第2章信號與通道

信號的性質(zhì)可以在時域和頻域兩種情形下分析。在時域分析信號時,我們看到的就是信號幅度隨時間而變化的情形,也就是信號波形。在第1章中,我們提到信號可以分為數(shù)字信號和模擬信號,這就是在時域?qū)π盘栠M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盘栠M行分析。信號的電量在頻率軸上的分布關(guān)系稱為信號的頻譜(FrequencySpectrum)。一個已知波形的信號可以通過數(shù)學分析(傅里葉級數(shù)或傅里葉變換)計算出其頻譜,也可以用頻譜分析儀去測出它的頻譜。2.1信號的頻譜2.1信號的頻譜2.1信號的頻譜信號在信道中傳輸時會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間變化的,稱為恒參信道。恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懴喈斢谝粋€低通或帶通濾波器,它會造成信號的衰減、延遲和線性失真。也有一些信道,其傳輸特性隨時間做較快的變化,稱為隨參信道。隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊懕容^復雜,通常傳輸?shù)馁|(zhì)量也比較差。另外,信號在信道傳輸過程中無一例外地會受到各種干擾,導致混雜在信號中的噪聲增加。不同的信道對干擾的抵御能力是不同的,一般來說,有線信道的干擾會小一些,而無線信道的干擾會大一些。2.2常用信道及其特性所謂雙絞線(TwistedWire),就是一對絞合在一起的相互絕緣的導線,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,因此在遠距離傳輸和寬帶工作時仍需要用到均衡器。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度較大的保護套,可以承受較大的沖擊,保護光纖。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,最大無中繼傳輸距離是10km~100km。2.2常用信道及其特性2.2.3光導纖維信道2.2常用信道及其特性2.2.3光導纖維信道(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的主干線及國際長途通信系統(tǒng),速率為幾個Gbit/s。由于價格的下降以及對比特傳輸率要求的不斷提高,單模光纖也被用于原來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,強度很差,不能滿足工程安裝的要求。因此在光纖的拉制生產(chǎn)過程中還需要經(jīng)過預涂覆、套塑和成纜等工序,最終形成光纜。光纜的結(jié)構(gòu)必須能夠保護每一條光纖不會因為敷設(shè)、安裝而損壞。2.2常用信道及其特性2.2.3光導纖維信道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要求:(1)插入損耗要小(2)接頭要保證有足夠的機械強度(3)密封(4)方便操作2.2常用信道及其特性2.2.3光導纖維信道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光導纖維信道(2)電弧熔接法電弧熔接法是將光纖兩個端頭的芯線緊密接觸,然后用高壓電弧對其加熱,使兩端頭表面熔化而連接。2.2常用信道及其特性2.2.3光導纖維信道5.活動連接活動光纖連接器通常由下述三部分組成:(1)光纖端接元件,保護和定位光纖端面;(2)對準規(guī),定位光纖端接元件,使其耦合最佳;(3)連接器外殼,保護光學元件不受環(huán)境的影響,將對準規(guī)和光纖端接元件固定在應有的位置,并端接光纜護套和應變元件。2.2常用信道及其特性2.2.3光導纖維信道5.活動連接2.2常用信道及其特性2.2.3光導纖維信道無線信道包含了從發(fā)送端到接收端之間的無線空間,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無線信道1.電磁波2.2常用信道及其特性2.2.4無線信道(1)波前波前可以定義為電磁波從源點向四面八方輻射時,所有同相位點組成的平面。如果一個電磁波在自由空間從一個點到四面八方是均勻的,就會產(chǎn)生一個球形波前,這個源被稱為全向點源。2.2常用信道及其特性2.2.4無線信道(2)反射2.2常用信道及其特性2.2.4無線信道(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。當電磁波在兩種不同介質(zhì)密度的介質(zhì)中傳播時就會發(fā)生折射。2.2常用信道及其特性2.2.4無線信道(4)衍射衍射是波在直線傳播時繞過障礙物的一種現(xiàn)象。2.2常用信道及其特性2.2.4無線信道2.電磁波的傳播模式電磁波從發(fā)射機天線到接收機天線的傳播主要有地面波、空間波和天波三種模式,在同一個無線電發(fā)送與接收系統(tǒng)中,這三個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,無線電波的傳播特性主要取決于無線電波的頻率。2.2常用信道及其特性2.2.4無線信道(1)地面波傳播地面波是指沿地球表面?zhèn)鞑サ臒o線電波,也稱為地表面波。2.2常用信道及其特性2.2.4無線信道(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無線信道(3)天波傳播天波傳播是遠距離通信的常用方式。2.2常用信道及其特性2.2.4無線信道當一個信號從發(fā)送設(shè)備注入信道中進行傳輸時,有幾種現(xiàn)象必然會發(fā)生:首先,信號從一地傳到另一地需要時間,因此會產(chǎn)生傳播時延(PropagationDelay)。其次,由于信號能量會向四面八方擴散或受到傳播介質(zhì)的損耗,因此接收端獲得的信號電平可能會遠小于發(fā)送端輸出的電平,這種現(xiàn)象稱為衰減(Attenuation)。如果一個信號的各個頻率分量都受到相同比例的衰減,信號波形的形狀就不會發(fā)生變化,僅僅是信號的大小變化而已。2.3信號在信道中的傳輸2.3信號在信道中的傳輸2.3.1衰減2.3信號在信道中的傳輸2.3.1衰減當一個正弦信號通過一個線性的信道時,正弦波的幅度會衰減,還會有相移(時延),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,因此信號在其中傳輸時不會出現(xiàn)非線性失真,不會產(chǎn)生新的頻率成分。實際的信號有一定的頻帶寬度,可以看作是由多個正弦分量組成的,如果信道對不同頻率的正弦分量表現(xiàn)出不同的衰減量和時延,這樣的信號在信道中傳輸時不可避免地會產(chǎn)生失真。這種失真不會產(chǎn)生新的頻率成分,稱為線性失真(LinearDistortion)。2.3信號在信道中的傳輸2.3.2失真2.3信號在信道中的傳輸2.3.2失真2.3信號在信道中的傳輸2.3.2失真噪聲(Noise)是電量的隨機波動,它會使信號受到影響。信號在信道中傳輸時,來自信道和傳輸設(shè)備的各種噪聲都會疊加到信號上。2.3信號在信道中的傳輸2.3.3噪