信号及系统第二章课件

1、第二章 传输介质n传输介质的基本概念n双绞线n同轴电缆n无线信道n无线信道的微波频段n光纤1传输介质n传输介质提供通信设备之间的物理通道，是信息传输的实际载体;n传输介质的多样性：源于通信环境和业务的多样性;n有线通信与无线通信中的信号传递实际上都是电磁波在不同介质中的传播过程；2传输介质的分类n传输介质的分类n有线n双绞线（屏蔽/非屏蔽）n同轴电缆n光纤3有线传输介质的特点n带宽资源丰富，使用频率不受管制n保密性好n抗干扰能力强n安装工期长n成本（电缆成本低/主要用于接入网、光纤成本高/主要用于骨干网）4传输介质的分类n传输介质的分类n无线n地面微波n卫星n红外n5无线传输介质的特点n建网快

2、捷、移动性好n频谱宽度低于电缆n成本有时远高于有线介质n多数无线频段需要授权/购买才能使用6各种通信技术对电磁波频谱的使用7传输介质与传输技术的设计n选择传输介质的标准n传输特性：带宽、抗干扰性、传输距离（再生/放大在光纤和微波中的应用）n误码率（检纠错技术 ）n传播时延和响应时间（卫星）n安全性（有线/无线）n成本n实用的传输技术应考虑各种因素的影响进行折衷。8双绞线n双绞线的概述n双绞线的特点n双绞线的应用9双绞线的概述n双绞线的定义：一对带有屏蔽层的铜线以螺旋的方式缠绕在一起，由多对这样的双绞线构成电缆。n传输平衡信号：两条导线同时传输信号，其相位差为180o,外界的电磁干扰可以相互抵消

3、。n通过螺旋式的布线来消除干扰，每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。10双绞线的概述n区分双绞线类型的特征n导线直径（越宽传输能力越强）n含铜量（越高传输能力越强）n单位长度绕数（单位长度绕数越多，抗干扰性越强）n屏蔽措施（采用金属封装，屏蔽/非屏蔽双绞线）n上述因素综合决定了双绞线的传输距离和传输速率。11双绞线的概述12双绞线是由一对相互绝缘的金属导线绞合而成。采用这种方式，不仅可以抵御一部分来自外界的电磁波干扰，而且可以降低自身信号的对外干扰。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。“双绞线的概述13p双绞线

4、分为屏蔽双绞线(Shielded Twisted Pair，STP)与非屏蔽双绞线(Unshielded Twisted Pair，UTP)p屏蔽双绞线在双绞线与外层绝缘封套之间有一个金属屏蔽层。屏蔽双绞线分为STP和FTP，STP指每条线都有各自的屏蔽层，而FTP只在整个电缆均有屏蔽装置，并且两端都正确接地时才起作用。p屏蔽层可减少辐射，防止信息被窃听，也可阻止外部电磁干扰的进入，使屏蔽双绞线比同类的非屏蔽双绞线具有更高的传输速率。双绞线的概述14p非屏蔽双绞线（UnshieldedTwisted Pair，缩写UTP）是一种数据传输线，由四对不同颜色的传输线所组成，广泛用于以太网路和电话线

5、中.双绞线的类型n传输模拟信号的带宽为250KHz，传输速率随传输距离的增加而降低。n屏蔽双绞线STPn非屏蔽双绞线UTPn1类（两对，语音和低速数据20kbit/s）n2类（语音、4Mbit/s的数据）n3类（语音、10Mbit/s的数据、以太网）n4类（语音、16Mbit/s的数据）n5类（语音、100Mbit/s的数据）n超5类（1000Mbit/s的数据）15双绞线的类型16n一类线（CAT1）：线缆最高频率带宽是750kHZ，用于报警系统，或只适用于语音传输.主要用于八十年代初之前的电话线缆n二类线（CAT2）：线缆最高频率带宽是1MHZ，用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传

