电信传输原理第1章 电信传输的概念ppt课件

1、第第1 1章章 电信传输概念电信传输概念内容提要内容提要2通信基本概念及系统模型通信基本概念及系统模型电磁波及其频段划分电磁波及其频段划分微波和光波微波和光波电信传输信道电信传输信道信道的传输特性信道的传输特性发展历史发展历史1.1 通信基本概念及系统模型通信是指通过某种媒质将消息从一地传输通信是指通过某种媒质将消息从一地传输到另一地的过程。简单的说，消息传输就到另一地的过程。简单的说，消息传输就是通信。是通信。通信的目的是为了获取信息。通信的目的是为了获取信息。 1.1.1 通信的基本概念通信的基本概念通常用语言、文字、图像和数据等方式来描述通常用语言、文字、图像和数据等方式来描述消息。例如

2、：电话中的语音；电视中的图像等消息。例如：电话中的语音；电视中的图像等都称为消息。都称为消息。信息是消息中包含的有意义的内容，信息是抽信息是消息中包含的有意义的内容，信息是抽象的，因而，信息必须借助于载体象的，因而，信息必须借助于载体-消息消息，才能够便于人们进行信息的传递、交换、存，才能够便于人们进行信息的传递、交换、存储和提取。储和提取。1.1.1 通信的基本概念通信的基本概念消息在许多情况下不便于传送和交换，必须转换成适合消息在许多情况下不便于传送和交换，必须转换成适合信道传输的形式，为此需要用光、声、电等物理量来运信道传输的形式，为此需要用光、声、电等物理量来运载，这些物理量就称为信号

3、。如光信号、声信号、电信载，这些物理量就称为信号。如光信号、声信号、电信号等。因此信号是用来携带消息的载体，但不是消息本号等。因此信号是用来携带消息的载体，但不是消息本身。身。通信是指通过某种媒质将消息从一地传输到另一地的过通信是指通过某种媒质将消息从一地传输到另一地的过程。简单的说，消息传输就是通信。通信的目的是为了程。简单的说，消息传输就是通信。通信的目的是为了获取信息。获取信息。1.1.2 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号信号参量幅度或者频率随消息作连信号参量幅度或者频率随消息作连续变化的信号，此信号就称为模拟信号续变化的信号，此信号就称为模拟信号，又称为连续信号。，又称为连续信号。

4、信号在时间上和幅度取值上均离散的信信号在时间上和幅度取值上均离散的信号称为数字信号。号称为数字信号。1.1.2 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号图1-1 模拟信号图1-2 数字信号1.1.2 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 数字信号通常可由模拟信号获得。数字信号数字信号通常可由模拟信号获得。数字信号便于存储、处置、传输，与模拟信号相比最大便于存储、处置、传输，与模拟信号相比最大的优点是数字信号抗干扰性强，噪声不积累。的优点是数字信号抗干扰性强，噪声不积累。由于信号在通信中传输一段距离后，信号能量由于信号在通信中传输一段距离后，信号能量会受到损失，噪声的干扰会使波形变坏，为了会受到损失

5、，噪声的干扰会使波形变坏，为了提高其信噪比，要及时将变形的信号进行处理、提高其信噪比，要及时将变形的信号进行处理、放大，如图放大，如图1-3a所示。所示。在模拟通信中，由于传输的信号是模拟信号在模拟通信中，由于传输的信号是模拟信号幅值是连续的因此难以把噪声干扰分开而幅值是连续的因此难以把噪声干扰分开而去掉，随着距离的增加，信号的传输质量会越去掉，随着距离的增加，信号的传输质量会越来越恶化，如图来越恶化，如图1-3b所示。所示。1.1.2 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号图1-3 两类通信方式抗干扰性能比较 只要把信息从一个地方传送到另一个地方，均称为通信。虽然通信系统种类繁多、形式各异，但

6、实质都是完成从一个地方到另一个地方的信息传递或交换。一个简单的传输电信系统由信源、发送器、信道、交换设备、接收器、信宿和噪声组成。 1.1.3 电信传输系统模型电信传输系统模型图1-4 电信传输系统基本模型1.1.3 电信传输系统模型电信传输系统模型信息源：产生消息的源，把人或设备发出的信息变换为原始的电信号。信息源：产生消息的源，把人或设备发出的信息变换为原始的电信号。发送设备：负责将信息源发出的信号变成适合于信道传输的信号。发送设备：负责将信息源发出的信号变成适合于信道传输的信号。接收设备：把从传输信道中接收的信号恢复成相应原始信号的设备，与接收设备：把从传输信道中接收的信号恢复成相应原始

7、信号的设备，与发送设备功能相反。发送设备功能相反。接收设备：将复原的原始信号转换成相应的消息的宿端，也称为信宿。接收设备：将复原的原始信号转换成相应的消息的宿端，也称为信宿。信道：信号传输的通道，是通信系统的重要组成部分，包括明线、电缆、信道：信号传输的通道，是通信系统的重要组成部分，包括明线、电缆、光缆、及无线方面的各波段的电磁波等。光缆、及无线方面的各波段的电磁波等。l1.1.数字传输系统模型数字传输系统模型 l 由于目前的通信系统中传输的是数字信号由于目前的通信系统中传输的是数字信号，因而，现代电信传输系统一般又称为数字传，因而，现代电信传输系统一般又称为数字传输系统。图输系统。图1-5

