通信技术基础-第二章-信号与信道

1、第2章 信号与信道大连理工大学出版社通信技术基础主编：于宝明 王钧铭主审：宫锦文新世纪高职高专通信类课程规划教材新世纪高职高专通信类课程规划教材国家级精品课件配套教材国家级精品课件配套教材大连理工大学出版社第2章 信号与信道大连理工大学出版社 信号的频谱；信号的频谱； 衰减、失真、噪声与干扰；衰减、失真、噪声与干扰；本章知识简介：本章知识简介：第2章 信号与信道大连理工大学出版社2.1.1 信号的频谱信号的频谱(Frequency Spectrum)通过数学知识我们知道：通过数学知识我们知道：任意一个满足狄里赫利条件的周期信号任意一个满足狄里赫利条件的周期信号f(t)(实实际工程中所遇到的周期

2、信号一般都满足际工程中所遇到的周期信号一般都满足)可用三角函数信号的线性组合来可用三角函数信号的线性组合来表示，表示，即：就是一个周期信号可近似用一直流分量和以其频率一个周期信号可近似用一直流分量和以其频率(周期的倒数周期的倒数)为基频为基频的各次谐波的各次谐波(正弦型信号正弦型信号)的线性叠加表示。的线性叠加表示。0001( )(cossin)2nnnaf tatbt第2章 信号与信道大连理工大学出版社tttt(a) 原 始 方 波 和 基 波(b) 基 波 3次 谐 波(c) 基 波 3次 谐 波 5次 谐 波(d) 基 波 3次 谐 波 5次 谐 波 7次 谐 波谐波次数取得越高，近似程

3、度越好。谐波次数取得越高，近似程度越好。第2章 信号与信道大连理工大学出版社 频谱指的是信号的电量在频率轴上的分布关系。频谱指的是信号的电量在频率轴上的分布关系。 （a） （b） （c） （d） （e） （f） 第2章 信号与信道大连理工大学出版社同一信号相邻谱线的间隔相同，信号的周期越大，各谱线同一信号相邻谱线的间隔相同，信号的周期越大，各谱线之间的频率间隔越小。之间的频率间隔越小。 周期：2mS 占空比：10% 周期：1mS 占空比：20% 周期：1mS 占空比：10% （a） （c） （e） （f） （d） （b） 10k 20k 30k 10k 20k 30k 10k 20k 30k

4、0 2 4 6 8 0 0 1 2 3 4 0 0 1 2 3 4 第2章 信号与信道大连理工大学出版社 脉冲宽度越窄，其频谱包络线的零点频率越高脉冲宽度越窄，其频谱包络线的零点频率越高，从而相邻两个包络零值之间所包含的谐波分量就越多，因而信号所占据的频带宽度就越宽。 周期：2mS 占空比：10% 周期：1mS 占空比：20% 周期：1mS 占空比：10% （a） （c） （e） （f） （d） （b） 10k 20k 30k 10k 20k 30k 10k 20k 30k 0 2 4 6 8 0 0 1 2 3 4 0 0 1 2 3 4 第2章 信号与信道大连理工大学出版社2.2信道（Ch

5、annel）信道就是信号传输的途径。信道就是信号传输的途径。根据不同的标准，信道可分为：根据不同的标准，信道可分为： 1.有线信道有线信道(Wire Channel) 2.无线信道无线信道(Wireless Channel) 3.恒参信道恒参信道(Certain Parameter) 4.随参信道随参信道(Variable Parameter) 5.狭义信道狭义信道(Narrow Sense) 6.广义信道广义信道(Broad Sense)第2章 信号与信道大连理工大学出版社1.有线信道有线信道通常指双绞线、同轴电缆、架空明线、多芯电缆有线信道通常指双绞线、同轴电缆、架空明线、多芯电缆和光纤。

