《电信传输原理及应用》课后习题答案

第一章电信传输的基本概念

1、什么是通信、电信和电信传输？电信号有哪些种类？各有什么特征？

答：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地

传送到另一地，均可称为通信。

电信号按照不同的角度可有不同的分类，按照电信号传载信息的形式的不

同，可分为：模拟信号和数字信号两种类型。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；数字信号在时间上和

幅度上的取值都是离散的。数字信号在传输上有很多优点，最主要的是它的抗干

扰性强。由于它是以1、0两种状态传输的，在接收端只要正确地判断是力”或者

是“0”，就等于完全取消了干扰。

2、完整的电信传输系统是如何组成的？

答：一个完整的电信传输系统除了必须具备传输信道部分外，还需要有用户

终端设备、交换机、多路复用设备和传输终端设备(收发信机)等。

3、电信传输有些什么特点？

答:一是传输信号的多频率;二是电信传输的功率在有线传输的功率比较小,

它一般只有毫瓦量级；三是电信传输的效率，由于电信传输是弱电传输，其传输

效率非常重要；四是电信传输离不开信号的变换。

4、常用传输介质的结构及用途是什么？

答：电信号的传输实质是电磁波的传播，传播方式分有线传播和无线传播两

种，因此其传输介质也按此分类方式分为有线传输介质和无线传输介质。

现有的传输线有架空明线、对称电缆、同轴电缆、金属波导管和光纤等；无

线电传播的传输介质是对流层、平流层或电离层，传播方式有直射波，反射波，

地波，散射波等。

用途：

(1)架空明线：架空明线是利用金属裸导线捆扎在固定的线担上的隔电

子上，是架设在电线杆上的一种通信线路，现今多用于专网通信，

如利用高压输电线实现载波通信；利用铁路电气汽车输电线实现载

波通信等；

(2)对称电缆：市话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，外面包裹有保护层的一个整体。主要作

为传统的话音通信介质，是当前电信接入网的主体；

（3）同轴电缆：同轴电缆又称为同轴线对，属于不对称的结构。它是由

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，同

轴电缆主要用在端局间的中继线、交换机与传输设备间中继连接

线、移动通信的基站发信机与天线间的馈线以及有线电视系统中用

户接入线等；

（4）金属波导：金属波导是用金属制成的中空的柱状单导体，金属波导

常用于微波或卫星的收、发信机与天线间馈线使用；

（5）光纤：光缆是由光纤、加强件和外户层构成。光纤是由纤芯、包层

和涂敷层组成，光纤作为传输介质主要优点是传输频带宽、通信容

量大、传输损耗小、抗电磁场干扰能力强、线径细、重量轻、资源

丰富等。为各种通信系统广泛使用，光纤目前是最理想的传输线。

（6）无线信道：主要靠电磁波在大气层的传播来传递信息。

8.以功率电平为例，请简述正电平、负电平和零电平的意义。

答：由定义知，当巴=4时，电平为零，其含义是该点的功率等于基准功率。

当月＜《时，电平是负值，其含义是该点的功率小于基准功率。当P,＞外时，电平

是正值，其含义是该点的功率大于基准功率。对于绝对功率电平来说，因为基准

功率是Imw,所以当P、〉l〃zW时，电平是正值，当P,时。电平是零值，

当尸，〈加W时，电平是负值。

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。

答：所谓某点的电平，是指电信系统中某一信号的实测功率（或电压、电流）

值与某参考点的信号功率（或电压、电流）之比的对数值，某参考点的信号功率

（或电压、电流）又称为基准功率（或基准电压、基准电流）。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•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。求相对

向平时所取的基准是不固定的，被测量值和基准是相对的，而绝对电平的基准是

固定的。在电话通信中，绝对电平的基准参考点的阻抗4=6000,功率是

II

E,=1〃?W时，就可分别计算出绝对电压电平的基准电压和绝对电流电平的基准

电流。

10.已知测试点的阻抗&=75。，其电压为0.85V,试计算测试点上的绝对功

率电平是多少？

解：直接带公式计算有：

4]口0尬稣=2。植需+1。尬黯=2。馆鬻+1。怆罂=9.83(dBm)

《("zW)c/0(V)Rx(Q)0.775V750

11.设电路某点的绝对功率电平为：

(1)0.5Np(2)-1.5Np(3)-7dBm

试求该点的功率值。

解：(1)将0.5Np带入公式，计算得到2.72mWo

(2)带入上式得到eA(-3)mW；(3)W-7dBm带入[4]=10馆巴嘿)痴,

计算得到0.1995mWo

12.已知测试点功率为0.2W,线路始端功率为10mW,求测试点的相对功率电

平值。

解：直接带入公式得到：

3

11.R(mW)浦1.0.2X10TMW,.

