課程序言+第1章 電信傳輸基本概念

1、1“電信傳輸理論與工程電信傳輸理論與工程” 姓姓 名：姚玉坤名：姚玉坤 （教授）（教授） 工作郵箱：工作郵箱： 工作部門：通信與信息工程學(xué)院工作部門：通信與信息工程學(xué)院 通信網(wǎng)絡(luò)教研中心通信網(wǎng)絡(luò)教研中心 主講老師基本信息主講老師基本信息2“電信傳輸理論與工程電信傳輸理論與工程” 課程架構(gòu)課程架構(gòu)Part One 電信傳輸原理電信傳輸原理Part Two 通信光纜與電纜線路工程通信光纜與電纜線路工程 2014年年9月月3教材：教材：1.電信傳輸原理電信傳輸原理( (第第2 2版版) )，胡慶、唐宏等編著。，胡慶、唐宏等編著。 電子工業(yè)出版社，電子工業(yè)出版社，2012年出版年出版2.通信光纜與電纜

2、線路工程通信光纜與電纜線路工程，胡慶、張德民等編著。，胡慶、張德民等編著。 人民郵電出版社，人民郵電出版社，2013年出版年出版1.光纖通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)光纖通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)(修訂版修訂版)，胡慶、張德民等，胡慶、張德民等 編著。電子工業(yè)出版社，編著。電子工業(yè)出版社，2012年出版年出版參考書：參考書：“電信傳輸理論與工程電信傳輸理論與工程”課程序言課程序言4l課程性質(zhì)：特色課程性質(zhì)：特色-專業(yè)專業(yè)-核心核心l適用專業(yè)：通信工程與電子信息大類適用專業(yè)：通信工程與電子信息大類l課程學(xué)時(shí)課程學(xué)時(shí)/學(xué)分：學(xué)分：64學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)/4學(xué)分學(xué)分l先修課程：高等數(shù)學(xué)、電磁場、電路分析等先修課程：高等數(shù)學(xué)、電磁場、電路

3、分析等 課程概況課程概況“電信傳輸理論與工程電信傳輸理論與工程”課程序言課程序言5課程講什么？課程講什么？ 上課學(xué)什么？上課學(xué)什么？“電信傳輸理論與工程電信傳輸理論與工程”課程序言課程序言n既有較強(qiáng)的理論性，又有廣泛的工程背景；既有較強(qiáng)的理論性，又有廣泛的工程背景；n以電磁場理論和電路理論為基礎(chǔ)，對以電磁波以電磁場理論和電路理論為基礎(chǔ)，對以電磁波為載體的電信號傳輸?shù)幕靖拍睢⒒驹砗蜑檩d體的電信號傳輸?shù)幕靖拍?、基本原理和傳輸信道及其特性進(jìn)行討論和分析；傳輸信道及其特性進(jìn)行討論和分析；n系統(tǒng)介紹各類常見有線和無線通信傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)介紹各類常見有線和無線通信傳輸系統(tǒng)的組成和實(shí)現(xiàn)原理；組成和實(shí)現(xiàn)

4、原理；n系統(tǒng)介紹通信光纜與電纜的工程設(shè)計(jì)、施工及系統(tǒng)介紹通信光纜與電纜的工程設(shè)計(jì)、施工及典型應(yīng)用；典型應(yīng)用；n與基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)方法有很大區(qū)別；與基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)方法有很大區(qū)別；n技術(shù)概念性知識巨細(xì)、龐雜、繁多。技術(shù)概念性知識巨細(xì)、龐雜、繁多。“電信傳輸理論與工程電信傳輸理論與工程”課程序言課程序言 課程特點(diǎn)及內(nèi)涵課程特點(diǎn)及內(nèi)涵7 Part One 電信傳輸原理電信傳輸原理電信傳輸原理電信傳輸原理教材目錄教材目錄第第1章章 電信傳輸?shù)幕靖拍铍娦艂鬏數(shù)幕靖拍畹诘?章章 金屬傳輸線理論金屬傳輸線理論第第3章章 波導(dǎo)傳輸線理論波導(dǎo)傳輸線理論第第4章章 介質(zhì)光波導(dǎo)傳輸理論介質(zhì)光波導(dǎo)傳輸理論第第5章章 無線

5、傳輸基本理論無線傳輸基本理論第第6章章 微波通信傳輸信道的特征微波通信傳輸信道的特征第第7章章 移動(dòng)通信傳輸信道的特征移動(dòng)通信傳輸信道的特征第第8章章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)及傳輸信道特征衛(wèi)星通信系統(tǒng)及傳輸信道特征Part1 Part1 電信傳輸原理電信傳輸原理本章知識模塊結(jié)構(gòu)本章知識模塊結(jié)構(gòu)第一模塊：基礎(chǔ)知識第一模塊：基礎(chǔ)知識 闡述通信、電信、電信傳輸基本概念，電信傳輸系統(tǒng)的組成闡述通信、電信、電信傳輸基本概念，電信傳輸系統(tǒng)的組成與模型，信號頻段劃分與傳輸線信道關(guān)系，傳輸介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，傳與模型，信號頻段劃分與傳輸線信道關(guān)系，傳輸介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，傳輸特性和傳輸單位。輸特性和傳輸單位。第二模塊：有線傳輸線路的基

6、礎(chǔ)知識及技術(shù)應(yīng)用。第二模塊：有線傳輸線路的基礎(chǔ)知識及技術(shù)應(yīng)用。 重點(diǎn)包括目前正在應(yīng)用的金屬傳輸線理論，波導(dǎo)傳輸線理論，重點(diǎn)包括目前正在應(yīng)用的金屬傳輸線理論，波導(dǎo)傳輸線理論，光波導(dǎo)（光纖）傳輸理論的基本原理及其特性分析，并列舉其光光波導(dǎo)（光纖）傳輸理論的基本原理及其特性分析，并列舉其光/電參數(shù)和實(shí)際工程應(yīng)用舉例。電參數(shù)和實(shí)際工程應(yīng)用舉例。第三模塊：無線傳輸信道的基礎(chǔ)知識及技術(shù)應(yīng)用。第三模塊：無線傳輸信道的基礎(chǔ)知識及技術(shù)應(yīng)用。 重點(diǎn)包括無線通信傳輸理論，移動(dòng)通信傳輸信道的特征，微重點(diǎn)包括無線通信傳輸理論，移動(dòng)通信傳輸信道的特征，微波傳輸基礎(chǔ)理論，衛(wèi)星傳輸?shù)幕纠碚摰脑砗推湫诺捞匦苑治?，波傳輸基礎(chǔ)

