课程序言-第1章-电信传输的基本概念教材课件

1“电信传输理论与工程电信传输理论与工程”姓姓 名名：姚玉坤：姚玉坤 （教授教授）工作邮箱：工作邮箱： 工作部门：通信与信息工程学院工作部门：通信与信息工程学院 通信网络教研中心通信网络教研中心 主讲老师基本信息主讲老师基本信息2“电信传输理论与工程电信传输理论与工程”课程架构课程架构Part One 电信传输原理电信传输原理Part Two 通信光缆与电缆线路工程通信光缆与电缆线路工程 2014年年9月月3教材：教材：1.电信传输原理电信传输原理(第第2 2版版)，胡庆、唐宏等编著。，胡庆、唐宏等编著。电子工业出版社，电子工业出版社，2012年出版年出版2.通信光缆与电缆线路工程通信光缆与电缆线路工程，胡庆、张德民等编著。，胡庆、张德民等编著。人民邮电出版社，人民邮电出版社，2013年出版年出版1.光纤通信系统与网络光纤通信系统与网络(修订版修订版)，胡庆、张德民等，胡庆、张德民等 编著。电子工业出版社，编著。电子工业出版社，2012年出版年出版参考书：参考书：“电信传输理论与工程电信传输理论与工程”课程序言课程序言4l课程性质：特色课程性质：特色-专业专业-核心核心l适用专业：通信工程与电子信息大类适用专业：通信工程与电子信息大类l课程学时课程学时/学分：学分：64学时学时/4学分学分l先修课程：高等数学、电磁场、电路分析等先修课程：高等数学、电磁场、电路分析等 课程概况课程概况“电信传输理论与工程电信传输理论与工程”课程序言课程序言5课程讲什么？课程讲什么？上课学什么？上课学什么？“电信传输理论与工程电信传输理论与工程”课程序言课程序言n既有较强的理论性，又有广泛的工程背景；既有较强的理论性，又有广泛的工程背景；n以电磁场理论和电路理论为基础，对以电磁波以电磁场理论和电路理论为基础，对以电磁波为载体的电信号传输的基本概念、基本原理和为载体的电信号传输的基本概念、基本原理和传输信道及其特性进行讨论和分析；传输信道及其特性进行讨论和分析；n系统介绍各类常见有线和无线通信传输系统的系统介绍各类常见有线和无线通信传输系统的组成和实现原理；组成和实现原理；n系统介绍通信光缆与电缆的工程设计、施工及系统介绍通信光缆与电缆的工程设计、施工及典型应用；典型应用；n与基础课的学习方法有很大区别；与基础课的学习方法有很大区别；n技术概念性知识巨细、庞杂、繁多。技术概念性知识巨细、庞杂、繁多。“电信传输理论与工程电信传输理论与工程”课程序言课程序言 课程特点及内涵课程特点及内涵7 Part One 电信传输原理电信传输原理电信传输原理电信传输原理教材目录教材目录第第1章章 电信传输的基本概念电信传输的基本概念第第2章章 金属传输线理论金属传输线理论第第3章章 波导传输线理论波导传输线理论第第4章章 介质光波导传输理论介质光波导传输理论第第5章章 无线传输基本理论无线传输基本理论第第6章章 微波通信传输信道的特征微波通信传输信道的特征第第7章章 移动通信传输信道的特征移动通信传输信道的特征第第8章章 卫星通信系统及传输信道特征卫星通信系统及传输信道特征Part1 Part1 电信传输原理电信传输原理本章知识模块结构本章知识模块结构第一模块：基础知识第一模块：基础知识 阐述通信、电信、电信传输基本概念，电信传输系统的组成与阐述通信、电信、电信传输基本概念，电信传输系统的组成与模型，信号频段划分与传输线信道关系，传输介质的结构，传输模型，信号频段划分与传输线信道关系，传输介质的结构，传输特性和传输单位。特性和传输单位。第二模块：有线传输线路的基础知识及技术应用。第二模块：有线传输线路的基础知识及技术应用。重点包括目前正在应用的金属传输线理论，波导传输线理论，重点包括目前正在应用的金属传输线理论，波导传输线理论，光波导（光纤）传输理论的基本原理及其特性分析，并列举其光光波导（光纤）传输理论的基本原理及其特性分析，并列举其光/电参数和实际工程应用举例。电参数和实际工程应用举例。第三模块：无线传输信道的基础知识及技术应用。第三模块：无线传输信道的基础知识及技术应用。重点包括无线通信传输理论，移动通信传输信道的特征，微波重点包括无线通信传输理论，移动通信传输信道的特征，微波传输基础理论，卫星传输的基本理论的原理和其信道特性分析，传输基础理论，卫星传输的基本理论的原理和其信道特性分析，以及建立各类无线传输损耗的模型、天线设计应用。以及建立各类无线传输损耗的模型、天线设计应用。