[L„]=-ln-----Np=-Tn-----------Np=1.4N908NA”F。

p2P^mW)2\OmW

13.已知测试点电压为0.7V,线路始端电压为0.2V,求测试点的相对电压电平

值。

解：带公式有：[L“]=ln4^Np=in"ENp=L253Np

"G(v)0.2V

第二章金属传输线理论

1、集总参数与分布参数有哪些异同？

答：在低频传输时，常把传输线当“短线”，可以认为传输线上所有的电场能

都全部集中在了一个电容器C中，磁场能都全部集中在了一个电感器L中，把

消耗的电磁能量集中在一个电阻元件R和一个电导元件G上，而连接元件的导

线(传输线)则认为理想导线。常把这些独立存在的R、C、L、G称为集总参

数；随着传输信号频率升高，此时传输线已工作在“长线”状态，当信号通过“长

III

线''传输线所需要的传输时间与信号变化的一个周期所需要的时间接近时，即使

在稳态工作情况下，传输线上电压、电流不仅随时间变化而且还随传输线的长度

变化有关。因此沿传输线上的电压、电流表达式要用偏微分方程来表示；其次，

传输线间的电阻、电感、电容以及电导不仅互不可分，而且沿线随机分布。常把

传输线单位长度上的电阻Ri、电感L、电容Ci、电导G”统称为传输线的分布

参数。

2、何为长线？何为短线？

答：当传输线的几何长度L比其上所传输的电磁波的最小波长还长，即

迎时，传输线称为长线，反之则为短线

100

3、阐述金属传输线出现R、L、C和G的原因及它们的物理意义。

答：是因为利用这些电路参数和相应的VAR关系，通过基尔霍夫定律对传

输线上的信号进行研究，可较为准确的列出传输线上任意一点的V和I的表达式。

物理意义：R取决于导线的材料和传输信号的频率；L是由于变化的电流

流经导体时，导体内部及其周围出现变化的磁通而产生的，导线的磁通量与产生

磁通的电流之比称为电感频率越高导线的电感越小；互相绝缘的平行双导线可以

认为是电容器的两个极板，从而产生电容C,线路的直径越大，双导线间距越近,

线路越长时电容量越大；G反映了双导线之间的绝缘情况，电导值越大导线之间

绝缘越差，漏电越严重。

4、传输线的特性阻抗和传输常数代表什么意义？

答：传输线的特性阻抗是线上任意…点的电压入射波和电流入射波的比值，

或电压反射波同电流反射波比值的负值。

传输常数代表了信号的电磁波沿均匀匹配线路传输时，一个单位长度回路内

在幅值和相位上所发生的变化的程度。

5、当ZC=ZL时，传输线处于什么工作状态？传输线具有什么特点？

答：传输线处于行波工作状态，特点如下：1、传输线上只存在入射波而无

反射波，电压波或电流波处于纯行波状态；2、电压波和电流波同相，其值之比

为传输线的特性阻抗Zc；3、有传输线任意截面处向终端负载方向看进去的输入

阻抗Z,“=Zc；4、因没有发射，始端向终端方向传输的功率，全部被负载吸收，

IV

传输效率高。

6、当ZCrZL时，传输线处于什么工作状态？传输线具有什么特点？

答：此时传输线上既有行波，又有驻波，构成行驻混合波状态。

7、通信回路的串音损耗与串音防卫度的物理意义是什么？

答：串音损耗是表征主串回路对被串回路影响大小的量，其值越大，则串音

功率越小，对相邻回路的串音干扰越小；反之，串音干扰越大。串音防卫度表明

被串回路本身对外来干扰的防卫程度，串音防卫度越大，则防卫能力越强。

8、若已知f=5MHz,同轴电缆回路的一次参数：电阻与=500/切1,电感

k=02mH/km,电导G|=15〃S/6，电容G=33〃F/M"。试求该同轴电缆的

二次参数。

解：特性阻抗Zc=<m==77.85。

'33X10-9

衰减常数和相移常数为:

]x8.686

=2.79dB/km

或者不乘以8.686可得：0.321714Np/km

-39

(3=0Ji1G=2万=2万x5x1O'xVo.2xlOx33xlO=80.71rad/km

Y=a+j6=2.79+180.71

9、设某平行双导线的直径为2mm,间距为8mm,周围介质为空气，求其特性

阻抗。

解：首先求右二幺In"叵牙，c=------7'

22

兀d,D+yjD-d

In------------

d

k=—=0.186Q

Z产

C171

v

10、设某同轴线的外导体内直径为20mm,内导体外直径为10mm,求其特性阻

抗；若在内外导体之间填充£为2.20的介质，求其特性阻抗。

解：Z,=(60/5)*ln(0/d)=41.59Q

当填充介质后，Z=(60/而)*ln(O/d)=28.04Q。

第三章波导传输线理论

1、波导为什么不能传输TEM波?

答：因为若金属波导中存在TEM波，那么磁力线应在横截面上，而磁力

线应是闭合的，根据右手螺旋规则，必有电场的纵向分量Ez，即位移电流£之

dt

支持磁场，若沿此闭合磁力回线2对H做线积分，积分后应等于轴向电流(即

J)。

2、波导波长与工作波长有何区别？

答：波导中某波型沿波导轴向相邻两个点相位面变化2兀(一个周期T)之间

距离称为该波型的波导波长，以加表示。而工作波长是由不同的信号波所特有

的，与自身性质有关。

3、一空气填充的矩形波导，其截面尺\Ta=8cm,b=4cm,试画出截止波入c长

的分布图，并说明工作频率fl=3GHz和f2=5GHz的电磁波在该波导中可以传

输哪些模式。

解：根据公式4=丝=।”可以得到,

hJ(5+(,

Vab

。24216

4=—=I=/=cmo

kc卜巴)2+凸2AW+4〃2

Vah

图略。

(-7in8

由/=3G"z得，几=上=±x7=0.1(加)

