大学无线电教学课件

大学无线电教学课件无线通信基础与实践全景解析第一章无线电通信概述无线电通信的历史与发展从马可尼的第一次无线电传输实验到如今的5G技术，无线通信已经走过了一个多世纪的辉煌历程我们将探索这一技术如何从简单的摩斯电码发展成为现代社会的关键基础设施无线电在现代社会的应用场景无线通信已融入我们生活的方方面面，包括移动通信、卫星导航、物联网、智能家居、工业自动化等众多领域，成为现代社会不可或缺的技术支撑课程目标与学习路径介绍•掌握无线通信基本理论•熟练应用MATLAB等工具进行仿真•具备系统设计与优化能力无线电通信的基本原理电磁波的产生与传播无线信号的频谱与调制基础电磁波由变化的电场和磁场相互垂直组成，以光速传播无线电发无线通信的核心在于如何有效利用有限的频谱资源传输信息通过射机通过电流振荡在天线上产生电磁波，这些波在空间传播并被接调制技术，我们可以将信息加载到射频载波上进行传输收天线捕获•频谱资源是有限的国家战略资源，需合理分配•麦克斯韦方程组描述了电磁波的基本行为•基本调制方式调幅AM、调频FM、调相PM•电磁波频率范围广泛，无线电波通常在3kHz至300GHz•数字调制技术可显著提高频谱利用效率•不同频段的电磁波具有不同的传播特性与应用场景无线信号无处不在第二章无线电波传播基础多普勒效应及其影响多径效应与信号衰落当发射机或接收机处于运动状态时，接收路径损耗Pathloss与阴影效应在实际环境中，无线信号会通过反射、散信号的频率会发生偏移，称为多普勒效Shadowing射、绕射等方式沿多条路径到达接收机，应这一效应在高速移动场景如高铁通路径损耗是无线信号随距离增加而自然衰造成接收信号的相干叠加这些信号可能信中尤为显著，会导致信号频谱扩展和符减的现象，通常与距离的n次方成反比相互增强或抵消，导致接收信号强度的快间干扰，影响通信质量n=2~4阴影效应则是由于地形、建筑物速波动，称为衰落等大型障碍物造成的信号额外衰减，通常用对数正态分布描述传播模型详解自由空间传播模型经验模型与射线追踪技术统计信道模型最基础的理想化传播模型，假设发射机与接实际环境中，我们通常采用基于大量测量数描述信号小尺度衰落特性的概率分布模型收机之间无障碍物，信号仅受距离影响衰据的经验模型，如瑞利Rayleigh分布无视距路径场景减•Okumura-Hata模型城市环境莱斯Rician分布有视距路径场景•COST-231模型欧洲标准Nakagami分布更通用的模型，可描述更广•ITU室内模型泛的衰落场景其中d为距离，λ为波长该模型适用于视距射线追踪则利用电磁波传播理论，通过模拟传播，如卫星通信信号反射、绕射等路径精确计算场强信号的千变万化反射Reflection散射Scattering当电磁波遇到尺寸远大于波长的光当电磁波遇到尺寸与波长相近的粗滑障碍物表面时，会发生反射反糙表面或小物体时，能量会向多个射信号的强度和相位取决于入射角方向散射树叶、路灯和雨滴等都度、材料特性和极化方向可能导致散射绕射Diffraction当电磁波遇到障碍物的边缘时，会弯曲并传播到几何视线以外的区域这解释了为什么在建筑物阴影区域仍能接收到信号第三章天线与射频设计基础天线的基本参数与类型天线阵列与方向性设计方向性增益Directional Gain描述天线在特定方向的辐射能力通过多个天线单元的组合与相位控制，实现波束赋形与空间滤波辐射方向图Radiation Pattern天线在不同方向的辐射强度分布半功率波束宽度Half-Power Beamwidth辐射功率达到最大值一半的角度范围前后比Front-to-Back Ratio主瓣方向与反方向辐射强度比值常见天线类型包括偶极子天线、单极子天线、Yagi天线、对数周期天线、槽天线、微带天线、抛物面天线等射频前端架构简介与在天线设计中的应用MATLAB Simulink天线单元建模与仿真射频预算分析与优化系统集成与联合仿真利用MATLAB天线工具箱Antenna Toolbox进行利用RF