Part1 Part1 电信传输原理电信传输原理第一章第一章 电信传输的基本概念电信传输的基本概念 1.1 通信基本概念及发展史通信基本概念及发展史1.2 电信传输系统模型电信传输系统模型1.3 电信传输信道及传输介质电信传输信道及传输介质1.4 传输特性和传输单位传输特性和传输单位本章内容提要本章内容提要Part1 Part1 电信传输原理电信传输原理1.11.1通信基本概念及发展史1.1.1 通信的定义通信的定义 通信的目的是传递消息中所包含的信息。消息消息是客观物质运动和主观思维活动的状态的一种反映，在不同时期具有不同的表现形式。例如，话音、文字、符号、音乐、数据、图片或活动图像等都是消息。人们接收消息，关心的是消息中包含的有效内容，即信息。通信则是进行信息的时空转移，即把信息从一方传送通信则是进行信息的时空转移，即把信息从一方传送到另一方。到另一方。基于这种认识，“通信”也就是“信息传输”或“消息传输”。从广义上说：无论采用何种方法，使用何种传输媒质从广义上说：无论采用何种方法，使用何种传输媒质只要将信息从一个地方传送到另一地方，均可称为只要将信息从一个地方传送到另一地方，均可称为通信通信。11121.11.1通信基本概念及发展史l在1837年，人类历史上第一次用电报进行电信联系，英国人在1.5km的距离上作了电报表演。l1876年，贝尔获美国专利局授予的电话专利，并在1877年用硬双铜线架设了电话线路，从此传输线开始了传输比电报信号频率高得多的语音信号。l1948年美国建设了从纽约到波士顿的微波中继线路，传送480路电话和1路电视信号。l1955年，完成从纽芬兰到苏格兰海底越洋同轴电话电缆。l1966年，英籍华人英籍华人提出可以从石英中提炼超纯的细丝状纤维，并用于光频成为光波导。1.1.2 通信发展史通信发展史13l1977年，美国芝加哥建成第一条光纤通信线路，长度为6km。l1988年建成了横跨大西洋的海底光缆系统，采用的是单模光纤，总长达到19200km。l在移动通信方面，1946年美国在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话业务，频率从150450 MHz。l在卫星通信方面，1957年10月，苏联发射了第一颗人造地球卫星，1965年4月美国发射了第一颗商用卫星。1.11.1通信基本概念及发展史1.1.2 通信发展史通信发展史-21865年，麦克斯韦在题为电磁场的动力学理论的论文中奠定了电磁场理论的基础，利用麦克斯韦的成果进行传利用麦克斯韦的成果进行传输线理论研究成为了可能。输线理论研究成为了可能。1876年，亥维塞利用麦克斯韦方程推导出了经典电报方程。1893年，英国物理学家汤姆逊（电子的发现者）出版了一本论述麦克斯韦电磁理论的书，肯定了圆金属壁管子传输电磁波的可实现性。1897年，英国物理学家瑞利在发表的论文中，讨论了矩形截面和圆形截面“空柱”中的电磁振动，即对应后来的矩形波导和圆波导，并引进了截止波长的概念1936年，贝尔实验室的科学家做出了实验波导线长为 260 m的青铜管，直径为12.5 cm，信号波长为9 cm。141.1.3 电信传输理论的发展史电信传输理论的发展史1.11.1通信基本概念及发展史151.2 1.2 电信传输系统模型电信传输系统模型1.2.1 电信及电信传输的基本概念电信及电信传输的基本概念1.2.2 电信传输系统模型电信传输系统模型1.2.3 信号的类型与电磁波波段的划分信号的类型与电磁波波段的划分1.2.4 电磁波常见传播模式电磁波常见传播模式1.2.5 电信传输的主要特点电信传输的主要特点161.2.1 1.2.1 电信及电信传输的基本概念电信及电信传输的基本概念l所谓“电信”，也可以理解为“电通信”的缩写，电通信是狭义上的通信，仅指利用电子技术实现传送信息和交流信息的通信方式。“电信”的概念解释是：利用有线、无线的电磁系统或光电系统，对语音、文字、数据、图像以及其他形式信息的电信号进行的传送过程。l那么，“电信传输”就是指含有信息的电信号通过某种具体物理媒质某种具体物理媒质从一处传到另一处的传输过程。171.2.2 1.2.2 电信传输系统模型电信传输系统模型l电信传输由电信传输系统实现，电信传输系统包括了用户之间的许多电气设备和传输媒质（如金属导线、光纤、自由空间等）所构成的总体。l一个最简单的传输系统，至少要由一个发送器（也叫做变换器）、一个接收器（也叫做反变换器）和把它们连接起来的传输媒质所组成。