8、1-5所示为数字传输系统模型。所示为数字传输系统模型。图1-5 数字传输系统模型信源提供的语音、数据、图像等待传递的信息经信源编码、信道编码和调制，将其频谱搬移到对应传输介质导向传输介质和非导向传输介质的传输频段内，通过传输介质传输至对方后，再经解调等逆变换，恢复成受信者适用的信息形式，这一全过程信息所通过的通信设备的总和统称为数字传输系统。简单说，传输系统起到为需要进行信息交互的设备之间提供信息传递的通道。传输系统作为信道可连接两个终端设备构成电信系统，作为链路则可连接网节点的交换系统构成电信网。传输系统按其传输信号性质可分为模拟信号传输系统和数字信号传输系统两类；按其传输媒质可分为有线传输

9、系统和无线传输系统两类。l2.2.传输系统在通信网中的位置传输系统在通信网中的位置 l 图1-6 传输系统在通信网中的位置内容提要内容提要15通信基本概念及系统模型通信基本概念及系统模型电磁波及其频段划分电磁波及其频段划分微波和光波微波和光波电信传输信道电信传输信道信道的传输特性信道的传输特性发展历史发展历史在通信过程中，人们先把通信消息，例如：声音、图像、文字等转在通信过程中，人们先把通信消息，例如：声音、图像、文字等转变为电信号，这些电信号以电磁波作为载体，由电磁波带着向周围变为电信号，这些电信号以电磁波作为载体，由电磁波带着向周围空间传播。而在另一地点，人们利用接收机接收到这些电磁波后，

10、空间传播。而在另一地点，人们利用接收机接收到这些电磁波后，又将其中的电信号还原成声音、图像、文字等消息，这就是信息传又将其中的电信号还原成声音、图像、文字等消息，这就是信息传播即通信的大致过程。播即通信的大致过程。通信方式一般可分为两大类：一类称为有线通信，一类称为无线通通信方式一般可分为两大类：一类称为有线通信，一类称为无线通信。有线通信方式是传输线引导电磁波按照一定方向进行传播，能信。有线通信方式是传输线引导电磁波按照一定方向进行传播，能量由发送方传送到接收方，传输效率较高；无线通信方式是利用天量由发送方传送到接收方，传输效率较高；无线通信方式是利用天线将电磁波辐射到需要的空间区域进行信息

11、交换。线将电磁波辐射到需要的空间区域进行信息交换。1.2 电磁波及其频段划分 波速波速c c和频率（和频率（ ）的比值称为波长，用表示，单位是米）的比值称为波长，用表示，单位是米m m）波长与频率成反比，波长越大，频率越小，反之，频率越大，波长波长与频率成反比，波长越大，频率越小，反之，频率越大，波长越小。越小。 在无线通信设备中，为了保证有效的发射和接收，天线的设计依据在无线通信设备中，为了保证有效的发射和接收，天线的设计依据最重要的参数就是波长。天线理论要求：为了得到尽可能高的发射最重要的参数就是波长。天线理论要求：为了得到尽可能高的发射效率，天线的长度效率，天线的长度L L要与发射信号的

12、波长相比拟，通常要求要与发射信号的波长相比拟，通常要求1.2 电磁波及其频段划分 cf42L1.2.1 电磁波段划分电磁波段划分图1-7 电磁波段划分1.2.1 电磁波段划分电磁波段划分当电磁波频率不高时，如米波以上波长范围，广当电磁波频率不高时，如米波以上波长范围，广泛应用双线传输线来传输电信号。泛应用双线传输线来传输电信号。同轴线可用于较高频率，如分米波及厘米波波段。同轴线可用于较高频率，如分米波及厘米波波段。当频率更高时，如微波频段，就需要波导来进行当频率更高时，如微波频段，就需要波导来进行传输电信号。传输电信号。当频率达到光波时就选用光纤作为传输介质。当频率达到光波时就选用光纤作为传输

13、介质。 1.2.2 各波段的特点及应用各波段的特点及应用 甚长波和长波波段甚长波和长波波段 中波波段中波波段 短波波段短波波段 米波、分米波的一部分波段米波、分米波的一部分波段 厘米波波段厘米波波段 毫米波波段毫米波波段（1 1甚长波和长波波段甚长波和长波波段 该波段可以用天波和地波传播，而主要以地波传播该波段可以用天波和地波传播，而主要以地波传播方式为主。因地波传播频率愈高，大地的吸收愈大，方式为主。因地波传播频率愈高，大地的吸收愈大，故在无线电的早期是向低频率的方向发展。该波段主故在无线电的早期是向低频率的方向发展。该波段主要用于无线电导航航空和航海）、定点通信、海上要用于无线电导航航空和

14、航海）、定点通信、海上移动通信和广播。移动通信和广播。优点：优点：传播距离长，在海水上应用数千瓦的功率可以实现传播距离长，在海水上应用数千瓦的功率可以实现30003000公里的通信。公里的通信。电离层扰动的影响小。长波传播稳定，基本没有衰落电离层扰动的影响小。长波传播稳定，基本没有衰落现象。现象。波长愈长，大地或海水的吸收愈小，因此适宜于水下波长愈长，大地或海水的吸收愈小，因此适宜于水下和地下通信。和地下通信。缺点：容量小；大气噪声干扰大；需要大的天线。缺点：容量小；大气噪声干扰大；需要大的天线。（2 2中波波段中波波段 在中波，电磁波主要的传播方式是地波传播在中波，电磁波主要的传播方式是地波