Toolbox进行系统级射频性能分析基带与射频联合仿真实现端到端系统验证天线设计与参数优化，包括•噪声系数与灵敏度计算•结合射频前端与数字信号处理•创建各类天线几何模型•互调失真与谐波分析•硬件在环HIL测试•计算与可视化辐射方向图•功率控制与增益规划•实际无线环境影响评估•分析阻抗匹配与驻波比•器件选型与参数优化•系统性能指标综合优化•导出标准格式文件与制造软件集成设计与仿真并行参数化设计优势仿真与测试无缝衔接MATLAB/Simulink环境支持天线与射频系统的参数化设计，使工程师能通过软硬件协同，实现设计到测试的无缝过渡够•将仿真模型直接连接到矢量网络分析仪•快速调整天线几何尺寸与材料参数•实测数据与仿真结果对比分析•自动执行参数扫描与性能分析•基于测量结果的模型校准与优化•实现基于优化算法的自动设计•支持导入外部电磁场仿真软件结果•生成详细的性能报告与文档第四章软件无线电（）技术SDR软件无线电概念与优势软件无线电Software Defined Radio,SDR是一种通过软件实现传统硬件功能的无线通信系统架构其核心思想是将尽可能多的信号处理功能从专用硬件转移到可编程通用处理平台上主要优势•灵活性高，可通过软件升级支持新标准•硬件复用，降低系统成本•快速原型开发与验证•多制式兼容，便于实验与研究常用SDR硬件介绍RTL-SDR基于RTL2832U芯片的低成本USB接收器，频率范围约24MHz-

1.7GHz，带宽约

2.4MHz，价格低廉，适合入门学习USRP UniversalSoftware RadioPeripheral由Ettus Research开发的高性能SDR平台，支持从DC到6GHz的频率范围，具有高采样率与带宽，模块化设计，适用于高级研发与教学其他常见平台HackRF、LimeSDR、PlutoSDR等，各具特点与适用场景SDR在教学与实验中的应用软件无线电为无线通信教学带来革命性变革，使学生能够•直观观察无线信号的时频特性•亲手实现各类调制解调算法•构建完整的通信系统•进行实时无线信号分析实验案例SDR实时I/Q数据采集与分析发射机与接收机算法实现与测试通过SDR设备采集无线信号，进行实时频谱分析与信号特征提取基于MATLAB与SDR平台实现完整通信系统•设置SDR接收参数中心频率、采样率、增益•采集I/Q数据并进行时域与频域分析•实现简易频谱分析仪功能•识别各类无线信号特征FM广播、WiFi、蜂窝信号等SSB调制解调实验实现单边带Single SideBand通信系统•音频信号采集与预处理•希尔伯特变换与SSB调制•通过SDR发射与接收SSB信号•解调算法实现与性能评估•数字调制QPSK/QAM实现软硬结合，灵活教学第五章数字调制技术FSK频移键控PSK相移键控QAM正交幅度调制通过改变载波频率表示数字信息，调制信号通过改变载波相位表示数字信息，QPSK调同时调制载波的幅度和相位，16-QAM有16为制信号为个信号点优点抗噪声性能好，实现简单优点频谱效率很高缺点频谱效率较低优点频谱效率较高，实现难度适中缺点对噪声敏感，功率放大要求高应用远距离通信，频率受限场景缺点对相位噪声敏感应用高速数据传输，5G通信应用无线局域网、卫星通信数字调制性能分析AWGN信道下误码率比较衰落信道中的调制性能在加性高斯白噪声AWGN信道中，不同调制方式的误码率BER与信噪比SNR关系•BPSK:$P_e=Q\sqrt{2E_b/N_0}$•QPSK:$P_e=Q\sqrt{E_b/N_0}$•16-QAM:$P_e\approx\frac{3}{8}erfc\sqrt{\frac{E_b}{10N_0}}$相同信噪比下，调制阶数越高，误码率越高；相同误码率下，高阶调制需要更高信噪比在衰落信道中，调制性能会显著恶化例如，在瑞利衰落信道中，BPSK的误码率近似为其中γ为平均信噪比衰落信道要求更强的信道编码与分集技术来提高可靠性信号的几何语言星座图Constellation Diagram是数字调制信号的几何表示，横纵坐标分别代表同相分量I和正交分量Q每个点代表一个符号，点的分布反映了调制方案的特性星座图的物理意义噪声与干扰影响星座图直观展示了数字调制信号的在实际信道中，噪声和干扰会导致幅度和相位特性，点与点之间的欧星座点的扩散，形成云状分布氏距离关系到符号间的可分辨性，接收机需要基于决策边界判断最可也决定了抗噪声能力能的发送符号非线性失真第六章多址技术与蜂窝设计频分多址技术FDMA时分多址技术TDMA码分多址技术CDMA将可用频谱分为多个不重叠的频带，分配给在同一频段内，不同用户在不同时隙传输数用户共享同一频段与时间，通过正交扩频码不同用户据区分•经典应用1G模拟蜂窝系统AMPS•经典应用2G数字蜂窝系统GSM•经典应用3G系统WCDMA,CDMA2000•优点实现简单，无需严格同步•优点适应突发业务，灵活分配时隙•优点频谱效率高，抗干扰能力强，容量平滑•缺点频谱利用效率较低，难以适