l所以，连接发送器、接收器二者的传输媒质是构成电信传输系统的基本组成部分。181.2.2 1.2.2 电信传输系统模型电信传输系统模型信宿 信源 图1-1 电信传输系统模型示意图 发信设备收信设备变换器A反变换器Bn点到点电信传输系统的一般模型点到点电信传输系统的一般模型191.2.2 1.2.2 电信传输系统模型电信传输系统模型l图1-1中发信终端置于变换器A的这一端，其功能为：把消息变换成与信道相适配的电信号或光信号，并让信号进入该信道。l收信终端位于反变换器B的那一端，其功能为将从信道收下来信号进行衰减补偿，并消除或减小畸变和噪声对有用信号的干扰，进行反变换，使其消息重现原貌。20图1-2 电信传输系统一般结构 电信传输系统的实际结构综合示例电信传输系统的实际结构综合示例211.2.2 1.2.2 电信传输系统模型电信传输系统模型1）话机、移动台作用：是将话音信号转换成电信号，或者进行反变换。2）交换设备的作用：实现局内用户间的信号交换，还能同其它局的用户实现连接或转接。3）多路复用设备的作用：实现多路信号的汇接(复用)，用以提高信道的传输容量。4）传输终端设备的作用：将待传输的信号转换成适合信道传输的信号，或进行反变换等。图图1-2表明：一个完整在电信传输系统包括哪几个组成部分呢？表明：一个完整在电信传输系统包括哪几个组成部分呢？必须具备传输介质(信道)、用户终端、交换机、多路复用设备和传输终端设备。各部分的作用如下：221.2.2 1.2.2 电信传输系统模型电信传输系统模型电缆、光缆、微波、卫星是不同形式的传输介质。电缆、光缆、微波、卫星是不同形式的传输介质。采用不同传输介质的电信传输系统具有不同的传输终端设备，采用不同传输介质的电信传输系统具有不同的传输终端设备，且名称也不同。且名称也不同。n当电信传输系统采用电缆作传输介质时，此时传输终端设备当电信传输系统采用电缆作传输介质时，此时传输终端设备为为电缆传输终端设备电缆传输终端设备，相应的传输系统称为电缆传输系统或称，相应的传输系统称为电缆传输系统或称为电缆通信系统。为电缆通信系统。n若采用光缆作传输介质，此时的传输终端设备为若采用光缆作传输介质，此时的传输终端设备为光端机光端机，相，相应的传输系统就称为光缆传输系统，或称为光纤通信系统。应的传输系统就称为光缆传输系统，或称为光纤通信系统。n若采用微波作载体，用微波中继站作信号转接，此时传输终若采用微波作载体，用微波中继站作信号转接，此时传输终端设备就是端设备就是微波端站微波端站，相应的传输系统就称为微波传输系统，相应的传输系统就称为微波传输系统，或称微波通信系统。或称微波通信系统。总结图总结图1-2的一般结构，可发现哪些规律呢？的一般结构，可发现哪些规律呢？231.2.2 1.2.2 电信传输系统模型电信传输系统模型l若仍采用微波作载体，用卫星作中继站，此时传输终端若仍采用微波作载体，用卫星作中继站，此时传输终端设备就是设备就是卫星地面站（或地球站），卫星地面站（或地球站），相应的传输系统就相应的传输系统就称为卫星传输系统或称为卫星通信系统称为卫星传输系统或称为卫星通信系统。总结：总结：无论是电缆通信系统、光纤通信系统，还是微波通信系统、卫星通信系统，它们的基本结构形式都很类似，它们的基本结构形式都很类似，其之间的差异仅在于电信号载体、传输媒质和传输终端其之间的差异仅在于电信号载体、传输媒质和传输终端设备不同。设备不同。另外，不同系统中无线信号在自由空间传输需要的另外，不同系统中无线信号在自由空间传输需要的天线结构不同。天线结构不同。241.2.31.2.3信号的类型与电磁波波段的划分 按照电信号传载信息的形式不同，信号可分为：（1）模拟信号 是指模拟、仿照原有消息变化的电信号。这种信号的幅度变化是时间的连续函数。如图1-4所示。连续信号：标准的模拟信号；抽样信号：准模拟信号；n典型的模拟信号：电话机送出的电信号，其其频频率率范范围围大大约约为为300300 3400Hz。（2）数字信号 这种信号时间上和幅度上的取值都是离散的。数字信号在传输上最主要的优点是它的抗干扰性强。如图1-6所示。数据通信通信传输的都是数字信号，如人与计算机和计算机与计算机之间的通信。251.2.3 1.2.3 信号的种类和电磁波波段的划分信号的种类和电磁波波段的划分图1-4 模拟信号波形图1-6 数字信号波形 261.2.3 1.2.3 信号的种类和电磁波波段的划分信号的种类和电磁波波段的划分图1-7 电磁波段划分图271.2.3 1.2.3 信号的种类和电磁波波段的划分信号的种类和电磁波波段的划分 定论定论1：电信号传输的实质是电磁波的传播。