现代通信原理第一章 绪论

1、本章阐述了测量学科的丰富内涵。介绍测量、计量的基本概念，即它们的意义、内容、特点及应用。讨论测量原理、测量方法和测量系统中的共性问题。分别从信息获取的广义概念和量值比较的狭义概念上，阐述测量的基本原理；从实现测量原理的变换、比较、处理和显示等环节中，阐述电子测量的基本技术。 第一章 绪论 1.1 电子测量的基本概念1.1.1 测量的意义 日常生活中处处离不开测量科学的进步和发展离不开测量， 离开测量就不会有真正的科学。 没有望远镜就没有天文学，没有显微镜就没有细胞学，没有指南针就没有航海事业 1.1.1 测量的意义（续）生产发展离不开测量 农业社会中，需要丈量土地、衡量谷物，就产生了长度、面积

2、、容积和重量的测量；掌握季节和节候，出现了原始的时间测量器具，并有了天文测量。现代化的工业生产中，处处离不开测量 例如，一个大型钢铁厂需要约2万个测量点在高新技术和国防现代化建设中则更是离不开测量例如，每种新设计的飞机，需要测试飞机高速飞行中受气流冲击作用下的性能，通过风洞试验测定机身、机翼的受力和振动分布情况，以验证和改进设计。1.1.2 测量的定义 1.狭义测量的定义测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程。在测量过程中，人们借助专门的设备，把被测对象直接或间接地与同类已知单位进行比较，取得用数值和单位共同表示的测量结果。 测量结果测量数值.测量单位，即：1.1.2 测量的基本概念（续

3、）测量的内涵 测量对象：被测客体中的相应的量值信息；测量目的：从被测对象取得一个定量的认识；测量过程: 通过实验去认识对象的过程测量方法：比较；A.直接比较 B.间接比较；C.需要测量仪器；测量标准：同类已知单位。测量结果：最终能表示给测量主体（人）1.1.2 测量的定义（续）被测物体的重量等于标准砝码的重量被测物体的重量从度盘上读数，因为，弹簧秤度盘上的刻度是事先与标准量进行比较的结果。1.1.2 测量的定义（续）2.广义测量的定义广义地讲，测量不仅对被测的物理量进行定量的测量，而且还包括对更广泛的被测对象进行定性、定位的测量。例如故障诊断、无损探伤、遥感遥测、矿藏勘探、地震源测定、卫星定位

4、等。而测量结果也不仅仅是由量值和单位来表征的一维信息，还可以用二维或多维的图形、图像来显示被测对象的属性特征、空间分布、拓朴结构等。 广义测量原理可以从信息获取过程来说明，包括信息的感知和信息识别两个环节。 1.1.3 测量的基本要素1.测量的基本要素被测对象、测量仪器、测量技术、测量人员和测量环境 1.1.3 测量的基本要素（续）1.1.3 测量的基本要素（续）2.测量过程基本要素之间的互动关系论证阶段: 测量的主体（测量人员）根据测试任务的要求、被测对象的特点、属性，及现有仪器设备状况，拟定合理的测试方案。 设计阶段* 选择测试仪器，组建测试系统。* 制定出测试策略（测量算法）和操作步骤（

5、测试程序）实施阶段* 对仪器和系统实施测试操作（发控制命令），按照逻辑和时序完成测量过程，取得测量数据;* 分析测量误差并显示测量出结果。 1.1.3 测量的基本要素（续）1.1.3 测量的基本要素（续）3.被测对象信息广义的测量是信息的获取，信息反映了事物的运动的状态及其变化方式。信息又可分为自然信息和社会信息两大类。4.测量仪器系统量具和仪器测量仪器系统包括量具、测试仪器、测试系统及附件等5.测量的主体测量人员手动：由测量主体（测量人员）直接参与完成自动：测量主体交给智能设备（计算机等）完成，但测量策略、软件算法、程序编写需由测量人员事先设计好。6.测试技术测量中所采用的原理、方法和技术措

6、施，总称为测试技术。1.1.3 测量的基本要素（续）7.测量环境测量环境是指测量过程中人员、对象和仪器系统所处空间的一切物理和化学条件的总和。测量环境包括温度、湿度、力场、电磁场、辐射、化学气雾和粉尘，霉菌以及有关电磁量（工作电压、源阻抗、负载阻抗、地磁场、雷电等）的数值、范围及其变化。 1.1.3 测量的基本要素（续）环境对测量的影响A. 环境对被测对象的影响：某些被测对象客体（如器件、电路或系统）的性能特性对环境变化较为敏感或非常敏感，因此，原则上测量应在被测对象的正常或额定工作条件下进行。B. 环境对仪器系统的影响：环境可能直接或间接地影响到仪器系统本身的某个工作特性，进而影响测量结果，