15、传播。在这一频段的低端比高端传播得更好。出于频率。在这一频段的低端比高端传播得更好。出于频率增高，地面的情况差别已不太显著。该波段主要用增高，地面的情况差别已不太显著。该波段主要用于广播、无线电导航航空和航海）、海上移动通于广播、无线电导航航空和航海）、海上移动通信。由于中波传播的特点，特别适宜于地区性的广信。由于中波传播的特点，特别适宜于地区性的广播业务。在该频段信号稳定。播业务。在该频段信号稳定。（3 3短波波段短波波段 优点在于短波电离层通信简单，易于实现，优点在于短波电离层通信简单，易于实现，成本低，可用小功率和小得多的天线实现远距离通信。成本低，可用小功率和小得多的天线实现远距离通信

16、。 也有其缺点即通信不稳定；有严重的衰落，也有其缺点即通信不稳定；有严重的衰落，必须采用分集接收才能得到较稳定的通信；它还受电必须采用分集接收才能得到较稳定的通信；它还受电离层扰动的影响，大气等自然干扰也比较大。离层扰动的影响，大气等自然干扰也比较大。 除军用战术小型电台还采用短波地波通信除军用战术小型电台还采用短波地波通信外，其它地方是很少采用的。外，其它地方是很少采用的。（4 4米波、分米波的一部分波段米波、分米波的一部分波段 这一波段是一个这一波段是一个“中间波段。它基本上不中间波段。它基本上不能被电离层反射，地波传播的距离非常短，因此该能被电离层反射，地波传播的距离非常短，因此该波段主

17、要的传播方式是视距内的空间波传播，以及波段主要的传播方式是视距内的空间波传播，以及对流层散射和电离层散射。该频段的优点是：对于对流层散射和电离层散射。该频段的优点是：对于低容量系统可以用小尺寸天线。明显地，这种特点低容量系统可以用小尺寸天线。明显地，这种特点特别适宜于移动通信。特别适宜于移动通信。（5 5短波波段短波波段 该频段的传播特点是视距传播，大气噪声该频段的传播特点是视距传播，大气噪声低，但在某些频率区域低，但在某些频率区域3 3厘米波长），大气水汽厘米波长），大气水汽吸收比较大。另外，该频段也用散射方式传播。在该吸收比较大。另外，该频段也用散射方式传播。在该频段中，由于没有大气噪声的

18、干扰，同时波长短的天频段中，由于没有大气噪声的干扰，同时波长短的天线的波束容易做的很窄，所以无线电导航和雷达特别线的波束容易做的很窄，所以无线电导航和雷达特别适合。目前已经将此波段分配给定点及移动通信、导适合。目前已经将此波段分配给定点及移动通信、导航、雷达、气象、无线电天文学、空间通信、业余无航、雷达、气象、无线电天文学、空间通信、业余无线电使用。线电使用。（6 6毫米波波段毫米波波段 该波段的优点是：具有极宽的带宽；波束窄；与激光相比，毫该波段的优点是：具有极宽的带宽；波束窄；与激光相比，毫米波的传播受气候的影响要小得多，可以认为具有全天候特性米波的传播受气候的影响要小得多，可以认为具有全

19、天候特性；和微波相比，毫米波元器件的尺寸要小得多，因此毫米波系；和微波相比，毫米波元器件的尺寸要小得多，因此毫米波系统更容易小型化等优点。统更容易小型化等优点。 其缺点是：大气中传播衰减严重；器件加工精度要求高。其缺点是：大气中传播衰减严重；器件加工精度要求高。 毫米波在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学、临床医毫米波在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学、临床医学和波谱学方面都有重大的意义。利用大气窗口的毫米波频率学和波谱学方面都有重大的意义。利用大气窗口的毫米波频率可实现大容量的卫星可实现大容量的卫星- -地面通信或地面中继通信。地面通信或地面中继通信。 从从4040千兆赫到千兆赫到

20、30003000千兆赫这是光波的下限千兆赫这是光波的下限) )，除了激光以外，除了激光以外，还未能很好的加以利用。有待于以后的研究和发展。，还未能很好的加以利用。有待于以后的研究和发展。内容提要内容提要25通信基本概念及系统模型通信基本概念及系统模型电磁波及其频段划分电磁波及其频段划分微波和光波微波和光波电信传输信道电信传输信道信道的传输特性信道的传输特性发展历史发展历史1.3 微波和光波 1.3.1 微波及其特点微波及其特点 微波是一个非常特殊的电磁波段，频率为300MHz-300GHz的电磁波，微波的波长在0.1mm1m之间。能提供的通信容量较大，在目前得到了快速发展。 微波波段有着不同于

21、其他波段的重要特点：似光性和拟声性频率高，提供的容量大微波能穿透电离层传播散射特性 1.3.1 微波及其特点微波及其特点 微波在通信中的作用就是利用微波作为信息的载体来传输信息。在发信方，用振荡器产生微波，再用调制器使微波携带信息，然后将它们放大，最后送到天线上辐射出去。带着信息的微波为远方的接收机所接收，再用解调器将信息取出，微波便完成了传输的任务。 1.3.2 光波光波光波是指波长在0.33m之间的电磁波。因为光是电磁波的一种，故有此称。光具有波粒二象性，也就是说微观来看，由光子组成，具有粒子性；但是宏观来看又表现出波动性。光波的传播实际是电磁波的传播，光波在大气中传播时，受到大气的吸收、

