第二章信号与信道

【专业教学内容标准体系文件】重庆工程学院教案课程名称：数字通信技术课程代码：201303011任课教师：张洪梅授课班级：1301001、1303201授课时间：2014－2015学年第1学期【专业教学内容标准体系文件】重庆工程学院教案周课次第2周第3次课学时2学时教学地点第六教学楼113教学任务名称信号频谱，常用信道及其特性教学目标【含知识、技能、素养目标】1.了解信号的频谱特征，建立频域分析意识；2.掌握双绞线、同轴电缆、光纤及无线信道的分类与特征。教学条件多媒体教学教学重点信号及其频谱概念教学难点信号及其频谱概念主要教学环节、方法及内容设计时间（分）一、从日常生活建立信号频谱的概念二、逐渐引入信号的频谱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f(t)(实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(周期的倒数)为基频的各次谐波(正弦型信号)的线性叠加表示。如图2-1所示。图2-1周期信号的波形0001()(cossin)2nnnaftatbt【专业教学内容标准体系文件】三、频谱频谱指的是信号的电量在频率轴上的分布关系。图2-2几种常见信号的频谱和波形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。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。图2-3频谱图四、信道的定义与分类信道就是信号传输的途径。模型2-4形象地描述信道模型图2-4调制信道和编码信道【专业教学内容标准体系文件】五、信道的分类根据不同的标准，信道可分为：有线信道、无线信道、恒参信道、随参信道、狭义信道、广义信道。1.有线信道(WireChannel)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。（1）双绞线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。常用的双绞线有一类线、二类线、三类线、四类线、五类线、超五类线、六类线。双绞线可分为非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线,非屏蔽双绞线电缆具有以下优点：a）无屏蔽外套，直径小，节省所占用的空间；b）重量轻，易弯曲，易安装；c）将串扰减至最小或加以消除；d）具有阻燃性(防火性）；e）具有独立性和灵活性，适用于结构化综合布线。（2）同轴电缆同轴电缆由内导线铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、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。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。图2-5同轴电缆（3）光纤【专业教学内容标准体系文件】光导纤维(简称光纤)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。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。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2-6(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，而沿直线传播,如图2-6(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。图2-6多模与单模传播2.无线信道(WirelessChannel)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。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。教学小结：频谱的波形，有线信道和无线信道作业布置：【专业教学内容标准体系文件】教学后记重庆工程学院教案周课次第2周第4次课学时2学时教学地点第六教学楼113教学任务名称信号在信道中的传输教学目标【含知识、技能、素养目标】掌握信号在信道中传输的衰减和干扰教学条件多媒体教学教学重点衰减和干扰教学难点衰减和干扰主要教学环节、方法及内容设计时间（分）一、从日常生活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。二、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。衰减通常用分贝值（dB）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：UoL20log(dB)PUi衰减可分为介质损耗和能量扩散损耗两种。【专业教学内容标准体系文件】三、衰减与频率的关系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。图2-8衰减与频率的关系四、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，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）。产生新的频率成分的失真称为非线性失真（NonlinearDistortion）。【专业教学内容标准体系文件】图2-9信号的失真五、噪声与干扰噪声（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。图2-10噪声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（SNR），其定义为：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。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；自然噪声是指自然界存在的各种电磁波源，如闪电、雷暴及其它宇宙噪声等；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。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。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，平均信号功率SNR=————————（dB）平均噪声功率【专业教学内容标准体系文件】因此所有的电子设备内部也都产生热噪声。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。教学小结：噪声与干扰的类型作业布置：1、设两个频率分别为30MHz和200MHz，功率为110dB的载波，经过1.5km的同轴电缆（型号为SYV-75-5）传输后，其输出端匹配负载上的信号功率是多少？2、单模光纤和多模光纤有何区别？教学后记