7、造成测量误差。特别是某些测量器具的量程广、频段宽，而内部的元器件数目甚多，且对外界影响相当敏感，错综复杂的影响量所产生的不良效应有时会成为测量的严重问题。C. 环境对测量人员的影响：高温、严寒、潮湿、闷气、嘈杂、照明不适当等不良工作环境，会对测量人员的身心产生不良影响，从而引起不同程度的人身误差乃至差错。1.1.3 测量的基本要素（续）应采取适当的控制措施，尽量减少由于环境影响而产生的误差。恒温、恒湿、稳压和防震。抗干扰、防噪声的措施，如接地、屏蔽、隔离、滤波等。仪器应能尽量适应恶劣环境和大范围变化环境。 1.1.3 测量的基本要素（续）仪器以工作环境条件的不同要求分为三组：I组：良好的环境条

8、件，温度+10+35oC，相对湿度80%（在35oC上），只允许有轻微的振动。II组：一般的环境条件，温度10+40oC，相对湿度80%（在40oC上），允许一般的振动和冲击。III组：恶劣的环境条件，温度40+55oC，相对湿度90%（在35oC上），允许频繁的搬动和运输中受到较大的冲击和振动。I组高精度计量用仪器II组通用仪器III组野外、机载等仪器电子测量的基本概念电子测量的意义20世纪30年代，便开始了测量科学与电子科学的结合，产生了电子测量技术 处理信息最有效、最成功的是电子科学技术 具有极快的速度 具有极精细的分辨能力，很宽的作用范围。 极有利于信息传递 极为灵活的变换技术。 巨大

9、的信息处理能力 1.2 电子测量的内容和特点从广义上说，电子测量是泛指以电子科学技术为手段而进行的测量，即以电子科技理论为依据，以电子测量仪器和设备为工具，对电量和非电量进行的测量。从狭义上讲，电子测量则是利用电子技术对电子学中有关的电量所进行的测量。 一、电子测量的内容 P2一、 电子测量的内容（续）电子测量的内容是：（1）按具体的测量对象来分类，包括下列电参数的测量电能量的测量 包括各种频率及波形下的电压、电流、功率、电场强度等的测量。电路参数的测量 包括电阻、电感、电容、阻抗、品质因数、电子器件参数等的测量。电信号特征的测量 包括信号、频率、周期、时间、相位、调幅度、调频指数、失真度、噪

10、音以及数字信号的逻辑状态等的测量。电子设备性能的测量 包括放大倍数、衰减、灵敏度、频率特性、通频带、噪声系数的测量。特性曲线的测量 包括幅频特性曲线、晶体管特性曲线等的测量和显示。二、 电子测量的特点 P3（1）测量频率范围宽。被测信号的频率范围除测量直流外，测量交流信号的频率范围低至10-6Hz以下，高至THz（1THz=1012Hz）（2）量程范围宽。如数字万用表对电压测量由纳伏（nV）级至千伏（kV）级电压，量程达12个数量级 （3）测量准确度高。例如，用电子测量方法对频率和时间进行测量时，由于采用原子频标和原子秒作为基准，可以使测量准确度达到10-1310-14的数量级。（4）测量速度

11、快。因为电子测量是通过电子运动和电磁波传播进行工作 （5）易于实现遥测 （6）易于实现测量过程的自动化和测量仪器智能化1.3 电子测量的一般方法 P51.3.1 按测量手续分类:直接测量与间接测量（1）直接测量用已标定的仪器，直接地测量出某一待测未知量的量值。（2）间接测量对与未知待测量y有确切函数关系的其他变量x（或n个变量）进行直接测量，然后再通过函数 ，计算出待测量y。（3）组合测量 二、按测量方式分类：1偏差式测量法:在测量过程中,用仪器表指针的位移(偏差)来表示被测量的大小.如用万用表测量电压,电流等.2零位式测量法:测量时用被测量与标准量相比较,用指零仪表指示被测量与标准量相等(平

