第30讲 电磁波传播与通信

1、现代通信技术的基础现代通信技术的基础微电子技术微电子技术现代通信技术的核心现代通信技术的核心计算机技术计算机技术现代通信的基本特征现代通信的基本特征数字化数字化卫星通信技术的基础卫星通信技术的基础空间技术空间技术光通信的基础光通信的基础 光子技术光子技术卫星通信卫星通信移动通信移动通信光纤通信光纤通信地面微波接力通信地面微波接力通信卫星通信发展卫星通信发展卫星通信系统组成卫星通信系统组成卫星通信特点卫星通信特点卫星通信体制卫星通信体制卫星通信典型应用卫星通信典型应用1945年，英国人克拉克设想：年，英国人克拉克设想：发射三颗同步轨道卫星到地球的赤道上空；发射三颗同步轨道卫星到地球的赤道上空；相

2、邻卫星之间角度相邻卫星之间角度60度；度；离地面高度离地面高度35800km；卫星天线波束宽度卫星天线波束宽度17度；度；可构成全球性的卫星通信。可构成全球性的卫星通信。这种设想已实现了这种设想已实现了。电磁波传播机理电磁波传播机理：同步卫星绕地球转动一周时间等于地球自同步卫星绕地球转动一周时间等于地球自转的周期，从地球看转的周期，从地球看好象不动好象不动；从地面发射电磁波到卫星（有中继器）；从地面发射电磁波到卫星（有中继器）；卫星接收电磁波，放大。卫星接收电磁波，放大。卫星把电磁波送回地面接收机。卫星把电磁波送回地面接收机。完成通信过程完成通信过程卫星通信是一种接力通信卫星通信是一种接力通信

3、19541964年，卫星通信试验阶段年，卫星通信试验阶段初期初期，无源通信，利用卫星反射。，无源通信，利用卫星反射。1954年，美国，地球年，美国，地球月球月球地球，话地球，话音试验；音试验；1956年，美国，华盛顿年，美国，华盛顿夏威夷，建立双夏威夷，建立双工中继线路，工作工中继线路，工作6年；年；1960-1964年，美国，气球卫星试验；年，美国，气球卫星试验；以上试验质量不好以上试验质量不好19541964年，卫星通信试验阶段年，卫星通信试验阶段中期中期，低轨有源通信，利用卫星转发。，低轨有源通信，利用卫星转发。1950年，试验年，试验星上有信号处理设备，星上有信号处理设备，实验成功实验

4、成功后期后期，同步轨道试验卫星通信。，同步轨道试验卫星通信。1963年，完成了电话、电视、传真传输试年，完成了电话、电视、传真传输试验，验，成功成功。1964年，美国，转播在日本举行的奥运会年，美国，转播在日本举行的奥运会1965年年，卫星通信实用阶段，卫星通信实用阶段1965年，年，“国际卫星通信组织国际卫星通信组织”发射发射“intelsat-1”，正式承担国际通信业务。，正式承担国际通信业务。开始开始标志标志多种多样业务多种多样业务固定卫星通信业务，地球站是固定固定卫星通信业务，地球站是固定移动卫星通信业务，舰、船、车、飞机等移动卫星通信业务，舰、船、车、飞机等广播卫星通信业务，电视广播

5、、声音广播广播卫星通信业务，电视广播、声音广播无线电导航与定位业务，无线电导航与定位业务，其它其它四大智能分系统四大智能分系统空间分系统空间分系统通信地球站分系统通信地球站分系统跟踪遥测及指令分系统跟踪遥测及指令分系统监控管理分系统监控管理分系统组成组成：通信系统通信系统天线系统天线系统姿态和位置控制系统姿态和位置控制系统电源系统电源系统主要作用主要作用无线电中继站无线电中继站连接连接卫星卫星线路线路与用与用户的户的中枢中枢主要作用主要作用：对卫星进行跟踪测量对卫星进行跟踪测量控制其准确进入轨道，到达指定位置控制其准确进入轨道，到达指定位置卫星正常后，定期进行轨道修正和保持卫星正常后，定期进行