7、理論，衛(wèi)星傳輸?shù)幕纠碚摰脑砗推湫诺捞匦苑治觯约敖⒏黝悷o線傳輸損耗的模型、天線設(shè)計(jì)應(yīng)用。以及建立各類無線傳輸損耗的模型、天線設(shè)計(jì)應(yīng)用。Part1 Part1 電信傳輸原理電信傳輸原理第一章第一章 電信傳輸?shù)幕靖拍铍娦艂鬏數(shù)幕靖拍?1.1 通信基本概念及發(fā)展史通信基本概念及發(fā)展史1.2 電信傳輸系統(tǒng)模型電信傳輸系統(tǒng)模型1.3 電信傳輸信道及傳輸介質(zhì)電信傳輸信道及傳輸介質(zhì)1.4 傳輸特性和傳輸單位傳輸特性和傳輸單位本章內(nèi)容提要本章內(nèi)容提要Part1 Part1 電信傳輸原理電信傳輸原理1.11.1通信基本概念及發(fā)展史1.1.1 通信的定義通信的定義 通信的目的是傳遞消息中所包含的信息。消

8、息消息是客觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和主觀思維活動(dòng)的狀態(tài)的一種反映，在不同時(shí)期具有不同的表現(xiàn)形式。例如，話音、文字、符號、音樂、數(shù)據(jù)、圖片或活動(dòng)圖像等都是消息。 人們接收消息，關(guān)心的是消息中包含的有效內(nèi)容，即信息。通信則是進(jìn)行信息的時(shí)空轉(zhuǎn)移，即把信息從一方傳通信則是進(jìn)行信息的時(shí)空轉(zhuǎn)移，即把信息從一方傳送到另一方。送到另一方?；谶@種認(rèn)識，“通信”也就是“信息傳輸”或“消息傳輸”。 從廣義上說：無論采用何種方法，使用何種傳輸媒質(zhì)從廣義上說：無論采用何種方法，使用何種傳輸媒質(zhì)只要將信息從一個(gè)地方傳送到另一地方，均可稱為只要將信息從一個(gè)地方傳送到另一地方，均可稱為通信通信。11121.11.1通信基本概念及發(fā)展史l

9、在1837年，人類歷史上第一次用電報(bào)進(jìn)行電信聯(lián)系，英國人在1.5km的距離上作了電報(bào)表演。l1876年，貝爾獲美國專利局授予的電話專利，并在1877年用硬雙銅線架設(shè)了電話線路，從此傳輸線開始了傳輸比電報(bào)信號頻率高得多的語音信號。l1948年美國建設(shè)了從紐約到波士頓的微波中繼線路，傳送480路電話和1路電視信號。l1955年，完成從紐芬蘭到蘇格蘭海底越洋同軸電話電纜。l1966年，英籍華人英籍華人提出可以從石英中提煉超純的細(xì)絲狀纖維，并用于光頻成為光波導(dǎo)。 1.1.2 通信發(fā)展史通信發(fā)展史13l1977年，美國芝加哥建成第一條光纖通信線路，長度為6km。 l1988年建成了橫跨大西洋的海底光纜系

10、統(tǒng)，采用的是單模光纖，總長達(dá)到19200km。 l在移動(dòng)通信方面，1946年美國在圣路易斯城建立了世界上第一個(gè)公用汽車電話業(yè)務(wù)，頻率從150450 MHz。l在衛(wèi)星通信方面，1957年10月，蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，1965年4月美國發(fā)射了第一顆商用衛(wèi)星。 1.11.1通信基本概念及發(fā)展史1.1.2 通信發(fā)展史通信發(fā)展史-2 1865年，麥克斯韋在題為電磁場的動(dòng)力學(xué)理論的論文中奠定了電磁場理論的基礎(chǔ)，利用麥克斯韋的成果進(jìn)行傳利用麥克斯韋的成果進(jìn)行傳輸線理論研究成為了可能。輸線理論研究成為了可能。 1876年，亥維塞利用麥克斯韋方程推導(dǎo)出了經(jīng)典電報(bào)方程。 1893年，英國物理學(xué)家湯姆遜（電

11、子的發(fā)現(xiàn)者）出版了一本論述麥克斯韋電磁理論的書，肯定了圓金屬壁管子傳輸電磁波的可實(shí)現(xiàn)性。 1897年，英國物理學(xué)家瑞利在發(fā)表的論文中，討論了矩形截面和圓形截面“空柱”中的電磁振動(dòng)，即對應(yīng)后來的矩形波導(dǎo)和圓波導(dǎo)，并引進(jìn)了截止波長的概念 1936年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家做出了實(shí)驗(yàn)波導(dǎo)線長為 260 m的青銅管，直徑為12.5 cm，信號波長為9 cm。141.1.3 電信傳輸理論的發(fā)展史電信傳輸理論的發(fā)展史1.11.1通信基本概念及發(fā)展史151.2 1.2 電信傳輸系統(tǒng)模型電信傳輸系統(tǒng)模型1.2.1 電信及電信傳輸?shù)幕靖拍铍娦偶半娦艂鬏數(shù)幕靖拍?.2.2 電信傳輸系統(tǒng)模型電信傳輸系統(tǒng)模型1.2.