12、衡),从而获得被测量.利用惠斯登电桥测量电阻(或电容,电感)是这种方法的一个典型例子.例1.3:惠斯登电桥测量电阻示意图 P7当电桥平衡时,可以得到:Rx=R1/R2.R4通常是先大致调整比率R1/R2,再调整标准电阻R4,直至电桥平衡,充当零示器的检流计PA指示为零,此即可根据公式由比率和R1的值得到被测电阻Rx的值.3微差式测量法这是综合零位式测量和偏差式测量的优点而提出的一种测量方法，基本思路是将被测量x的大部分作用先与已知标准量N的作用相抵消，剩余部分即两者差值xN，这个差值再用偏差法测量。微差式测量中，总是设法使差值很小，因此可选用高灵敏度的偏差式仪表测量之。即使差值的测量精度不高，

13、但最终结果仍可达到较高的精度。 例如，测定稳压电源输出电压随负载电阻变化的情况时，输出电压认可表示为U0可表示U0=U+U，其中U是负载电阻变化所引起的输出电压变化量，相对U来讲为一小量。如果采用偏差法测量，仪表必须有较大量程以满足U0的要求，因此对U，这个小量造成的U0的变化就很难测准。当然，可以改用零位式测量，但最好的方法是如图1.3.2所示的微差式测量。 图中使用了高灵敏度电压表毫伏表和电位差计，Rr和E分别表示稳压电源的内阻和电动势， RL表示稳压电源的负载，E1、R1和Rw表示电位差计的参数。在测量前调整R1使电位差计工作电流I1为标准值。然后，使稳压电源负载电阻RL为额定值。调整R

14、P的活动触点，使毫伏表指示为零，这相当于事先用零位式测量出额定输出电压U。正式测量开始后，只需增加或减小负载电阻RL的值，负载变动所引起的稳压电源输出电压U0的微小波动值U，即可由毫伏表指示出来。根据U0=U+U，稳压电源输出电压在各种负载下的值都可以准确地测量出来。微差式测量法的优点是反应速度快，测量精度高，特别适合于在线控制参数的测量。 稳压电源电位差计负载毫伏表三按测量性质分类 频域、时域、数域及随机域测量 P71.频域测量技术：幅值和相位随频率的变化（1）正弦波点频法（2）正弦波扫频法 2.时域测量技术： 幅值随时间的变化测试信号是脉冲、方波及阶跃信号3.频域测量和时域测量比较频域测量

15、和时域测量是测量线性系统性能的两种方法，是从两个不同的角度去观测同一个被测对象，其结果应该是一致的。从理论上讲，时域函数的付里叶变换就是频域函数，而频域函数的付里叶逆变换也就是时域函数。 频域、时域、数域及随机域测量（续）4.随机测量技术：测量噪声信号和使用随机信号源噪声是一种与时间因素有关的随机变量，对噪声的研究使用概率统计方法 主要包括下述三个内容：（1）噪声信号统计特性的测量，如时域中的均值、均方根性，频域中的频谱密度函数、功率谱密度函数等；（2）将已知特性的噪声作激励源对被测系统进行统计性测量，研究被测系统的特性；（3）在背景噪声信号不可忽略时对信号、特别是微弱信号的精确测量。频域、时

16、域、数域及随机域测量（续）5.数字测量技术：测量数字系统的功能和故障诊断 对数字系统进行测量的基本方法是：在输入端加激励信号，观察由此产生的输出响应，并与预期的正确结果进行比较，一致则表示系统正常；不一致则表示系统有故障。 LSI测试系统的简化框图 LSI测量系统 原理说明利用该系统进行测量的过程如下：首先由输入设备输入测量程序，计算机将测量条件经测量系统总线送往各测量部件；图形发生器按程序要求产生测量图形；测量图形和时钟脉冲一起送到波形合成器，形成所需的测量信号并加到驱动器，使之放大到被测电路需要的电平值；放大后的信号加到被测电路，使其输出响应在电平比较器中与参考电平进行比较；然后得到的实效

17、数据存入实效存储器内，由计算机进行分析处理，最后输出测试结果。 1.4 电子测量仪器概述 P9测量仪器是用于检出或测量一个量或为测量目的供给一个量的器具。采用电子技术测量电量或非电量的测量仪器称为电子测量仪器。电子测量仪器是信息产业的基础，对于国防、科研、生产和生活等起着非常重要的作用。电子测量仪器电子测量仪器伴随着信息技术的发展而发展，由最初的电子管仪器，经过晶体管仪器，再发展到集成电路仪器；由模拟仪器，经过数字仪器，再发展到智能仪器。一、测量仪器的功能 1变换1.量值变换量值是指电压、电流、功率、阻抗、时间等电参量的幅值大小。量值变换即指把它们的幅值按比例地增大或缩小。把量值处于难以测量的