22、散射、折射和闪烁等影响，影响程度与光波波长有密切关系。作为一种波，向外辐射能量，光纤通信就是利用光波作为载频和光纤作为传输媒质的一种通信方式。它是以激光作为信息的载体，光波工作在电磁波频谱图中的近红外区，即波长是0.8m-1.8m，对应的频率为167THz-375THz。光波内容提要内容提要29通信基本概念及系统模型通信基本概念及系统模型电磁波及其频段划分电磁波及其频段划分微波和光波微波和光波电信传输信道电信传输信道信道的传输特性信道的传输特性发展历史发展历史1.4 电信传输信道 1.4.1 信息传输信息传输 信息传输就是将携带信息的信号经信道由一端传送到另一端的过程。信源提供的语音、数据、图

23、像等需要传递的信息由用户终端设备变换成需要的信号形式，经传输终端设备进行调制，将其频谱搬移到对应传输媒质的传输频段内，通过信道传输到对方后，再经解调等逆变换，恢复成信宿适合的消息形式。信息本身并不能被传送或接收，必须有载体，如电信号、光信号等。 1.4.2 信道概念及分类信道概念及分类 信道是信号传输的通道。信道由各种各样的传输媒质支撑，传输媒质是用于承载传输信息的物理媒体，是传递信号的通道，提供两地之间的传输通路。 根据传输媒质是否有形信道分为两种：一是电磁信号在某种有形的传输线上传输的有线信道，目前主要由电缆、光缆构成。二是电磁信号在自由空间中传输的无线信道，主要由微波、卫星、移动无线信道

24、组成。 1.4.3 有线传输信道有线传输信道 不同的通信媒体具有不同的属性，应针对不同的用途应用在不同的场合，发挥不同通信媒体的最佳效能。 有线信道的电磁能量被约束在某种传输线上传输，包括平行导体传输线、同轴电缆传输线、微带传输线、波导传输线、光纤传输线等。（1 1架空明线和平行双线电缆架空明线和平行双线电缆 架空明线是利用金属裸导线捆扎在固定的线担上的绝缘子上，是架空明线是利用金属裸导线捆扎在固定的线担上的绝缘子上，是架设在电线杆上的一种通信线路。如图架设在电线杆上的一种通信线路。如图1-8(a)1-8(a)所示。所示。 平行双线电缆是一种双线平行导体传输线，如图平行双线电缆是一种双线平行导

25、体传输线，如图1-8(b)1-8(b)所示。所示。 （a架空明线 （b平行双线电缆图1-8架空明线和平行双线电缆图1-9 对称电缆和双绞线电缆（1 1架空明线和平行双线电缆架空明线和平行双线电缆 架空明线主要由导线、电杆、线担、绝缘子和拉线等组成，如架空明线主要由导线、电杆、线担、绝缘子和拉线等组成，如图图1-6(a)1-6(a)所示。架空明线暴露在大自然环境中，它的惟一优点所示。架空明线暴露在大自然环境中，它的惟一优点是结构简单，因为没有屏蔽，所以明线传输线辐射损耗高并且是结构简单，因为没有屏蔽，所以明线传输线辐射损耗高并且易受噪声及外界电磁场的干扰。易受噪声及外界电磁场的干扰。 平行双线电

26、缆是一种双线平行导体传输线，两个导体承载电流平行双线电缆是一种双线平行导体传输线，两个导体承载电流，其中一个导体承载发出的信号，另一个承载返回的信号，任，其中一个导体承载发出的信号，另一个承载返回的信号，任何一对传输线都可以在平衡模式下工作，如图何一对传输线都可以在平衡模式下工作，如图1-6(b)1-6(b)所示。所示。（2 2对称电缆对称电缆 对称电缆是由若干条扭绞成对或组的导电芯线加绝缘层组合而对称电缆是由若干条扭绞成对或组的导电芯线加绝缘层组合而成的缆芯，以及在缆芯外面加上金属编织物等构成。如图成的缆芯，以及在缆芯外面加上金属编织物等构成。如图1-91-9a a所示。目前，最常用的是软铜

27、线，也有采用半硬铝线，对称电缆主所示。目前，最常用的是软铜线，也有采用半硬铝线，对称电缆主要用于市话用户的电话线。要用于市话用户的电话线。 图1-9 对称电缆和双绞线电缆 导电芯线必须具有良好的导电性、柔软性和足够的机械强度。 绝缘层是为保证芯线之间和芯线与护层之间具有良好的绝缘性能，在每根导线外包裹绝缘纸带或聚苯乙烯或聚烯烃塑料层。编织物要连接到地，起屏蔽作用，以减少辐射损耗和干扰，金属编织物可以避免信号辐射出去，也可以阻止电磁干扰到达内部的信号导体。然后再覆盖保护的塑料外套。外面再包裹护层的一个整体。（3 3双绞线双绞线 在计算机网络中应用最多是双绞线电缆简称双绞线）。双绞线电在计算机网络

