《信息轉(zhuǎn)換與傳輸》PPT課件.ppt

1、第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸,信息轉(zhuǎn)換 信息傳輸 信息傳輸過程中的干擾噪聲 思考題（作業(yè)）,4-1 信息轉(zhuǎn)換,一、信息探測(cè)工程與智能傳感器 1、人類認(rèn)識(shí)事物的信息過程 為了認(rèn)識(shí)世界，通過感官來(lái)取得外部世界的信息。然后，導(dǎo)入神經(jīng)系統(tǒng)，把獲取的信息傳遞給大腦，并對(duì)這些信息進(jìn)行貯存、變換、處理、分析、判斷，去除各種干擾，提取有用信息。 在此基礎(chǔ)上形成初步的判斷，獲得相應(yīng)的認(rèn)識(shí)，并在大腦中形成決策信息，發(fā)出指令，再通過導(dǎo)出神經(jīng)系統(tǒng)來(lái)指揮執(zhí)行器完成相應(yīng)的動(dòng)作。或者說是借助于一定的物質(zhì)和能量形式，把決策信息反作用于外部世界的事物，這就完成了由客觀到主觀，再由主觀到客觀的一次循環(huán)。 為了檢驗(yàn)“認(rèn)識(shí)”和“改造”的效

2、果，感覺器官還要把指令信息作用于外部事物的效果，作為一種效果信息反饋給大腦，根據(jù)這個(gè)反饋信息，思維器官再作出補(bǔ)充決策，調(diào)整原來(lái)的指令信息，修正執(zhí)行器官的行動(dòng)策略和方式。 這樣不斷循環(huán)、修正，直到完成改造外部世界事物為止。,4-1 信息轉(zhuǎn)換,2、人類感官獲取信息的局限性 人類獲取信息，是信息通過不同渠道刺激大腦，對(duì)于人類通過感官直接取得信息的有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，大腦的吸收率分別為： 視覺83 聽覺11 嗅覺3.5 味覺1 觸覺1.5 人類通過感官獲取信息是有局限性的，因?yàn)槿说母泄俸痛竽X都具有過濾信息的本能，這是由于如下原因： 感官機(jī)能：人類感官接收外界信號(hào)，受到感官生理機(jī)能的限制。如：人眼只能接收波長(zhǎng)

3、為0.380.78m可見光；人耳只能感知2020kHz的聲音信號(hào)等。 智力功能：同一信源發(fā)出的信息，可能由于人的智力、知識(shí)結(jié)構(gòu)、職業(yè)、愛好、年齡不同，而效果不同。,4-1 信息轉(zhuǎn)換,3、人類感官的延伸傳感系統(tǒng) 傳感器是人的感官的延伸，它的作用是擴(kuò)展人的信息功能。因此，從廣義講，傳感器是一個(gè)感知系統(tǒng)，是為了從外界感知信息而工作的系統(tǒng)。 傳感技術(shù)是信息科學(xué)中的一個(gè)重要組成部分，在現(xiàn)代被稱之為信息探測(cè)工程學(xué)，是研究物質(zhì)的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)及生物效應(yīng)，作為信息探測(cè)的實(shí)際應(yīng)用的一門科學(xué)。它對(duì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的作用和意義，巳日益顯得重要而突出。 傳感系統(tǒng)模型,4-1 信息轉(zhuǎn)換,4、傳感技術(shù)的發(fā)展方向 信息科學(xué)

4、的發(fā)展，促進(jìn)了能量、物質(zhì)科學(xué)的進(jìn)步，而新材料的出現(xiàn)，反過來(lái)又促進(jìn)了傳感技術(shù)的發(fā)展，尤其是固體功能材料與功能元件的發(fā)展，為新型傳感器的開發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而微電子技術(shù)，特別是大規(guī)模集成電路的發(fā)展，為傳感器的智能化提供了技術(shù)條件，越來(lái)越多的敏感元件問世，使人類的感官功能不斷擴(kuò)展與增強(qiáng)。 傳感技術(shù)的發(fā)展表現(xiàn)為兩個(gè)基本的方向：擴(kuò)展感測(cè)信息的領(lǐng)域；提高識(shí)別信息的智能。 擴(kuò)展感測(cè)信息的領(lǐng)域 視覺與光傳感器：波長(zhǎng)10-7m0.1m；速度10-9s（人0.1s） 聽覺與聲壓傳感器：頻率可達(dá)數(shù)兆Hz；聲壓范圍遠(yuǎn)超人耳 觸覺與溫度、壓力傳感器 嗅覺傳感器 味覺傳感器,4-1 信息轉(zhuǎn)換,提高識(shí)別信息的智能 新