6、输，常见于使用4MBPS规范令牌传递协议的旧的令牌网。n三类线（CAT3）：指目前在ANSI和EIA/TIA568标准中指定的电缆，该电缆的传输频率16MHz，最高传输速率为10Mbps（10Mbit/s），主要应用于语音、10Mbit/s以太网（10BASE-T）和4Mbit/s令牌环，最大网段长度为100m，采用RJ形式的连接器，目前已淡出市场。双绞线的类型17n四类线（CAT4）：该类电缆的传输频率为20MHz，用于语音传输和最高传输速率16Mbps（指的是16Mbit/s令牌环）的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和 10BASE-T/100BASE-T。最大网段长为100m，采用RJ

7、形式的连接器，未被广泛采用。n五类线（CAT5）：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，线缆最高频率带宽为100MHz，最高传输率为100Mbps，用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输，主要用于100BASE-T和1000BASE-T网络，最大网段长为100m，采用RJ形式的连接器。这是最常用的以太网电缆。在双绞线电缆内，不同线对具有不同的绞距长度。通常，4对双绞线绞距周期在38.1mm长度内，按逆时针方向扭绞，一对线对的扭绞长度在12.7mm以内。双绞线的类型18n超五类线（CAT5e）：超5类具有衰减小，串扰少，并且具有更高的衰减与串扰的比值（ACR）和信噪比（

8、Structural Return Loss）、更小的时延误差，性能得到很大提高。超5类线主要用于千兆位以太网（1000Mbps）。n.n计算机网络所使用的是3类线和5类线，其中10 BASE-T使用的是3类线，100BASE-T使用的5类线双绞线的特点n优点n成本低，易于安装n应用广泛（用户电话线、以太网）n缺点n带宽有限n信号传输距离短（1公里左右）n抗干扰能力不强（电磁干扰、电源线、潮湿）19双绞线的应用n电话传输系统中的用户线n用户环路，4KHz（模拟）nISDN（数字）nxDSL（数字）n数据通信系统中n以太网20同轴电缆n同轴电缆的概述n同轴电缆的特点n同轴电缆的应用21同轴电缆的

9、概述n同轴电缆的结构n铜导体n绝缘塑料层n金属屏蔽层（返回路径）n外套层n分类同轴电缆从用途上分可分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆（即网络同轴电缆和视频同轴电缆）。同轴电缆分50 基带电缆和75宽带电缆两类。基带电缆又分细同轴电缆和粗同轴电缆。基带电缆仅仅用于数字传输，数据率可达10Mbps。22同轴电缆的概述23同轴电缆的特点n同轴电缆传导交流电而非直流电，也就是说每秒钟会有好几次的电流方向发生逆转。n如果使用一般电线传输高频率电流，这种电线就会相当于一根向外发射无线电的天线，这种效应损耗了信号的功率，使得接收到的信号强度减小。n同轴电缆中心电线发射出来的无线电被网状导电层所隔离，网状导电层可

10、以通过接地的方式来控制发射出来的无线电。24同轴电缆的特点n75同轴电缆常用于CATV网，故称为CATV电缆，传输带宽可达1GHz，目前常用CATV电缆的传输带宽为750MHz。n50同轴电缆主要用于基带信号传输，传输带宽为12OMHz，总线型以太网就是使用50同轴电缆，在以太网中，50细同轴电缆的最大传输距离为185米，粗同轴电缆可达1000米。25同轴电缆的特点可用频带宽：可达数GHz（多业务、采用调制和复用支持多信道传输）；抗干扰能力强，误码率可达10-9；较大的传输距离（传输距离与传输速率）安装复杂、不容易移动；性价比较高（传输性能与成本）26同轴电缆的应用n长途电话传输，局间中继线路

11、：E1n有线电视广播：CATV（模拟传输）n局域网（10Mbit/s以太网）n射频信号线（基站的功率放大器与天线之间的连接线）27无线信道n无线信道的基本概念n电磁波在无线信道中的传播n无线信道的传播模型n无线信道的特点28无线信道的基本概念n无线信道的定义：无线通信中基站天线与用户天线之间的传播路径；n天线：用来发射电磁能量或者接收电磁能量的电导体或电导体系统。n无线通信的特点：由于远比有线通信恶劣和多变的无线传播环境，需要深入研究信道的特点以及对信道的使用方式。29无线信道的基本概念n无线信道中电波的传播不是单一路径，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各