z于3xl09

而各模式的截止波长为，

4TEIO=2Q=0.16mAA

VI

4c7EOI=2。=0.08mYA

2X7.2X10~2X4.3X10-2

=0.074myZ

y/a2+b2J(7.2><10-2)2+(43x10-2)2

可见，该波导在工作频率为3GHz时;只能传输Tgo波。

4^若将3cm标准矩形波导BJ-100型(a=22.86mm,b=10.16mm)用来传输工

作波长入0=5cm的电磁波，试问是否可能？若用BJ-58型(a=40.4mm,b=

20.2mm)用来传输波长X0=3cm的电磁波是否可能？会不会产生什么问题？

解：(1)首先考虑TEio波，4仄10=2以=45.72加加=4.5cvn<4因此，不

能用来传输波长5cm的电磁波。

(2)同上，4TEIO=2。=80・8"，机〉4)因此可以传输。

5、设有标准矩形波导BJ-32型，a=72.12mm,b=34.04mm

(1)当工作波长X=6cm时,该波导中可能传输哪些模式？

(2)设入0=10cm并工作于TE10模式，求相位常数%波导波长加、相速度

Vp、群速度Vg、和波阻抗ZTEIO

解：(1)4北10=2Q=144.24〃z加>几可以传输；

A_Cr/Cr.nUi1=2b=68.08mm>几可以传输v/CZyJ=a-1.2cm>6cm可以传输

2乃22ah

z==—,=—,

'(与+(与J3M2+(即)2

ah

m=l,n=1：=/=60.7mm>6cm,可以传输TEu和TMn波；

+(即『

m=l,n=2：33mm<6cm，不能传输；

[(bin)2+(a/)2

m=2,n=l：=49.5mm<6cm,不能传输。

s](bm¥+(Q〃)2

因此,只能传输TEio、TEu和TMn、。TE20

■)2,其中4m0=2。=144.24根加，带入公式解得,

VII

夕=37.797。

6、在BJ-100型的矩形波导中传输频率f=10GHz的TE10模式的电磁波。

(1)求入C、P、入p、和ZTEIO

(2)若波导宽边a增大一倍，上述各量如何变化？

(3)若波导窄边尺寸b增大一倍，上述各量又将如何变化？

(4)若波导截面尺寸不变，但工作频率变为15GHz,上述各量又将如何变化?

2冗

解：(1)\.TE\O-2a=45.72mm,—=1.58

c2()4

V„=I=3.98*108机/s,7=,=499.58Q

府Ft

(2)(3)(4)方法同上。

7、有-空气填充的矩形波导工作于TE10模式，其工作频率为10GHz,已测得

波导波长入p=4cm,试求：

(1)截止频率f,和截止波长XC；

(2)相速度Vp、群速度Vg和波阻抗ZTEIO;

解：(1)由公式4=1得到2(.=4.54cm,则

/c3*108

/=—=----------=6.614G〃z;

『40.0454

(2)/=4cm*10*109=4*108/sV=—=2.25*108m/s,

gL

Zr£=I2。"=120色=2.83*1()3Q。

8、有一内充空气，b<a<2b的矩形波导，以保证单模传输为前提，且工械率在

3GHz若要求工作频率至少高于主模截止频率的20%和至少低于次一高阶模式

截止频率的20%,试设计该波导的截面尺寸a和b。

注：由题意知，主模为TE10波，但次主模为可能为TE01波，也可能是TE20

VIII

波。因为二者截止波长为,

TE20：缶，TE01：2boTE10：2a

0.8fc2>f>1.2fcl

fcl=c/2a;fc2=c/2b

0.8*c/2b>f^l.2*c/2aor0.8*c/V2a>f>1.2*c/2a

So:a>6cm,b<4cm

9、设有空气填充的内直径为5cm的圆形波导，试求：

(l)TEll,TMol和TE01,模式的截止波长；

(2)当工作波长分别为7cm,6cm和3cm时,波导中可能存在:哪些模式？

(3)入0为7cm时主模的p、Vp、Vg、Xp和波阻抗。

解：(1)直接查表有々TEU=3.41。=3.41*2.5。加=8.525cm：

=2.62a=2.62*2.5c〃？=6.55cm；^cTEOi=1.64a=1.64*2.5cm=4.1cm

（2）当工作波长为7cm时，

,=3.41a=3.41*2.5cm=8.525c/n>1cm,故可以存在。

=

4；TE2I2.06a=2.06*2.5cm=5.\5cm<1cm,故不可以存在。

4刃"01=2.62a=2.62*2.5cm=6.55cm<1cm,不可以存在。

综上，在工作波长为7cm时，波导中只能存在TE11波。

同理可知，在工作波长为6cm时，可以存在的模式为TE11波和TM01波；

在工作波长为3cm时，可以存在的模式为TE11、TE21、TE01、TE31、TM01、

TM11以及TM21。

(3)X0为7cm时主模为TE11波，R.WAcm,=3.41«=3.41*2.5cm=S.525cm,

IX

匕=3*108Jl-(—)2=1.7e+8m/s；

V8.525

2TT

2=—=12.265cm；

10、空气填充的圆形波导中传输主模，已知工作频率f=5GHz,入o/M=0.9,试求:

