《信息转换与传输》PPT课件.ppt

1、第四章 信息转换与传输,信息转换 信息传输 信息传输过程中的干扰噪声 思考题（作业）,4-1 信息转换,一、信息探测工程与智能传感器 1、人类认识事物的信息过程 为了认识世界，通过感官来取得外部世界的信息。然后，导入神经系统，把获取的信息传递给大脑，并对这些信息进行贮存、变换、处理、分析、判断，去除各种干扰，提取有用信息。 在此基础上形成初步的判断，获得相应的认识，并在大脑中形成决策信息，发出指令，再通过导出神经系统来指挥执行器完成相应的动作。或者说是借助于一定的物质和能量形式，把决策信息反作用于外部世界的事物，这就完成了由客观到主观，再由主观到客观的一次循环。 为了检验“认识”和“改造”的效

2、果，感觉器官还要把指令信息作用于外部事物的效果，作为一种效果信息反馈给大脑，根据这个反馈信息，思维器官再作出补充决策，调整原来的指令信息，修正执行器官的行动策略和方式。 这样不断循环、修正，直到完成改造外部世界事物为止。,4-1 信息转换,2、人类感官获取信息的局限性 人类获取信息，是信息通过不同渠道刺激大脑，对于人类通过感官直接取得信息的有关实验表明，大脑的吸收率分别为： 视觉83 听觉11 嗅觉3.5 味觉1 触觉1.5 人类通过感官获取信息是有局限性的，因为人的感官和大脑都具有过滤信息的本能，这是由于如下原因： 感官机能：人类感官接收外界信号，受到感官生理机能的限制。如：人眼只能接收波长

3、为0.380.78m可见光；人耳只能感知2020kHz的声音信号等。 智力功能：同一信源发出的信息，可能由于人的智力、知识结构、职业、爱好、年龄不同，而效果不同。,4-1 信息转换,3、人类感官的延伸传感系统 传感器是人的感官的延伸，它的作用是扩展人的信息功能。因此，从广义讲，传感器是一个感知系统，是为了从外界感知信息而工作的系统。 传感技术是信息科学中的一个重要组成部分，在现代被称之为信息探测工程学，是研究物质的物理效应、化学效应及生物效应，作为信息探测的实际应用的一门科学。它对科学技术发展的作用和意义，巳日益显得重要而突出。 传感系统模型,4-1 信息转换,4、传感技术的发展方向 信息科学

4、的发展，促进了能量、物质科学的进步，而新材料的出现，反过来又促进了传感技术的发展，尤其是固体功能材料与功能元件的发展，为新型传感器的开发提供了坚实的物质基础，而微电子技术，特别是大规模集成电路的发展，为传感器的智能化提供了技术条件，越来越多的敏感元件问世，使人类的感官功能不断扩展与增强。 传感技术的发展表现为两个基本的方向：扩展感测信息的领域；提高识别信息的智能。 扩展感测信息的领域 视觉与光传感器：波长10-7m0.1m；速度10-9s（人0.1s） 听觉与声压传感器：频率可达数兆Hz；声压范围远超人耳 触觉与温度、压力传感器 嗅觉传感器 味觉传感器,4-1 信息转换,提高识别信息的智能 新

5、型传感器技术的开发，与微电于技术的结合，构成具有校正、变换、统计处理、反馈等多种功能的，具有思维、辨别能力的智能传感器。这种传感系统可以在复杂的环境中，准确而有效地提取有用信息。 在信息仿生学方面，传感技术正向着信息化、智能化、综合化方向发展。 在人机器、机器-机器通讯方面，信息形式的多样化，特别是容量最大的视觉信息，将被充分利用。固态图像传感器、图像通讯技术将得到大力发展。,4-1 信息转换,二、工程中的新型传感器 1、核辐射检测 核辐射检测是利用、x射线的辐射特性，根据被测物质对射线的吸收、散射、或射线对被测物质的电离激发、穿透作用而进行工作的。可以实现对材料厚度、内伤，物质密度、成分、物