12、个路径来的反射波到达时间不同，也就是各信号的时延不同。当发送端发送一个极窄的脉冲信号时，移动台接收的信号由许多不同时延的脉冲组成，我们称为时延扩展。30无线信道的基本概念n衰落 由于信道经过多个路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端迭加，有时迭加而加强（方向相同），有时迭加而减弱（方向相反）。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了快衰落。这种衰落是由多种路径引起的，所以称为多径衰落。 多径衰落为快衰落。 31无线信道的基本概念n 接收信号除瞬时值出现快衰落之外，场强中值（平均值）也会出现缓慢变化。主要是由地区位置的改变以及气象条件变化造成的，以致电波的折射传播随

13、时间变化而变化，多径传播到达固定接收点的信号的时延随之变化。n这种由阴影效应和气象原因引起的信号变化，称为慢衰落。32无线信道的基本概念n由于移动通信中移动台的移动性，如前所说那样，无线信道中还会有多普勒效应。在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低。我们在移动通信中要充分考虑“多普勒效应”。33无线信道的复杂性n无线信道的衰落特性取决于无线电波传播环境，不同的环境，其传播特性也不尽相同。n信号传输的信噪比相差大；n信道条件复杂，移动性不可控（变化大）；n衰落（陆地移动无线信道中信号强度的骤然降低）；n同频干扰。34电磁波在无线信道中的传播n基本传播机制n直射：即无线信

14、号在自由空间中的传播。n反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生反射。反射一般发生在地球表面、建筑物表面等。n绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖锐的物体边缘阻挡时发生绕射。n散射：当无线路径中存在小于波长的物体并且单位体积内这种障碍物体的数量较多时发生散射，通常发生在粗糙表面、小物体和不规则物体上，如树叶、灯柱等。35无线信道的传播模型n在设计无线通信技术或进行移动通信网络建设之前，必须对信号的传播特征、通信环境中可能受到的系统干扰等进行估计，这时的主要依据就是各种不同条件下的无线信道模型。n在移动网络规划中，如果话务量分布相同，但是建筑物、植被等情况不同，那么就必须应用不同的传播模

15、型。n无线信道的传播模型即是结合数学模型和实测结果，对移动无线传播面临的随时变化和复杂的环境进行近似，描述电波传播参数随时变化，引起的接收场强、时延等参数的快速波动规律的概括。3637无线信道的特点n频谱资源有限n传播环境复杂n存在多种干扰n网络拓扑多变38无线信道的特点39无线信道的微波频段n微波频段的定义n微波频段的特点n地面视距信道n微波通信的主要应用40无线信道的微波频段n微波通信包括地面微波接力通信、对流层散射通信、卫星通信、空间通信及工作于微波频段的移动通信。n中国微波通信广泛应用L、S、C、X诸频段，K频段的应用尚在开发之中。由于微波的频率极高，波长又很短，其在空中的传播特性与光

16、波相近，也就是直线前进，遇到阻挡就被反射或被阻断，因此微波通信的主要方式是视距通信，超过视距以后需要中继转发。41无线信道的微波频段n微波频段：1Ghz到100Ghz，也有定义认为微波频段的上限为1000GHz，实用的微波通信系统工作上限一般为50GHz；n微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。42微波通信Analogue Microwave Radio PathDigitalSignalModemModemDigitalSignal43n微波中继放大器之间的距离取