6、和光纤。1)双绞线双绞线(Twisted Pair) 双绞线又称为双扭线，它是由若干对且每对有两条相互绝缘的铜导线按一定规则绞合而成。采用这种绞合结构是为了减少对邻近线对的电磁干扰（Electromagnetic Disturbance）。为了进一步提高双绞线的抗电磁干扰能力，还可以在双绞线的外层再加上一个用金属丝编织而成的屏蔽层。双绞线既可用于模拟信号传输，也可用于数字信号传输，其通信距离一般为几到十几千米。导线越粗，通信距离越远，但导线价格也越高。由于双绞线的性能价格比相对其它传输介质要好，因此使用十分广泛。第2章 信号与信道大连理工大学出版社 常用的双绞线有以下几类：常用的双绞线有以下几

7、类：一类线：一类线：主要用于传输语音（一类标准主要用于八十年代初之前的电话线缆），不用于数据传输。 二类线：二类线：传输频率为1MHZ，用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输，常见于使用4Mbps规范令牌传递协议的旧的令牌网。三类线：三类线：指目前在ANSI和EIA/TIA568标准中指定的电缆，该电缆的传输频率16MHz，用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输。 四类线四类线：该类电缆的传输频率为20MHz，用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输。 第2章 信号与信道大连理工大学出版社五类线：五类线：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输率为10

8、0MHz，用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输，是最常用的以太网电缆。超五类线：超五类线：超5类具有衰减小，串扰少，并且具有更高的衰减与串扰的比值和信噪比、更小的时延误差，性能得到很大提高。超5类线主要用于千兆位以太网（1000Mbps）。六类线：六类线：该类电缆的传输频率为1MHz250MHz，六类布线系统在200MHz时综合衰减串扰比（PS-ACR）应该有较大的余量，它提供2倍于超五类的带宽。六类布线的传输性能远远高于超五类标准，最适用于传输速率高于1Gbps的应用。六类与超五类的一个重要的不同点在于：改善了在串扰以及回波损耗方面的性能，对于新一代全双工的高速网络应用而言，

9、优良的回波损耗性能是极重要的。第2章 信号与信道大连理工大学出版社双绞线可分为非屏蔽双绞线（双绞线可分为非屏蔽双绞线（UTP，Unshielded Twisted Pair）和屏蔽双绞线（）和屏蔽双绞线（STP，Shielded Twisted Pair），如），如图图12所示。所示。非屏蔽双绞线电缆具有以下优点：非屏蔽双绞线电缆具有以下优点：（1）无屏蔽外套，直径小，节省所占用的空间； （2）重量轻，易弯曲，易安装； （3）将串扰减至最小或加以消除； （4）具有阻燃性(防火性）； （5）具有独立性和灵活性，适用于结构化综合布线。 第2章 信号与信道大连理工大学出版社屏 蔽 箔屏 蔽 双 绞

10、线非 屏 蔽 双 绞 线 UTP和STP第2章 信号与信道大连理工大学出版社2) 同轴电缆同轴电缆(Coaxial Cable) 同轴电缆由内导线铜质芯线同轴电缆由内导线铜质芯线(单股实心线或多股绞合线单股实心线或多股绞合线)、绝、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成(如图如图13所示所示)。 同轴电缆的这种结构使其具有高带宽和较好的抗干扰特性，并且可在共享通信线路上支持更多的点。按特性阻抗数值的不同，同轴电缆又分为两种，一种是50的基带同轴电缆，另一种是75的宽带同轴电缆。第2章 信号与信道大连理工大学出版社铝 制 编 织 导

11、 体 (屏 蔽 )内 部 绝 缘 体内 部 导 体外 部 绝 缘 体(a) 一 段 同 轴 电 缆(b) 一 段 与 连 接 器 相 连 的 同 轴 电 缆 同轴电缆第2章 信号与信道大连理工大学出版社基带同轴电缆基带同轴电缆: 一条基带同轴电缆只支持一个信道，传输带宽为120Mb/s。它能够以10Mb/s的速率把基带数字信号传输11.2km。所谓基带数字信号传输是指按数字信号位流形式进行的传输，无需任何调制。它是局域网中广泛使用的一种信号传输技术。宽带同轴电缆宽带同轴电缆: 宽带同轴电缆支持的带宽为300450MHz，可用于宽带数据信号的传输，传输距离可达100km。所谓宽带数据信号传输是指