(1)该波导的内直径；

(2)0和加

解：(1)f=5GHz,九o/址=0.9知，&=夕(9=9=6.67CTM

因为是传输主模，则为TE11波，有6.67cm=3.41a得至Ua=1.96cm,则内直径

为2a=3.92cm。

⑵夕咛卜尹=?卜]=爷色底标=45.65；

=——=13.76cm

11>设计一圆波导，工作波长九=7cm,只容许TEn波传输。

解：在波导中单模传输的条件是：2.62a<k<3.41a。得至U2.053cm<a<2.672。

即只要满足圆波导的a在上述范围内，即可保证为单模传输，也即只容许TE11

波传输。

12、有'-空气同轴线的截面尺寸a=10mm,b=40mm。

(1)计算TE1LTE01和TM01三种模式的截止波长；

(2)当工作波长X0=10cm时，求TEM模和TE11模的相速度。

解：(1)ACT£II«7r(b+a)=\5.1\cm,4T«2(b-a)=6cm；\.TM0}®2[b-a)=6cm

(2)同轴线中相速度等于相应介质中波的传播速度。所以有

VpTEM=%TEU=V=3*10'〃？/S

在TEM模中的截止波长为/lc=8所以v„=c{同轴线中相速度等于相

x

应介质中波的传播速度｝

对于TE11vp==3.89x10"加/s

13、有一同轴线内导体的半径a=0.5mm,b=1.75mm,若绝缘材料的介电常数为

k该同轴线的特性阻抗为多少？并计算单模工作的工作频率范围。

解：Z”抑n,=75.17(0)

