实验一_信号及其传输特性分析

模拟信号和数字信号：时间或幅度连续的信号称为模拟信号，时间和幅度都离散的信号称为数字信号。
周期信号和非周期信号：在一个可以测量的时间范围内完成一种模式，并且在后续的相同时间范围内重复这一模式，这种信号是周期信号；不随时间变化出现重复的模式或循环，则是非周期信号。
二.周期模拟信号
周期模拟信号可以分为简单类型或复合类型两种。简单类型模拟信号，即正弦波，不能再分解为更简单的信号。而复合型模拟信号则是由多个正弦波信号组成的。
图1-2-2失真
四.噪声（动画演示）
1.噪声及其分类
噪声（noise）是另一种减损原因。
下面从不同的角度对噪声进行分类并加以分析。
（1）乘性噪声和加性噪声
信道是通信系统必不可少的组成部分，而信道中又不可避免地存在着噪声。以调制信道为例，它的数学模型可表示成。信道对信号的影响可归结到两点：一是乘性干扰k(t)，二是加性干扰n(t)。
3.应用举例
假设信号通过一种传输介质传输后，它的功率降低了一半。这可以表示为，这种情况下衰减（损失的能量）可以计算为：
-3dB或者3dB衰减等价于功率损失了一半。
三.失真（动画演示）
1.什么是失真
失真（distortion）意味着信号改变了形态或者形状。失真产生在由不同频率成分组成的复合信号当中。每一个信号成分在通过介质时有自己的传播速度，所以到达最终目的节点时有各自的延迟。如果延迟与周期时间不完全一致，那么延迟的差异就会产生相位的差异。换言之，接收方的信号成分与发送方的信号成分存在相位差异。因此复合信号的形状会不一样。图1-2-2说明了复合信号中失真的影响。
图1-1-8复合周期信号在时域和频域中的分解
图1-1-9表示了一个非周期复合信号。它可以在一个或两个词发音时由麦克风或电话产生。这种情况下，复合信号不可能是周期的，因为我们不可能以完全相同的音调重复相同的词或语句。
图1-1-9非周期信号的时域和频域
信号的频率分解后得到的是一条连续曲线。在实际区间[0.0,4000.0]内有无数个（实际值）频率。为了找到频率为f的振幅，我们在f处画一条垂直线与曲线相交。垂直线的高度就是相应频率的振幅。
（2）重新调整正弦/余弦波参数，重新运行，对比上面的结果进行分析；
（3）记录实验结果数据。
任务
本任务每台主机为一组。现仅以主机A所在组为例，其它组的操作参考主机A所在组的操作。
1.搭建仿真线路
（1）在虚拟通信工具中，新建实验区；
（2）选择正弦/余弦波、加法器、傅里叶变换器、信号输出器，连接分析复合信号的时域和频域特性的仿真线路，如下图所示；
波长是最简单信号在一个周期能传播的距离，通常以微米而不是米为单位计量。
5.时域和频域
前面我们使用的是时域图来表示正弦波。时域图显示了信号振幅随时间的变化情况（振幅的时间图）。
为了表示振幅和频率的关系，可以使用频域图。频域图只和峰值和频率相关，不显示一个周期中的振幅变化。图1-1-6显示了信号的时域图和频域图。
例1：假定我们需要每分钟100页的速度下载文本文档。所需要的通道比特率是多少？
解：
一页平均24行，每行80个字符，如果我们假定每个字符需要8位，比特率
（100×24×80×8）/60=（1636000）/60bps=256Kbps
例2：高清晰电视（HDTV）的比特率是多少？
解：
HDTV使用数字信号广播高质量视频信号。HDTV屏幕通常为16：9（普通电视为4：3），表示屏幕更宽。每屏有1920×1080个像素，每秒刷新30次。24位代表一种颜色像素，我们计算比特率如下：
实验一
练习一
实验原理
一.信号的概念和分类
1.信号
在通信与信息系统中，传输的主体是信号，系统所包含的各种电路、设备都是为了实施这种传输。因此，电路系统设计和制造的要求，必然要取决于信号的特性。随着待传输信号的日益复杂，相应地，信号传输系统中的元器件、电路的结构等也日益复杂。因此，对信号进行分析变得越来越重要。
四.数字信号
数据除了可以用模拟信号表示以外，还可以使用数字信号表示。例如，1可以编码为正电平，0可以编码为0电平。一个数字信号可以多于两个。在这种情况下，每个电平就可以发送多个位。图1-1-10表示了两个信号，一个信号有两个电平而另一个信号有四个电平。
图1-1-10两个数字信号：一个有两个电平而另一个有四个电平
通常乘性干扰k(t)是一个复杂的函数，它可能包括各种线性畸变、非线性畸变。同时由于信道的迟延特性和损耗特性随时间作随机变化，故k(t)往往只能用随机过程来表述。
加性噪声虽然独立于有用信号，但它却始终干扰有用信号，因而不可避免地对通信造成危害。