5、型傳感器技術(shù)的開發(fā)，與微電于技術(shù)的結(jié)合，構(gòu)成具有校正、變換、統(tǒng)計(jì)處理、反饋等多種功能的，具有思維、辨別能力的智能傳感器。這種傳感系統(tǒng)可以在復(fù)雜的環(huán)境中，準(zhǔn)確而有效地提取有用信息。 在信息仿生學(xué)方面，傳感技術(shù)正向著信息化、智能化、綜合化方向發(fā)展。 在人機(jī)器、機(jī)器-機(jī)器通訊方面，信息形式的多樣化，特別是容量最大的視覺信息，將被充分利用。固態(tài)圖像傳感器、圖像通訊技術(shù)將得到大力發(fā)展。,4-1 信息轉(zhuǎn)換,二、工程中的新型傳感器 1、核輻射檢測(cè) 核輻射檢測(cè)是利用、x射線的輻射特性，根據(jù)被測(cè)物質(zhì)對(duì)射線的吸收、散射、或射線對(duì)被測(cè)物質(zhì)的電離激發(fā)、穿透作用而進(jìn)行工作的?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)材料厚度、內(nèi)傷，物質(zhì)密度、成分、物

6、位等參數(shù)的測(cè)量。 比例計(jì)數(shù)管與蓋革計(jì)數(shù)管,射線使氣體電離，產(chǎn)生正離子和電子，電子被陽(yáng)極加速形成電流，大小與施加于金屬絲上的電壓大小有關(guān)。隨電壓的升高，被加速的電子在運(yùn)動(dòng)途中又會(huì)不斷電離氣體而造成“雪崩”現(xiàn)象。電子數(shù)量(電壓脈沖大小)與射線能量成正比(區(qū),比例計(jì)數(shù)管)；電壓升到10001700V時(shí)(區(qū))，輸出電壓脈沖與入射射線的頻率成正比，就成了蓋革計(jì)數(shù)管。,4-1 信息轉(zhuǎn)換,閃爍計(jì)數(shù)管,由閃爍晶體和光電倍增管組成。閃爍晶體吸收射線光子，產(chǎn)生可見熒光；光電倍增管把光轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電脈沖。當(dāng)晶體中吸收一個(gè)射線光子時(shí)，便會(huì)在其中產(chǎn)生一個(gè)閃光，這個(gè)閃光射到光敏陰極上時(shí)，便會(huì)迸發(fā)出許多電子，再經(jīng)光電倍增

7、管的多級(jí)倍增后，就可在最后聯(lián)極上得到大量電子，其總增益達(dá)107。,即閃爍晶體吸收一個(gè)射線光子后，可以得到數(shù)目巨大的電子，幾乎在輸出端能產(chǎn)生數(shù)伏的電壓脈沖，并且這一過程十分迅速，所需時(shí)間不到1s。因此，閃爍晶體管可以在高達(dá)105脈沖數(shù)/s的速率下工作而不會(huì)有計(jì)數(shù)損失。,4-1 信息轉(zhuǎn)換,這種測(cè)厚儀是非接觸測(cè)量，且不受溫度、壓力等因素的影響。被用于熱軋機(jī)上控制軋制鋼板厚度，獲得較好的應(yīng)用效果。,4-1 信息轉(zhuǎn)換,這種裝置被用于X射線衍射儀或X射線顯微分析儀中，前者是利用X射線在晶體表面上的衍射現(xiàn)象，測(cè)定X射線衍射光的強(qiáng)度，以確定殘余應(yīng)力大??；后者則是利用電子束照射在固體表面上，激發(fā)出特征X射線，通