应突•缺点需要精确时间同步，存在保护间发业务隔开销•缺点实现复杂，存在近远效应问题频谱规划与干扰管理是FDMA系统的关键技时隙分配策略与帧结构设计是TDMA系统的功率控制与软切换是CDMA系统的关键技术点核心术蜂窝系统结构与容量规划蜂窝网络关键技术切换Handoff机制干扰管理与资源分配覆盖优化与容量提升当移动终端从一个小区移动到另一个小区时，需要切换无线网络中干扰主要包括同频干扰和邻频干扰，是影响服务基站以保持通信连续性系统性能的主要因素切换类型干扰管理技术硬切换先断开后连接•功率控制与波束赋形软切换先连接后断开•干扰协调ICIC软合并同时连接多个基站•联合调度与处理切换触发参数资源分配策略•接收信号强度RSSI•基于QoS需求的调度•信号质量SINR•信道感知自适应分配•通信距离与移动性预测•载波聚合与双连接覆盖优化手段•天线方向与倾角调整•发射功率优化•新基站选址与部署容量提升技术•小区分裂与扇区化•MIMO与大规模天线阵列连接无处不在第七章无线通信中的应用AI机器学习与深度学习基础AI在信道估计与信号检测中的应用利用MATLAB/Simulink进行AI模型训练与仿真机器学习算法根据数据自动学习模式和规律，传统无线通信中的信道估计与信号检测通常基无需显式编程常见类型包括于数学模型与统计理论，但在复杂环境中性能MATLAB提供了丰富的工具支持无线通信中的AI受限AI技术可以应用开发监督学习从标记数据学习映射关系•通过CNN/RNN实现高精度信道估计Deep LearningToolbox构建与训练各类神经无监督学习发现数据中的隐藏结构网络•利用深度学习提高信号检测性能强化学习通过环境交互学习最优策略Reinforcement LearningToolbox开发自适应•在不完美CSI条件下实现鲁棒通信深度学习则通过多层神经网络自动提取特征，决策系统近年来在图像、语音和自然语言处理领域取得•适应非线性失真和硬件缺陷与Communications Toolbox集成实现AI驱动突破研究表明，基于深度学习的方法在低信噪比和的通信系统快速变化信道中具有明显优势GPU加速支持加快大规模模型训练速度助力无线通信创新AI射频损伤补偿与通道增强6G波形设计与智能优化AI算法能够根据通信需求自动设计和优化波形参深度学习可有效解决硬件缺陷带来的问题数•功放非线性失真自动补偿•自适应OFDM参数调整•I/Q不平衡校正•新型非正交波形生成•相位噪声抑制•多目标波形优化频谱效率、时延、功耗•多天线校准与同步智能安全与隐私保护自适应资源分配AI在通信安全领域发挥重要作用强化学习算法能够实现网络资源的智能化管理•异常流量检测与防御•动态频谱接入与共享•物理层安全增强•负载均衡与流量调度•身份认证与访问控制•能效优化与绿色通信•隐私保护通信机制•端到端服务质量保障智能赋能无线未来人工智能正在重塑无线通信的发展路径，从传统的基于模型的设计范式转向数据驱动的智能化范式第八章实验与项目实践MATLAB与Simulink无线通信仿真实验1基础仿真实验帮助学生巩固理论知识并建立系统级视角基础通信链路仿真搭建包含信源、信道编码、调制、信道模型、解调、译码的完整链路2SDR综合实验设计与实施性能分析与参数优化研究不同参数配置对系统性能的影响硬件实践环节将理论知识与实际系统实现相结合高级功能模块探索MIMO、自适应调制编码、OFDM等技术的仿真实现基于SDR的实时无线通信系统使用USRP或RTL-SDR实现实际无线传输学生将使用Communications Toolbox和Signal ProcessingToolbox完成这些信号采集与分析捕获实际环境中的无线信号并进行处理任务多种通信协议实现AM/FM广播、简易数字通信系统、WiFi信号分析等课程挑战项目5G/6G系统模拟3学生将学习如何处理实际硬件带来的各种非理想因素综合性项目挑战学生应用所学知识解决复杂问题5G新无线NR关键技术实现灵活帧结构、大规模MIMO、毫米波通信等6G关键技术探索太赫兹通信、人工智能赋能、智能表面等特定场景优化高速移动、密集城区、工业物联网等典型应用场景项目将以小组形式进行，培养团队合作与工程实践能力实验案例详解波形生成与调制解调天线阵列设计与性能测试AI模型集成与性能评估通过MATLAB实现各种通信波形，理解调制解调原利用Antenna