17、决于传输的频率；n微波在视距范围内传播。微波频段的定义n视距传播： 利用超短波、微波作地面通信和广播时，其空间波在所能直达的两点间的传播。其距离同在地面上人的视线能及的距离相仿，一般不超过50km。 44微波频段的定义n按照收、发两端所处的空间位置不同，视距按照收、发两端所处的空间位置不同，视距传播情况大体上可分为传播情况大体上可分为3 3类：类：第一类是指地面上的视距传播，例如无线电中继通信、电视广播以及地面上移动通信等；第二类是指地面与空中目标如飞机、通信卫星之间的视距传播；第三类是指空间通信系统之间的视距通信，如飞机之间、宇宙飞行器之间等。45微波频段的定义n按传播方式不同，视距传播可分

18、为按传播方式不同，视距传播可分为2 2类：类： 第一类是直射波传播，由发射天线辐射的电波，像光线一样按直线行进，直接传到接收点的传播方式。第二类是大地反射波传播，由发射天线发射、经地面反射到达接收点的传播方式。 视距传播是上述两种传播方式的统称，在接收点接收的电波一般是直射波与大地反射波的合成。46微波频段的定义n超视距传播：利用大气对流层内的湍流运动产生折射率不均匀性，通过电磁波在超过两点间直达距离的传播。n非视距传播：发送端与接受端之间的无线电波直射路径受地面阻挡的情况。 47微波频段的特点n微波的优点n工作频率高，可用带宽大（几十兆赫兹）；n波长短，易于设计高增益的天线。n受天电干扰小（

19、天电干扰、工业干扰和太阳黑子活动基本不影响微波频段）。n微波的缺点n视距范围传播；n对气候敏感（容易受天气影响，雷雨、空气凝结物等都会引起反射，影响通信效果）；n需要频带使用许可。4849地面视距信道n微波传输的信道也被称为地面视距信道，主要考虑的因素包括大气效应和地面效应。n吸收衰减：12GHz以上频段（水气、氧气吸收水分）n雨雾衰减：10GHZ以上频段，微波传输的主要影响因素；n大气折射：是由于空气密度存在梯度而造成的微波传播方向的改变。n费涅尔效应：描述了微波传播在遇到障碍物时产生的附加损耗。n地面反射：是传播过程中产生电平衰落的主要原因。n频率选择性衰落。50微波通信的主要应用n微波的

20、主要应用系统：n微波中继通信；n多点分配业务（LMDS/MMDS）；n无线局域网； n第四代移动通信系统。n主要应用场景：地形受限时的接入（有线网络的补充）、长途中继通信、应急通信等。51卫星通信GeostationarySatelliteMicrowave Radio SignalsDelay in one directionfrom earth station toearth station is 250ms (.25secs)36,000kmEarthStationEarthStation522022-1-1353卫星通信的概念n卫星通信是利用卫星作为中继站，转发微波信号，实现两个或多个

21、地球站间的通信方式。 低/中轨道卫星通信系统高轨道卫星通信系统2022-1-1354卫星的频带卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。全球覆盖的固定卫星通信业务静止地球轨道(GEO）卫星，轨道高度大约为36 000km，成圆形轨道，只要三颗相隔120的均匀分布卫星，就可以覆盖全球。国际卫星通信组织的Intelsat I-IX代卫星。是全球覆盖的最好例子，目前已发展到第九代。2022-1-1355卫星的频带n由于静止卫星在赤道上空36000千米，它绕地球一周时间恰好与地球自转一周（23小时56分4秒）一致，从地面看上去如同静止不动一样。三颗相距120度的卫星就能覆盖整个赤道圆周。故卫星通信易于实现

22、越洋和洲际通信。n最适合卫星通信的频率是1一10GHz频段，即微波频段、为了满足越来越多的需求，已开始研究应用新的频段，如12GHz,14GHz,20GHz及30GHz。2022-1-1356卫星通信系统的分类n低轨道卫星通信系统低轨道卫星通信系统(LEO)(LEO)：p 卫星距地面5002000Km，传输时延和功耗都比较小，但每颗星的覆盖范围也比较小，典型系统有Motorola的铱星系统。低轨道卫星通信系统由于卫星轨道低，信号传播时延短，所以可支持多跳通信；其链路损耗小，可以降低对卫星和用户终端的要求，可以采用微型/小型卫星和手持用户终端。p由于轨道低，每颗卫星所能覆盖的范围比较小，要构成全

