第2章信號(hào)與通道

信號(hào)的性質(zhì)可以在時(shí)域和頻域兩種情形下分析。在時(shí)域分析信號(hào)時(shí),我們看到的就是信號(hào)幅度隨時(shí)間而變化的情形,也就是信號(hào)波形。在第1章中,我們提到信號(hào)可以分為數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào),這就是在時(shí)域?qū)π盘?hào)進(jìn)行考察的結(jié)果。但在通信領(lǐng)域,我們更多地是在頻域?qū)π盘?hào)進(jìn)行分析。信號(hào)的電量在頻率軸上的分布關(guān)系稱為信號(hào)的頻譜(FrequencySpectrum)。一個(gè)已知波形的信號(hào)可以通過(guò)數(shù)學(xué)分析(傅里葉級(jí)數(shù)或傅里葉變換)計(jì)算出其頻譜,也可以用頻譜分析儀去測(cè)出它的頻譜。2.1信號(hào)的頻譜2.1信號(hào)的頻譜2.1信號(hào)的頻譜信號(hào)在信道中傳輸時(shí)會(huì)受到信道傳輸特性的影響。有些信道的傳輸特性基本上是不隨時(shí)間變化的,稱為恒參信道。恒參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懴喈?dāng)于一個(gè)低通或帶通濾波器,它會(huì)造成信號(hào)的衰減、延遲和線性失真。也有一些信道,其傳輸特性隨時(shí)間做較快的變化,稱為隨參信道。隨參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懕容^復(fù)雜,通常傳輸?shù)馁|(zhì)量也比較差。另外,信號(hào)在信道傳輸過(guò)程中無(wú)一例外地會(huì)受到各種干擾,導(dǎo)致混雜在信號(hào)中的噪聲增加。不同的信道對(duì)干擾的抵御能力是不同的,一般來(lái)說(shuō),有線信道的干擾會(huì)小一些,而無(wú)線信道的干擾會(huì)大一些。2.2常用信道及其特性所謂雙絞線(TwistedWire),就是一對(duì)絞合在一起的相互絕緣的導(dǎo)線,如圖所示。2.2常用信道及其特性2.2.1雙絞線電話信道同軸電纜(CoaxialCable)的頻帶寬度要比雙絞線寬得多,其上限頻率一般可達(dá)到幾百兆赫以上,視線徑和傳輸距離而定。它的衰減與頻率的平方根成正比,因此在遠(yuǎn)距離傳輸和寬帶工作時(shí)仍需要用到均衡器。同軸電纜目前主要用于本地網(wǎng)(LAN)、有線電視(CATV)和海底電纜通信中。2.2常用信道及其特性2.2.2同軸電纜信道1.光纖的基本結(jié)構(gòu)光導(dǎo)纖維(OpticalFiber)是由高純度的石英玻璃制成的。裸光纖由纖芯、包層和保護(hù)套三部分組成,如圖所示。2.2常用信道及其特性2.2.3光導(dǎo)纖維信道纖芯和包層的主要成分是二氧化硅,非常脆弱,容易折斷。所以在包層外面加上強(qiáng)度較大的保護(hù)套,可以承受較大的沖擊,保護(hù)光纖。光纖一般以光波的傳輸模式分類,主要有兩類:多模(Multi灢Mode)光纖和單模(SingleMode)光纖。(1)多模光纖多模光纖是一種傳輸多個(gè)光波模式的光纖。多模光纖適用于幾十Mbit/s到100Mbit/s的碼元速率,最大無(wú)中繼傳輸距離是10km~100km。2.2常用信道及其特性2.2.3光導(dǎo)纖維信道2.2常用信道及其特性2.2.3光導(dǎo)纖維信道(2)單模光纖單模光纖只能傳輸光的基模,不存在模間時(shí)延差,因而具有比多模光纖大得多的帶寬,如所示。單模光纖主要用于傳送距離很長(zhǎng)的主干線及國(guó)際長(zhǎng)途通信系統(tǒng),速率為幾個(gè)Gbit/s。由于價(jià)格的下降以及對(duì)比特傳輸率要求的不斷提高,單模光纖也被用于原來(lái)使用多模光纖的系統(tǒng)。2.2常用信道及其特性2.2.3光導(dǎo)纖維信道2.光纜前面所述的光纖稱為裸光纖,它由石英玻璃制成,比頭發(fā)絲還細(xì),強(qiáng)度很差,不能滿足工程安裝的要求。因此在光纖的拉制生產(chǎn)過(guò)程中還需要經(jīng)過(guò)預(yù)涂覆、套塑和成纜等工序,最終形成光纜。光纜的結(jié)構(gòu)必須能夠保護(hù)每一條光纖不會(huì)因?yàn)榉笤O(shè)、安裝而損壞。2.2常用信道及其特性2.2.3光導(dǎo)纖維信道3.光纖的連接光纖的連接有兩種情況:一種是永久性連接,類似于電線電纜中的焊接;另一種是活動(dòng)連接,類似于插頭與插座的連接。光纖的連接必須滿足以下幾點(diǎn)要求:(1)插入損耗要小(2)接頭要保證有足夠的機(jī)械強(qiáng)度(3)密封(4)方便操作2.2常用信道及其特性2.2.3光導(dǎo)纖維信道4.永久連接(1)坍陷套管連接法這種方法需用一根具有比被接光纖的軟化點(diǎn)溫度低的玻璃套管,其內(nèi)孔徑略大于光纖芯的外徑。2.2常用信道及其特性2.2.3光導(dǎo)纖維信道(2)電弧熔接法電弧熔接法是將光纖兩個(gè)端頭的芯線緊密接觸,然后用高壓電弧對(duì)其加熱,使兩端頭表面熔化而連接。