28、中应用最多是双绞线电缆简称双绞线）。双绞线电缆是由两根绝缘的导体扭绞封装在一个绝缘外套中而形成的一种传缆是由两根绝缘的导体扭绞封装在一个绝缘外套中而形成的一种传输介质，通常以对为单位，并把它作为电缆的内核，根据用途不同输介质，通常以对为单位，并把它作为电缆的内核，根据用途不同，其芯线要覆以不同的护套。双绞线是目前局域网最常用到的一种，其芯线要覆以不同的护套。双绞线是目前局域网最常用到的一种电缆，它既可以传输模拟信号又可以传输数字信号。双绞线电缆如电缆，它既可以传输模拟信号又可以传输数字信号。双绞线电缆如图图1-9(b)1-9(b)所示。所示。 图1-9 对称电缆和双绞线电缆（4 4同轴电缆同轴

29、电缆 同轴导体被广泛地用于高频应用以减少损耗并隔绝传输线路。基本同轴导体被广泛地用于高频应用以减少损耗并隔绝传输线路。基本的同轴电缆包括一个中心导体，周围是同心的的同轴电缆包括一个中心导体，周围是同心的( (与中心距离相同与中心距离相同) )外外部导体。在相对高的频段上，同轴外导体提供极好的屏蔽以防止外部导体。在相对高的频段上，同轴外导体提供极好的屏蔽以防止外部干扰。广泛使用的同轴电缆有两种，一种是阻抗部干扰。广泛使用的同轴电缆有两种，一种是阻抗5050的基带同轴电的基带同轴电缆，主要用于传输数字信号；另一种是阻抗为缆，主要用于传输数字信号；另一种是阻抗为7575的宽带同轴电缆，的宽带同轴电缆

30、，主要用于传输模拟信号，如闭路电视信号等。主要用于传输模拟信号，如闭路电视信号等。 图1-9 同轴电缆固态柔韧型）（5 5微带线和矩形波导微带线和矩形波导 微带线应用于高频微带线应用于高频(300(3003000 MHz)3000 MHz)。在印制电路板。在印制电路板(PC(PC，Printed Printed Circuit)Circuit)上使用铜线构成的特殊传输线称为微带线或带状线，已在上使用铜线构成的特殊传输线称为微带线或带状线，已在PCPC板上被用于元件的连接。如图板上被用于元件的连接。如图1-11(a)1-11(a)给出了一个简化的单轨微给出了一个简化的单轨微带线路。带线路。 波导

31、波导(Wave Guide)(Wave Guide)的最简单形式是一个空心导管，其横截面通常是的最简单形式是一个空心导管，其横截面通常是矩形，如图矩形，如图1-11(b)1-11(b)所示，但也有圆形或椭圆形波导，可以限定电所示，但也有圆形或椭圆形波导，可以限定电磁波能量的边界，最常用的波导是矩形波导。磁波能量的边界，最常用的波导是矩形波导。 图1-11 微带线和矩形波导（6 6光纤光纤 光纤光缆已在长途通信网、市话通信网中取代原用的电缆，光纤光缆已在长途通信网、市话通信网中取代原用的电缆， 光缆光纤具有重量轻、传输容量大、频带宽、抗干扰能力强等光缆光纤具有重量轻、传输容量大、频带宽、抗干扰能

32、力强等优点。优点。 光纤是利用光的全反射特性来导光的。光纤光纤是利用光的全反射特性来导光的。光纤Optical FiberOptical Fiber是是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝，其结构图见图由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝，其结构图见图1-121-12所示。所示。图1-12 光纤结构图（6 6光纤光纤 由于光纤纤芯细如发丝，由由于光纤纤芯细如发丝，由Si02Si02玻璃纤维组成，质地脆弱。为了使玻璃纤维组成，质地脆弱。为了使光纤能在工程中实用化，要承受工程中拉伸、侧压和各种外力作用光纤能在工程中实用化，要承受工程中拉伸、侧压和各种外力作用，且要具有一定的机械强度

33、而使性能稳定。因而，工程应用中需增，且要具有一定的机械强度而使性能稳定。因而，工程应用中需增加填充物、护套、涂敷处理及加强件，使光纤的强度提高，并将光加填充物、护套、涂敷处理及加强件，使光纤的强度提高，并将光纤制成不同结构、不同形状和不同种类的光缆，才能适应不环境下纤制成不同结构、不同形状和不同种类的光缆，才能适应不环境下光纤通信的需要。光纤通信的需要。图1-13 光纤结构及剖面示意图 1.4.4 无线传输信道无线传输信道 无线信道的介质是自由空间，电磁波在大气层、电离层或外层空间传送，如短波电离层、散射信道、微波视距信道、卫星远程自由空间的恒定参数信道等。在无线信道中信号的传递是利用电磁波在

34、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，实现有效地发射或接收电磁波尤为重要 ，其中一点是要求天线的长度(L)不小于电磁波波长( )的 。1142 无线电波的传播方式无线电波的传播方式 在地球大气层以内传播的电磁波称为陆地波在地球大气层以内传播的电磁波称为陆地波(Terrestrial Wave)，因而，在地球上两点或多点之间的通信称为地面无线，因而，在地球上两点或多点之间的通信称为地面无线电通信。陆地波会受到大气层以及地球表面的影响。在地面电通信。陆地波会受到大气层以及地球表面的影响。在地面无线电通信中，电磁波的传播有若干种传播形式，究竟以哪无线