电信号传输的实质是电磁波的传播。定论定论2：通信所采用的传输方式是由电磁波的频率所通信所采用的传输方式是由电磁波的频率所决定的。电通信的容量几乎与使用的频率成正比，决定的。电通信的容量几乎与使用的频率成正比，对通信容量的要求越高，使用频率就越高。对通信容量的要求越高，使用频率就越高。由图1-7所示，通常无线电通信所用波段是在波长为米至亚毫米范围，目前，移动通信、微波通信和卫星通信这三种无线电通信方式都落在微波波段，而除光纤通信以外的有线电通信所用波段是在波长为千米至米范围；有线电视用户接入和计算机局数据接入这2种通信方式则落在超短波（VHF）左右。光纤通信在0.8 1.65微米红外波段。表1-1 波段（频段）划分及典型应用 310-5频 率 范 围波 长符 号传输媒质用 途3Hz30 kHz104108 m甚低频VLF有线线对或长波无线电音频、电话、数据终端长距离导航、时标30300 kHz103104 m低频LF有线线对或长波无线电导航、信标、电力线通信300 kHz3 MHz102103 m中频MF同轴电缆或短波无线电调幅广播、移动陆地通信、业余无线电330 MHz10102 m高频HF同轴电缆或短波无线电移动天线电话、短波广播定点军用通信、业余无线电30300 MHz110 m甚高频VHF同轴电缆或米波无线电电视、调频广播、空中管制、车辆、通信、导航300 MHz3 GHz10100 cm特高频UHF波导或分米波无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达330 GHz110 cm超高频SHF波导或厘米波无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达、无线宽带接入30300 GHz110 mm极高频EHF波导或毫米波无线电雷达、微波接力、射电天文学107108 GHz310-5310-4 cm紫外、可见光、红外光纤或激光空间传播光通信1.2.3 1.2.3 信号的种类和电磁波波段的划分信号的种类和电磁波波段的划分1.2.4 电磁波常见传播模式电磁波常见传播模式n在研究传输线理论时主要包括以下两方面的内容：l一是研究所传输波类型的电磁波在传输线横截面内电场和磁场的分布规律（场结构或模式或波型），称为横向问题；l二是研究电磁波沿传输线轴向的传播特性和场的分布规律，称为纵向问题。n在传输线（有界空间中）导行的电磁波的类型（也称为模式或场结构或场分布），按其有无纵向场分量Ez和Hz，可分为四类：（1）横电磁波（TEM波），这种波在传播方向Z上既无纵向电场Ez分量又无纵向磁场Hz分量，即Ez=0且Hz=0。电场、磁场分量都在横截面上与传播方向垂直。这种模式只能存在于双导体传输线和无线传输（无界空间理想介质）中。291.2.4 电磁波常见传播模式电磁波常见传播模式 （2）横电波（TE波），这种波的Ez=0，其电场分量与传播方向垂直，但Hz0。这种模式存在于金属波导中。（3）横磁波（TM波），这种波的Hz=0，其磁场分量与传播方向垂直，但Ez0。这种模式存在于金属波导中。（4）是EH波或HE波（混合模），这种波的Ez0且Hz0。它们是TE波和TM波的线性叠加，纵向电场占优势的模式称做EH波，纵向磁场占优势的模式称做HE波。这类波存在于介质波导中。以上TEM波、TE波、TM波的电场方向及磁场方向与传播方向的关系，如图1-8所示。注意，无论何种波型，其电场与磁场总是相互垂直的。图图1-8 TEM波、波、TE波、波、TM波波电场电场及磁及磁场场与与传传播方向关系播方向关系图1-9 同轴电缆中TEM波的场结构图1-10 波导中TE10波电磁场分布模型图1-11 波导中几种TMmn波电磁场分布模型 图1-12 无界空间TEM波的电磁场分布模型331.2.4 1.2.4 电信传输的主要特点电信传输的主要特点 电信传输的主要特点：1）传输信号的多频率。无论是模拟通信还是数字通信，电信传输中的信号都包含着丰富的频率。如普通电话机发出的话音信号频率大约在300HZ到3400HZ左右；有线电视CATV的传输频带达750MHZ左右。2）有线传输的功率比较小，它一般只有毫瓦量级；在无线传输方式中，电信传输的功率较大，它一般在瓦量级。