12、3 信號的類型與電磁波波段的劃分信號的類型與電磁波波段的劃分1.2.4 電磁波常見傳播模式電磁波常見傳播模式1.2.5 電信傳輸?shù)闹饕攸c(diǎn)電信傳輸?shù)闹饕攸c(diǎn)161.2.1 1.2.1 電信及電信傳輸?shù)幕靖拍铍娦偶半娦艂鬏數(shù)幕靖拍頻所謂“電信”，也可以理解為“電通信”的縮寫，電通信是狹義上的通信，僅指利用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳送信息和交流信息的通信方式?！半娦拧钡母拍罱忉屖牵豪糜芯€、無線的電磁系統(tǒng)或光電系統(tǒng)，對語音、文字、數(shù)據(jù)、圖像以及其他形式信息的電信號進(jìn)行的傳送過程。l那么，“電信傳輸”就是指含有信息的電信號通過某種具體物理媒質(zhì)某種具體物理媒質(zhì)從一處傳到另一處的傳輸過程。171.2.2 1.2

13、.2 電信傳輸系統(tǒng)模型電信傳輸系統(tǒng)模型l電信傳輸由電信傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，電信傳輸系統(tǒng)包括了用戶之間的許多電氣設(shè)備和傳輸媒質(zhì)（如金屬導(dǎo)線、光纖、自由空間等）所構(gòu)成的總體。l一個(gè)最簡單的傳輸系統(tǒng)，至少要由一個(gè)發(fā)送器（也叫做變換器）、一個(gè)接收器（也叫做反變換器）和把它們連接起來的傳輸媒質(zhì)所組成。l所以，連接發(fā)送器、接收器二者的傳輸媒質(zhì)是構(gòu)成電信傳輸系統(tǒng)的基本組成部分。181.2.2 1.2.2 電信傳輸系統(tǒng)模型電信傳輸系統(tǒng)模型信宿 信源 圖1-1 電信傳輸系統(tǒng)模型示意圖 發(fā)信設(shè)備收信設(shè)備變換器A反變換器Bn點(diǎn)到點(diǎn)電信傳輸系統(tǒng)的一般模型點(diǎn)到點(diǎn)電信傳輸系統(tǒng)的一般模型191.2.2 1.2.2 電信傳輸系統(tǒng)模

14、型電信傳輸系統(tǒng)模型l圖1-1中發(fā)信終端置于變換器A的這一端，其功能為：把消息變換成與信道相適配的電信號或光信號，并讓信號進(jìn)入該信道。l收信終端位于反變換器B的那一端，其功能為將從信道收下來信號進(jìn)行衰減補(bǔ)償，并消除或減小畸變和噪聲對有用信號的干擾，進(jìn)行反變換，使其消息重現(xiàn)原貌。20圖1-2 電信傳輸系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu) 電信傳輸系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)綜合示例電信傳輸系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)綜合示例211.2.2 1.2.2 電信傳輸系統(tǒng)模型電信傳輸系統(tǒng)模型1）話機(jī)、移動(dòng)臺作用： 是將話音信號轉(zhuǎn)換成電信號，或者進(jìn)行反變換。 2）交換設(shè)備的作用：實(shí)現(xiàn)局內(nèi)用戶間的信號交換，還能同其它局的用戶實(shí)現(xiàn)連接或轉(zhuǎn)接。3）多路復(fù)用設(shè)備的作

15、用：實(shí)現(xiàn)多路信號的匯接(復(fù)用)，用以提高信道的傳輸容量。4）傳輸終端設(shè)備的作用：將待傳輸?shù)男盘栟D(zhuǎn)換成適合信道傳輸?shù)男盘枺蜻M(jìn)行反變換等。圖圖1-2表明：一個(gè)完整在電信傳輸系統(tǒng)包括哪幾個(gè)組成部分呢？表明：一個(gè)完整在電信傳輸系統(tǒng)包括哪幾個(gè)組成部分呢？ 必須具備傳輸介質(zhì)(信道)、用戶終端、交換機(jī) 、多路復(fù)用設(shè)備和傳輸終端設(shè)備。各部分的作用如下：221.2.2 1.2.2 電信傳輸系統(tǒng)模型電信傳輸系統(tǒng)模型 電纜、光纜、微波、衛(wèi)星是不同形式的傳輸介質(zhì)。電纜、光纜、微波、衛(wèi)星是不同形式的傳輸介質(zhì)。 采用不同傳輸介質(zhì)的電信傳輸系統(tǒng)具有不同的傳輸終端設(shè)備，采用不同傳輸介質(zhì)的電信傳輸系統(tǒng)具有不同的傳輸終端設(shè)備，

16、且名稱也不同。且名稱也不同。n當(dāng)電信傳輸系統(tǒng)采用電纜作傳輸介質(zhì)時(shí)，此時(shí)傳輸終端設(shè)備當(dāng)電信傳輸系統(tǒng)采用電纜作傳輸介質(zhì)時(shí)，此時(shí)傳輸終端設(shè)備為為電纜傳輸終端設(shè)備電纜傳輸終端設(shè)備，相應(yīng)的傳輸系統(tǒng)稱為電纜傳輸系統(tǒng)或稱，相應(yīng)的傳輸系統(tǒng)稱為電纜傳輸系統(tǒng)或稱為電纜通信系統(tǒng)。為電纜通信系統(tǒng)。n若采用光纜作傳輸介質(zhì)，此時(shí)的傳輸終端設(shè)備為若采用光纜作傳輸介質(zhì)，此時(shí)的傳輸終端設(shè)備為光端機(jī)光端機(jī)，相，相應(yīng)的傳輸系統(tǒng)就稱為光纜傳輸系統(tǒng)，或稱為光纖通信系統(tǒng)。應(yīng)的傳輸系統(tǒng)就稱為光纜傳輸系統(tǒng)，或稱為光纖通信系統(tǒng)。n若采用微波作載體，用微波中繼站作信號轉(zhuǎn)接，此時(shí)傳輸終若采用微波作載體，用微波中繼站作信號轉(zhuǎn)接，此時(shí)傳輸終端設(shè)備就是