35、电通信中，电磁波的传播有若干种传播形式，究竟以哪种形式传播取决于系统的类型及外界条件。除地球大气引起种形式传播取决于系统的类型及外界条件。除地球大气引起传播路径改变外，电磁波总是以直线传播。实际上，在地球传播路径改变外，电磁波总是以直线传播。实际上，在地球大气层内的电磁波有三种传播方式：地波、空间波大气层内的电磁波有三种传播方式：地波、空间波(包括直射包括直射波和大地反射波波和大地反射波)以及天波。以及天波。 （1 1地波地波 沿地面传播的无线电波叫地波，又叫表面波。由于地球表面也存在沿地面传播的无线电波叫地波，又叫表面波。由于地球表面也存在着电阻损耗和介质损耗，因此地波在传播过程中也必然产生

36、衰减。着电阻损耗和介质损耗，因此地波在传播过程中也必然产生衰减。电波的波长越短，越容易被地面吸收，因此只有长波和中波能在地电波的波长越短，越容易被地面吸收，因此只有长波和中波能在地面传播。地波传播的特点是信号比较稳定，基本上不受天气的影响面传播。地波传播的特点是信号比较稳定，基本上不受天气的影响。地波最适于在良导体的表面上进行传播，如海面。在干燥的沙漠。地波最适于在良导体的表面上进行传播，如海面。在干燥的沙漠地区则很难传播。地波传播一般多用于舰船之间的通信以及船与岸地区则很难传播。地波传播一般多用于舰船之间的通信以及船与岸之间的通信，还常用于无线电导航和海上移动通信。之间的通信，还常用于无线电

37、导航和海上移动通信。图1-16 地波传播（2 2空间波空间波 空间波包括直射波和地面反射波空间波包括直射波和地面反射波( (如图如图1-151-15所示所示) )。直射波。直射波(Direct (Direct Wave)Wave)在发射天线与接收天线之间以直线传播。以直射波传播的空在发射天线与接收天线之间以直线传播。以直射波传播的空间波一般称为视距间波一般称为视距(LOS(LOS，Line of Sight)Line of Sight)传输。因而，空间波的传传输。因而，空间波的传播受到地球表面曲率的限制。地面反射波播受到地球表面曲率的限制。地面反射波(Ground Reflected (Gro

38、und Reflected Wave)Wave)是在发射机和接收机之间靠地球表面对波的反射进行传播的是在发射机和接收机之间靠地球表面对波的反射进行传播的。图1-17 空间波的传播（3 3天波天波 一般天波一般天波(Sky Wave)(Sky Wave)是在某一方向上相对于地球仰起一个很是在某一方向上相对于地球仰起一个很大的角度来辐射的电磁波。天波是朝着天空辐射并凭借电离层反射大的角度来辐射的电磁波。天波是朝着天空辐射并凭借电离层反射或折射回地面的。正是由于这个原因，天波传播的这种形式有时也或折射回地面的。正是由于这个原因，天波传播的这种形式有时也称为电离层传播。称为电离层传播。 天波的传播离地

39、球越远，电离作用就越强，只有很少的分子天波的传播离地球越远，电离作用就越强，只有很少的分子被电离。因而，在大气层的高层区域，分子电离的比例要比大气层被电离。因而，在大气层的高层区域，分子电离的比例要比大气层的低层区域高很多。电离的密度越高，折射率越大。的低层区域高很多。电离的密度越高，折射率越大。无线电波的传播方式无线电波的传播方式 综上所述：中、长波均利用地波方式进行传播；综上所述：中、长波均利用地波方式进行传播；超短波用空间波方式进行传播；短波主要靠天波传播超短波用空间波方式进行传播；短波主要靠天波传播。 表1-3 不同波长电磁波传播方式电磁波段超长波长波中波短波米波分米波微波传播方式空间

40、波为主地波为主地波与天波天波与地波空间波空间波空间波天波内容提要内容提要48通信基本概念及系统模型通信基本概念及系统模型电磁波及其频段划分电磁波及其频段划分微波和光波微波和光波电信传输信道电信传输信道信道的传输特性信道的传输特性发展历史发展历史1.5 信道的传输特性 1.5.1 幅频与相频传输特性幅频与相频传输特性 信道的传输特性分为幅频传输特性和相频传输特性。有线信道和无线信道二者都是以幅频特性与相频特性来描述信道对通过信号的影响的。幅频传输特性:幅频传输特性是信道在各频率下的幅度衰耗与频率的关系曲线，它将影响信号的幅度衰减量。相频传输特性:是信道在各频率下的相位移与频率的关系曲线，它将影响

41、被传输信号的相位移。 1.5.1 幅频与相频传输特性幅频与相频传输特性理想幅频传输特性是其通带内特性平稳，即特性曲线是一条水平直线，否则将导致信号幅度失真。理想相频传输特性是一条通过f = 0 Hz原点的斜直线，频率分量高的信号相移大，频率分量小的相移小。图1-19 理想有线信道的传输特性 1.5.2 信道的衰减信道的衰减在信道中传递的信号，由于传输介质的特性，信号传输中必然会产生能量的损失，这种能量的损失，我们称之为衰减或衰耗。传输信道距离越长衰减越大，其度量一般用(dB)电平表示，其dB的定义为：采用信号输入输出端功率比值取10倍常用对数来表示，称之为分贝。在通信系统中，信号其传输一般用相