23、球系统需要数十颗卫星，如铱星系统有66颗卫星2022-1-1357卫星通信系统的分类n低轨道卫星通信系统低轨道卫星通信系统(LEO)(LEO)： 低轨系统的系统构成和控制复杂、技术风险大、建设成本也相对较高。2022-1-1358卫星通信系统的分类n中轨道卫星通信系统中轨道卫星通信系统(MEO)(MEO)：p 距地面200020000Km，传输时延要大于低轨道卫星，但覆盖范围也更大，典型系统是国际海事卫星系统p中轨道系统可以采用简单的小型卫星，可能是建立全球或区域性卫星移动通信系统较为优越的方案2022-1-1359卫星通信系统的分类n高轨道卫星通信系统高轨道卫星通信系统(GEO)(GEO)：

24、距地面35800km，即同步静止轨道。理论上，用三颗高轨道卫星即可以实现全球覆盖。同步卫星有一个不可克服的障碍，就是较长的传播时延和较大的链路损耗，严重影响到它在某些通信领域的应用，特别是在卫星移动通信方面的应用.同步轨道卫星通信系统主要用于VSAT系统、电视信号转发等，较少用于个人通信。2022-1-1360卫星的频带卫星频率分配涉及的两个频带上行链路：地面站到卫星；下行链路：卫星到地面站。卫星通信使用的频谱资源C波段Ku波段Ka波段L波段卫星通信的发展历史n提出：1945年，英国科学家发表论文“地球外的中继”；n实验阶段：1954-1964年；n实用阶段：1964年以来nIntelsat（

25、国际通信卫星组织，发射经营商用通信卫星 ）nInmarsat（国际海事卫星系统，向航海、航空和海上工业提供遇险和安全通信服务及电话、电传、数据和传真 ）n铱系统（LEO，motorola，66颗）；n全球星系统(Globalstar，地面蜂窝系统的延伸，48颗)；612022-1-1362卫星通信的特点n通信距离远, 通信成本与距离无关；n下行广播，覆盖范围广；n通信链路相对稳定(与地面无线通信链路比较)；n通信容量大，可提供较大的带宽和数据速率；n信号传输时延长、衰减大；n卫星设备管理和控制复杂。n成本高。卫星通信的特点n卫星的优点n远程接入；n覆盖范围广；n对地球拓扑不敏感；n成本和距离的

26、关系小；n高带宽。632022-1-1364卫星的缺点n初装成本高；nGEO系统传输时延较大；n环境干扰问题；n需要许可证；n某些区域内分配受限制；n自然现象造成影响。2022-1-1365卫星的应用n基本应用环境n陆地设备无法到达的远程通信；n点对多点通信；n应急通信系统。n典型系统n铱星系统；n国际海事卫星系统(Inmarsat)；n全球星系统(Globalstar) 。光纤n光纤通信的概念与基本原理n光纤的工作窗口n光纤的相关概念n光纤作为传输介质的主要特点66光纤通信的概念与基本原理n光纤通信的历史n19501960年，光纤之父Charles Kao提出制造光纤的设想，2009年度获诺贝尔奖；n1970年,美国康宁公司首次研制成功达到实用水平的光纤；n目前光纤传输技术已经达到数千公里无中继的先进水平。 67光纤通信的定义n光纤通信的定义：光纤通信是以光波为载频，光导纤维为传输媒介的一种通信方式。n光纤通信一般在发送方对信息的数字编码进行强度调制，在接收端以直接检波的方式来完成光电变换。n光纤的潜在容量可达数百太比特/秒，要比传统电缆的容量至少高出5个数量级。68光纤的基本原理n光缆的工作原理n光在空气中沿直线传播；n光从一种介质进入另一种介质会发生折射；n当光从折射率大的介质进入折射率小的介质时，如果入射角大于临界