单模传输有c/f>兀（b+a）,代入数据得长4.244GHz。

第四章介质光波传输理论

1.什么是光纤的数值孔径？

答:光纤产生全反射时光纤端面最大入射角的正弦值Sin①。称为光纤的数值

孔径。

2.阶跃型光纤场方程的推导思路是什么？

答：请参考教科书0〜[2。

3.用射线理论描述阶跃型光纤的导光原理是什么？画出示意图

答：已知纤芯半径为。，折射率〃1，包层折射率为〃2并且有〃1>〃2。当光线

①以。角从空气（710=1）入射到光纤端面时，将有一部分光进入光纤，此时

sin4="|Sin%。由于纤芯折射率〃i>〃o空气，则仇<0，光线继续传播以。=（90匚4）

角射到纤芯和包层的界面处。如果0i小于纤芯包层界面的临界角&=arcsin（112M\），

则一部分光线折射进包层最终被溢出而损耗掉，另一部分反射进入纤芯。但如此

几经反射、折射后，很快就被损耗掉了。如果必减小到例如光线②，则笈也减小

到即%=（90。-4），而&增大。如果4增大到略大于临界角4时，则此光线

将会在纤芯和包层界面发生全反射，能量全部反射回纤芯。当它继续再传播再次

遇到芯包界面时，再次发生全反射。如此反复，光线就能从一端沿着折线传到另

一端。

XI

光纤中的子午线传播

4.写出导波的径向归一化相位常数、径向衰减常数、归一化频率的表达式。

并简述其物理意义。

答：为了使分析具有一般性，引入光纤儿个重要的无量纲参数。在纤芯和包

层中，令：｛/=("2庖_夕2严〃和卬=(力2_”温严〃。式中，叫作导波径向归…

化相位常数；卬叫作导波径向归一化衰减常数。它们分别表示在光纤的纤芯和包

层中导波场沿径向r的分布情况。

光纤的归一化频率丫=(2△严〃/也，在光纤中，以径向归一-化衰减常数w来

衡量莫一模式是否截止。W=0是导波截止的临界状态，对应的归一化径向常数

Uc和归一化频率vc的关系：vc=uc=pm.|,n,Nm-I,n是m-1阶Bessel函数的第n个根。

5.判断某种模式能否在光纤中传输的条件是什么？

答：若V>K时，该模式在传输中不会截止；若WK时，此模式截止。

6.阶跃型光纤的单模传输条件是什么？

答：通常把只能传输一种模式的光纤称为单模光纤，单模光纤只传输一种模

式即基模LP(n或HEU,所以它不存在模式色散且带宽极宽，一般都在儿十

GHzkm以上，可一实用于长距离大容量的通信。要保证单模传输，需要二阶模截

止即让光纤的归一化频率V小于二阶模LP”归一化截止频率，从而可得：0VV

<Vc(LPol)=2.4O48这一重要关系称为“单模传输条件”。

7.什么是单模光纤的截止波长？写出表达式。

答：通常把只能传输一种模式的光纤称为单模光纤，单模光纤只传输一种模

式即基模LPoi或HEu。对某一光纤，每个模式，都对应有一个截止波长4，当

工作波长之<4时，该模式可以传输；当九>4时，该模式就截止了。对于单模光

,..1/2

纤，其截止波长为4=2兀勺(2/\)a/VCo

XII

8.光纤产生的原因及其危害是什么？

9.光纤损耗和色散产生的原因及其危害是什么？为什么说光纤的损耗和色

散会限制系统的光纤传输距离？

答：造成光纤损耗的原因很多，主要有吸收损耗、散射损耗和附加损耗。吸

收损耗是光波通过光纤材料时，一部分光能被消耗(吸收)转换成其他形式的能

量而形成；散射损耗是由于材料的不均匀使光散射将光能辐射出光纤外导致的损

耗；附加损耗属于来自外部的损耗或称应用损耗，如在成缆、施工安装和使用运

行中使光纤扭曲、侧压等造成光纤宏弯和微弯所形成的损耗等。光纤的损耗将导

致传输信号的衰减，光纤损耗是决定光纤通信系统中继距离的主要因素之一。

光纤的损耗将导致传输信号的衰减，所以把光纤的损耗又称衰减。当光信号

在光纤中传输时，随着距离增长光的强度随之减弱，其规律为：

P(Z)=P(0)10-a⑸功°；在光纤中，信号的不同模式或不同频率在传输时具有不同的

群速度，因而信号达到终端时会出现传输时延差，从而引起信号畸变，这种现象

统称为色散。对于数字信号，经光纤传播一段距离后，色散会引起光脉冲展宽，

严重时，前后脉冲将互相重叠，形成码间干扰，导致误码率增加。因此，色散决

定了光纤的传输带宽，限制了系统的传输速率或中继距离。

10.光纤中都有哪几种色散？解释其含义。

答：根据色散产生的原因，光纤的色散主要分为：模式色散、材料色散、波

导色散和偏振模色散。下面分别给予介绍。

模式色散一般存在于多模光纤中。因为，在多模光纤中同时存在多个模式,

不同模式沿光纤轴向传播的群速度是不同，它们到达终端时，必定会有先有后，

出现时延差，形成模式色散，从而引起脉冲宽度展宽；

由于光纤材料的折射率随光波长的变化而变化，使得光信号各频率的群速度

不同，引起传输时延差的现象，称为材料色散。这种色散取决于光纤材料折射率

的波长特性和光源的线谱宽度；

波导色散是针对光纤中某个导模而言的，在不同的波长下，其相位常数

防同，从而群速度不同，引起色散。波导色散还与光纤的结构参数、纤芯与包

层的相对折射率差等多方面的原因有关，故也称为结构色散；

对于理想单模光纤，由于只传输一种模式(基模LPoi或HEu模)，故不存在

XIII

模式色散，但存在偏振模色散。偏振模色散是单模光纤特有的一种色散，偏振模

色散的产生是由于单模光纤中实际上传输的是两个相互正交的偏振模，它们的电

场各沿x,y方向偏振，分别记作LP%和LP'oi，其相位常数A，%不同(四¥四),

相应的群速度不同，从而引起偏振色散心。。

11.已知渐变型光纤纤芯的折射率分布为

〃⑺=n(0)^l-2A(—)20<r<a

求：光纤的本地数值孔径NA(r)。

解：NA(r)=J”?(r)一〃；=〃(0)，2&1-(与1,0<r<a

12.均匀光纤芯与包层的折射率分别为：n】=l.50,n2=L45,试计算：

(1)光纤芯与包层的相对折射率差4?

(2)光纤的数值孔径NA?

(3)在1km长的光纤上，由子午线的光程差所引起的最大时延差Afax?

(4)若在1km长的光纤上，将"max减小为10ns/km,112应选什么值.

解：(1)△=(〃；—%?)/2勺2=3.28e-2；

(2)NA=7»,2-»2=0.384；

(3)由〃isin优=〃2sin4可求出sin仇为1.45/1.5,则列出方程并解得此时

所走的光程为1.034483km,Atmax=(1.034483-1)/c=1.1494e-7s/m。

更正：Armax=L/(—sin-L/(—)

n\/

trIAL/Z]/Alt.、

则△\=T,T)

cn2

=(1000*1.5)/(3.0*108)*(1.5/1.45-1)