8、過測(cè)定X射線的波長(zhǎng)及強(qiáng)度，進(jìn)行材料的成分分析。,4-1 信息轉(zhuǎn)換,2、超聲波檢測(cè) 超聲波和聲波一樣，是彈性介質(zhì)的機(jī)械振動(dòng)波，其頻率在20kHz以上，可達(dá)109Hz，波長(zhǎng)短，具有方向性，穿透能力強(qiáng)，在鋼材中甚至可穿透10m以上。 超聲波的產(chǎn)生和接收利用了壓電晶體的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。,4-1 信息轉(zhuǎn)換,4-1 信息轉(zhuǎn)換,3、聲發(fā)射檢測(cè) 聲發(fā)射（AE）是材料受力作用產(chǎn)生變形或斷裂時(shí)，以彈性波的形式釋放出應(yīng)變能量的一種現(xiàn)象，它表征材料微觀結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)的變化。 AE技術(shù)可用于密閉容器以及整體機(jī)械結(jié)構(gòu)等的安全監(jiān)視，是防止突發(fā)事件的有效手段。 金屬材料變形產(chǎn)生AE波的過程，類似于機(jī)械系統(tǒng)的瞬間不穩(wěn)定狀態(tài)

9、。在外力作用下，金屬中的缺陷附近或微觀不均勻區(qū)域發(fā)生應(yīng)力集中，處于高能量狀態(tài)而不穩(wěn)定，必定要過渡到穩(wěn)定的低能量狀態(tài)。如果這種過渡在瞬間完成，則將是能量的瞬間釋放過程，并以彈性波的形式放出，即AE波。,4-1 信息轉(zhuǎn)換,將彈性波轉(zhuǎn)換為可測(cè)的電信號(hào)的裝置稱為聲發(fā)射傳感器，多為壓電諧振式結(jié)構(gòu)。,4-1 信息轉(zhuǎn)換,4-1 信息轉(zhuǎn)換,三、傳感器的標(biāo)定 1、基本問題 標(biāo)定的目的：實(shí)現(xiàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的定量分析。 0階系統(tǒng)：只需進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，獲得靜態(tài)特性參數(shù)。 一階、二階系統(tǒng)：需要靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定。 靜態(tài)標(biāo)定：以標(biāo)準(zhǔn)量作為輸入，測(cè)定其輸出、輸入關(guān)系，確定定標(biāo)曲線，獲得直線度（線性度）、靈敏度、滯后量（回程誤差）、

10、重復(fù)性及剛度、橫向靈敏度等參數(shù)。 動(dòng)態(tài)標(biāo)定：測(cè)定傳感器的動(dòng)態(tài)特性，根據(jù)頻率響應(yīng)或脈沖響應(yīng)，確定傳感器的通頻帶、工作頻帶、諧振頻率、阻尼比和相位特性等。 工作頻帶：指靈敏度保持為常數(shù)的頻率范圍。在阻尼比為0.707時(shí)，工作主頻帶的上限頻率一般為諧振頻率的0.58倍：max=0.58n。,4-1 信息轉(zhuǎn)換,動(dòng)態(tài)標(biāo)定的方法：正弦激勵(lì)、沖擊力激勵(lì)、白噪聲或偽隨機(jī)白噪聲激勵(lì)等。,4-1 信息轉(zhuǎn)換,力譜,響應(yīng)譜,幅值譜,相頻譜,相干函數(shù),一階固有頻率 683.2Hz,4-1 信息轉(zhuǎn)換,2、多維傳感器的標(biāo)定問題 橫向靈敏度：在多維傳感器中又稱為交叉靈敏度或互干擾度。用來(lái)衡量垂直于某方向的輸入對(duì)該方向輸出的影