3）电信传输的效率较高，由于电信传输是弱电传输，其传输效率非常重要。有线传输效率高于无线传输的效率。4）电信传输离不开信号的变换。例如,模-数转换 和数-模转换技术的广泛应用。1.31.3电信传输信道及传输介质l电信传输信道是电信传输系统必不可少的组成部分；l任何一个电信传输系统均可视为由发送设备、信道与接收设备三大部分组成。l传输信道通常是指以传输介质为基础的信号通道，而传输介质的多种类型对应着不同用途的通信系统。因而，对信道和传输介质（或媒质）的研究是研究电信传输相关问题的主要内容。34351.3.1 1.3.1 信道的概念及分类信道的概念及分类l信道是指以传输介质为基础的信号通道信道是指以传输介质为基础的信号通道。具体来说，信道是指由有线或无线线路提供的信号通路；抽象来说，信道是指定的一段频带，它让信号通过，同时又给信号以限制和损害。信道的作用是传输信号。l信道可大体分为两类：狭义信道和广义信道信道可大体分为两类：狭义信道和广义信道。根据信道的定义，如果信道仅是指信号的传输媒质，这种信道称为狭义信道；如果信道不仅是传输媒质，而且包括传输系统中的一些转换装置，这种信道称为广义信道。1.3.1 1.3.1 信道的概念及分类信道的概念及分类l按照狭义信道具体传输媒质的不同类型可分为有线信道和无按照狭义信道具体传输媒质的不同类型可分为有线信道和无线信道两类线信道两类。有线信道需利用人造的传输媒质来传输信号，它包括明线、对称电缆、同轴电缆及光纤等一类能够看得见的媒质。无线信道利用电磁波在自由空间中的传播来传输信号，它包括地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、卫星中继、散射及移动无线电信道等。l按照广义信道的功能，通常也可以分为调制信道和编码信道按照广义信道的功能，通常也可以分为调制信道和编码信道等等，如图1-13所示。调制信道还可分为恒参信道和随参信道两类。编码信道也可细分为无记忆信道和有记忆信道。有记忆编码信道是指信道中码元发生差错的事件不是独立的，即码元发生错误前后是有联系的。361.3.1 1.3.1 信道的概念及分类信道的概念及分类 37图1-13 调制信道和编码信道信道分类归纳如下：381.3.2 有线信道及特性有线信道及特性1.有线信道及常见有线介质结构有线信道及常见有线介质结构 在有线信道传输中，理想导体（传输线）内部的电磁场都等于零，因此，电磁波只能在导体周围的有限空间内沿着有线介质定向传播，并构成直接信息流通的通路。有线信道包括明线、对称电缆、同轴电缆、金属波导和光缆等。（1）架空明线。是利用金属裸导线捆扎在线担上的隔电子上，平行架设在电线杆上的一种通信线路。它主要由导线、电杆、线担、隔电子和拉线等组成，如图1-15（a）所示。1.3.2 有线信道及特性有线信道及特性 （2）对称电缆。对称电缆。是由若干对(组)的导电芯线加绝缘层组合而成的缆芯放在一根保护套内制成一个整体，保护套可由金属屏蔽层和绝缘层组成，如图1-15(b)所示。（3）同轴电缆。同轴电缆。又称为同轴线对，属于不对称的结构。它由内、外导体和内、外导体之间的绝缘介质和外护层四部分组成，如图1-15（c）所示。（4）金属波导。金属波导。是用金属制成的中空的柱状单导体；波导指的是“用来导引电磁波，使它按人们意图向某个方向传输的设备”。（5）光纤。光纤。由纤芯、包层和涂敷层组成，如图1-15（d）所示；光缆由多根光纤、加强件和外户层构成。391.3.2 有线信道及特性有线信道及特性 40图1-15 通信传输线路的类型1.3.2 有线信道及特性有线信道及特性n讨论信道特性的目的是了解信道对信号传输的影响，信道特性即信道的传输特性。n有线信道的主要传输特性通常可以利用其振幅-频率特性和相位-频率特性以及频率漂移等来描述。n振幅振幅-频率特性频率特性（也叫幅频传输特性）是指信道在各种频率下的幅度衰减与频率的关系曲线，它将影响信号的幅度衰减量。相位相位-频率特性频率特性（也叫相频传输特性）是指信道在各频率下的相位位移与频率的关系曲线，它将影响被传输信号的相位位移。412.有线信道特性有线信道特性1.3.2 有线信道及特性有线信道及特性 42图1-16 理想有线信道的传输特性图图1-17 失真的有线信道传输特性失真的有线信道传输特性n理想传输信道的传输特性n非理想（失真）传输信道的传输特性1.3.2 有线信道及特性有线信道及特性432.有线信道特性有线信道特性n不理想的信道幅频特性幅频特性对信号传输会造成哪些影响？