6、位等参数的测量。 比例计数管与盖革计数管,射线使气体电离，产生正离子和电子，电子被阳极加速形成电流，大小与施加于金属丝上的电压大小有关。随电压的升高，被加速的电子在运动途中又会不断电离气体而造成“雪崩”现象。电子数量(电压脉冲大小)与射线能量成正比(区,比例计数管)；电压升到10001700V时(区)，输出电压脉冲与入射射线的频率成正比，就成了盖革计数管。,4-1 信息转换,闪烁计数管,由闪烁晶体和光电倍增管组成。闪烁晶体吸收射线光子，产生可见荧光；光电倍增管把光转换为可测量的电脉冲。当晶体中吸收一个射线光子时，便会在其中产生一个闪光，这个闪光射到光敏阴极上时，便会迸发出许多电子，再经光电倍增

7、管的多级倍增后，就可在最后联极上得到大量电子，其总增益达107。,即闪烁晶体吸收一个射线光子后，可以得到数目巨大的电子，几乎在输出端能产生数伏的电压脉冲，并且这一过程十分迅速，所需时间不到1s。因此，闪烁晶体管可以在高达105脉冲数/s的速率下工作而不会有计数损失。,4-1 信息转换,这种测厚仪是非接触测量，且不受温度、压力等因素的影响。被用于热轧机上控制轧制钢板厚度，获得较好的应用效果。,4-1 信息转换,这种装置被用于X射线衍射仪或X射线显微分析仪中，前者是利用X射线在晶体表面上的衍射现象，测定X射线衍射光的强度，以确定残余应力大小；后者则是利用电子束照射在固体表面上，激发出特征X射线，通

8、过测定X射线的波长及强度，进行材料的成分分析。,4-1 信息转换,2、超声波检测 超声波和声波一样，是弹性介质的机械振动波，其频率在20kHz以上，可达109Hz，波长短，具有方向性，穿透能力强，在钢材中甚至可穿透10m以上。 超声波的产生和接收利用了压电晶体的压电效应和逆压电效应。,4-1 信息转换,4-1 信息转换,3、声发射检测 声发射（AE）是材料受力作用产生变形或断裂时，以弹性波的形式释放出应变能量的一种现象，它表征材料微观结构力学性质的变化。 AE技术可用于密闭容器以及整体机械结构等的安全监视，是防止突发事件的有效手段。 金属材料变形产生AE波的过程，类似于机械系统的瞬间不稳定状态

9、。在外力作用下，金属中的缺陷附近或微观不均匀区域发生应力集中，处于高能量状态而不稳定，必定要过渡到稳定的低能量状态。如果这种过渡在瞬间完成，则将是能量的瞬间释放过程，并以弹性波的形式放出，即AE波。,4-1 信息转换,将弹性波转换为可测的电信号的装置称为声发射传感器，多为压电谐振式结构。,4-1 信息转换,4-1 信息转换,三、传感器的标定 1、基本问题 标定的目的：实现科学实验的定量分析。 0阶系统：只需进行静态标定，获得静态特性参数。 一阶、二阶系统：需要静态标定和动态标定。 静态标定：以标准量作为输入，测定其输出、输入关系，确定定标曲线，获得直线度（线性度）、灵敏度、滞后量（回程误差）、

10、重复性及刚度、横向灵敏度等参数。 动态标定：测定传感器的动态特性，根据频率响应或脉冲响应，确定传感器的通频带、工作频带、谐振频率、阻尼比和相位特性等。 工作频带：指灵敏度保持为常数的频率范围。在阻尼比为0.707时，工作主频带的上限频率一般为谐振频率的0.58倍：max=0.58n。,4-1 信息转换,动态标定的方法：正弦激励、冲击力激励、白噪声或伪随机白噪声激励等。,4-1 信息转换,力谱,响应谱,幅值谱,相频谱,相干函数,一阶固有频率 683.2Hz,4-1 信息转换,2、多维传感器的标定问题 横向灵敏度：在多维传感器中又称为交叉灵敏度或互干扰度。用来衡量垂直于某方向的输入对该方向输出的影