17、端設(shè)備就是微波端站微波端站，相應(yīng)的傳輸系統(tǒng)就稱為微波傳輸系統(tǒng)，相應(yīng)的傳輸系統(tǒng)就稱為微波傳輸系統(tǒng)，或稱微波通信系統(tǒng)?；蚍Q微波通信系統(tǒng)?？偨Y(jié)圖總結(jié)圖1-2的一般結(jié)構(gòu)，可發(fā)現(xiàn)哪些規(guī)律呢？的一般結(jié)構(gòu)，可發(fā)現(xiàn)哪些規(guī)律呢？231.2.2 1.2.2 電信傳輸系統(tǒng)模型電信傳輸系統(tǒng)模型l若仍采用微波作載體，用衛(wèi)星作中繼站，此時(shí)傳輸終端若仍采用微波作載體，用衛(wèi)星作中繼站，此時(shí)傳輸終端設(shè)備就是設(shè)備就是衛(wèi)星地面站（或地球站），衛(wèi)星地面站（或地球站），相應(yīng)的傳輸系統(tǒng)就相應(yīng)的傳輸系統(tǒng)就稱為衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)或稱為衛(wèi)星通信系統(tǒng)稱為衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)或稱為衛(wèi)星通信系統(tǒng)?？偨Y(jié)：總結(jié)： 無論是電纜通信系統(tǒng)、光纖通信系統(tǒng)，還是微波通信系統(tǒng)、

18、衛(wèi)星通信系統(tǒng)，它們的基本結(jié)構(gòu)形式都很類似，它們的基本結(jié)構(gòu)形式都很類似，其之間的差異僅在于電信號載體、傳輸媒質(zhì)和傳輸終端其之間的差異僅在于電信號載體、傳輸媒質(zhì)和傳輸終端設(shè)備不同。設(shè)備不同。 另外，不同系統(tǒng)中無線信號在自由空間傳輸需要的另外，不同系統(tǒng)中無線信號在自由空間傳輸需要的天線結(jié)構(gòu)不同。天線結(jié)構(gòu)不同。241.2.31.2.3信號的類型與電磁波波段的劃分 按照電信號傳載信息的形式不同，信號可分為：（1）模擬信號 是指模擬、仿照原有消息變化的電信號。這種信號的幅度變化是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。如圖1-4所示。 連續(xù)信號：標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號； 抽樣信號：準(zhǔn)模擬信號； n典型的模擬信號：電話機(jī)送出的電信號，其頻

19、率范圍大約為其頻率范圍大約為300300 3400Hz。（2）數(shù)字信號 這種信號時(shí)間上和幅度上的取值都是離散的。數(shù)字信號在傳輸上最主要的優(yōu)點(diǎn)是它的抗干擾性強(qiáng)。如圖1-6所示。 數(shù)據(jù)通信通信傳輸?shù)亩际菙?shù)字信號，如人與計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通信。251.2.3 1.2.3 信號的種類和電磁波波段的劃分信號的種類和電磁波波段的劃分圖1-4 模擬信號波形圖1-6 數(shù)字信號波形 261.2.3 1.2.3 信號的種類和電磁波波段的劃分信號的種類和電磁波波段的劃分圖1-7 電磁波段劃分圖271.2.3 1.2.3 信號的種類和電磁波波段的劃分信號的種類和電磁波波段的劃分 定論定論1：電信號傳輸?shù)膶?shí)質(zhì)

20、是電磁波的傳播。電信號傳輸?shù)膶?shí)質(zhì)是電磁波的傳播。 定論定論2：通信所采用的傳輸方式是由電磁波的頻率通信所采用的傳輸方式是由電磁波的頻率所決定的。電通信的容量幾乎與使用的頻率成正比，所決定的。電通信的容量幾乎與使用的頻率成正比，對通信容量的要求越高，使用頻率就越高。對通信容量的要求越高，使用頻率就越高。 由圖1-7所示，通常無線電通信所用波段是在波長為米至亞毫米范圍，目前，移動(dòng)通信、微波通信和衛(wèi)星通信這三種無線電通信方式都落在微波波段，而除光纖通信以外的有線電通信所用波段是在波長為千米至米范圍；有線電視用戶接入和計(jì)算機(jī)局?jǐn)?shù)據(jù)接入這2種通信方式則落在超短波（VHF）左右。光纖通信在0.8 1.65

21、微米紅外波段。表1-1 波段（頻段）劃分及典型應(yīng)用 310-5頻 率 范 圍波 長符 號傳輸媒質(zhì)用 途3Hz30 kHz104108 m甚低頻VLF有線線對或長波無線電音頻、電話、數(shù)據(jù)終端長距離導(dǎo)航、時(shí)標(biāo)30300 kHz103104 m低頻LF有線線對或長波無線電導(dǎo)航、信標(biāo)、電力線通信300 kHz3 MHz102103 m中頻MF同軸電纜或短波無線電調(diào)幅廣播、移動(dòng)陸地通信、業(yè)余無線電330 MHz10102 m高頻HF同軸電纜或短波無線電移動(dòng)天線電話、短波廣播定點(diǎn)軍用通信、業(yè)余無線電30300 MHz110 m甚高頻VHF同軸電纜或米波無線電電視、調(diào)頻廣播、空中管制、車輛、通信、導(dǎo)航300

22、 MHz3 GHz10100 cm特高頻UHF波導(dǎo)或分米波無線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達(dá)330 GHz110 cm超高頻SHF波導(dǎo)或厘米波無線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達(dá)、無線寬帶接入30300 GHz110 mm極高頻EHF波導(dǎo)或毫米波無線電雷達(dá)、微波接力、射電天文學(xué)107108 GHz310-5310-4 cm紫外、可見光、紅外光纖或激光空間傳播光通信1.2.3 1.2.3 信號的種類和電磁波波段的劃分信號的種類和電磁波波段的劃分1.2.4 電磁波常見傳播模式電磁波常見傳播模式n在研究傳輸線理論時(shí)主要包括以下兩方面的內(nèi)容：l一是研究所傳輸波類型的電磁波在傳輸線橫截面內(nèi)電場和磁場的

23、分布規(guī)律（場結(jié)構(gòu)或模式或波型），稱為橫向問題；l二是研究電磁波沿傳輸線軸向的傳播特性和場的分布規(guī)律，稱為縱向問題。n在傳輸線（有界空間中）導(dǎo)行的電磁波的類型（也稱為模式或場結(jié)構(gòu)或場分布），按其有無縱向場分量Ez和Hz，可分為四類： （1）橫電磁波（TEM波），這種波在傳播方向Z上既無縱向電場Ez分量又無縱向磁場Hz分量，即Ez=0且Hz=0。電場、磁場分量都在橫截面上與傳播方向垂直。這種模式只能存在于雙導(dǎo)體傳輸線和無線傳輸（無界空間理想介質(zhì)）中。291.2.4 電磁波常見傳播模式電磁波常見傳播模式 （2）橫電波（TE波），這種波的Ez=0，其電場分量與傳播方向垂直，但Hz0。這種模式存在于金屬