n不理想的信道相频特性相频特性对信号传输又会造成哪些影响？当信号通过不理想的有线信道传输时，1.3.3 无线信道及特性无线信道及特性n通常用于无线通信的电磁波频率都比较高。通常用于无线通信的电磁波频率都比较高。在无线信道中信号的传递是利用电磁波在大气层的传播来实现的。原则上，任何频率的电磁波都可以产生。但是，为了构成一条无线信道，实现有效地发射（T）或接收（R）电磁波尤为重要，其中一点是要求天线的尺寸不小于电磁波波长的1/10。因此，频率过低，波长过长，则天线难于实现。n在无线通信收、发信机之间的电磁波传播总是会受到地面在无线通信收、发信机之间的电磁波传播总是会受到地面和大气层的影响和大气层的影响。无线信道的传输媒质比较多，再加上通信距离、频率和位置的不同，电磁波的常见传播方式可有中长波地表波传播地表波传播、超短波及微波视距传播视距传播、短波电离层电离层反射反射、对流层散射、电离层散射对流层散射、电离层散射等，如图1-18所示。441.无线信道及常见传播方式无线信道及常见传播方式1.3.3 无线信道及特性无线信道及特性45图1-18 大气层的结构和无线电波的传播n 无线信道的传输特性和有线信道相比各有哪些利和弊？无线信道的传输特性和有线信道相比各有哪些利和弊？1.3.3 无线信道及特性无线信道及特性 (1)地表波传播。地表波传播。指频率较低（大约2MHz以下）的电磁波（长波）趋于沿弯曲的地球表面传播，且有一定的绕射能力。这种传播方式称为地表波传播，在低频和甚低频段，地表波能 够传播超过数百千米或数千千米。(2)天波传播。指天波传播。指频率较高（230 MHz）的电磁波（短波）能够被电离层的一次或数次反射，通信距离可达上万千米，利用电离层反射的传播方式称为天波传播。主要用于应急、抗灾中的电报、电话及数据通信。46n 无线信道的常见传播方式无线信道的常见传播方式1.3.3 无线信道及特性无线信道及特性 (3)直射波传播直射波1（超短波）频率为30300MHz的电磁波将穿透电离层，不能被为反射回来。它沿地面绕射的能力也很小，主要以直线视距方式在大气层中传输，传输距离约为50 km。此外，也可在对流层中作数百千米的超视距通信。直射波2（微波）频率为300 MHz 300 GHz。微波主要用于900 MHz、1800 MHz和2000 MHz蜂窝移动电话；地面微波中继通信；卫星通信；对流层散射通信；空间通信（即用微波在地球站与人造卫星和航天器之间通信）等。47n 无线信道的常见传播方式无线信道的常见传播方式 除了上述三种传播方式之外，电磁波还可以经过散射方式传播。什么叫散射？散射信号的强度与反射信号哪个强？1.3.3 无线信道及特性无线信道及特性 许多无线信道的参数都是随时间随机变化的(变参信道)，所以它的特性比有线信道要复杂。影响无线信道特性的主要因素是传输媒介，如电离层的反射和散射，对流层的散射等，无线信道的传输媒质有以下3个特点：对信号的衰耗随时间而变化。无线信道的传输媒介参数随气象条件和时间的变化而随机变化。传输的时延随时间而变化。多径传播。由发射点出发的电波可能经多条路径到达接收点，这种现象称为多径传播现象。482.无线信道特性无线信道特性1.3.4 信道的传输能力信道的传输能力n信道的传输能力即传输容量C的主要限制可由克劳德香农（Claude Elwood Shannon）公式给出，在带限高斯白噪声信道中，传送M进制数字信号的信道容量为：式中，C指运载信息的能力（比特秒，b/s），B是信道带宽（又称为链路带宽），S/N为信噪比。香农公式给出了运载能力的极限值C，它也常被称为“香农极限”。这个公式来自于信息理论，它对于所有的技术都适用。49（b/s）n香农公式说明信道传输容量与信道带宽成正比。信道传输容 量受限是因为信道带宽受限，那是什么限制了传输带宽呢？1.4 传输特性和传输单位传输特性和传输单位1.4.1 传输特性传输特性1.4.2 传输单位传输单位 1.4传输特性和传输单位传输特性和传输单位 电信号在各种媒质构成的信道上传输时，主要看重的特电信号在各种媒质构成的信道上传输时，主要看重的特性性是衰减和带宽。这两大传输特性直接关系到传输信道的功。这两大传输特性直接关系到传输信道的功能和存在的价值。能和存在的价值。1.4.1 传输特性传输特性521.4.1 传输特性传输特性电信号在各种介质构成的信道上传输时，都会因传输线介质 本身存在漏电阻和分布电容或自由空间的吸收和散射等，信 号功率被逐步损失掉，通常把信号功率的损失称为衰减（或 损耗）。