信号传输的理论基础及应用

信号是传输信息的载体，信息蕴含在信号之中，信息不具有能量，但信息的传输必须依靠物质能量。人们要获取信息，首先要获取信号，再通过对信号的分析处理获取所需要的信息。

以医生诊断心脏病为例，医生欲诊断病人是否患有心脏疾病，通常先让病人做心电图。心电图显示的是一种与人的心脏跳动有关的生物电位信号，它是生物电位随时间变化的函数，可通过压电薄膜将人体相应部位的生物电信号转换为电信号，并以曲线的形式记录、显示出来。医生以正常心电图为参考，通过专业知识，对比患者的心电图，以此判断就诊者是否患病或患有何种类型的心脏疾病。不难看出，医生诊断的依据是心电图。试想，人体生物电信号转换为电信号随时间变化的曲线（心电图）的过程，即信号的传输过程对诊断结果有决定性影响。

载着信息的信号所通过的通道称为信道，一般可理解为传输信息的介质或途径，如声音或电磁波传播的空间，声发射波传播过程中的金属构件和电子元器件缀成的网络等。图5-11为声发射检测原理示意图。

从声源到传感器至少需要经过传输介质和耦合介质、换能器、测量电路等一系列中间过程，因此，由声发射传感器所获得的输出信号至少是声源、传输介质、耦合介质和压电换能器（机械能转换为电荷）响应等因素的综合结果。

声发射信道如图5-12所示。

图5-11 声发射检测原理示意图

图5-12 声发射信道

由输入与输出时域及频域的关系可知：

y（t）=x（t）m（t）c（t）s（t） （5-22）

G（t）称为传输函数，G（t）=m（t）c（t）s（t），则(www.xing528.com)

y（t）=x（t）G（t） （5-23）

Y（ω）=X（ω）G（ω）=X（ω）M（ω）C（ω）S（ω） （5-24）

声发射传输函数直接影响检测结果，传输函数的带宽对输出与输入的影响是显而易见的，在声发射检测过程中必须对传感器表面和检测面的耦合、传感器的安装固定、信号及供电电缆提出严格的要求。

信道最大信息传输率称为信道容量或称为信息传输速度，单位为bit/s，是表征信道传输信息能力大小的统计参量，工程中常采用香农信道容量关系式为

式中：C为单位时间内的信道容量（dB）；B为信道带宽（不失真传输的频率范围）；P_S为输入信号的平均功率；P_N为引入信道的干扰噪声的平均功率；为信噪功率比；为信噪比。

香农公式表明，信道可靠传输的最大信息量完全取决于信道的带宽和信噪比。从信息传输的有效性角度看，信噪比是重要的影响指标。运用香农公式，分析声发射检测系统具有十分重要的指导意义。

例如：信噪比30dB，带宽B=4000Hz，则信道容量为

实际最大为19200bit/s。

声发射源产生的经声发射传感器、前置放大器放大后的电信号能量，通过电缆与信号分析主机相连。信号传输实践证明，在低频情况下，把能量从电源传输至负载只要用两根导线就可以了，且对这两根导线的形状并没有什么要求。但如果信号频率很高，其波长短到与两根导线间的距离可以相比拟时，能量就会通过导线辐射到空间去。也就是说，在高频下两根导线同时起着天线的作用，可使输送至负载的能量大大减少。为避免辐射损耗，可以把传输电缆做成封闭的形式，像同轴线那样电磁场就完全被限制在内、外导体之间，因而消除了辐射损耗。同轴电缆是目前声发射系统中最常用的传输电缆。声发射传感器、前置放大器等产品供应商，依据自身产品的特点，各自有其相匹配的传输电缆，如同轴电缆、双芯绞合线等。