11、响程度。为保证传感器的测试精度，在一些传感器的性能指标中都标明了横向灵敏度。一般用下式表示（用%数表示）。 axy=(Nx-axxFx)/Fy 式中： axy为y方向对x方向的干扰度，或称标定系数； axx为x向标定系数； Fx、Fy分别为x方向与y方向施加的载荷； Nx为在x方向传感器的输出。 在实际应用中，传感器的受力情况是很复杂的，如固定在振动体上的加速度计，不可能处于理想的单一方向激励下，必须考虑横向灵敏度对测量结果的影响。,4-1 信息转换,多维传感器的系统模型：金属切削过程中测力装置，如铣削、钻削或车削测力仪等，都是一些典型的多维测力传感器。,4-1 信息转换,根据线性系统的传输特

12、性，输出是输入与系统单位脉冲响应函数的卷积：,根据时域卷积定理：,则有：,或：,式中Hij()称为频率响应矩阵或传递矩阵。,4-1 信息转换,多维传感器的标定及补偿问题：对多维传感器的标定，就是求出各向传输通道的静、动态特性参数，为传感器结构设计或误差补偿提供依据。其方法有： 多输入多输出方法：不易实现（难实现多个已知量同时激励） 单输入多输出方法：单向输入，同时测定各向输出。 静态标定：分别在某一方向输入已知量，同时测定各向输出，其输出与输入为即时关系，可用代数方程描述：,或：,式中Aij是由标定曲线求得的，描述了各向传输通道的静特性，当i=j时，Aij表示输出与输入为同向时的灵敏度。ij时

13、，Aij则是横向灵敏度，或称干扰度。,4-1 信息转换,在理想情况下，无横向干扰，其输出输入关系为：,同样，也可采用单向激励（如正弦、冲击等）多向输出方法进行动态标定，可获得频率响应矩阵：,当i=j时，Hij()表示输出与输入为同向时的频率响应函数；当ij时， Hij() 表示非同向时的频率响应函数，也称为动态横向干扰系数。,4-1 信息转换,在理想条件下，无横向干扰，其传输矩阵为：,单靠传感器设计来获得这样理想的传输通道是不容易的。可根据标定后得到的各向传输函数设计一个补偿网络：,则：（Hij()）= Hij() - Hij() 是一个无干扰的传输矩阵。 其他方法，如：串联通道等。,4-1

14、信息转换,四、传感器选用原则 1、灵敏度 一般说来，S越大越好，但S越大，外界干扰也越容易混入。选用传感器时，其灵敏度应尽量大一些，这样便于检测微小信号，但同时应考虑传感器的信噪比（应大一些）。另外，灵敏度与测量范围紧密相关，要保证传感器在线性区域工作（信号干扰不超过线性范围），过高的灵敏度会缩小测量范围。 2、响应特性 在动态测量时，要考虑传感器的响应特性，要保证不失真测试。（要使传感器的工作频率范围与被测信号的占有频带相适用） 3、线性范围 任何传感器均有一定的线性范围。保证传感器在线性区域工作，是保证测量精确度的基本条件。然而，任何传感器均不能保证其绝对线性。因此，这里所讲的线性范围，往

15、往指的是线性误差不超过允许值的范围。,4-1 信息转换,4、可靠性 可靠性是指仪器、装置等产品在规定的条件下、规定的时间内完成规定功能的能力。选择传感器时，应考虑其对环境的适应性、传感器的寿命等因素。要保证传感器在实际环境条件下的测量误差不超过允许范围。 5、精确度 精确度是指传感器的输出与被测量真值一致的程度。选择精确度时，应考虑其经济性。精确度越高，传感器的价格就越昂贵。在定性分析试验中，一般要求传感器有一定的精密性，而进行定量分析时，则要求传感器有足够的精确度。 6、测量方式 传感器在实际条件下的工作方式包括接触与非接触测量、在线与非在线测量等。工作方式不同，对传感器的要求也不同。如接触