11、響程度。為保證傳感器的測(cè)試精度，在一些傳感器的性能指標(biāo)中都標(biāo)明了橫向靈敏度。一般用下式表示（用%數(shù)表示）。 axy=(Nx-axxFx)/Fy 式中： axy為y方向?qū)方向的干擾度，或稱標(biāo)定系數(shù)； axx為x向標(biāo)定系數(shù)； Fx、Fy分別為x方向與y方向施加的載荷； Nx為在x方向傳感器的輸出。 在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器的受力情況是很復(fù)雜的，如固定在振動(dòng)體上的加速度計(jì)，不可能處于理想的單一方向激勵(lì)下，必須考慮橫向靈敏度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。,4-1 信息轉(zhuǎn)換,多維傳感器的系統(tǒng)模型：金屬切削過程中測(cè)力裝置，如銑削、鉆削或車削測(cè)力儀等，都是一些典型的多維測(cè)力傳感器。,4-1 信息轉(zhuǎn)換,根據(jù)線性系統(tǒng)的傳輸特

12、性，輸出是輸入與系統(tǒng)單位脈沖響應(yīng)函數(shù)的卷積：,根據(jù)時(shí)域卷積定理：,則有：,或：,式中Hij()稱為頻率響應(yīng)矩陣或傳遞矩陣。,4-1 信息轉(zhuǎn)換,多維傳感器的標(biāo)定及補(bǔ)償問題：對(duì)多維傳感器的標(biāo)定，就是求出各向傳輸通道的靜、動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，為傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或誤差補(bǔ)償提供依據(jù)。其方法有： 多輸入多輸出方法：不易實(shí)現(xiàn)（難實(shí)現(xiàn)多個(gè)已知量同時(shí)激勵(lì)） 單輸入多輸出方法：?jiǎn)蜗蜉斎?，同時(shí)測(cè)定各向輸出。 靜態(tài)標(biāo)定：分別在某一方向輸入已知量，同時(shí)測(cè)定各向輸出，其輸出與輸入為即時(shí)關(guān)系，可用代數(shù)方程描述：,或：,式中Aij是由標(biāo)定曲線求得的，描述了各向傳輸通道的靜特性，當(dāng)i=j時(shí)，Aij表示輸出與輸入為同向時(shí)的靈敏度。ij時(shí)

13、，Aij則是橫向靈敏度，或稱干擾度。,4-1 信息轉(zhuǎn)換,在理想情況下，無(wú)橫向干擾，其輸出輸入關(guān)系為：,同樣，也可采用單向激勵(lì)（如正弦、沖擊等）多向輸出方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定，可獲得頻率響應(yīng)矩陣：,當(dāng)i=j時(shí)，Hij()表示輸出與輸入為同向時(shí)的頻率響應(yīng)函數(shù)；當(dāng)ij時(shí)， Hij() 表示非同向時(shí)的頻率響應(yīng)函數(shù)，也稱為動(dòng)態(tài)橫向干擾系數(shù)。,4-1 信息轉(zhuǎn)換,在理想條件下，無(wú)橫向干擾，其傳輸矩陣為：,單靠傳感器設(shè)計(jì)來(lái)獲得這樣理想的傳輸通道是不容易的?？筛鶕?jù)標(biāo)定后得到的各向傳輸函數(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)：,則：（Hij()）= Hij() - Hij() 是一個(gè)無(wú)干擾的傳輸矩陣。 其他方法，如：串聯(lián)通道等。,4-1

14、信息轉(zhuǎn)換,四、傳感器選用原則 1、靈敏度 一般說來(lái)，S越大越好，但S越大，外界干擾也越容易混入。選用傳感器時(shí)，其靈敏度應(yīng)盡量大一些，這樣便于檢測(cè)微小信號(hào)，但同時(shí)應(yīng)考慮傳感器的信噪比（應(yīng)大一些）。另外，靈敏度與測(cè)量范圍緊密相關(guān)，要保證傳感器在線性區(qū)域工作（信號(hào)干擾不超過線性范圍），過高的靈敏度會(huì)縮小測(cè)量范圍。 2、響應(yīng)特性 在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，要考慮傳感器的響應(yīng)特性，要保證不失真測(cè)試。（要使傳感器的工作頻率范圍與被測(cè)信號(hào)的占有頻帶相適用） 3、線性范圍 任何傳感器均有一定的線性范圍。保證傳感器在線性區(qū)域工作，是保證測(cè)量精確度的基本條件。然而，任何傳感器均不能保證其絕對(duì)線性。因此，這里所講的線性范圍，往