24、波導(dǎo)中。 （3）橫磁波（TM波），這種波的Hz=0，其磁場分量與傳播方向垂直，但Ez0。這種模式存在于金屬波導(dǎo)中。 （4）是EH波或HE波（混合模），這種波的Ez0且Hz0。它們是TE波和TM波的線性疊加，縱向電場占優(yōu)勢的模式稱做EH波，縱向磁場占優(yōu)勢的模式稱做HE波。這類波存在于介質(zhì)波導(dǎo)中。以上TEM波、TE波、TM波的電場方向及磁場方向與傳播方向的關(guān)系，如圖1-8所示。注意，無論何種波型，其電場與磁場總是相互垂直的。圖圖1-8 TEM波、波、TE波、波、TM波電場及磁場與傳播方向關(guān)波電場及磁場與傳播方向關(guān)系系圖1-9 同軸電纜中TEM波的場結(jié)構(gòu)圖1-10 波導(dǎo)中TE10波電磁場分布模型圖1

25、-11 波導(dǎo)中幾種TMmn波電磁場分布模型 圖1-12 無界空間TEM波的電磁場分布模型331.2.4 1.2.4 電信傳輸?shù)闹饕攸c(diǎn)電信傳輸?shù)闹饕攸c(diǎn) 電信傳輸?shù)闹饕攸c(diǎn)：1）傳輸信號的多頻率。無論是模擬通信還是數(shù)字通信，電信傳輸中的信號都包含著豐富的頻率。如普通電話機(jī)發(fā)出的話音信號頻率大約在300HZ到3400HZ左右；有線電視CATV的傳輸頻帶達(dá)750MHZ左右。 2）有線傳輸?shù)墓β时容^小，它一般只有毫瓦量級；在無線傳輸方式中，電信傳輸?shù)墓β瘦^大，它一般在瓦量級。3）電信傳輸?shù)男瘦^高，由于電信傳輸是弱電傳輸，其傳輸效率非常重要。有線傳輸效率高于無線傳輸?shù)男省?4）電信傳輸離不開信號的

26、變換。例如,模-數(shù)轉(zhuǎn)換 和數(shù)-模轉(zhuǎn)換技術(shù)的廣泛應(yīng)用。1.31.3電信傳輸信道及傳輸介質(zhì)l電信傳輸信道是電信傳輸系統(tǒng)必不可少的組成部分；l任何一個(gè)電信傳輸系統(tǒng)均可視為由發(fā)送設(shè)備、信道與接收設(shè)備三大部分組成。l傳輸信道通常是指以傳輸介質(zhì)為基礎(chǔ)的信號通道，而傳輸介質(zhì)的多種類型對應(yīng)著不同用途的通信系統(tǒng)。 因而，對信道和傳輸介質(zhì)（或媒質(zhì)）的研究是研究電信傳輸相關(guān)問題的主要內(nèi)容。34351.3.1 1.3.1 信道的概念及分類信道的概念及分類l信道是指以傳輸介質(zhì)為基礎(chǔ)的信號通道信道是指以傳輸介質(zhì)為基礎(chǔ)的信號通道。具體來說，信道是指由有線或無線線路提供的信號通路；抽象來說，信道是指定的一段頻帶，它讓信號通過

27、，同時(shí)又給信號以限制和損害。信道的作用是傳輸信號。l信道可大體分為兩類：狹義信道和廣義信道信道可大體分為兩類：狹義信道和廣義信道。根據(jù)信道的定義，如果信道僅是指信號的傳輸媒質(zhì)，這種信道稱為狹義信道；如果信道不僅是傳輸媒質(zhì)，而且包括傳輸系統(tǒng)中的一些轉(zhuǎn)換裝置，這種信道稱為廣義信道。1.3.1 1.3.1 信道的概念及分類信道的概念及分類l按照狹義信道具體傳輸媒質(zhì)的不同類型可分為有線信道和無按照狹義信道具體傳輸媒質(zhì)的不同類型可分為有線信道和無線信道兩類線信道兩類。有線信道需利用人造的傳輸媒質(zhì)來傳輸信號，它包括明線、對稱電纜、同軸電纜及光纖等一類能夠看得見的媒質(zhì)。無線信道利用電磁波在自由空間中的傳播來

28、傳輸信號，它包括地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼、衛(wèi)星中繼、散射及移動(dòng)無線電信道等。l按照廣義信道的功能，通常也可以分為調(diào)制信道和編碼信道按照廣義信道的功能，通常也可以分為調(diào)制信道和編碼信道等等，如圖1-13所示。調(diào)制信道還可分為恒參信道和隨參信道兩類。編碼信道也可細(xì)分為無記憶信道和有記憶信道。有記憶編碼信道是指信道中碼元發(fā)生差錯(cuò)的事件不是獨(dú)立的，即碼元發(fā)生錯(cuò)誤前后是有聯(lián)系的。361.3.1 1.3.1 信道的概念及分類信道的概念及分類 37圖1-13 調(diào)制信道和編碼信道信道分類歸納如下：381.3.2 有線信道及特性有線信道及特性1.有線信道及常見有線介質(zhì)結(jié)構(gòu)有線信道及常見有線

29、介質(zhì)結(jié)構(gòu) 在有線信道傳輸中，理想導(dǎo)體（傳輸線）內(nèi)部的電磁場都等于零，因此，電磁波只能在導(dǎo)體周圍的有限空間內(nèi)沿著有線介質(zhì)定向傳播，并構(gòu)成直接信息流通的通路。有線信道包括明線、對稱電纜、同軸電纜、金屬波導(dǎo)和光纜等。 （1） 架空明線。是利用金屬裸導(dǎo)線捆扎在線擔(dān)上的隔電子上，平行架設(shè)在電線桿上的一種通信線路。它主要由導(dǎo)線、電桿、線擔(dān)、隔電子和拉線等組成，如圖1-15（a）所示。1.3.2 有線信道及特性有線信道及特性 （2）對稱電纜。對稱電纜。是由若干對(組)的導(dǎo)電芯線加絕緣層組合而成的纜芯放在一根保護(hù)套內(nèi)制成一個(gè)整體，保護(hù)套可由金屬屏蔽層和絕緣層組成，如圖1-15(b)所示。 （3）同軸電纜。同軸