通信信道中加性噪声（简称噪声）的来源，一般可以分为三方面：（1）人为噪声；（2）自然噪声；（3）内部噪声。人为噪声来源于无关的其他信号源，例如：外台信号、开关接触噪声、工业的点火辐射及荧光灯干扰等；自然噪声是指自然界存在的各种电磁波源，例如：闪电、大气中的电暴、银河系噪声及其他各种宇宙噪声等；内部噪声是系统设备本身产生的各种噪声，例如：在电阻一类的导体中自由电子的热运动（常称为热噪声）、真空管中电子的起伏发射和半导体中载流子的起伏变化（常称为散弹噪声）及电源哼声等。
图1-2-1衰减
2.分贝
为了说明信号损失或增益的强度，工程上使用分贝的概念。分贝（decibel，dB）用于计算两种信号之间或者同一信号在两个不同位置之间的相对强度。若信号被减损了，则分贝为负值，若信号被放大了，则分贝为正值。
和分别是信号在位置1和位置2的功率。注意一些工程书籍中以电压而不是功率定义分贝。这种情况下，因为功率和电压的平方成正比，所以公式变为。在这里我们以功率表示分贝。
图1-1-4振幅和频率相同但相位不同的三条正弦波
从图中我们可以看出：
●相位为0度的正弦波在0时刻以零振幅开始，然后振幅递增。
●相位为90度的正弦波在0时刻以峰值振幅开始，然后振幅递减。
●相位为180度的正弦波在0时刻以零振幅开始，然后振幅递减。
另一种看相位的方式是位移或偏移。我们可以看出：
●相位为0度的正弦波没有位移。
图1-1-3振幅和相位相同但频率不同的两个信号
通常周期用秒（s）来表示，频率用赫兹（Hz）来表示。
3.相位
相位是指波形相对于时间零的位置。如果我们将波形想象为能够沿时间轴向后或者向前平移，则相位描述的就是这种偏移的数量。它指明了第一个循环的状态。
相位使用角度或者弧度来进行计量，如下图1-1-4所示。
（2）随机噪声
在通信系统中，某些类型的噪声是确知的，例如电源哼声、自激振荡、各种内部的谐波干涉等。虽然消除这些噪声不一定很容易，但至少在原理上可消除或基本消除。另一些噪声则往往不能准确预测其波形。这种不能预测的噪声统称为随机噪声。我们所关心的只是随机噪声。
正弦波是周期模拟信号的最基本形式。可以看做一条简单的震荡曲线，在一个周期内的变化是平滑、一直的、连续的、起伏的曲线。下图就是一个正弦波，每个循环由时间轴上方的单弧和后跟着的时间轴下方的单弧构成。
图1-1-1正弦波
单个正弦波可以用三个参数表示：峰值振幅、频率和相位。这三个参数完全决定正弦波。
1.峰值振幅
●相位为90度的正弦波向左位移1/4个周期。但是，注意在0时刻前信号并不真的存在。
●相位为180度的正弦波向左位移1/2个周期。但是，注意在0时刻前信号并不真的存在。
4.波长
波长是信号通过传输介质传播的另一个特性。波长将简单正弦波的周期或频率与介质的传播速度结合在一起，如下图1-1-5所示。
图1-1-5波长和周期
1.搭建仿真线路
（1）打开虚拟通信工具，新建仿真视图；
（2）选择正弦/余弦波、傅里叶变换器、信号输出器，连接分析正弦波的时域和频域特性的仿真线路图，如下图所示；
2.器件参数设置
（1）设置正弦/余弦波的频率为6Hz，振幅为5V；
（2）其他器件参数保持默，观察正弦/余弦波信号的时域波形和频谱图；
信号的峰值振幅是其最高强度的绝对值，与其携带的能量成正比。图1-1-2表示了两个信号和它们的峰值振幅。
图1-1-2相位和频率相同但振幅不同的两个信号
2.周期和频率
周期是信号完成一个循环所需要的时间，以秒为单位。频率是指1秒内的周期数。周期是频率的倒数，频率是周期的倒数，如下列公式所示。
图1-1-3显示了两个信号和它们的频率。
（2）重新调整三个正弦/余弦波振幅和频率，重新运行，对比上面的结果进行分析；
（3）记录实验结果数据。
任务三
本任务每台主机为一组。现仅以主机A所在组为例，其它组的操作参考主机A所在组的操作。
数字化语音通道是通过数字化4KHz宽带的模拟语音信号形成的。我们需要以最高频率的2倍对信号进行采样（即每赫兹两个样本）。我们假定每个样本需要8位。根据实验原理的学习，计算所需的比特率是多少。
2.器件参数设置
（1）设置三个正弦/余弦波的振幅和频率分别为不同的值，为了便于观察复合信号的频谱，我们这里设置与原理相同的复合信号，三个正弦波振幅依次为：9、3和1，频率依次为10、30和90，其他参数可以保持默认值；
（2）其他器件参数保持默认值；
3.仿真结果分析
（1）运行仿真线路，观察三个正弦/余弦波信号经过加法器后形成的复合信号的时域波形和频谱图，查看设置的频率与频谱图的对应关系；
图1-1-6正弦波的时域图和频域图
很明显频域图更容易画，并且传递了时域图中能够找到的信息。频域的优点是我们能够直接看到频率值和峰值振幅值。完整的正弦波通过一个尖峰表示。尖峰的位置表示了频率，尖峰的高度表示了峰值振幅。
三.复合信号
复合信号是由许多具有不同频率、相位和振幅的简单正弦波组合而成的。如果复合信号是周期性的，分解得到的是一系列具有离散频率的信号。如果复合信号是非周期性的，分解得到的是具有连续频率的正弦波组合。
2.信号的分类
下面从不同角度对信号进行分类。