18、边缘状态（太小或太大）的被测量，按某一已知比值变换为量值适中的同样参量进行测量。（1）信号放大与衰减 信号放大是为了将微弱的被测信号，放大到足以进行各种转换处理，或能驱动指示器、记录器。（2）阻抗变换电子测量仪器输入端具有很高输入阻抗，输入跟随器则是实现了输入通道从高阻到低阻的阻抗变换。 2.频率变换（1）检波：交流电压变成直流电压 常用磁电式电表，它只能测量直流，交流信号必须检波成直流信号来测量 。（2） 变频（混频）进行频率的加减运算。获得很宽的频率覆盖范围。 （3）倍频倍频器是频率综合技术中的乘法器。 （4） 分频分频是于对信号频率进行除法运算。3.波形变换变换4.能量变换能量变换是泛指

19、其他多种形式的物理量与电学量之间的变换。传感器就是能量变换器，即从非电量变换成电量。5.模/数和数/模变换2传输功能和处理功能信号运算与处理是电子测量中的基本技术（1）. 基本模拟运算运算放大器辅之以不同的电路元件，可以组成诸如比例、加减、微分、积分、对数、指数和乘除等电路（2）.数字计算与数字信号处理基于数字逻辑电路的硬件方式：利用现有的各种数字逻辑门、译码器、触发器、寄存器、计数器、全加器等，以及各种CPLD、FPGA等可编程逻辑，组成各种数字逻辑的运算与控制单元。3 显示功能测量结果必须通过显示器件把各种电信号转换成人们五官可直接感知的机械运动、数字、文字、图形、图像等形式的信号显示出来

20、 （1）.指示式仪表显示功能2.电光显示器件（1）发光二极管（LED）（2）液晶显示器（LCD）液晶是一种具有光学双射性的液体状的晶体 ，液晶显示器件在电信号驱动下，控制其对入射偏光的反射或透射，实现LCD的显示 3显示（3）阴极射线管（CRT）CRT可分为电视用、显示终端用及仪器仪表用几种类型P10 二、测量仪表的主要性能指标1.精度精密度指测量数据的集中程度。反映随机误差的大小，测量值的标准差越小，则测量数据越集中，精密度越高。正确度是指测量值与真值的接近程度。反映系统误差的大小，系统误差小，则正确度高。准确度指系统误差和随机误差综合影响的程度。正确度和精密度都高，准确度才高。这三者的概念

21、可用打靶来描述，则正中靶心代表真值。既不准确也不精密，还有粗大误差；正确度高，精密度低；正确度低，精密度高；正确度高，精密度高，故准确度高；2.稳定性稳定度和影响量稳定度稳定性是指在规定工作条件范围之内，在规定时间内系统或仪器性能保持不变的能力。如：2.1mV8h， 8h内，测量同一电压，在外界条件维持不变情况下，电压表示值可能发生2.1mV的上下波动。影响量指示值变化与影响量变化量的比值一般仪器都有给定的标准工作条件，例如环境温度20oC、相对湿度60%、大气压力10133kPa、电源电压220V等。又规定一个标准工作条件的允许变化范围：环境温度(202)oC、相对湿度6015、电源电压(2

22、205)V等。如电源电压变化10引起示值变化1(相对误差)； 温度变化1oC引起示值变化3.110-3(引用误差)3.输入阻抗P11像电压表、示波器等类仪表，测量时并接于待测电路两端，如图P12。测量仪表的接入改变了被测电路的阻抗特性，这种现象称为负载效应。为了减小测量仪表对待测电路的影响，提高测量精度，对这类仪表的输入阻抗有一定要求。仪表的输入阻抗一般可等效为电阻和电容的并联。4.灵敏度是描述测量系统对输入量变化反应的能力。灵敏度：当静态特性为一直线时，直线的斜率即为灵敏度，且为一常数 5.线性度测量系统的输出输入关系应当具有直线特性，线性度（又称非线性误差）说明输出量与输入量的实际关系曲线