30、電纜。又稱為同軸線對，屬于不對稱的結(jié)構(gòu)。它由內(nèi)、外導(dǎo)體和內(nèi)、外導(dǎo)體之間的絕緣介質(zhì)和外護(hù)層四部分組成，如圖1-15（c）所示。 （4）金屬波導(dǎo)。金屬波導(dǎo)。是用金屬制成的中空的柱狀單導(dǎo)體；波導(dǎo)指的是“用來導(dǎo)引電磁波，使它按人們意圖向某個(gè)方向傳輸?shù)脑O(shè)備”。 （5）光纖。光纖。由纖芯、包層和涂敷層組成，如圖1-15（d）所示；光纜由多根光纖、加強(qiáng)件和外戶層構(gòu)成。391.3.2 有線信道及特性有線信道及特性 40圖1-15 通信傳輸線路的類型1.3.2 有線信道及特性有線信道及特性n討論信道特性的目的是了解信道對信號傳輸?shù)挠绊懀诺捞匦约葱诺赖膫鬏斕匦?。n有線信道的主要傳輸特性通?？梢岳闷湔穹?頻率特

31、性和相位-頻率特性以及頻率漂移等來描述。n振幅振幅-頻率特性頻率特性（也叫幅頻傳輸特性）是指信道在各種頻率下的幅度衰減與頻率的關(guān)系曲線，它將影響信號的幅度衰減量。相位相位-頻率特性頻率特性（也叫相頻傳輸特性）是指信道在各頻率下的相位位移與頻率的關(guān)系曲線，它將影響被傳輸信號的相位位移。412.有線信道特性有線信道特性1.3.2 有線信道及特性有線信道及特性 42圖1-16 理想有線信道的傳輸特性圖圖1-17 失真的有線信道傳輸特性失真的有線信道傳輸特性n理想傳輸信道的傳輸特性n非理想（失真）傳輸信道的傳輸特性1.3.2 有線信道及特性有線信道及特性432.有線信道特性有線信道特性n不理想的信道幅

32、頻特性幅頻特性對信號傳輸會造成哪些影響？n不理想的信道相頻特性相頻特性對信號傳輸又會造成哪些影響？當(dāng)信號通過不理想的有線信道傳輸時(shí)，1.3.3 無線信道及特性無線信道及特性n通常用于無線通信的電磁波頻率都比較高。通常用于無線通信的電磁波頻率都比較高。在無線信道中信號的傳遞是利用電磁波在大氣層的傳播來實(shí)現(xiàn)的。原則上，任何頻率的電磁波都可以產(chǎn)生。但是，為了構(gòu)成一條無線信道，實(shí)現(xiàn)有效地發(fā)射（T）或接收（R）電磁波尤為重要 ，其中一點(diǎn)是要求天線的尺寸不小于電磁波波長的1/10。因此，頻率過低，波長過長，則天線難于實(shí)現(xiàn)。n在無線通信收、發(fā)信機(jī)之間的電磁波傳播總是會受到地面在無線通信收、發(fā)信機(jī)之間的電磁波

33、傳播總是會受到地面和大氣層的影響和大氣層的影響。無線信道的傳輸媒質(zhì)比較多，再加上通信距離、頻率和位置的不同，電磁波的常見傳播方式可有中長波地表波傳播地表波傳播、超短波及微波視距傳播視距傳播、短波電離層電離層反射反射、對流層散射、電離層散射對流層散射、電離層散射等，如圖1-18所示。441.無線信道及常見傳播方式無線信道及常見傳播方式1.3.3 無線信道及特性無線信道及特性45圖1-18 大氣層的結(jié)構(gòu)和無線電波的傳播n 無線信道的傳輸特性和有線信道相比各有哪些利和弊？無線信道的傳輸特性和有線信道相比各有哪些利和弊？1.3.3 無線信道及特性無線信道及特性 (1)地表波傳播。地表波傳播。指頻率較低

34、（大約2MHz以下）的電磁波（長波）趨于沿彎曲的地球表面?zhèn)鞑?，且有一定的繞射能力。 這種傳播方式稱為地表波傳播，在低頻和甚低頻段，地表波能 夠傳播超過數(shù)百千米或數(shù)千千米。 (2)天波傳播。指天波傳播。指頻率較高（230 MHz）的電磁波（短波）能夠被電離層的一次或數(shù)次反射，通信距離可達(dá)上萬千米，利用電離層反射的傳播方式稱為天波傳播。主要用于應(yīng)急、抗災(zāi)中的電報(bào)、電話及數(shù)據(jù)通信。46n 無線信道的常見傳播方式無線信道的常見傳播方式1.3.3 無線信道及特性無線信道及特性 (3)直射波傳播 直射波1（超短波） 頻率為30300MHz的電磁波將穿透電離層，不能被為反射回來。它沿地面繞射的能力也很小，主

35、要以直線視距方式在大氣層中傳輸，傳輸距離約為50 km。此外，也可在對流層中作數(shù)百千米的超視距通信。 直射波2（微波） 頻率為300 MHz 300 GHz。微波主要用于900 MHz、1800 MHz和2000 MHz蜂窩移動(dòng)電話；地面微波中繼通信；衛(wèi)星通信；對流層散射通信；空間通信（即用微波在地球站與人造衛(wèi)星和航天器之間通信）等。47n 無線信道的常見傳播方式無線信道的常見傳播方式 除了上述三種傳播方式之外，電磁波還可以經(jīng)過散射方式傳播。什么叫散射？散射信號的強(qiáng)度與反射信號哪個(gè)強(qiáng)？1.3.3 無線信道及特性無線信道及特性 許多無線信道的參數(shù)都是隨時(shí)間隨機(jī)變化的(變參信道)，所以它的特性比有

