访问控制（RBAC）•基于属性的访问控制（ABAC）•基于关系的访问控制（ReBAC）常见通信问题与解决方案信号衰减与干扰多径效应与频率选择性衰落噪声抑制与信号恢复技术信号衰减是通信系统中最基本的问题，包括多径传播是无线通信中的普遍现象，信号通过多条路径到达接收噪声是限制通信系统性能的根本因素，主要包括机，导致•自由空间损耗信号能量随距离扩散•热噪声由电子热运动产生，不可避免•吸收损耗信号被传输媒介吸收•时延扩展不同路径信号到达时间不同•人为噪声其他电子设备产生的干扰•散射损耗信号被小障碍物散射•符号间干扰前一符号的能量影响后一符号•大气噪声闪电等自然现象产生•衍射损耗信号绕过障碍物•相位抵消不同路径信号相位相反时相互抵消•宇宙噪声来自宇宙的电磁辐射•频率选择性衰落不同频率分量衰落程度不同干扰是影响通信质量的另一主要因素噪声抑制与信号恢复的主要技术解决多径和频率选择性衰落的技术•同信道干扰同频段其他用户的干扰•前端低噪声设计降低接收机噪声系数•邻信道干扰相邻频段信号的泄漏•均衡技术线性均衡、判决反馈均衡、自适应均衡•带通滤波限制噪声带宽•电磁兼容性问题各类电子设备的干扰•RAKE接收机利用多径分量提高信号质量•自适应滤波动态调整滤波器参数解决方案•OFDM技术将宽带信号分解为多个窄带信号•前向纠错编码增加冗余检测和纠正错误•扩频通信通过扩展信号带宽增强抗干扰能力•交织技术分散突发错误•增加发射功率在允许范围内提高信号强度•MIMO技术利用多径丰富度提高容量和可靠性•软判决解码利用可靠性信息提高性能•改善天线性能使用高增益定向天线•空时编码增强信号鲁棒性•信号处理算法小波变换、压缩感知等•中继与放大在传输路径中增加中继站这些技术可以将多径传播从有害因素转变为有利资源，是现代无•数字降噪基于统计模型的噪声抑制•频率规划合理分配频谱资源线通信系统的基础•干扰抑制技术自适应滤波、干扰对齐•分集接收利用多个接收路径提高可靠性课程总结与展望重点内容回顾学习建议与资源推荐通过本课程的学习，我们系统地掌握了通信原理的基础知识和核心技术，主要包括•通信系统基本概念信源、信道、信宿，模拟与数字通信•信号与系统时域/频域分析，随机过程，信号频谱•模拟调制技术AM、FM、PM的原理与应用•数字通信基础基带传输，编码技术，数字调制•现代通信技术MIMO、OFDM、软件定义无线电•通信系统性能误码率、信噪比、带宽效率•信道编码与同步差错控制，载波同步，时钟恢复•通信系统实例光纤通信，移动通信，卫星通信通信原理是一门理论与实践紧密结合的学科，它的核心在于如何在有限资源（带宽、功率）和不利条件（噪声、干扰、衰落）下，实现可靠、高效的信息传输随着信息技术的发展，通信原理的应用领域不断扩展，从传统的语音通信到高速数据传输，从地面网络到卫星通信，从人与人的通信到物联网时代的万物互联要深入掌握通信原理，建议采取以下学习策略。