=172.35ns

(4)由题可以先求出光走的光程L=1003m。sin^=l/1.003=n2/L5,带入

数据得到，112=1.4955。

XIV

更正：由公式八^^二口(五一1)可得，

cn2

N=41'T+1),

L/

代入数据可得：n2=1.497

13.已知阶跃光纤纤芯的折射率ni=1.465,相对折射率差AMO.OI,纤芯半

径a=25gm试求：

LPoi、LP02、LPn和LP12模的截止波长各为多少？

解：查表可以得到对应的匕值分别为：0,3.8317,2.4048,5.5201,分

1/2

别带入公式2c=27in1(2A)a/Vc,得到以下各值：无截止波长；

9.624pm(8.493Hm)；13.533pm；5.896pm。

14.阶跃光纤，若ni=L50,Xo=L3pim,试计算

(1)若△=().25,为了保证单模传输，其纤芯半径a应取多大？

(2)若取a=5|im,为保证单模传输，△应取多大？

解：(1)单模传输的条件，o<网也叵<2,4048,将数据带入解出

4

0<a<0.469|imo

(2)0<网吧叵<2.4048,带入数据得到，0<A<2.2e-3。

4

15.阶跃折射率光纤中m=1.52,n2=L49

(1)光纤浸在水中(no=1.33),求光从水中入射到光纤输入端面的最大接

收角；

(2)光纤放置在空气中，求数值孔径。

解：(1)至少保证光在光纤中传播时发生全反射，则根据〃isin6i=〃2sina有

sin8=L49/L52,则当光从水中进入光纤后的折射角a的sina=g可彳下，

根据公式msinzsina有1.33*sin^=1.52*sina,带入数据解得出0.227md,则

最大接收角为0.456rado

XV

16.一阶跃折射率光纤，纤芯半径a=25卜im,折射率g=1.50,相对折射率差

△=1%,

长度L=2km。求：

（1）光纤的数值孔径；

（2）子午光纤的最大时延差；

（3）若将光纤的包层和涂数层去掉，求裸光纤的NA和最大时延差。

解：（1）NA=々石=1.50*，2*1%=0.2121

（2）因为sin°o=M4,A«（nx-n2）/n1,求得sin<=0.214,

所以有Aimax=V1-（sin6>2）=1.585e-7s/km

（3）n2=1.0,=M一居时延差略。

第五章无线通信传输理论

1、简述无线电波的传播方式及其特点。

答：无线电波的传播方式主要有地面波传播、天波传播、散射传播和视距传

播。

地面波传播是指无线电波沿着地球表面的传播，简称地波。其特点是信号比

较稳定，但电波频率愈高，地面波随距离的增加衰减愈快。因此，这种传播方式

主要适用于长波和中波波段。

天波传播是指电波由高空电离层反射回来面到达地面接收点的这种传播方

式。长、中、短波都可以利用天波进行远距离通信。

散射传播是利用对流层或电离层中介质的不均匀性或流星通过大气时的电

离余迹对电磁波的散射作用来实现远距离传播的。这种传播方式主要用于超短波

和微波远距离通信。

视距（直射）传播是指在发射天线和接收天线间能相互“看见”的距离内，电

波直接从发射端传播到接收端（有时包括有地面反射波）的一种传播方式，又称为

直接波传播。微波波段的无线电波就是以视距传播方式来进行传播。视距传播的

应用可分为三类情况。第一类是指地面上的视距传播，如移动通信和微波接力电

XVI

路等；第二类是指地面上与空中目标之间的视距传播，如与飞机、通信卫星等）;