36、線信道要復(fù)雜。影響無線信道特性的主要因素是傳輸媒介，如電離層的反射和散射，對流層的散射等，無線信道的傳輸媒質(zhì)有以下3個(gè)特點(diǎn)： 對信號的衰耗隨時(shí)間而變化。無線信道的傳輸媒介參數(shù)隨氣象條件和時(shí)間的變化而隨機(jī)變化。 傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間而變化。 多徑傳播。由發(fā)射點(diǎn)出發(fā)的電波可能經(jīng)多條路徑到達(dá)接收點(diǎn)，這種現(xiàn)象稱為多徑傳播現(xiàn)象。482.無線信道特性無線信道特性1.3.4 信道的傳輸能力信道的傳輸能力n信道的傳輸能力即傳輸容量C的主要限制可由克勞德香農(nóng)（Claude Elwood Shannon）公式給出，在帶限高斯白噪聲信道中，傳送M進(jìn)制數(shù)字信號的信道容量為： 式中，C指運(yùn)載信息的能力（比特秒，b/s），B

37、是信道帶寬（又稱為鏈路帶寬），S/N為信噪比。香農(nóng)公式給出了運(yùn)載能力的極限值C，它也常被稱為“香農(nóng)極限”。這個(gè)公式來自于信息理論，它對于所有的技術(shù)都適用。49log 1MSCBN（b/s）n香農(nóng)公式說明信道傳輸容量與信道帶寬成正比。信道傳輸容 量受限是因?yàn)樾诺缼捠芟?，那是什么限制了傳輸帶寬呢?.4 傳輸特性和傳輸單位傳輸特性和傳輸單位1.4.1 傳輸特性傳輸特性1.4.2 傳輸單位傳輸單位 1.4傳輸特性和傳輸單位傳輸特性和傳輸單位 電信號在各種媒質(zhì)構(gòu)成的信道上傳輸時(shí)，主要看重的特電信號在各種媒質(zhì)構(gòu)成的信道上傳輸時(shí)，主要看重的特性性是衰減和帶寬。這兩大傳輸特性直接關(guān)系到傳輸信道的功。這兩大

38、傳輸特性直接關(guān)系到傳輸信道的功能和存在的價(jià)值。能和存在的價(jià)值。1.4.1 傳輸特性傳輸特性521.4.1 傳輸特性傳輸特性電信號在各種介質(zhì)構(gòu)成的信道上傳輸時(shí)，都會因傳輸線介質(zhì) 本身存在漏電阻和分布電容或自由空間的吸收和散射等，信 號功率被逐步損失掉，通常把信號功率的損失稱為衰減（或 損耗）。顯然傳輸信道越長，其衰減就越大，電信號強(qiáng)度會 越弱。為了防止信號功率被繼續(xù)衰減以至于為零，造成通信中斷， 所以當(dāng)信號傳輸一定距離后，需由傳輸信道沿途所設(shè)增音站 或中繼器對衰減后的信號進(jìn)行放大處理，補(bǔ)償傳輸過程帶來 的衰耗。為了衡量傳輸過程中的衰減（損耗）或增益大小， 常用傳輸電平傳輸電平描述。n衰減衰減的定

39、性描述的定性描述1.衰減衰減531.4.1 傳輸特性傳輸特性n衰減衰減的定性描述的定性描述 當(dāng)信號經(jīng)過某一傳輸網(wǎng)絡(luò)，若輸出的信號功率Pout小于輸入 端的信號功率Pin，則稱信號經(jīng)過傳輸網(wǎng)絡(luò)時(shí)受到的衰減為衰減為A A, 如圖1-19所示。圖1-19 增益與衰減反之，當(dāng)信號經(jīng)過某一傳輸網(wǎng)絡(luò)，若輸出的信號功率Pout 大于輸入端的信號功率Pin，則稱信號經(jīng)過傳輸網(wǎng)絡(luò)時(shí)受到 增益為增益為G或傳輸網(wǎng)絡(luò)對信號給予了放大。541.4.1 傳輸特性傳輸特性增益與衰減大小的度量不是直接用信號輸出功率與輸入功率之差來表示，而是采用信號的輸入功率與輸出端功率的比值取以e為底的自然對數(shù)或取以10為底的常用對數(shù)來表示

40、。 n衰減衰減的定量描述的定量描述衰減A和增益G的計(jì)算公式如下：pN ln21outinPPA dB lg10outinPPA 或（1.1)PN ln21outinPPGdB lg10outinPPG或（1.2)式中，單位dB（分貝）或 NP（奈培）被稱為傳輸計(jì)量單位。551.4.1 傳輸特性傳輸特性l帶寬是指在固定的時(shí)間內(nèi)可傳輸?shù)男畔⑷萘?。傳輸線的帶寬針對數(shù)字信號表示的是在單位時(shí)間內(nèi)從傳輸線某一點(diǎn)到另一點(diǎn)所能通過的“最高數(shù)據(jù)率”；針對模擬信號表示的是在任意一個(gè)信號的各頻率分量從傳輸線某一點(diǎn)到另一點(diǎn)通過后不產(chǎn)生幅度衰減的“最寬頻寬”。如圖1-16（a)。l實(shí)際參與傳播的信號由許多頻率成分組成，

41、而傳輸線的衰減是頻率的函數(shù)，故當(dāng)不同頻率的信號經(jīng)過傳輸線時(shí)，其衰減不同，把傳輸線輸出不同頻率的功率的最大值降低一半所對應(yīng)的頻率寬度，稱為該傳輸線的傳輸帶寬。l如果將脈沖信號經(jīng)過同樣一段長度的傳輸線傳輸后，在其終端觀察，輸出端脈沖將發(fā)生時(shí)間展寬，把這種波形展寬現(xiàn)象稱為色散色散，色散大小也直接影響傳輸線的帶寬。2.帶寬帶寬561.4.2 1.4.2 傳輸單位傳輸單位1.1.相對電平相對電平2.2.絕對電平絕對電平3.3.正電平、負(fù)電平和零電平的意義正電平、負(fù)電平和零電平的意義 4.4.絕對電平的修正值絕對電平的修正值 5.5.相對電平與絕對電平之間的關(guān)系相對電平與絕對電平之間的關(guān)系 571.4.2