Toolbox设计与优化天线阵列将深度学习应用于无线通信系统优化理数据集准备生成各类信道条件下的训练数据模型设计构建适用于通信任务的神经网络架构%QPSK信号生成示例代码M=4;%调制阶数data=randi[0M-1],1000,1;%随训练与验证使用GPU加速训练，验证模型性能机数据txSig=pskmoddata,M,pi/4;系统集成将训练好的模型部署到通信系统中%QPSK调制rxSig=awgntxSig,15;%性能对比与传统算法进行公平比较加噪声scatterplotrxSig;%绘制星座图学生将亲身体验AI如何提升通信系统的鲁棒性与适应rxData=pskdemodrxSig,M,pi/4;%性解调berVec=de2bidata~=de2birxData;%计算误码ber=sumberVec:/numelberVec%误码率实验内容包括•设计线性与平面阵列学生将探索不同噪声水平、信道模型对性能的影响•实现波束赋形算法•计算与绘制方向图•分析阵列增益与副瓣抑制理论与实践的完美结合理论引导实践实践促进创新工程思维培养课堂所学理论知识直接指导实验设计与问通过亲手实现系统，学生能更深入理解理实验项目要求学生权衡性能、复杂度、功题分析学生将理解为什么某些参数设置论局限性，发现改进空间实验中的意外耗等多种因素，模拟真实工程场景团队会导致特定性能表现，培养理论联系实际发现常常激发创新思考，培养问题解决能协作与项目管理也是工程实践中不可或缺的能力力的能力我们鼓励学生在完成基础任务后提出自己的创新点，探索教材之外的解决方案，为未来研究打下基础第九章无线通信安全与隐私无线信号的安全威胁加密技术与认证机制无线通信的开放特性使其面临独特的安全挑战窃听Eavesdropping无线信号可被被动捕获，内容泄露干扰攻击Jamming恶意干扰信号阻断正常通信中间人攻击MITM攻击者冒充合法用户或基站重放攻击Replay捕获并重新发送已认证的信息位置隐私泄露通过信号分析推断用户位置侧信道攻击利用设备功耗、时间等非直接信息推断密钥与有线通信相比，无线通信更容易遭受物理层攻击，需要多层次防护保障无线通信安全的主要技术手段对称加密AES-CCMP用于WiFi、雪花算法用于蜂窝通信公钥基础设施PKI数字证书验证通信实体身份身份认证协议EAP系列协议、5G认证框架等密钥管理安全密钥生成、分发与更新机制物理层安全技术利用信道特性实现安全通信安全信令与控制防止协议漏洞被利用课程总结与未来展望930+1000+主要章节实验与案例工具与资源本课程涵盖了从无线电基础到前沿技术的系统知识通过MATLAB/Simulink和软件无线电平台，我们提供课程提供了包含代码库、仿真模型、参考文献、在体系，包括电磁波传播、天线设计、调制技术、信了丰富的实验与实践机会，帮助学生将理论知识转线资源等丰富学习材料，支持自主学习与深入研道编码、多址接入、蜂窝系统、软件无线电、人工化为实际技能究智能应用等核心内容无线通信技术发展趋势6G通信技术人工智能深度融合跨学科创新•太赫兹通信•端到端优化网络•量子通信与密码学•集成感知与通信•语义通信•生物启发通信技术•分布式大规模MIMO•自组织自优化网络•绿色低能耗通信•智能超表面赋能通信•智能资源调度•深空与水下通信我们鼓励同学们保持好奇心与探索精神，在掌握基础知识的同时，积极关注前沿发展，成为推动无线通信技术进步的新生力量无线通信，连接未来从移动通信到物联网，从卫星导航到智慧城市，无线技术正在重塑人类生活与社会发展的方方面面参考资料与学习资源推荐教材与论文在线课程与开源项目•《无线通信原理与应用》，冯春燕，人民邮电出版社•《移动通信》，郑烇、刘玉玲，电子工业出版社•《数字通信系统设计与实现》，Richard Lyons著，张宏等译•《Software-DefinedRadiofor Engineers》，Collins等，Artech House•《MIMO-OFDM无线通信技术及MATLAB实现》，张猛等，清华大学出版社•IEEE CommunicationsMagazine,IEEE WirelessCommunications等期刊谢谢聆听期待你们成为无线通信的未来专家！学习建议职业发展方向联系方式•理论与实践相结合•通信系统研发工程•教师邮箱师teacher@university.e•跨学科知识融合du•射频与天线设计专•团队协作解决问题家•课程网站•持续学习前沿技术www.university.edu/•无线网络规划优化wireless师•实验室主楼B403•通信算法研究科学家•答疑时间周三下午2-4点。