12、可利用多路复用技术在宽带介质上进行多路数据信号的传输。它既能传输数字信号，也能传输诸如话音、视频等模拟信号，是综合服务宽带网的一种理想介质。第2章 信号与信道大连理工大学出版社3)光纤光纤(Optical Fiber) 光导纤维光导纤维(简称光纤简称光纤)是光纤通信系统的传输介质。是光纤通信系统的传输介质。 由于可见光的频率非常高，约为108MHz的量级，因此，一个光纤通信系统的传输带宽远远大于其它各种传输介质的带宽，是目前最有发展前途的有线传输介质。第2章 信号与信道大连理工大学出版社光纤由芯、封套和外套三部分组成如图光纤由芯、封套和外套三部分组成如图14所示。所示。 芯是光纤最中心的部分，

13、它由一条或多条非常细的玻璃或塑料纤维线构成，每根纤维线都有它自己的封套。由于这一玻璃或塑料封套涂层的折射率比芯线低，因此可使光波保持在芯线内。环绕一束或多束有封套纤维的外套由若干塑料或其它材料层构成，以防止外部的潮湿气体侵入，并可防止磨损或挤压等伤害。外 套绝 缘包 层纤 维 芯光纤第2章 信号与信道大连理工大学出版社 根据光纤传输数据模式的不同，它可分为多模光纤和单模根据光纤传输数据模式的不同，它可分为多模光纤和单模光纤两种。光纤两种。 多模光纤意指光在光纤中可能有多条不同角度入射的光线在一条光纤中同时传播,如图(a)所示。这种光纤所含纤芯的直径较粗。单模光纤意指光在光纤中的传播没有反射，而

14、沿直线传播,如图(b)所示。这种光纤的直径非常细，就像一根波导那样，可使光线一直向前传播。第2章 信号与信道大连理工大学出版社吸收护套纤芯包层(a) 多模(b) 单模多模与单模传播第2章 信号与信道大连理工大学出版社 光纤不易受电磁干扰和噪声影响，可进行远距离、高速率的数据传输，而且具有很好的保密性能。但是，光纤的衔接、分岔比较困难，一般只适应于点到点或环形连接。FDDI(光纤分布数据接口)就是一种采用光纤作为传输介质的局域网标准。第2章 信号与信道大连理工大学出版社2.无线信道无线信道 无线信道主要由无线电波和光波作为传输载体。无线信道主要由无线电波和光波作为传输载体。 在光波中，红外线、激

15、光是常用的信号载体，前者广泛用于短距离通信，如电视、录像机、空调器等家用电器使用的遥控装置；后者可用于建筑物之间的局域网连接，因为它具有高带宽和定向性好的优势，但是，由于受天气、热气流或热幅射等影响，使得它的工作质量存在不稳定性。 根据频率高低的不同根据频率高低的不同(波长的不同波长的不同)，人们将无线电波分为，人们将无线电波分为9个大波段。个大波段。第2章 信号与信道大连理工大学出版社无线波段划分第2章 信号与信道大连理工大学出版社 无线电波的传播方式主要有：无线电波的传播方式主要有： 地面波传播 天波传播 地-电离层波导传播 视距传播 散射传播 外大气层 行星际空间电波传播第2章 信号与信

16、道大连理工大学出版社天波传播地 电离层波导传播电离层地球外大气层及行星际空间电波传播视距传播对流层散射传播电离层散射传播地球电离层通信卫星(a)(b)无线电传播方式第2章 信号与信道大连理工大学出版社2.3信号在信道中的传播信号在信道中的传播学习要求学习要求 建立信号频谱的概念；建立信号频谱的概念； 了解信号在信道中传输时所受到的影响：衰减、时延、了解信号在信道中传输时所受到的影响：衰减、时延、失真、噪声与干扰；失真、噪声与干扰； 了解噪声的类型与干扰的类型以及降低噪声与干扰影了解噪声的类型与干扰的类型以及降低噪声与干扰影响的一般方法；响的一般方法；第2章 信号与信道大连理工大学出版社2.3.