第三类是指空间通信系统之间的视距传播，如飞机之间、宇宙飞行器之间等。

2、简述无线电波传播特性。

答：电源波的波长不同，其传播方式和特点也不同。但电磁波在传播过程中

有以下共同特性。

①电磁波在均匀媒质中沿直线传播。在均匀媒质中，电磁波各射线的传播速

度相同，传播中各射线相互平行，电磁场方向不变.所以传播方向不变，即按原

先的方向直线向前传播。

②能量的扩散与吸收。当电磁波离开天线后，便向四面八方扩散，随着传播

距离增加，电磁波能量分布在越来越大的面积上，由于天线辐射的总能量一定，

所以离开天线的距离越远，空间的电磁场就越来越弱。

③反射与折射。当电波由一种媒质传播到另一种媒质时，在两种媒质的交界

面上，传播方向会发生改变，产生反射和折射现象。电波的反射和折射同样遵守

光学的反射和折射定律。

④电波的干涉。由同一电波源所产生的电磁波，经过不同的路径到达某接收

点时，该接收点的场强由不同路径的电波合成，这种现象叫做波的干涉，也称为

多经效应。合成电场强度与各射线电场的相位有关，当它们同相位时，合成场强

最大；反相时，合成场强最小。所以当接收点不同相位时，合成场强也是变化的。

⑤绕射现象。电波在传播过程中有一定的绕道障碍物的能力。这种现象称为

绕射。由于电波具有一定的绕射能力，所以能绕过高低不平的地面或有一定高度

的障碍物，然后到达接收点。因而有时在障碍物后面也能收到无线电信号。电波

的绕射能力与波长和障碍物儿何尺寸有关，当障碍物的大小确定后，波长越长，

绕射能力越强，波长越短，绕射能力越弱。

3、介绍传输介质对电波传播的影响。

答：不同路由的中继段，当地面的地形不同时，对电波传播的影响也不同。

主要分以下儿点讨论。

地面对无线电波传播的影响——主要有反射、绕射和地面散射。地面可以把

天线发出的一部分号能量反射到接收天线（光滑地面或水面反射的能量更大些）,

与主波（直射波）信号产生干涉，并与主波信号在收信点进行矢量相加，其结果

XVII

是收信电平与自由空间传播条件下的收信电平相比，也许增加，也许减小。

大气对无线电波传播的影响——在空间通信业务中，无线电波穿过大气层

时，除路径损耗外，还会产生其他影响。对流层与同温层、电离层不同，它除了

含有各种气体外，还含有大量的水蒸气以及水气的凝结物。总之，在无线通信中，

由于跨越距离大，因此影响电波传播的因素也很多。主要有大气对无线电波的折

射和衰减。

4、解释自由空间和自由空间损耗的概念。

答：略。

5、惠更斯-菲涅尔原理的基本思想是什么？解释菲涅耳区的概念。

答：惠更斯一菲涅耳原理关于光波或电磁波波动性学说的基本思想：光和电

磁波都是一种振动，振动源周围的媒质是有弹性的，故一点的振动可通过媒质传

递给邻近的质点，并依次向外扩展，而成为在媒质中传播的波。惠更斯原理是，

一点源的振动可传递给邻近质点，使其成为二次波源。当点源发出球面波时，2

次波源产生的波前也是球面，3次，4次……波源也是如此。

由解析几何可知，平面上一动点至两定点T,R的距离之和为常数时，此动

点轨迹为椭圆。在空间，此动点轨迹为旋转椭球面，如图5-4所示。若在讨论微

波传播时，当该常数为"几/2,动点轨迹为第1菲涅耳椭球面，式中”=四。

若该常数为d+2%/2,动点轨迹为第2菲涅耳椭球面，图5-4中分别用A和B

标出。常数为〃+祖―且n=l,2,……时，动点轨迹为第n菲涅耳椭球面。

6、K值是怎样定义的？温带地区K值变化范围是多大？K值的变化意味着

什么？

答：由于大气折射的作用，使实际的电波传播不是按直线进行，而是连续折

射弯曲的曲线，为了便于分析，在工程上，引入“等效地球半径Re”概念。引入

Re后，便可把电波仍视为直射线，而真正地球半径R(6370km)变成了Re,。

定义K为等效地球半径系数：K=J—匚厂由此式可知，K由折射率梯

R1+R也

度也决定，而也又受温度、压力、湿度等参数的影响，故K是反映气象参数

dhdh

XVIII

对电波传播影响的重要系数。

大气折射对电波传播路径的影响，可以根据电波受大气折射的轨迹，对大气

折射分为三类，当也>0,KV1时，Re<R,此时电波射线折射向上弯曲，与

dh

地球弯曲方向相反，故称负折射。当—<0,K>1时，Re>R,此时电波射线

dh

折射向下弯曲，与地球弯曲方向相同，故称正折射。在正折射中，K=oo称为临

界折射。K=4/3,p=4R称为标准大气折射；K<0,p<R口寸称为超折射现象。当—=

dh

0,K=1时，Re=R,此时大气折射指数不随高度变化，大气为均匀介质，射线

轨迹为一直线，相当电波射线的曲率半径P=8,故称无折射。

7、大气和地面造成了儿种衰落？衰落产生的原因以及抗衰落所采用的技术

有那些？

答：当电波传播空间的参数变化时，收信端的收信电平会偏离设计值，称为

传播衰落。引起衰落的原因是多方面的，大体上可以归为两大类：第一类是由气

象条件的不平稳变化引起的，如大气折射的慢变化，雨雾衰减以及大气中不均匀

体的散射等引起的衰落；第二类是由多径传播引起的衰落。由于气象条件不平稳

变化，使传播发生异常，可能出现多条传播路径.这就称为多径传播。这时到达

接收天线的几条射线在垂直天线口面上的相位不可能完全相同，产生相互迭加干

扰，使合成信号产生或深或浅的衰落。

抗衰落一般采用分集技术和自适应均衡技术来实现。主要技术有分集技术和

自适应均衡。

8、微波和卫星通信中将采用哪些抗衰落技术？

答：在微波和卫星通信中，主要采用的是分集技术和自适应均衡技术来实现

抗衰落。

9、无线(如卫星、移动通信)中将采用哪些抗衰落技术？

答：减少通信距离；增加发送功率；调整天线高度；选择合适路由；在移动

通信中采用微蜂窝、直放站；采用分集技术、均衡技术、瑞克技术、纠错技术等。

10、简述码分多址的工作原理。

答：码分多址(CDMA,CodeDivisionMultipleAccess)是一种利用信号结

构的正文性来鉴别有用信号的多址方式。在码分多址(CDMA)系统中，站址的划

XIX

分是根据各站的码型结构不同来实现的。各地球站可以便用相同的载波频率，占

用同样的射频带宽，在任意时间内发射信号。一般选择伪随机(PN)码作地址码。

一个地球站发出的信号，只能用与它相关的接收机才能检测出来。

11、已知发信功率PT=10W,工作频率f=4.2GHz,两微波站相距50km,GT

=1000倍，GR=38<1B,收、发天线的馈线损耗[Lr]=[Lt]=3dB。求：在自由空间

传播条件下接收机的输入功率电平和输入功率。

解：⑷=1。喷=狈(等")

=32.45+201g50(km)+20lg4.2*103(MHz)®138.89^/5

将PT=1W换成电平值，PT=10炮10。00加%“卬=40d8m

=40+30+38-3-3-138.89=-36.89dBm

PK=Prx=10x10T3389亚=j29e-13(w)

12、已知两微波站相距46km,反射点离发端18km,且天线高度恰好满足自

由空间的余隙h(”通信频率为6GHz,地面反射因子上0.7。求：天线的自由空

间的余隙瓦和衰落因子[Lk]

匕_1.lAddlc18*(46-18)

解：首先求Fi，耳1r=’丁t'2=,746=234”

%=0.5776=0.577*23.4=13.5机

13、某微波传输信道，发射天线的增益为32dB,接收天线的的增益为20dB,

收发距离为24500km,载波中心频率为6.904GHz,求该信道的基本传输损耗为

多少?若发射功率为25w,接收机的接收到的功率为多少？

[LrJ^32.45+201gd(/<m)+201gf(MHz)-[G./.](dB)-[G/l](dB)

解：⑴=32.45+201g24500(历〃)+201g6904(M"z)-32(18)-20(6/8)

=145〃

⑵PR=P〔x10如"。=25xlol"=7.9x10-%)