6、轨道修正和保持主要作用主要作用：对规定点上的卫星参数进行业务开通前后对规定点上的卫星参数进行业务开通前后的监控和控制的监控和控制如如基本通信参数基本通信参数：卫星发射功率卫星发射功率卫星天线增益卫星天线增益射频和带宽射频和带宽保证网络畅通保证网络畅通覆盖范围大覆盖范围大 。在在10GHZ10GHZ频率下受大气环境频率下受大气环境影响小，全天畅通。影响小，全天畅通。大容量通信大容量通信。成千上万路电话等成千上万路电话等建站方便，费用小建站方便，费用小。长距离比接力通信费长距离比接力通信费用小用小多地通信，组网方便多地通信，组网方便。模拟模拟数字数字SCPC系统：单路单载波系统，系统：单路单载波系

7、统，话音、数话音、数据、传真等据、传真等国际海事卫星通信系统国际海事卫星通信系统：下页图：下页图数据站卫星通信系统：数据站卫星通信系统：下页图下页图概念：概念：移动通信就是指通信的双方移动通信就是指通信的双方, 至少有一方至少有一方在移动中进行信息的交换。在移动中进行信息的交换。 p电波传播条件恶劣电波传播条件恶劣p在强干扰条件下工作在强干扰条件下工作p具有多卜勒频移效应具有多卜勒频移效应p移动用户经常移动移动用户经常移动 l学习新知识最好的方法学习新知识最好的方法：拿它与旧知识进行类比。：拿它与旧知识进行类比。无线通信与有线通信的区别无线通信与有线通信的区别n接口、信道接口、信道问题问题你知

8、道吗？你知道吗？n问题问题1：基站如何区分手机？基站如何区分手机？n问题问题2：手机如何找到基站？手机如何找到基站？n问题问题3：基站如何找到手机？基站如何找到手机？n问题问题4：如何识别手机用户的身份？如何识别手机用户的身份？n问题问题5：如何保证对话不被他人窃听？如何保证对话不被他人窃听？n问题问题6：如何保证如何保证“移动移动”着打电话不会有问题？着打电话不会有问题？问题问题1：基站如何区分手机？：基站如何区分手机？平时说平时说话分辨话分辨n音调音调声波中频率最低的基音声波中频率最低的基音n响度响度声音的大小声音的大小n音色音色其它低频与基音组合决定音色其它低频与基音组合决定音色n基站区

9、分手机方法基站区分手机方法多址多址 or 复用复用空分复用空分复用从空间上将同一频率的不同终端隔离开来；从空间上将同一频率的不同终端隔离开来；频分复用频分复用把一频率分成若干块，不同终端占用不同块；把一频率分成若干块，不同终端占用不同块；时分复用时分复用从时间上将同一频率的不同终端隔离开来；从时间上将同一频率的不同终端隔离开来；码分复用码分复用通过终端占用不同的扩频码来区分。通过终端占用不同的扩频码来区分。问题问题2：手机如何找到基站？：手机如何找到基站？发现发现基站基站广播广播内容内容广播广播之间之间干扰干扰问题问题3：基站如何找到手机？：基站如何找到手机？简单方法简单方法-寻人启事寻人启事

10、实用方法实用方法问题问题4：如何识别手机用户的身份？：如何识别手机用户的身份？固定网络的接口在您家里固定网络的接口在您家里向你要钱向你要钱移动用户：移动用户：l标识码标识码IMSI(IMSI(全球唯一全球唯一) )存存在在SIMSIM卡中；卡中；l为了防止假货，增加密码为了防止假货，增加密码（存在（存在SIMSIM卡中）；卡中）；lIMSIIMSI与密码也存在网络中与密码也存在网络中心，好验证。心，好验证。问题问题5：如何保证对话不被他人窃听？：如何保证对话不被他人窃听？问题问题6:如何保证如何保证移动移动打电话不会有问题？打电话不会有问题？网络管理中心无线基站多媒体终端宽 带通 信 网数 据

11、 库多媒体终端步行通信2.464 kb/s可 移 动 终 端64 kb/s 100 Mb/s高速移动通信2.438 kb/s卫 星无 线 手 机卫 星 地 面 站光光 纤纤 通通 信信探索时期的光通信探索时期的光通信原始光通信：中国古代原始光通信：中国古代烽火台、烽火台、欧洲欧洲旗语旗语送信息。送信息。望望远镜远镜极大延长目视光通信距离。极大延长目视光通信距离。 1880年，美国人贝尔年，美国人贝尔(Bell)发明了发明了光电话光电话。现代光纤通信现代光纤通信1966年，英籍华裔高锟和霍克哈姆指出了利用光纤进年，英籍华裔高锟和霍克哈姆指出了利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通

