信号与系统的基本知识.ppt

第八章信号与系统的基本知识 知识目标本章主要介绍信号与系统的概念 信号的种类与传输过程 以及通信网络和计算机网络的基础知识 学习目标1 了解信号与系统的概念 2 了解信号的种类和传输过程 3 了解通信网络和计算机网络的基础知识 第一节信号与系统概述 一 信号人们相互之间问候 电视台发布新闻以及电台广播歌曲 它们的目的都是要把某些消息借一定形式的信号传送出去 信号是消息的表现形式 消息则是信号的具体内容 很久以来 人们便开始寻求各种方法以实现信号的传输 我国古代曾利用烽火台的火光传送边疆的警报 这相当于光信号的传输 还曾通过击鼓鸣金的方式报送时刻或传达命令 这相当于声音信号的传输 这些古代的信号传送方法无论是距离 速度 还是可靠性与有效性都受到很大的限制 19世纪以来 利用电信号传送信息受到人们的关注 1837年 莫尔斯发明了电报 1876年 贝尔发明了电话 1895年 波波夫和马可尼实现了电信号的无线传送 经过科学家们不断的努力 利用电磁波传送信号这种方式得到了迅速发展 并且已经应用到了无线广播电视 雷达 无线电导航 超短波通信等领域 信号的形式多种多样 例如上面介绍的光 声 电等 还有力 温度 速度等等 在各种信号中 电信号是最便于存储 处理 传输和再现的 因而应用也最广泛 电信号一般是指随着时间而变化的电压或电流 也可以是电容上的电荷 线圈中的磁通以及空间的电磁波 电信号与非电信号可以通过适当的传感器进行转换 例如 利用热电式传感器可以将温度信号转换成电信号 利用磁电式传感器可以将位移转换成电信号 二 系统由若干相互作用和相互依赖的事物组合而成的具有特定功能的整体被称为系统 广义上讲 系统的概念涉及的范围十分广泛 包括各种物理系统和非物理系统 人工系统以及自然系统 通信系统 电力系统 机械系统等可认为是物理系统 政治结构 经济组织 生产管理等可认为是非物理系统 计算机网络 交通运输网等可认为是人工系统 原子核 太阳系等可认为是自然系统 在无线电子学领域中 常常利用通信系统 控制系统 计算机系统与指挥系统进行信号的传输与处理 一般情况下 组成系统的主要部件中包括大量的 多种多样的电路 电路也称为电网络或网络 近年来 随着大规模集成化技术的发展以及各种复杂系统部件的直接使用 系统有时也被称为网络 系统的功能可以利用一个方框图说明 如图8 1所示 输入信号ui t 经过一个系统变成了输出信号uo t 其中 ui t 表示系统的激励 uo t 表示系统的响应 系统的功能和特性就是如何由一定的激励来产生一定的响应 不同的系统具有的功能不同 电视接收系统可以完成电视信号的接收 移动通信系统可以实现无线通话和信息传送 数字机械系统可以实现利用数字信息来控制机械设备的工作 等等 ui t 系统 uo t 图8 1系统的功能原理图 信号 网络与系统之间有十分密切的关系 信号作为待传输消息的表现形式 可以看作运载消息的工具 而网络与系统则是为传送信号或对信号进行加工处理而构成的某种组合 信号必定是由系统产生 发送 传输与接收的 没有离开系统而孤立存在的信号 同样 离开了信号 网络与系统也将失去存在的意义 第二节信号的种类和传输 一 信号的种类信号是运载消息的载体 其最常见的表现形式是随时间变化的电压或电流 因而可以通过数学表达式的方式来描述 也可以通过绘图的方式来描述 对于不同的信号 可以从不同的角度进行分类 1 确定性信号与随机性信号当信号由某数学表达式描述时 在任意时刻都可以通过该数学表达式确定出一个相应的信号 这种信号称为确定性信号 或称规则信号 但是 实际传输的信号往往具有不可预知的性质 这种信号是随机性信号 或称不确定性信号 严格意义上说 自然界中不存在确定性信号 在信号传输过程中 它不可避免地要受到各种噪声和干扰的影响 从而变成不确定性信号 2 周期性信号和非周期性信号确定性信号又可分为周期性信号和非周期性信号 一个随时间变化的信号 如果每隔固定的时间间隔 就按完全相同的规律变化 这种信号称为周期性信号 如图8 2 a 所示 固定的时间间隔称为信号的周期 周期的倒数称为信号的频率 