42、对电平来表示，如果上式中参考点为Po，输出点为Pi，若P0的单位用mw表示，则电平为dBm，称dB毫瓦，如P单位用W表示，则电平为dBW或称为dB瓦。PlgP入出dB=10oidBmPPlg10)( 1.5.3 信道中的噪声与干扰信道中的噪声与干扰信号在信道传输过程中，会遇到各种情况的干扰和噪声。传输中最主要的一种噪声是加性白高斯噪声，加性是指噪声与传送的信号遵从简单的线性叠加关系，白噪声是指噪声的频谱是平坦的，高斯噪声是指噪声的分布服从正态分布。在加性白高斯噪声信道中，接收信号为 s tu tv t图 1-20 加性白高斯噪声信道 1.5.3 信道中的噪声与干扰信道中的噪声与干扰 具体来说，

43、按照来源噪声和干扰可分为系统内部的噪声与外部的干扰。系统内部噪声：系统内部半导体器件中的少数载流子的随机扩散与电子-空穴对的随机复合运动产生散弹噪声；通信设备中的元器件的热运动绝对温度零度以上都有产生白噪声。以上两种噪声是不可避免的，只能通过改良通信设备的工艺来避免或改善。系统外部的干扰：通信设备工作时，处于强电磁环境中，一方面受到自然界雷电、太阳黑子活动等引起的电磁暴；另一方面受其它无线电设备发射电磁波，市电50Hz信号的干扰。这种外界干扰，可通过降低外界干扰源的干扰和增强通信设备的屏蔽能力来改善。 1.5.4 电信传输系统性能指标电信传输系统性能指标 现代通信中传递和交流的基本上都是数字化

44、的信息，数字化技术是现代通信的基本特征。 从数字信号传输的角度上看，电信传输系统的主要性能指标分为有效性和可靠性指标，其中有效性指标常用信息传输速率、码元传输速率(符号速率)、频带利用率等表示，可靠性指标常用误码率和抖动容限表示。（1 1信息传输速率信息传输速率 是指在单位时间是指在单位时间( (每秒每秒) )传送的信息量，与称传信率。传送的信息量，与称传信率。 在信息论中，对数字传输信息量的度量单位为在信息论中，对数字传输信息量的度量单位为“比特比特”，即一个二，即一个二进制符号进制符号( (“1 1或或“0 0”) )所含的信息量是一个所含的信息量是一个“比特比特”。所以，数。所以，数字信

45、号信息传输速率单位是比特字信号信息传输速率单位是比特/ /秒秒bit/sbit/s），单位还有），单位还有Kbit/sKbit/s、Mbit/sMbit/s、Gbit/sGbit/s、Tbit/sTbit/s，一般用符号，一般用符号fbfb表示。表示。 例例1-1 1-1 某数字通信系统，它每秒钟传输某数字通信系统，它每秒钟传输20482048103103个二进制码元，个二进制码元，则它的信息传输速率为多少？则它的信息传输速率为多少？解解 该系统信息佶速率为：该系统信息佶速率为：fb=2048fb=2048103103比特比特/ /秒。秒。（2 2码元符号传输速率码元符号传输速率 也称为符号传

46、输速率，或码元速率。它是指单位时间也称为符号传输速率，或码元速率。它是指单位时间( (每秒每秒) )所传输的码元数目，其单位称为波特。这里的码元一般指多进制，所传输的码元数目，其单位称为波特。这里的码元一般指多进制，如：二进制、四进制等，其转换公式为：如：二进制、四进制等，其转换公式为： 式中，式中，fbfb为信息传输速率为信息传输速率( (二进制传输速率二进制传输速率) )；fBfB表示波特数表示波特数( (消息消息速率速率) )，其单位为波特，其单位为波特BdBd，或，或BaudBaud）；）；M M为符号进制数为符号进制数( (码元进制码元进制数数) ) 例例1-2 1-2 已知某系统的

47、码元传输速率为已知某系统的码元传输速率为600 Baud600 Baud，如果系统传输二进，如果系统传输二进制和四进制码元时对应的信息速率分别为多少？制和四进制码元时对应的信息速率分别为多少？ 解：解： 二进制码元时，二进制码元时，M = 2M = 2，代入公式，代入公式4.64.6计算出信息传输速计算出信息传输速率率fb = 600 bit/sfb = 600 bit/s；四进制码元时，；四进制码元时，M = 4M = 4，信息传输速率，信息传输速率fb = fb = 1200 b/s1200 b/s。MffBb2log（3 3频带利用率频带利用率 是指单位频带内的传输速率。传输的速率愈高，

48、所占用的信是指单位频带内的传输速率。传输的速率愈高，所占用的信道频带愈宽。通常用来表示数字信道频带的利用情况，即频带利用道频带愈宽。通常用来表示数字信道频带的利用情况，即频带利用率为：率为： 当传输速率是码元传输速率时，其单位为波特当传输速率是码元传输速率时，其单位为波特/ /赫兹赫兹(Baud/Hz)(Baud/Hz)；当传输速率是信息传输速率时，其单位为比特；当传输速率是信息传输速率时，其单位为比特/ /秒秒/ /赫赫兹兹(b/s/Hz)(b/s/Hz)。频带宽度传输速率（4 4误码率误码率 在数字通信中是用脉冲信号，即用在数字通信中是用脉冲信号，即用“1 1和和“0 0携带信息。由携带信