42、 1.4.2 傳輸單位傳輸單位傳輸計(jì)量單位為何要采用傳輸計(jì)量單位為何要采用“分貝分貝/ /分貝毫瓦分貝毫瓦(dB/dBm)(dB/dBm)”來描述來描述? ? 由聲學(xué)分析知，人耳對聲音強(qiáng)弱變化的感覺不是與信號功率的變化成正比，而是與信號功率變化的對數(shù)成正比的。例如將功率為0.1mw的信號提高到1mw，信號功率增大了10倍，但對人的聽覺來說聲音響度只增大lg1/0.1=lg10=1倍。 另一方面，人眼對亮度變化同人耳一樣，也是和功率變化的對數(shù)規(guī)律成正比的。因此，采用功率比的對數(shù)作為傳輸單位，正好能反映聽覺和視覺的特性。581.4.2 1.4.2 傳輸單位傳輸單位l目前國際上通用的傳輸單位為有兩種

43、，一種是分貝(用dB表示)，一種是奈培（用NP表示）。l傳輸電平就是用分貝或奈培作為計(jì)量單位來表示的信號大傳輸電平就是用分貝或奈培作為計(jì)量單位來表示的信號大小或強(qiáng)弱小或強(qiáng)弱，電平高意味著信號強(qiáng)、功率大、電壓高、電流大，電平低則相反。l所謂某點(diǎn)的電平某點(diǎn)的電平，是指電信系統(tǒng)中某一信號的實(shí)測功率（或電壓、電流）值與某參考點(diǎn)某參考點(diǎn)的信號功率（或電壓、電流）之比的對數(shù)值之比的對數(shù)值，某參考點(diǎn)的信號功率（或電壓、電流）又稱為基準(zhǔn)功率基準(zhǔn)功率（或基準(zhǔn)電壓、基準(zhǔn)電流）。l需指出的是：基準(zhǔn)功率是基本不變的，而基準(zhǔn)電壓或基準(zhǔn)電流則是根據(jù)在某一阻抗上所獲得的基準(zhǔn)功率來確定的。當(dāng)阻抗變化時(shí)，基準(zhǔn)電壓或基準(zhǔn)電流也要

44、隨之而變化。n 傳輸單位與傳輸電平傳輸單位與傳輸電平591.4.2 1.4.2 傳輸單位傳輸單位l以功率進(jìn)行計(jì)算時(shí)，則兩點(diǎn)間的相對功率電平為： (1.3)l以電壓進(jìn)行計(jì)算時(shí)，則兩點(diǎn)間的相對電壓電平為： (1.4) l以電流進(jìn)行計(jì)算時(shí)，則兩點(diǎn)間的相對電流電平為：dB )()(lg1012mwPmwPLPP12N )()(ln21mwPmwPLPdB )()(lg2012vUvULUP12N )()(lnvUvULU1 .相對電平相對電平dB )()(lg2012mAImAILiP12N )()(lnmAImAILi(1.5)以上各式中P2、U2、I2分別為被測點(diǎn)(實(shí)測點(diǎn))的信號功率、電壓、電流；

45、P1、U1、I1分別為某參考點(diǎn)(又稱為基準(zhǔn))的信號功率、電壓、電流。601.4.2 1.4.2 傳輸單位傳輸單位n奈培和分貝之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系：設(shè)LP=1NP ,則由式(1-3)知： ，這個(gè)功率比如用常用對數(shù)表示則是：以上分析說明：P12N 1 ln21PPLP7.389 212 ePPdB 686. 8389. 7lg10 lg1012PPLPdBNP686. 81PNdB115. 0686. 811(1.6)611.4.2 1.4.2 傳輸單位傳輸單位絕對電平與相對電平不同的是基準(zhǔn)值為固定值。在電話通信中, 絕對電平的基準(zhǔn)參考點(diǎn)的阻抗R0=600歐姆,功率值P0=1mw時(shí),就可分別計(jì)算出絕對電

46、壓電平的基準(zhǔn)參考點(diǎn)電壓U0值和絕對電流電平基準(zhǔn)參考點(diǎn)電流I0值。U0值是根據(jù)在600歐姆阻抗上獲得1mw 基準(zhǔn)功率來確定的，即：VUWUP775.060010 ,106003032002 .絕對電平絕對電平 同理，I0值也是根據(jù)在600歐阻抗上獲得lmw基準(zhǔn)功率確定的，即：mAAIWIP29. 11029. 1600/10 ,106003303200621.4.2 1.4.2 傳輸單位傳輸單位若被測點(diǎn)阻抗RX=600歐姆時(shí)，則測試點(diǎn)X的絕對功率電平可以 表示為； U0值是根據(jù)在600歐姆阻抗上獲得1mw 基準(zhǔn)功率來 確定的，即：2 .絕對電平絕對電平dBm 1)(lg10mwmwPLXPPN

47、1)(ln21mwmwPLXP或(1.7)同理，測試點(diǎn)X的絕對電壓電平可表示為：dBv )(775.0)(lg20)()(lg20lg10)()(lg10002020VVUVUVURURUmwPmwPLXXXXXUPN )(775.0)(lnVVULXU或(1.8)631.4.2 1.4.2 傳輸單位傳輸單位2.2.絕對電平絕對電平例1-1：設(shè)某傳輸設(shè)備中測試點(diǎn)阻抗RX =600歐姆，若該點(diǎn)信號功率分別為0.1mw,1mw,10mw，試計(jì)算該點(diǎn)絕對功率電平值是多少？ 解：dBm 1010lg10 11 . 0lg101 -1mwmwLPdBm 010lg1 11lg102mwmwLPdBm 1010lg10 110lg103mwmwLP641.4.2 1.4.2 傳輸單位傳輸單位由例1-1可以看出, 絕對功率電平(或絕對電壓電平、絕對電流電平)可為正、零、負(fù)值。以功率電平為例，由定義知：當(dāng)PX=P0時(shí)，電平為零，其含義是該點(diǎn)的功率等于基準(zhǔn)功率。當(dāng)PXP0時(shí), 電平是負(fù)值,其含義是該點(diǎn)的功