15、往指的是線性誤差不超過允許值的范圍。,4-1 信息轉(zhuǎn)換,4、可靠性 可靠性是指儀器、裝置等產(chǎn)品在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。選擇傳感器時(shí)，應(yīng)考慮其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性、傳感器的壽命等因素。要保證傳感器在實(shí)際環(huán)境條件下的測(cè)量誤差不超過允許范圍。 5、精確度 精確度是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c被測(cè)量真值一致的程度。選擇精確度時(shí)，應(yīng)考慮其經(jīng)濟(jì)性。精確度越高，傳感器的價(jià)格就越昂貴。在定性分析試驗(yàn)中，一般要求傳感器有一定的精密性，而進(jìn)行定量分析時(shí)，則要求傳感器有足夠的精確度。 6、測(cè)量方式 傳感器在實(shí)際條件下的工作方式包括接觸與非接觸測(cè)量、在線與非在線測(cè)量等。工作方式不同，對(duì)傳感器的要求也不同。如接觸

16、測(cè)量中，應(yīng)考慮傳感器對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響。 7、其他 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，價(jià)格便宜，易維修，易更換等。,4-2 信息傳輸,一、Shannon信道容量關(guān)系式 1、廣義信道 一般可理解為傳輸信息的媒介途徑。如：聲音或電磁波傳播的空間、載有信息的電壓或電流信號(hào)通過的電纜等。 2、傳輸信息的能量 信息傳輸需要借助物質(zhì)和能量。 信息的傳輸量不僅取決于注入能量的絕對(duì)值，還取決于該能量與周圍環(huán)境干擾（背景噪聲）的關(guān)系，這種干擾將引起信息傳輸?shù)氖д婊蛐畔㈧氐膿p失。如在夜晚可以觀察到天上的星星而白天卻很難觀察到星星就是這個(gè)道理。 信號(hào)通過信道，將由于外界干擾和信道物理特性而引起信號(hào)的衰減、失真、信息量損失等。

17、,4-2 信息傳輸,3、 Shannon信道容量關(guān)系式 信道最大的信息傳輸率稱為信道容量，或稱信息傳輸速度，單位為bit/s。 Shannon信道容量關(guān)系式：Ct = F log( 1+Ps / Pn ) bit/s F 信道帶寬 Ps 輸入信號(hào)的平均功率 Pn 引入信道的干擾噪聲的平均功率 Ct 單位時(shí)間內(nèi)的信道容量 上式還可以表示為：,式中：N0為噪聲功率譜密度，Pn=N0F。 Shannon信道容量關(guān)系式表明，一個(gè)信道可靠傳輸?shù)淖畲笮畔⒘客耆蓭扚、時(shí)間T和信噪比Ps/Pn所決定。,4-2 信息傳輸,上圖表示信道容量Ct 與信道帶寬F 的關(guān)系。當(dāng)F 較小時(shí)， Ct 隨F 增加較快，且當(dāng)

18、F = Ps/N0 時(shí)，Ct =Ps / N0 ，即此時(shí)信道容量等于信號(hào)功率與噪聲功率譜密度的比值；當(dāng)F 較大時(shí)，Ct 趨向于一極限值(Ps / N0 )loge。,4-2 信息傳輸,從Shannon公式可以看出，隨信噪比的增加，信道容量也會(huì)增加，從信息有效的傳輸來(lái)看，信噪比是影響信道容量的一個(gè)重要指標(biāo)。 運(yùn)用Shannon公式可有效解釋和解決下列問題： 信道包含了多個(gè)環(huán)節(jié)，能量在傳輸過程中將會(huì)衰減，為保證信息能流最有效地傳遞，必須考慮環(huán)節(jié)間的匹配問題，以獲得最佳耦合條件； 信道頻率特性與信息熵?fù)p失； 信道頻率特性與波形失真； 信號(hào)信噪比最大系統(tǒng)； 信噪比最大、波形失真最小系統(tǒng)等。,4-2 信