49、息。由于通信系统中噪声、串音及码间干扰以及其它突发因素的影响，当于通信系统中噪声、串音及码间干扰以及其它突发因素的影响，当干扰幅度超过脉冲信号再生判决的某一门限值时，将会造成误判成干扰幅度超过脉冲信号再生判决的某一门限值时，将会造成误判成为误码，如图为误码，如图1-211-21所示。所示。 图1-21 噪声叠加在数字信号上的波形（4 4误码率误码率 数字通信系统中在一定统计时间内，数字信号在传输过程中，数字通信系统中在一定统计时间内，数字信号在传输过程中，发生错误的码元数与传输的总码元数之比，用符号发生错误的码元数与传输的总码元数之比，用符号PePe表示。表示。 这个指标是统计结果的平均值，所

50、以这里指的是平均误码率。这个指标是统计结果的平均值，所以这里指的是平均误码率。显然，误码率愈小，通信的质量愈高。显然，误码率愈小，通信的质量愈高。 enPlim产生错误码元（个数）传输的总码元（个数） 例1-3 某数字通信系统中传输“1和“0等概率的码元，则每码元含有的信息量为1bit。现有一数据通信系统每秒传送144kb的“1和“0码元，则此系统传信率多少比特/秒？如果此系统在传输过程中每5秒传错2码元，则系统的误码率又为多少？ 解：在二进制码系统中，直接计算系统传信率fb = 144 Kbit/s；由于系统5秒钟内传送的信息比特数为：144Kb5 = 720 kbits，则根据公式(4.8

51、)计算系统误码率为：Pe = 2720K = 2.778106。 （5 5抖动容限抖动容限 所谓抖动，是指数字信号的有效瞬间与其理想时间位置的短时所谓抖动，是指数字信号的有效瞬间与其理想时间位置的短时偏离。一般说抖动称为相位抖动、定时抖动。数字信号在传输过程偏离。一般说抖动称为相位抖动、定时抖动。数字信号在传输过程中，脉冲信号在时间间隔上不再是等间隔的，而是随时间变化的一中，脉冲信号在时间间隔上不再是等间隔的，而是随时间变化的一种现象，抖动现象如图种现象，抖动现象如图1-221-22所示。所示。 图1-22 脉冲抖动示意图 1.5.5 1.5.5 信道容量信道容量 在信息论中，信道无差错传输信

52、息的最大信息速率为信道容量，记为C。它表征信道最大运载信息的能力。假设连续信道的加性高斯白噪声功率为，信道的带宽为BHz），信号功率为，则该信道的信道容量为 以上就是著名的香农公式。由该式可知，信道容量受B、S、N三要素的限制，只要这三要素确定，信道容量就确定。 载波频率越高，提供的传输带宽越宽，能容纳的信号带宽越大，系统传输信息的能力也就越强。2log1SCBN(b/s) 例1-4 已知某系统的信噪比为1 000 (30 dB)，标准话音频带通信信道带宽为3.4 kHz，试求该系统的信息速率极限值。 解：根据信息容量的香农极限公式，C = 3400log2 (1+1000) = 33.89

53、kb/s，这个值就是该信道传输信息的理论极限速率值。 内容提要内容提要64通信基本概念及系统模型通信基本概念及系统模型电磁波及其频段划分电磁波及其频段划分微波和光波微波和光波电信传输信道电信传输信道信道的传输特性信道的传输特性发展历史发展历史1.6 1.6 发展历史发展历史 传输线作为能量和信息的载体及传播工具，在包括架传输线作为能量和信息的载体及传播工具，在包括架空明线、电缆、波导、等方面受到了广泛关注。传输线的空明线、电缆、波导、等方面受到了广泛关注。传输线的理论基础是麦克斯韦电磁场理论。理论基础是麦克斯韦电磁场理论。18371837年最先由英国科学家库克和惠斯通集成发明了电报机。年最先由

54、英国科学家库克和惠斯通集成发明了电报机。1854-18561854-1856年凯尔文提出了年凯尔文提出了“海底电缆理论海底电缆理论”，即不带电感，即不带电感项的电报方程。项的电报方程。 1.6.1 传输线发展史传输线发展史 18971897年英国物理学家瑞利从数学上证明了波在波导中传播年英国物理学家瑞利从数学上证明了波在波导中传播是可能的，无论横截面是圆的还是矩形的。是可能的，无论横截面是圆的还是矩形的。 18701870年英国物理学家丁达尔发现光从水中射向空气，即光年英国物理学家丁达尔发现光从水中射向空气，即光的全反射，后来人们造出玻璃纤维，由于这种纤维能够用的全反射，后来人们造出玻璃纤维，

55、由于这种纤维能够用来传输光线，所以称它为光导纤维。来传输光线，所以称它为光导纤维。 到到19601960年，美国科学家年，美国科学家MaimanMaiman发明了世界上第一台激光器发明了世界上第一台激光器后，为光通讯提供了良好的光源。后，为光通讯提供了良好的光源。 人类进行通信的历史已很悠久。早在远古时期，人们就人类进行通信的历史已很悠久。早在远古时期，人们就通过简单的语言、壁画、钟鼓、烟火、竹简、纸书等方式通过简单的语言、壁画、钟鼓、烟火、竹简、纸书等方式交换信息。交换信息。17531753年年2 2月月1717日，在日，在 杂志上发表了一封署名杂志上发表了一封署名CMCM的书信。在这封信中，作者提出了用电流进行通信的设想。的书信。在这封信中，作者提出了用电流进行通信的设想。17931793年，法国查佩兄弟俩在巴黎和里尔之间架设了一条年，法国查佩兄弟俩在巴黎和里尔之间架设了一条230230千米长的接力方式传送信息的托架式线路。千米长的接力方式传送信息的托架式线路