非周期性信号在时间上不具有周期性特征 如图8 2 b 所示 a 周期性信号 b 非周期性信号图8 2周期性信号和非周期性信号 3 模拟信号和数字信号凡在数值和时间上都是连续变化的信号 叫做模拟信号 在自然界中感知的许多物理量都具有模拟性质 如压力 温度 速度 等等 随时间不连续变化的信号称为数字信号 它们在时间和数值上都是离散的 例如 数字电路中的信号大都是二进制的信号 只有 0 和 1 两个基本数字信息 它们表示事物的两种对立状态 如灯的亮和暗 电路的导通和截止 在电子系统中 一般包含模拟电路和数字电路两种类型的电路 但对于信号的存储 分析和传输来说 常使用数字电路 4 直流信号和交流信号按照信号的大小和方向与时间的关系 可将信号分成直流信号和交流信号 直流信号的大小和方向都不随时间变化 交流信号的大小和方向均随时间而变化 直流信号和交流信号有时也合成在一起使用 如图8 3所示 图8 3直流信号和交流信号 二 信号的传输1 信道信号传送的途径或媒介称为信道 信道主要有两类 有线信道和无线信道 有线信道是由有形的介质构成的 如同轴电缆 光导纤维 双绞线等 信号在有线信道中受到的干扰小 传输特性稳定 无线信道是由看不到的大气空间构成的 信号在无线信道中很容易受到干扰 传输特性也较不稳定 2 调制与解调要实现无线电信号的远距离传输 必须使用高频电信号 但是 电信号的频率通常很低 不能直接进行远距离传输 为此 利用调制将低频电信号 放到 高频电信号去处理过程称为调制 低频的电信号称为调制信号 高频的电信号称为载波信号 调制后的信号称为已调信号 调制方法可分为以下几种 1 幅度调制 使载波信号的幅值随调制信号的变化而变化的调制方式称为幅度调制 简称调幅 AM 其过程如图8 4所示 调幅通常在中波广播等场合使用 图8 4调幅 2 频率调制 使载波信号的频率随调制信号的幅度变化而变化的调制方式称为频率调制 简称调频 FM 其过程如图8 5所示 调频通常在电视伴音和调频广播中使用 图8 5调频 3 相位调制 使载波信号的相位随调制信号的幅度变化而变化的调制方式称为相位调制 简称调相 PM 尽管信号在传送的过程中需要调制 但是传送到接收端后 我们所要使用的仍然是原始信号 将高频载波信号上的低频信号还原出来的信号处理过程称为解调 对应于调幅 调频 调相三种调制方式的解调方法为检波 检频和检相 调制和解调的过程可利用图8 6所示的广播发射和接收原理图说明 调制和解调的过程可利用图8 6所示的广播发射和接收原理图说明 a 发射端 b 接收端图8 6广播发射和接收原理图 第三节系统和网络 一 计算机网络计算机网络诞生于1969年 如今已广泛应用于各个领域 形成了多种类型的网络 计算机网络主要由主计算机系统 终端设备 通信设备和通信线路4大部分组成 利用计算机网络可以实现数据 应用程序 外围设备的共享 还可以拨打网络长途电话 召开视频会议 远程通信等 根据计算机网络所覆盖地理范围的大小 可将其分成广域网和局域网 广域网 WAN 的覆盖范围广 利用价值更大 但是它的传输速率低 局域网 LAN 的覆盖范围小 传输速率高 根据计算机网络的结构形式 可将其分为星型网 树型网 总线型网 环型网等 如图8 7所示 根据计算机网络应用环境的不同可分为企业网 校园网 部门网和工作组网等 a 星型结构 b 树型结构 c 总线结构 d 环型结构图8 7计算机网络的结构 二 通信系统通信系统主要由发送终端 发射机 接收机 接收终端和信道组成 发送终端将原始信号转换成电信号 发射机将电信号进行适当的处理 使其适合于在信道中传输 接收机将接收到的高频信号进行解调 恢复成原来的电信号 接收终端将接收机处理后的信号恢复成原始信号 发送终端的输出信号与接收终端的输入信号的类型通常是相同的 两个终端的设备也是对应的 例如 发送终端如果是摄像机 那么接收终端则是显示器 本章小结 1 信号是信息的表现形式 系统是由若干相互作用和相互依赖的事物组合而成的具有特定功能的整体 信号 网络与系统之间有十分密切的关系 2 常用信号可分为 确定性信号与随机性信号