19、息傳輸,二、信息能量傳輸?shù)淖罴疡詈蠗l件 任何測(cè)試系統(tǒng)，都是由許多環(huán)節(jié)組成的。通過能流將信息從一個(gè)環(huán)節(jié)傳遞到下一個(gè)環(huán)節(jié)。,每通過一個(gè)環(huán)節(jié)，能量會(huì)衰減，而噪聲卻不斷增強(qiáng)。 根據(jù)Shannon信道容量關(guān)系式，若保持信噪比最大，那么設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)原則應(yīng)該是環(huán)節(jié)數(shù)目盡可能少，另一個(gè)原則就是建立傳輸環(huán)節(jié)間的耦合關(guān)系，以保證信息流有效地傳遞。,4-2 信息傳輸,從工程測(cè)試出發(fā)，信息經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換以后，將進(jìn)入測(cè)量環(huán)節(jié)，由于傳感器的結(jié)構(gòu)形式及工作原理不同，其耦合關(guān)系也不同。下面以能量轉(zhuǎn)換型傳感器為例進(jìn)行分析。,設(shè)E為信號(hào)源等效電勢(shì)，傳感器輸出阻抗為Zi = Ri + jXi，負(fù)載阻抗為ZL =RL + jX

20、L，則負(fù)載獲得的功率為：,分析表明，當(dāng)復(fù)阻抗回路滿足條件|Zi|= |ZL| ，并且相位角 i 與 L 相差180o時(shí)，信息傳遞功率Ps 最大。,4-2 信息傳輸,對(duì)純電阻回路，負(fù)載上的有效功率為：,式中：PkE=E2/Ri ，電勢(shì)E的短路功率；ag=RL/Ri ，負(fù)載電阻對(duì)信號(hào)源內(nèi)阻之比，又稱之為匹配比；g=ag/(1+ag)2 ，稱為傳感器信息變換有效系數(shù)。 由上式可知，傳感器傳送給下一環(huán)節(jié)的功率取決于兩個(gè)因素： （1）傳感器短路功率PkE 。其值越大，負(fù)載上的有效功率PL也越大。 PkE值與傳感器形式及結(jié)構(gòu)有關(guān)，如：熱電式為10-41W，壓電式為10-410-6W； （2）信息變換有效系

21、數(shù)g 。g隨匹配比ag而變。當(dāng)ag =1時(shí)， g =1/4，為極大值。即在最好配合下，負(fù)載上也只能得到PkE/4。比值g=PL/PkE顯然說明傳感器輸出信息量的利用程度，故稱之為信息變換有效系數(shù)。,4-2 信息傳輸,三、信道頻率特性與波形失真 在通信工程中，往往用二進(jìn)制矩形波傳輸信息，在傳輸過程中，作為物理性的媒質(zhì)，不能急促地變化，因而會(huì)造成波形畸變。,4-2 信息傳輸,從技術(shù)上，無(wú)論檢測(cè)手段有多精確，總會(huì)存在誤差。在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，造成誤差的原因，除了最基本的因素（靜態(tài)）外，噪聲干擾、信道頻率特性等，則是非常重要的因素。 信號(hào)通過系統(tǒng)產(chǎn)生的失真包括頻率失真、幅值失真和相位失真。對(duì)線性系統(tǒng)，只存在

22、幅值失真和相位失真。 幅值失真：是由于信號(hào)通過系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)信號(hào)中各頻率分量的幅度產(chǎn)生不同程度的衰減而引起的。 相位失真：指信號(hào)通過系統(tǒng)時(shí)，信號(hào)中各頻率分量產(chǎn)生的相移不與頻率成正比的關(guān)系，結(jié)果導(dǎo)致各頻率分量在時(shí)間軸上的相對(duì)位置產(chǎn)生變化。 幅值失真和相位失真會(huì)引起波形畸變。,H()相當(dāng)于一個(gè)加權(quán)系數(shù)，對(duì)源信號(hào)x(t)的頻譜X()給予加權(quán)修正，在幅值上加權(quán)系數(shù)為|H()|；而相位則為 ()。,4-2 信息傳輸,4-2 信息傳輸,不失真測(cè)試條件,時(shí)域：,系統(tǒng)傳遞特性：,這是一種不可能實(shí)現(xiàn)的非物理系統(tǒng)。,四、信道頻率特性與信息熵?fù)p失 信號(hào)通過系統(tǒng)后，其信息熵與信道頻率特性之間的關(guān)系為：,由上式可知，只