17、1衰减（衰减（Attenuation)衰减是由于信号在信道内传播过程中因能量损耗而导致的幅度减小。衰减是由于信号在信道内传播过程中因能量损耗而导致的幅度减小。衰减通常用分贝值（衰减通常用分贝值（dB）表示。）表示。 设注入信道的信号电压（最大值或有效值）为Ui，输出的信号电压（相应地用最大值或有效值）为Uo，则信道对该信号的电压衰减值为： (dB)iUoU20logPL第2章 信号与信道大连理工大学出版社有时候信道衰减也用功率衰减值表示：有时候信道衰减也用功率衰减值表示：(dB)iPoP10logPL 衰减可分为介质损耗介质损耗和能量扩散损耗能量扩散损耗两种。它们主要发生在有线信号和无线信道中

18、。第2章 信号与信道大连理工大学出版社有线信道的损耗：有线信道的损耗： 损耗以介质损耗为主,能量扩散损耗很小.同轴电缆的衰减特性型号衰减(dB/km)30MHz200MHz800MHz双屏蔽藕芯电缆922.061.0132.0SYV-75-5（实芯）70.6190.0473.0SYV-75-751.0140.0SYV-75-936.9104.0SYV-75-1234.496.8第2章 信号与信道大连理工大学出版社信道对不同频率的信号有不同的传输能力；信道对不同频率的信号有不同的传输能力；信道对不同频率的信号还有不同的相移。信道对不同频率的信号还有不同的相移。 频率（MHz） 衰减（dB） 0.

19、1 1 10 100 1k 0dB -20dB -40dB -60dB （a） （b） 第2章 信号与信道大连理工大学出版社无线信道的损耗无线信道的损耗:无线信道的以扩散损耗为主无线信道的以扩散损耗为主,介质损耗很小。介质损耗很小。 电磁波在自由空间传播的扩散损耗可以用以下公式计算：dBdL2)4lg(10第2章 信号与信道大连理工大学出版社电磁波能量扩散损耗曲线 ：0501 001 500 .0 10 .11101 00传 播 距 离 （ km )扩散损耗(dB) 例：在距离900MHz移动通信基站1km处电磁波的损耗约为91.53dB第2章 信号与信道大连理工大学出版社实际的无线电通信系统

20、的收发双方都会采用有向天线。实际的无线电通信系统的收发双方都会采用有向天线。 发送天线可以将信号的能量集中到接收方向，而接收天线可以将接收电磁波的范围扩大，这两者都是抵消过大的能量扩散的有效措施。第2章 信号与信道大连理工大学出版社2.3.2 失真（失真（Distortion） 当一个正弦信号通过一个线性的信道时，正弦波的幅度会衰减，还会有相移（时延），但仍然是相同频率的正弦波。现有的信道绝大多数可以看作是线性信道，因此信号在其中传输时不会出现非线性失真，不会产生新的频率成份。 实际的信号有一定的频带宽度，可以被看作是由多个正弦分量组成的，如果信道对不同频率的正弦分量表现出不同的衰减量和时延，