2.2常用信道及其特性2.2.3光導(dǎo)纖維信道5.活動(dòng)連接活動(dòng)光纖連接器通常由下述三部分組成:(1)光纖端接元件,保護(hù)和定位光纖端面;(2)對(duì)準(zhǔn)規(guī),定位光纖端接元件,使其耦合最佳;(3)連接器外殼,保護(hù)光學(xué)元件不受環(huán)境的影響,將對(duì)準(zhǔn)規(guī)和光纖端接元件固定在應(yīng)有的位置,并端接光纜護(hù)套和應(yīng)變?cè)?.2常用信道及其特性2.2.3光導(dǎo)纖維信道5.活動(dòng)連接2.2常用信道及其特性2.2.3光導(dǎo)纖維信道無(wú)線信道包含了從發(fā)送端到接收端之間的無(wú)線空間,以天線作為信道的接口設(shè)備,如圖所示。2.2常用信道及其特性2.2.4無(wú)線信道1.電磁波2.2常用信道及其特性2.2.4無(wú)線信道(1)波前波前可以定義為電磁波從源點(diǎn)向四面八方輻射時(shí),所有同相位點(diǎn)組成的平面。如果一個(gè)電磁波在自由空間從一個(gè)點(diǎn)到四面八方是均勻的,就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)球形波前,這個(gè)源被稱為全向點(diǎn)源。2.2常用信道及其特性2.2.4無(wú)線信道(2)反射2.2常用信道及其特性2.2.4無(wú)線信道(3)折射折射是電磁波傳播與光的傳播類似的另一種現(xiàn)象。當(dāng)電磁波在兩種不同介質(zhì)密度的介質(zhì)中傳播時(shí)就會(huì)發(fā)生折射。2.2常用信道及其特性2.2.4無(wú)線信道(4)衍射衍射是波在直線傳播時(shí)繞過(guò)障礙物的一種現(xiàn)象。2.2常用信道及其特性2.2.4無(wú)線信道2.電磁波的傳播模式電磁波從發(fā)射機(jī)天線到接收機(jī)天線的傳播主要有地面波、空間波和天波三種模式,在同一個(gè)無(wú)線電發(fā)送與接收系統(tǒng)中,這三個(gè)傳播模式可能兼而有之,只是由于所選擇的天線不同、工作頻率不同等原因,三者中以其中一種作為主要的傳播模式。下面將要討論,無(wú)線電波的傳播特性主要取決于無(wú)線電波的頻率。2.2常用信道及其特性2.2.4無(wú)線信道(1)地面波傳播地面波是指沿地球表面?zhèn)鞑サ臒o(wú)線電波,也稱為地表面波。2.2常用信道及其特性2.2.4無(wú)線信道(2)空間波傳播空間波有兩種形式,一種是直射波,另一種是地面反射波2.2常用信道及其特性2.2.4無(wú)線信道(3)天波傳播天波傳播是遠(yuǎn)距離通信的常用方式。2.2常用信道及其特性2.2.4無(wú)線信道當(dāng)一個(gè)信號(hào)從發(fā)送設(shè)備注入信道中進(jìn)行傳輸時(shí),有幾種現(xiàn)象必然會(huì)發(fā)生:首先,信號(hào)從一地傳到另一地需要時(shí)間,因此會(huì)產(chǎn)生傳播時(shí)延(PropagationDelay)。其次,由于信號(hào)能量會(huì)向四面八方擴(kuò)散或受到傳播介質(zhì)的損耗,因此接收端獲得的信號(hào)電平可能會(huì)遠(yuǎn)小于發(fā)送端輸出的電平,這種現(xiàn)象稱為衰減(Attenuation)。如果一個(gè)信號(hào)的各個(gè)頻率分量都受到相同比例的衰減,信號(hào)波形的形狀就不會(huì)發(fā)生變化,僅僅是信號(hào)的大小變化而已。2.3信號(hào)在信道中的傳輸2.3信號(hào)在信道中的傳輸2.3.1衰減2.3信號(hào)在信道中的傳輸2.3.1衰減當(dāng)一個(gè)正弦信號(hào)通過(guò)一個(gè)線性的信道時(shí),正弦波的幅度會(huì)衰減,還會(huì)有相移(時(shí)延),但仍然是相同頻率的正弦波?，F(xiàn)有的信道絕大多數(shù)可以看作是線性信道,因此信號(hào)在其中傳輸時(shí)不會(huì)出現(xiàn)非線性失真,不會(huì)產(chǎn)生新的頻率成分。實(shí)際的信號(hào)有一定的頻帶寬度,可以看作是由多個(gè)正弦分量組成的,如果信道對(duì)不同頻率的正弦分量表現(xiàn)出不同的衰減量和時(shí)延,這樣的信號(hào)在信道中傳輸時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生失真。這種失真不會(huì)產(chǎn)生新的頻率成分,稱為線性失真(LinearDistortion)。2.3信號(hào)在信道中的傳輸2.3.2失真2.3信號(hào)在信道中的傳輸2.3.2失真2.3信號(hào)在信道中的傳輸2.3.2失真噪聲(Noise)是電量的隨機(jī)波動(dòng),它會(huì)使信號(hào)受到影響。信號(hào)在信道中傳輸時(shí),來(lái)自信道和傳輸設(shè)備的各種噪聲都會(huì)疊加到信號(hào)上。2.3信號(hào)在信道中的傳輸2.3.3噪