第2章信号与通道

信号的性质可以在时域和频域两种情形下分析。在时域分析信号时,我们看到的就是信号幅度随时间而变化的情形,也就是信号波形。在第1章中,我们提到信号可以分为数字信号和模拟信号,这就是在时域对信号进行考察的结果。但在通信领域,我们更多地是在频域对信号进行分析。信号的电量在频率轴上的分布关系称为信号的频谱(FrequencySpectrum)。一个已知波形的信号可以通过数学分析(傅里叶级数或傅里叶变换)计算出其频谱,也可以用频谱分析仪去测出它的频谱。2.1信号的频谱2.1信号的频谱2.1信号的频谱信号在信道中传输时会受到信道传输特性的影响。有些信道的传输特性基本上是不随时间变化的,称为恒参信道。恒参信道对信号传输的影响相当于一个低通或带通滤波器,它会造成信号的衰减、延迟和线性失真。也有一些信道,其传输特性随时间做较快的变化,称为随参信道。随参信道对信号传输的影响比较复杂,通常传输的质量也比较差。另外,信号在信道传输过程中无一例外地会受到各种干扰,导致混杂在信号中的噪声增加。不同的信道对干扰的抵御能力是不同的,一般来说,有线信道的干扰会小一些,而无线信道的干扰会大一些。2.2常用信道及其特性所谓双绞线(TwistedWire),就是一对绞合在一起的相互绝缘的导线,如图所示。2.2常用信道及其特性2.2.1双绞线电话信道同轴电缆(CoaxialCable)的频带宽度要比双绞线宽得多,其上限频率一般可达到几百兆赫以上,视线径和传输距离而定。它的衰减与频率的平方根成正比,因此在远距离传输和宽带工作时仍需要用到均衡器。同轴电缆目前主要用于本地网(LAN)、有线电视(CATV)和海底电缆通信中。2.2常用信道及其特性2.2.2同轴电缆信道1.光纤的基本结构光导纤维(OpticalFiber)是由高纯度的石英玻璃制成的。裸光纤由纤芯、包层和保护套三部分组成,如图所示。2.2常用信道及其特性2.2.3光导纤维信道纤芯和包层的主要成分是二氧化硅,非常脆弱,容易折断。所以在包层外面加上强度较大的保护套,可以承受较大的冲击,保护光纤。光纤一般以光波的传输模式分类,主要有两类:多模(Multi灢Mode)光纤和单模(SingleMode)光纤。(1)多模光纤多模光纤是一种传输多个光波模式的光纤。多模光纤适用于几十Mbit/s到100Mbit/s的码元速率,最大无中继传输距离是10km~100km。2.2常用信道及其特性2.2.3光导纤维信道2.2常用信道及其特性2.2.3光导纤维信道(2)单模光纤单模光纤只能传输光的基模,不存在模间时延差,因而具有比多模光纤大得多的带宽,如所示。单模光纤主要用于传送距离很长的主干线及国际长途通信系统,速率为几个Gbit/s。由于价格的下降以及对比特传输率要求的不断提高,单模光纤也被用于原来使用多模光纤的系统。2.2常用信道及其特性2.2.3光导纤维信道2.光缆前面所述的光纤称为裸光纤,它由石英玻璃制成,比头发丝还细,强度很差,不能满足工程安装的要求。因此在光纤的拉制生产过程中还需要经过预涂覆、套塑和成缆等工序,最终形成光缆。光缆的结构必须能够保护每一条光纤不会因为敷设、安装而损坏。2.2常用信道及其特性2.2.3光导纤维信道3.光纤的连接光纤的连接有两种情况:一种是永久性连接,类似于电线电缆中的焊接;另一种是活动连接,类似于插头与插座的连接。光纤的连接必须满足以下几点要求:(1)插入损耗要小(2)接头要保证有足够的机械强度(3)密封(4)方便操作2.2常用信道及其特性2.2.3光导纤维信道4.永久连接(1)坍陷套管连接法这种方法需用一根具有比被接光纤的软化点温度低的玻璃套管,其内孔径略大于光纤芯的外径。2.2常用信道及其特性2.2.3光导纤维信道(2)电弧熔接法电弧熔接法是将光纤两个端头的芯线紧密接触,然后用高压电弧对其加热,使两端头表面熔化而连接。2.2常用信道及其特性2.2.3光导纤维信道5.活动连接活动光纤连接器通常由下述三部分组成:(1)光纤端接元件,保护和定位光纤端面;(2)对准规,定位光纤端接元件,使其耦合最佳;(3)连接器外壳,保护光学元件不受环境的影响,将对准规和光纤端接元件固定在应有的位置,并端接光缆护套和应变元件。2.2常用信道及其特性2.2.3光导纤维信道5.活动连接2.2常用信道及其特性2.2.3光导纤维信道无线信道包含了从发送端到接收端之间的无线空间,以天线作为信道的接口设备,如图所示。2.2常用信道及其特性2.2.4无线信道1.电磁波2.2常用信道及其特性2.2.4无线信道(1)波前波前可以定义为电磁波从源点向四面八方辐射时,所有同相位点组成的平面。如果一个电磁波在自由空间从一个点到四面八方是均匀的,就会产生一个球形波前,这个源被称为全向点源。2.2常用信道及其特性2.2.4无线信道(2)反射2.2常用信道及其特性2.2.4无线信道(3)折射折射是电磁波传播与光的传播类似的另一种现象。当电磁波在两种不同介质密度的介质中传播时就会发生折射。2.2常用信道及其特性2.2.4无线信道(4)衍射衍射是波在直线传播时绕过障碍物的一种现象。2.2常用信道及其特性2.2.4无线信道2.电磁波的传播模式电磁波从发射机天线到接收机天线的传播主要有地面波、空间波和天波三种模式,在同一个无线电发送与接收系统中,这三个传播模式可能兼而有之,只是由于所选择的天线不同、工作频率不同等原因,三者中以其中一种作为主要的传播模式。下面将要讨论,无线电波的传播特性主要取决于无线电波的频率。2.2常用信道及其特性2.2.4无线信道(1)地面波传播地面波是指沿地球表面传播的无线电波,也称为地表面波。2.2常用信道及其特性2.2.4无线信道(2)空间波传播空间波有两种形式,一种是直射波,另一种是地面反射波2.2常用信道及其特性2.2.4无线信道(3)天波传播天波传播是远距离通信的常用方式。2.2常用信道及其特性2.2.4无线信道当一个信号从发送设备注入信道中进行传输时,有几种现象必然会发生:首先,信号从一地传到另一地需要时间,因此会产生传播时延(PropagationDelay)。其次,由于信号能量会向四面八方扩散或受到传播介质的损耗,因此接收端获得的信号电平可能会远小于发送端输出的电平,这种现象称为衰减(Attenuation)。如果一个信号的各个频率分量都受到相同比例的衰减,信号波形的形状就不会发生变化,仅仅是信号的大小变化而已。2.3信号在信道中的传输2.3信号在信道中的传输2.3.1衰减2.3信号在信道中的传输2.3.1衰减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分。实际的信号有一定的频带宽度,可以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,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,称为线性失真(LinearDistortion)。2.3信号在信道中的传输2.3.2失真2.3信号在信道中的传输2.3.2失真2.3信号在信道中的传输2.3.2失真噪声(Noise)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信号上。2.3信号在信道中的传输2.3.3噪