16、测量中，应考虑传感器对被测对象的影响。 7、其他 结构简单，体积小，重量轻，价格便宜，易维修，易更换等。,4-2 信息传输,一、Shannon信道容量关系式 1、广义信道 一般可理解为传输信息的媒介途径。如：声音或电磁波传播的空间、载有信息的电压或电流信号通过的电缆等。 2、传输信息的能量 信息传输需要借助物质和能量。 信息的传输量不仅取决于注入能量的绝对值，还取决于该能量与周围环境干扰（背景噪声）的关系，这种干扰将引起信息传输的失真或信息熵的损失。如在夜晚可以观察到天上的星星而白天却很难观察到星星就是这个道理。 信号通过信道，将由于外界干扰和信道物理特性而引起信号的衰减、失真、信息量损失等。

17、,4-2 信息传输,3、 Shannon信道容量关系式 信道最大的信息传输率称为信道容量，或称信息传输速度，单位为bit/s。 Shannon信道容量关系式：Ct = F log( 1+Ps / Pn ) bit/s F 信道带宽 Ps 输入信号的平均功率 Pn 引入信道的干扰噪声的平均功率 Ct 单位时间内的信道容量 上式还可以表示为：,式中：N0为噪声功率谱密度，Pn=N0F。 Shannon信道容量关系式表明，一个信道可靠传输的最大信息量完全由带宽F、时间T和信噪比Ps/Pn所决定。,4-2 信息传输,上图表示信道容量Ct 与信道带宽F 的关系。当F 较小时， Ct 随F 增加较快，且当

18、F = Ps/N0 时，Ct =Ps / N0 ，即此时信道容量等于信号功率与噪声功率谱密度的比值；当F 较大时，Ct 趋向于一极限值(Ps / N0 )loge。,4-2 信息传输,从Shannon公式可以看出，随信噪比的增加，信道容量也会增加，从信息有效的传输来看，信噪比是影响信道容量的一个重要指标。 运用Shannon公式可有效解释和解决下列问题： 信道包含了多个环节，能量在传输过程中将会衰减，为保证信息能流最有效地传递，必须考虑环节间的匹配问题，以获得最佳耦合条件； 信道频率特性与信息熵损失； 信道频率特性与波形失真； 信号信噪比最大系统； 信噪比最大、波形失真最小系统等。,4-2 信

19、息传输,二、信息能量传输的最佳耦合条件 任何测试系统，都是由许多环节组成的。通过能流将信息从一个环节传递到下一个环节。,每通过一个环节，能量会衰减，而噪声却不断增强。 根据Shannon信道容量关系式，若保持信噪比最大，那么设计测试系统的一个原则应该是环节数目尽可能少，另一个原则就是建立传输环节间的耦合关系，以保证信息流有效地传递。,4-2 信息传输,从工程测试出发，信息经过传感器转换以后，将进入测量环节，由于传感器的结构形式及工作原理不同，其耦合关系也不同。下面以能量转换型传感器为例进行分析。,设E为信号源等效电势，传感器输出阻抗为Zi = Ri + jXi，负载阻抗为ZL =RL + jX

20、L，则负载获得的功率为：,分析表明，当复阻抗回路满足条件|Zi|= |ZL| ，并且相位角 i 与 L 相差180o时，信息传递功率Ps 最大。,4-2 信息传输,对纯电阻回路，负载上的有效功率为：,式中：PkE=E2/Ri ，电势E的短路功率；ag=RL/Ri ，负载电阻对信号源内阻之比，又称之为匹配比；g=ag/(1+ag)2 ，称为传感器信息变换有效系数。 由上式可知，传感器传送给下一环节的功率取决于两个因素： （1）传感器短路功率PkE 。其值越大，负载上的有效功率PL也越大。 PkE值与传感器形式及结构有关，如：热电式为10-41W，压电式为10-410-6W； （2）信息变换有效系

21、数g 。g随匹配比ag而变。当ag =1时， g =1/4，为极大值。即在最好配合下，负载上也只能得到PkE/4。比值g=PL/PkE显然说明传感器输出信息量的利用程度，故称之为信息变换有效系数。,4-2 信息传输,三、信道频率特性与波形失真 在通信工程中，往往用二进制矩形波传输信息，在传输过程中，作为物理性的媒质，不能急促地变化，因而会造成波形畸变。,4-2 信息传输,从技术上，无论检测手段有多精确，总会存在误差。在动态测量中，造成误差的原因，除了最基本的因素（静态）外，噪声干扰、信道频率特性等，则是非常重要的因素。 信号通过系统产生的失真包括频率失真、幅值失真和相位失真。对线性系统，只存在