23、有當(dāng)|H()|=1時(shí)，系統(tǒng)輸出的信息熵與輸入的信息熵相等，不存熵的損失。,4-2 信息傳輸,五、信噪比最大的信道,設(shè)信噪比(S/N)最大時(shí)所求信道的頻率特性為：,輸入信號(hào)的頻譜為：,輸出信號(hào)：,假定混入噪聲的頻譜是“白譜”，即對(duì)所有頻率的幅度一樣，只是相位不規(guī)則。這種白噪聲通過信道時(shí)，噪聲輸出與信道特性成比例，故噪聲輸出功率為：,4-2 信息傳輸,這一系統(tǒng)在t = t0 時(shí)刻的輸出信噪比為：,使S/N為最大的H()即為所求信道的特性。 根據(jù)許瓦茲不等式可以證明信噪比最大的信道，其頻率特性為：,還可以證明，波形失真最小，信噪比最大的信道的頻率特性為：,上式表明，噪聲小時(shí)， H()以幾乎不變的平坦

24、特性為最好；噪聲大時(shí)，在噪聲頻譜大的地方，|H()|必須減?。粚?duì)于白噪聲和頻率為一定的功率譜， |H()|大約與|X()|相同最好。,4-3 信息傳輸過程中的干擾噪聲,一、噪聲的物理根源及其耦合方式 1、噪聲源 系統(tǒng)外干擾噪聲：來(lái)自于測(cè)試系統(tǒng)周圍空間的外部干擾。如：雷電、高壓電網(wǎng)、空間電磁波以及各種工業(yè)有源干擾，或環(huán)境溫度、濕度、光照、振動(dòng)、腐蝕性氣體等。外部干擾產(chǎn)生的噪聲又可分為放電噪聲、顫噪噪聲等。 系統(tǒng)內(nèi)干擾噪聲：電子設(shè)備元器件內(nèi)部產(chǎn)生的干擾噪聲有熱噪聲、散粒噪聲、閃爍噪聲、量子噪聲等。 熱噪聲：帶電粒子在器件內(nèi)部作隨機(jī)無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致溫度變化的同時(shí)，還使導(dǎo)體兩端產(chǎn)生一個(gè)起伏電壓。任何有

25、溫度變化的導(dǎo)體都有熱噪聲。 散粒噪聲：是由于物質(zhì)流動(dòng)的離散性而產(chǎn)生的。如半導(dǎo)體中電子和空穴的流動(dòng)等，產(chǎn)生平均電流的過程具有內(nèi)在的統(tǒng)計(jì)變化，這種變化表現(xiàn)在平均值的上下波動(dòng)。在一般情況下，這種平均值上下的均方起伏性同平均值本身成正比，這是散粒噪聲的特征。,4-3 信息傳輸過程中的干擾噪聲,2、噪聲耦合方式 干擾噪聲在空間形成的電磁波，傳播不需要導(dǎo)線聯(lián)接，其耦合通道充滿整個(gè)空間。一般情況下，干擾噪聲進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)的途徑主要是電容耦合、電磁耦合、電阻耦合及共阻抗耦合等。 為了減小噪聲干擾，采用一些抗干擾技術(shù)是非常必要的，尤其是對(duì)于微弱信號(hào)的傳感器和具有寬帶的測(cè)量體系。針對(duì)上述干擾噪聲源，一般可采用靜電屏蔽、電磁屏蔽或接地、浮置等措施。,4-3 信息傳輸過程中的干擾噪聲,二、噪聲模型及其傳輸特性 1、噪聲模型 對(duì)噪聲理論的研究主要依靠大量的實(shí)驗(yàn)性研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立起物理模型，并由此建立起特定的噪聲理論。 1928年，貝爾研究所的兩位科學(xué)家證明了阻值為R的電阻兩端的熱噪聲電壓Un(t)的均方值為：,式中：k=1.3810-23J/K，T為熱力學(xué)溫度K，R為電阻，f為噪聲帶寬Hz