21、这样的信号在信道中传输时不可避免地会产生失真。 这种失真不会产生新的频率成分，称为这种失真不会产生新的频率成分，称为线性失真线性失真（Linear Distortion）。 产生新的频率成分的失真称为非线性失真产生新的频率成分的失真称为非线性失真（Nonlinear Distortion） 。第2章 信号与信道大连理工大学出版社 t t 信道输入 信道输出 线性信道 信道输出 信道输入 第2章 信号与信道大连理工大学出版社 线性失真可以通过在信道输入端或输出端加线性失真可以通过在信道输入端或输出端加均衡器均衡器的方的方法进行补偿。法进行补偿。 均衡器根据信道的传输特性进行设计与调节，其主要作用

22、是对信号不同频率成份进行不同的衰减与时延，使信号各频率成份通过信道和均衡器后总的衰减与时延基本相同。第2章 信号与信道大连理工大学出版社注入信道的信号频谱 信道输出信号的频谱 f1 f2 均衡器输入信号频谱 均衡器输出信号频谱 均衡器传输特性 f1 f2 信道的传输特性第2章 信号与信道大连理工大学出版社2.3.3 噪声与干扰（噪声与干扰（Noise & DisturbanceNoise & Disturbance） 噪声（噪声（noise）是电量的随机波动，它会使信号受到影响。）是电量的随机波动，它会使信号受到影响。 信号在信道中传输时，来自信道和传输设备的各种噪声都会叠加到

23、信号上。 t 信道输出线性信道 信道输出信道输入噪声输入第2章 信号与信道大连理工大学出版社 信号受噪声的影响大小取决于信号与噪声的功率比值，简称信噪比信噪比（SNR），其定义为： 平均信号功率平均信号功率SNR = （dB） 平均噪声功率平均噪声功率信噪比值越大，信号的质量就越好。信噪比值越大，信号的质量就越好。第2章 信号与信道大连理工大学出版社 噪声的来源是多方面的，一般可分为内部噪声、自然噪噪声的来源是多方面的，一般可分为内部噪声、自然噪声和人为噪声。声和人为噪声。内部噪声内部噪声是系统设备本身产生的各种噪声，例如热噪声、散弹噪声等；自然噪声自然噪声是指自然界存在的各种电磁波源，如闪电

24、、雷暴及其它宇宙噪声等；人为噪声人为噪声来源于其它无关的信号源，例如电火花、无关信号等。 第2章 信号与信道大连理工大学出版社 热噪声的功率均匀地分布在相当宽的频带范围内，就好热噪声的功率均匀地分布在相当宽的频带范围内，就好象多种色彩的光合成白光一样，故也称为白噪声。象多种色彩的光合成白光一样，故也称为白噪声。 热噪声起源于电子的热运动。由于所有的电导体都会产生热噪声，因此所有的电子设备内部也都产生热噪声。第2章 信号与信道大连理工大学出版社 热噪声无处不在且很难抑制。热噪声无处不在且很难抑制。 当信号在信道中传输时信号会受到衰减，但噪声会在信道的任一点上产生，并且会逐点积累。因此在离发送端越

25、远的地方信号的信噪比也越小；放大器可以使信号的功率增加，同时也使噪声功率增加，因此不会改变信噪比，相反地，由于放大器本身会引入噪声，因此放大后的信噪比会更差，在信号比较小的情况下尤其如此。由此可见，噪声是影响通信系统性能的重要因素之一。信道输出 信道输入 信号随距离增加而减小 噪声随距离增加而增加 第2章 信号与信道大连理工大学出版社有时候，我们把来自其它系统的噪声称为干扰。有时候，我们把来自其它系统的噪声称为干扰。 两条并行的通信线路之间由于分布电容的存在或互感耦两条并行的通信线路之间由于分布电容的存在或互感耦合会造成信号的相互干扰；合会造成信号的相互干扰； 在频分多路复用的系统中，一个信道中同时有多个不同在频分多路复用的系统中，一个信道中同时有多个不同频率的信号在传播，也可能会造成信号的相互干扰；频率的信号在传播，也可能会造成信号的相互干扰； 在无线电通信系统中，接收天线会同时收到来自于多个在无线电通信系统中，接收天线会同时收到来自于多