22、幅值失真和相位失真。 幅值失真：是由于信号通过系统时，系统对信号中各频率分量的幅度产生不同程度的衰减而引起的。 相位失真：指信号通过系统时，信号中各频率分量产生的相移不与频率成正比的关系，结果导致各频率分量在时间轴上的相对位置产生变化。 幅值失真和相位失真会引起波形畸变。,H()相当于一个加权系数，对源信号x(t)的频谱X()给予加权修正，在幅值上加权系数为|H()|；而相位则为 ()。,4-2 信息传输,4-2 信息传输,不失真测试条件,时域：,系统传递特性：,这是一种不可能实现的非物理系统。,四、信道频率特性与信息熵损失 信号通过系统后，其信息熵与信道频率特性之间的关系为：,由上式可知，只

23、有当|H()|=1时，系统输出的信息熵与输入的信息熵相等，不存熵的损失。,4-2 信息传输,五、信噪比最大的信道,设信噪比(S/N)最大时所求信道的频率特性为：,输入信号的频谱为：,输出信号：,假定混入噪声的频谱是“白谱”，即对所有频率的幅度一样，只是相位不规则。这种白噪声通过信道时，噪声输出与信道特性成比例，故噪声输出功率为：,4-2 信息传输,这一系统在t = t0 时刻的输出信噪比为：,使S/N为最大的H()即为所求信道的特性。 根据许瓦兹不等式可以证明信噪比最大的信道，其频率特性为：,还可以证明，波形失真最小，信噪比最大的信道的频率特性为：,上式表明，噪声小时， H()以几乎不变的平坦

24、特性为最好；噪声大时，在噪声频谱大的地方，|H()|必须减小；对于白噪声和频率为一定的功率谱， |H()|大约与|X()|相同最好。,4-3 信息传输过程中的干扰噪声,一、噪声的物理根源及其耦合方式 1、噪声源 系统外干扰噪声：来自于测试系统周围空间的外部干扰。如：雷电、高压电网、空间电磁波以及各种工业有源干扰，或环境温度、湿度、光照、振动、腐蚀性气体等。外部干扰产生的噪声又可分为放电噪声、颤噪噪声等。 系统内干扰噪声：电子设备元器件内部产生的干扰噪声有热噪声、散粒噪声、闪烁噪声、量子噪声等。 热噪声：带电粒子在器件内部作随机无规则运动，导致温度变化的同时，还使导体两端产生一个起伏电压。任何有

25、温度变化的导体都有热噪声。 散粒噪声：是由于物质流动的离散性而产生的。如半导体中电子和空穴的流动等，产生平均电流的过程具有内在的统计变化，这种变化表现在平均值的上下波动。在一般情况下，这种平均值上下的均方起伏性同平均值本身成正比，这是散粒噪声的特征。,4-3 信息传输过程中的干扰噪声,2、噪声耦合方式 干扰噪声在空间形成的电磁波，传播不需要导线联接，其耦合通道充满整个空间。一般情况下，干扰噪声进入测量系统的途径主要是电容耦合、电磁耦合、电阻耦合及共阻抗耦合等。 为了减小噪声干扰，采用一些抗干扰技术是非常必要的，尤其是对于微弱信号的传感器和具有宽带的测量体系。针对上述干扰噪声源，一般可采用静电屏蔽、电磁屏蔽或接地、浮置等措施。,4-3 信息传输过程中的干扰噪声,二、噪声模型及其传输特性 1、噪声模型 对噪声理论的研究主要依靠大量的实验性研究。根据实验结果，建立起物理模型，并由此建立起特定的噪声理论。 1928年，贝尔研究所的两位科学家证明了阻值为R的电阻两端的热噪声电压Un(t)的均方值为：,式中：k=1.3810-23J/K，T为热力学温度K，R为电阻，f为噪声带宽Hz