23、偏离其拟合直线的程度选定的拟合直线不同，计算所得的线性度数值也就不同 6.动态特性测量系统的基本特性可由其输入、输出的关系来表征，它是测量系统所呈现出的外部特性，并由其内部参数也即系统本身的固有属性所决定。 测量系统的基本特性可分为两类：一类被测量是静止不变或变化极缓慢的情况，此时工作在静止状态下的测量系统，其输入与输出量间的函数关系，称为测量系统的静态特性；另一类是被测量不断变化的情况，此时，工作在动态下的测量系统其输入量与输出量间的函数关系称为测量系统的动态特性。 三、电子测量仪器的分类P13采用电子技术测量电量或非电量的测量仪器称为电子测量仪器。按功能可将电子测量仪器分为以下几类： （1

24、）电压测量仪器电压测量仪器是用于测量信号电压的仪器，如低频毫伏表、高频毫伏表、数字电压表等。 （2）电路参数测量仪器电路参数测量仪器是用于测量电阻、电感、晶体管放大倍数等电路参数的仪器，如电桥、Q表、晶体管特性图示仪等。（3）频率、时间和相位测量仪器（4）波形测量仪器示波器是用于显示信号波形的仪器，如通用示波器、取样示波器、记忆存储示波器等。（5）信号分析仪器 信号分析仪器是用于测量信号非线性失真度、信号频谱特性等的仪器，如失真度测试仪、频谱仪等。（6）模拟电路特性测试仪 模拟电路特性测试仪是用于分析模拟电路幅频特性、噪声特性等的仪器，如扫频仪、噪声系数测试仪等。（7）数字电路特性测试仪 数字

25、电路特性测试仪是用于分析数字电路逻辑特性等的仪器，如逻辑分析仪、特征分析仪等，是数据域测量不可缺少的仪器。 （8）测试用信号源（信号发生器） 信号发生器是在电子测量中提供符合一定技术要求的电信号产生仪器，如正弦信号发生器、脉冲信号发生器、函数信号发生器、随机信号发生器等。 15 计量的基本概念 P131.5.1 计量的定义和意义为使在不同的地方，用不同的手段测量同一量时，所得的结果一致，就要求统一的单位、基准、标准和测量器具。 1.计量的定义计量是一种特殊形式的测量，它把被测量与国家计量部门作为基准或标准的同类单位量进行比较，以确定合格与否，并给出具有法律效力的检定证书。计量是利用技术和法制手

26、段实现单位统一和量值准确可靠的测量。计量的三个主要特征是统一性、准确性和法制性。计量包含了为达到统一和准确一致所进行的全部活动，如单位的统一、基准和标准的建立、进行量值传递、计量监督管理、测量方法及其手段的研究等。1.5.1 计量的定义和意义（续）2.计量与测量的关系测量发展的客观需要才出现了计量。测量是计量应用的重要途径。没有测量，计量将失去价值为了保证测量结果的准确性，必须定期对仪器进行检定和校准，这个过程就是计量。计量的任务是确定测量结果的可靠性。计量是测量的基础和依据。没有计量，也谈不上测量。计量和测量相互配合，才能在国民经济各个领域发挥重要作用。计量工作是国民经济中一项极为重要的技术

27、基础工作，它在工农业生产、科学技术、国防建设以及人民生活等各个方面起着技术保证和技术监督的作用。152 单位和单位制根据定义而令系数为1的量称为单位。单位是表征测量结果的重要组成部分， 又是对两个同类量值进行比较的基础。英呎feet152 单位和单位制（续）1960年第十一届国际计量大会上正式通过国际单位制SI。 1984年2月国务院颁布了中华人民共和国法定计量单位，决定我国法定计量单位以国际单位制为基础。SI有7个基本单位152 单位和单位制（续）1.国际单位制（SI）的组成国际单位制基本单位 152 单位和单位制（续）国际单位制是由国际单位制单位、国际单位制词头和国际单位制的十进倍数单位三部分组成。国际单位制词头表示使单位增大或缩小的十进倍数。 例：5.4X10-9s=5.4ns 153 基准和标准1.基准基准用来复现某一基本测量单位的量值，只用于鉴定各种量具的精度，不直接参加测量。(1)一级基准，又称主基准和国家基准具有最高水平的基准。一个国家只有一个。(2)二级基准，又称副基准副基准的量值精度由主基准确定，用以代替主基准向下传递或代替主基准参加