显然传输信道越长，其衰减就越大，电信号强度会 越弱。为了防止信号功率被继续衰减以至于为零，造成通信中断，所以当信号传输一定距离后，需由传输信道沿途所设增音站 或中继器对衰减后的信号进行放大处理，补偿传输过程带来 的衰耗。为了衡量传输过程中的衰减（损耗）或增益大小，常用传输电传输电平平描述。n衰减衰减的定性描述的定性描述1.衰减衰减531.4.1 传输特性传输特性n衰减衰减的定性描述的定性描述 当信号经过某一传输网络，若输出的信号功率Pout小于输入 端的信号功率Pin，则称信号经过传输网络时受到的衰减衰减为A A,如图1-19所示。图1-19 增益与衰减反之，当信号经过某一传输网络，若输出的信号功率Pout 大于输入端的信号功率Pin，则称信号经过传输网络时受到 增益为增益为G或传输网络对信号给予了放大。541.4.1 传输特性传输特性增益与衰减大小的度量不是直接用信号输出功率与输入功率之差来表示，而是采用信号的输入功率与输出端功率的比值取以e为底的自然对数或取以10为底的常用对数来表示。n衰减衰减的定量描述的定量描述衰减A和增益G的计算公式如下：或（1.1)或（1.2)式中，单位dB（分贝）或 NP（奈培）被称为传输计量单位。551.4.1 传输特性传输特性l带宽是指在固定的时间内可传输的信息容量。传输线的带宽针对数字信号表示的是在单位时间内从传输线某一点到另一点所能通过的“最高数据率”；针对模拟信号表示的是在任意一个信号的各频率分量从传输线某一点到另一点通过后不产生幅度衰减的“最宽频宽”。如图1-16（a)。l实际参与传播的信号由许多频率成分组成，而传输线的衰减是频率的函数，故当不同频率的信号经过传输线时，其衰减不同，把传输线输出不同频率的功率的最大值降低一半所对应的频率宽度，称为该传输线的传输带宽。l如果将脉冲信号经过同样一段长度的传输线传输后，在其终端观察，输出端脉冲将发生时间展宽，把这种波形展宽现象称为色散色散，色散大小也直接影响传输线的带宽。2.带宽带宽561.4.2 1.4.2 传输单位传输单位1.1.相对电平相对电平2.2.绝对电平绝对电平3.3.正电平、负电平和零电平的意义正电平、负电平和零电平的意义 4.4.绝对电平的修正值绝对电平的修正值 5.5.相对电平与绝对电平之间的关系相对电平与绝对电平之间的关系 571.4.2 1.4.2 传输单位传输单位传输计量量单位位为何要采用何要采用“分分贝/分分贝毫瓦毫瓦(dB/(dB/dBmdBm)”来描述来描述?由声学分析知，人耳对声音强弱变化的感觉不是与信号功率的变化成正比，而是与信号功率变化的对数成正比的。例如将功率为0.1mw的信号提高到1mw，信号功率增大了10倍，但对人的听觉来说声音响度只增大lg1/0.1=lg10=1倍。另一方面，人眼对亮度变化同人耳一样，也是和功率变化的对数规律成正比的。因此，采用功率比的对数作为传输单位，正好能反映听觉和视觉的特性。581.4.2 1.4.2 传输单位传输单位l目前国际上通用的传输单位为有两种，一种是分贝(用dB表示)，一种是奈培（用NP表示）。l传输电平就是用分贝或奈培作为计量单位来表示的信号大传输电平就是用分贝或奈培作为计量单位来表示的信号大小或强弱小或强弱，电平高意味着信号强、功率大、电压高、电流大，电平低则相反。l所谓某点的某点的电平平，是指电信系统中某一信号的实测功率（或电压、电流）值与某参考点某参考点的信号功率（或电压、电流）之比的之比的对数数值，某参考点的信号功率（或电压、电流）又称为基准功率基准功率（或基准电压、基准电流）。l需指出的是：基准功率是基本不变的，而基准电压或基准电流则是根据在某一阻抗上所获得的基准功率来确定的。当阻抗变化时，基准电压或基准电流也要随之而变化。n 传输单位与传输电平传输单位与传输电平591.4.2 1.4.2 传输单位传输单位l以功率进行计算时，则两点间的相对功率电平为：(1.3)l以电压进行计算时，则两点间的相对电压电平为：(1.4)l以电流进行计算时，则两点间的相对电流电平为：1.相对电平相对电平(1.5)以上各式中P2、U2、I2分别为被测点(实测点)的信号功率、电压、电流；P1、U1、I1分别为某参考点(又称为基准)的信号功率、电压、电流。