14、已知在自由空间传输条件下接收机的收信功率P=-35dBm,在传输

途中有如图5-7所示的刃形障碍物，且生=-0.5Fi(B是第1费涅耳区半径),求

此时收信功率电平。

XX

解：由/zc=-0.5Fi可知%/FI=-0.5,查图得到损耗为L=12dB,

此时的接收功率电平为P=-35-12=-47dBmo

第七章移动通信传输信道的特性

1、何谓移动通信？

答：所谓移动通信，就是通信的一方或双方是在移动中实现通信的。

2、移动通信的信道有些什么特点？

答：移动通信的传输特点：1、必须利用无线电波进行信息传输；2是在复

杂的干扰环境中进行的传输；3频谱资源非常有限；4、传输效果涉及的因素众

多。

3、移动通信的工作方式有哪儿种？各有什么特点？

答：移动通信的工作方式分为单工通信方式和双工通信方式。

所谓单工通信方式，是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的

工作方式，消息只能单方向进行传输；所谓全双工通信，是指通信双方可同时进

行双向传输消息的工作方式。在这种方式下，双方都可同时进行收发消息，全双

工通信的信道必须是双向信道。

4、GSM移动通信系统由几部分组成？每部分的作用是什么？

答：移动通信系统一般由移动台(MS)、基站子系统(BSS)、移动交换子

系统(MSS)以及与其他网(如PSTN、Internet等)相连的中继线等组成。

移动台或移动终端(MT)是移动通信系统不可缺少的一部分，它有手持机

和车载台等类型。目前，移动终端除基本的电话业务以外，还可为用户提供一些

数据业务、多媒体业务和移动增值业务等非话音业务。

基站子系统包括一个基站控制器(BSC)和由其控制的若干个基站收发信机

(BTS)或基站(BS)。基站子系统负责管理无线资源，实现固定网与移动用户之

间的通信连接，传送或接收系统信号和用户信息。发信机(BTS)与基站控制器

(BSC)之间采用有线中继电路传输信号，有时也可采用微波中继方式。

移动交换子系统(MSS)主要包括移动交换中心(MSC/GMSC)、归属位置寄存

器(HLR)、访问位置寄存器(VLR)、认证中心(AUC)、短消息业务中心(SMC)等。

移动交换中心主要用来处理信息的交换和整个系统的集中控制管理，负责交换移

动台各种类型的呼叫，如本地呼叫、长途呼叫和国际呼叫，提供连接维护管理中

XXI

心的接口，还可以通过标准接口与基站子系统、其他MSC、固定电话网（PSTN）

/Internet等外部网络连接。为有效地提供分组数据业务，现在移动交换子系统还

包括相应的分组业务节点，如SGSN,GGSN等。

在现有的移动通信网络中，移动台与基站通过无线链路建立连接，然后通

过地面电路连接到移动业务中心（MSC）,再通过网关移动业务中心（GMSC）

接入公共电话交换网络（PSTN）或其它的公共陆地移动网络（PLMN）o在这种

网络中，移动性管理是通过HLR/VLR结构实现的。

5、指出移动通信的传输特点。

答：移动通信是在复杂的干扰环境中进行的传输。无线电波传输方式具有复

杂性、开放性。移动通信系统的移动台和基站台所发射的微波段的无线电波，在

传播中不仅存在大气（自由空间）传播损耗，还有经多条不同路径来的众多反射

波合成的多径信号产生的多径衰落。地形构造、粗糙程度和各种建筑物的阻挡、

屏蔽作用以及散射和多径反射等的影响都将使信号发生衰落。

6、阐述频分双工和时分双工的区别和各自特点。

答：区别：在频分双工中，收发用不同的频段，但时间上连续收发；在时分

双工方式中，收发用同一频段，但通过不同时间段进行收发。

各自特点：在FDD方式中，接收和传送位于分离的两个对称频率信道上，

用保证频段来分离接收和传送信道。在TDD方式中接收和传送是利用同一频率

信道的不同时隙实现的，用保证时间来分离接收与传送信道。

7、叙述典型移动通信系统的主要工作频段。

答:GSM采用的是900MHz频段，IS-95采用的是800MHz,分配给第三代

移动通信的是2GHz。

8、介绍产生阴影效应和多径效应的原因。

答：当电磁波在传输路径上遇到高矮、位置、占地面积不等的建筑物，起伏

的地形、山峰和森林等阻挡时，会形成电磁场的阴影，移动台通过这些阴影时就

会造成接收场强中值的变化，这就是产生阴影效应的原因。

实际中接收点的电波是直射波、反射波、绕射波和散射波的合成，由于每条

传播路径各不相同，各路径信号的时延也各不相同，接收点信号的矢量合成的结

果就形成接收点场强瞬时值的快速、大幅度的变化，这就是引起多径效应的原因。

XXII

9、给出按照多径信道特征参数不同划分的信道分类。

答：可以分为3类：（1）平坦衰落信道和频率选择性衰落信道；（2）快衰落

信道和慢衰落信道；（3）空间选择性衰落信道和非空间选择性衰落信道。

10、简述噪声的分类和特性。

答：噪声分为内部噪声和外部噪声，内部噪声只要是设备本身产生的噪声，

而外部噪声才是真正对移动信道的影响较大的噪声。

11、解释邻道干扰、同频道干扰、互调干扰、远近效应和符号间干扰。

答：邻道干扰是指相邻的或邻近频道之间信号的相互干扰。

同频道干扰是指所有落到接收机同带内的与有用信号频率相同或相近的无

用信号的干扰。

互调干扰是指试传输信道中的非线性电路产生的。

远近效应是指近处无用信号压制远处有用信号的现象。

符号间干扰是由于数字脉冲的扩展造成相邻符号的重叠，从而产生的干扰。

12、基站天线有效高度为50m,移动台天线高度为2m,由r（）=10km和要求

的有用信号和干扰信号的比［S/I］=22dB,试求同道再用距离Do

解：@"=10访=3.55

Ds