12、行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信信光纤通信的基础。光纤通信的基础。1970年，光纤研制取得了重大突破。年，光纤研制取得了重大突破。1973年，美国贝尔年，美国贝尔(Bell)实验室取得了更大成绩。实验室取得了更大成绩。1976年，日本电报电话公司等单位将光纤损耗降低年，日本电报电话公司等单位将光纤损耗降低到到0.47 dB/km(波长波长1.2m)。 1976年，日本电报电年，日本电报电话公司研制成功激光器。话公司研制成功激光器。1976年，美国在亚特兰大进行了世界上第一个实用年，美国在亚特兰大进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验。光纤通信系统的现场试验。 1979年美国

13、和日本电报电话公司研制成功发射波长年美国和日本电报电话公司研制成功发射波长为为1.55 m的连续振荡半导体激光器。的连续振荡半导体激光器。 1980 年，美国标准化年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应光纤通信系统投入商业应用。用。 第一阶段第一阶段(19661976年年)，从基础研究到商业应用的，从基础研究到商业应用的开发时期。无中继传输距离约开发时期。无中继传输距离约10 km。 第二阶段第二阶段(19761986年年)，以提高传输速率和增加传，以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。实现了单模光纤通信系统，无中继

14、传输距离为实现了单模光纤通信系统，无中继传输距离为10050 km。第三阶段第三阶段(19861996年年)，以超大容量超长距离为目，以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。无中继传输标、全面深入开展新技术研究的时期。无中继传输距离可达距离可达150100 km。 目前目前，正在开展研究的光纤通信新技术，例如，超，正在开展研究的光纤通信新技术，例如，超大容量波分复用光纤通信、超长距离光孤子通信。大容量波分复用光纤通信、超长距离光孤子通信。 光纤通信的发展三个阶段光纤通信的发展三个阶段电缆通信电缆通信和微波通信的载波是电波，和微波通信的载波是电波，线路由线路由金属导体制成的同轴电

15、缆和波导管。损耗大金属导体制成的同轴电缆和波导管。损耗大光纤通信光纤通信的载波是光波，的载波是光波，光纤是由绝缘的石光纤是由绝缘的石英材料制成，损耗很小。英材料制成，损耗很小。虽然光波和电波都是电磁波，但是频率差别虽然光波和电波都是电磁波，但是频率差别很大。很大。光纤通信用的近红外光频率比微波频率高光纤通信用的近红外光频率比微波频率高3个数量级以上。个数量级以上。部部分分电电磁磁波波频频谱谱100 THz10 THz1 THz100 GHz10 GHz1 GHz100 MHz10 MHz1 MHz1 m可见光线10 m100 m1 mm10 mm100 m m1 m10 m100 m中波(MF

16、)短波(HF)米波(VHF)分米波 (UHF)厘米波 (SHF)毫米波 (EHF)亚毫米波远红外线近红外线(光纤通信用）频率波长名称紫外线各种传输线路的损耗特性各种传输线路的损耗特性 10001001010.110 M标准同轴38 mm海底同轴光纤100 M1 G10 G 100 G1 T10 T100 T 1000 T频率/HzM：(注)G：T：1061091012传输损耗 /(dBkm 1)51 mm波导器n容许频带很宽，传输容量很大容许频带很宽，传输容量很大n损耗很小，损耗很小， 中继距离很长且误码率很小中继距离很长且误码率很小n重量轻、重量轻、 体积小体积小n抗电磁干扰性能好抗电磁干扰

17、性能好n泄漏小，泄漏小， 保密性能好保密性能好各种通信系统相对造价与传输容量的比较各种通信系统相对造价与传输容量的比较 平行双绞线电缆 同轴电缆微波10210103104105106101102103104105系统/话路公里相对造价话路数/条光缆 通信网通信网 构成因特网的计算机局域网和广域网构成因特网的计算机局域网和广域网 有线电视网的干线和分配网有线电视网的干线和分配网 综合业务光纤接入网，分为有源接入综合业务光纤接入网，分为有源接入网和无源接入网网和无源接入网 光纤通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。 用户要传输的信息多种多样，一般有话音、图像、数据或多媒体信息。 为叙述方便，这里仅以数字电话和模拟电视为