601.4.2 1.4.2 传输单位传输单位n奈培和分贝之间的转换关系：设LP=1NP ,则由式(1-3)知：，这个功率比如用常用对数表示则是：以上分析说明：(1.6)611.4.2 1.4.2 传输单位传输单位绝对电平与相对电平不同的是基准值为固定值。在电话通信中,绝对电平的基准参考点的阻抗R0=600欧姆,功率值P0=1mw时,就可分别计算出绝对电压电平的基准参考点电压U0值和绝对电流电平基准参考点电流I0值。U0值是根据在600欧姆阻抗上获得1mw 基准功率来确定的，即：2.绝对电平绝对电平 同理，I0值也是根据在600欧阻抗上获得lmw基准功率确定的，即：621.4.2 1.4.2 传输单位传输单位若被测点阻抗RX=600欧姆时，则测试点X的绝对功率电平可以 表示为；U0值是根据在600欧姆阻抗上获得1mw 基准功率来 确定的，即：2.绝对电平绝对电平或(1.7)同理，测试点X的绝对电压电平可表示为：或(1.8)631.4.2 1.4.2 传输单位传输单位2.2.绝对电平绝对电平例1-1：设某传输设备中测试点阻抗RX=600欧姆，若该点信号功率分别为0.1mw,1mw,10mw，试计算该点绝对功率电平值是多少？解：641.4.2 1.4.2 传输单位传输单位由例1-1可以看出,绝对功率电平(或绝对电压电平、绝对电流电平)可为正、零、负值。以功率电平为例，由定义知：当PX=P0时，电平为零，其含义是该点的功率等于基准功率。当PXP0时,电平是负值,其含义是该点的功率小于基准功率。当 PXP0时,电平是正值,其含义是该点的功率大于基准功率。3、正电平、负电平和零电平的意义、正电平、负电平和零电平的意义651.4.2 1.4.2 传输单位传输单位4.4.绝对电平的修正值绝对电平的修正值若被测点阻抗Rx600欧，测试点X的绝对功率电平为：（1.10）由（1.10）式可知，此时测试点的绝对功率电平在数值上等于测试点的绝对电压电平再加上修正值661.4.2 1.4.2 传输单位传输单位4.4.绝对电平的修正值绝对电平的修正值例1-2：设某测试点阻抗Rx分别为75，150，300，则从电平表上读出的绝对电压电平值应加上多大修正值Kx才是测试点的绝对功率电平值？解：671.4.2 1.4.2 传输单位传输单位5.5.相对电平与绝对电平之间的关系相对电平与绝对电平之间的关系 由式（1-3）可知：（1-12）可见，两点间的相对功率电平等于该两点的绝对功率电平之差。这种关系对于电压电平和电流电平都成立。1.4 传输特性和传输单位传输特性和传输单位课后复习情况检测：课后复习情况检测：1.电信号在信道上传输时主要看重的两大传输特性是?2.衰减（或增益）的定义、公式和单位是怎样的？3.针对传输数字信号和模拟信号定义的“信道带宽”在其表示方式和单位上有何区别?4.国际上通用的传输单位有哪两种，为什么要采用功率比的对数作为计量单位？5.什么是“传输电平”，传输电平的高、低反映了怎样的物理意义？6.“某点的电平”大小的计算方法是如何定义的，有几种形式？什么是基准功率（或基准电压、基准电流）?1.4 传输特性和传输单位传输特性和传输单位 7.你能说出相对功率电平（或电压电平、电流电平）的书写方法、计算公式及其物理意义吗？8.奈培和分贝之间的换算关系是怎样的？9.什么是绝对电平，与相对电平的定义方式和单位符号有何区别？10.绝对电平的基准参考点的功率值P0、电压U0值和电流I0值是如何确定的？11.正电平、负电平和零电平分别表示怎样的物理意义？12.相对电平与绝对电平之间是什么关系？课后复习情况检测课后复习情况检测(2)(2)：70思考与练习思考与练习1什么是通信、电信、电信传输、信道？电信号有哪些种类？信道有哪些种类？各有什么特征？2完整的电信传输系统是如何组成的？3电信传输有些什么特点？4常用传输介质的结构及用途是什么？5电磁波有哪些传播方式，常用传输信道主要有哪几种类型的电磁波模式（波形）？6信号在恒参信道中传输时主要有哪些失真？7有线和无线信道特性有哪些？8以功率电平为例，请简述正电平、负电平和零电平的意义。71思考与练习思考与练习9试简述绝对电平和相对电平的意义以及两者之间的关系。10已知测试点的阻抗RL=75，其电压为0.85 V，试计算测试点上的绝对功率电平是多少？11设电路某点的绝对功率电平为（1）0.5Np，（2）-1.5 Np，（3）-7 dBm试求该点的功率值。12已知测试点功率为0.2 W，线路始端功率为10 mW，求测试点的相对功率电平值。13已知测试点电压为0.7 V，线路始端电压为0.2 V，求测试点的相对电压电平值。