【数据通信】数据通信基础知识---信号

1. 信息、数据、信号

• 信息是人们通过施加于数据的一些规定而赋予数据的特定含义（ISO定义）
• 通信就是在信源和信宿之间传递信息。 信息和消息的关系：消息中包含信息，消息不等于信息。 消息所包含信息的多少，与在收到消息前对某事件存在的不确定性有关。 数据是事实或观测结果，是数字、字母和符号
• 数据可以在物理介质上记录或传输并通过外围设备被计算机接受，经过处理而得到结果。 数据是信息的载体，用来表示信息。 信息交换就是访问数据及传输数据。 信号是数据的具体表现形式。数据是借助信号来传输的，是通信中传输的主体

2. 信息及其度量 

• 消息中所含信息量与消息出现的概率之间的关系反映如下规律  I = log 2 1/P(x) =-log 2 P(x)
• 信息量的单位 如果对数以2为底，单位为比特（b） 如果对数以e为底，单位为奈特（nat) 如果对数以10为底，单位为哈特莱（Hartley）
• 若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量的和

【例1-1】

【例1-1】解1

【例1-1】解2 

3. 信号分类

连续信号、离散信号

• 如果在某一时间间隔内，对一切的时间值，除若干不连续的点外，该函数都给出确定的函数值，这种信号就称为连续信号
• 离散信号的时间函数只在某些不连续的瞬间给出函数值

随机信号、确定信号

• 随机信号是指在它出现以前，总有某种程度的不确定性的一种信号
• 确定信号是一种没有不确定值的信号

周期信号、非周期信号

• 如果用时间函数表示的信号s(t)满足s(t+T)=s(t)则该信号为周期信号
• T 为信号的周期。 如不满足s(t+T)=s(t)则该信号为非周期信号

4. 信号的特性

时间特性与频率特性

• 信号的时间特性主要指信号随时间变化快慢的特性。包括变化速率、幅度、宽度、周期等等
• 信号的频率特性可用信号的频谱函数表示。频谱函数表示了信号的各个频率成分以及各频率成分的振幅和相位

信号的频率范围概念

• 信号也可以看成是频率的函数
• 根据傅氏分析，满足一定条件的周期函数g(t),可以用若干正弦和余弦函数的和表示

• 若函数的周期为T，其倒数称为函数的基波频率，用符号f1表，则f1=1/T
• 上式中的an和bn分别为第n次谐波的正弦及余弦函数的幅值。1/2C为直流分量。这一分解称为傅氏级数

5. 信号的频率 

6. 信号的分析方法

时域分析法

• 时域分析的基本手段是把外加的复杂激励信号，在时域中分解成一系列单元激励信号，然后分别计算各个单元信号通过通信系统的响应，最后在输出端叠加而得到总的响应

频域分析法

• 任何信号都可表示成各种频率成分的正弦波或余弦波之和

7. 信号的频谱和带宽 

• 频谱：是一个信号所含有的频率范围
• 周期信号频谱：其频谱由离散的频率成分，即基波和谐波构成
• 非周期信号频谱：信号的频率范围为无穷大。根据信号能量衰减的程度来确定其频谱，当频率上升或下降到某一极限频率而使信号能量降低为信号能量最大值一半时，该频率就是频谱的边界。
• 信号的带宽：频谱的宽度（包含信号大部分功率的那部分频谱的宽度）

8. 传输系统的带宽对传输性能的影响 

• 带宽是描述信号的一个重要参数，带宽同时也是描述传输系统的一个重要参数，信号的带宽是指信号含有的频带宽度
• 传输系统的带宽是指该系统不失真传输信号的频率范围。如传输系统的带宽超过传输信号的频带宽度，在传输过程中就不会引起信号失真
• 信号的数据率越高，信号的带宽也就越宽
• 如果信号的传输率为X比特/秒（即X bps）,传输系统的带宽应大于2XHz

9. 衰减、增益和失真 

• 衰耗：信号电能经过传输系统传输后，系统输出的电功率小于输入端的电功率
• 增益：信号电能经过传输系统传输后，系统输出的电功率大于输入端的电功率
• 通常用分贝来表示衰耗和增益。分贝是两个功率电平差别的度量，是无量纲的量 D=10lg(p出/p入) dB

• 信号通过传输系统时，其波形可能发生畸变，波形的畸变称为失真
• 由于衰减随频率的变化引起的失真叫衰减失真或振幅失真
• 由于不同频率分量的传播速度不一致所引起的失真，称为相位失真或群时延失真