电信传输原理电信传输原理 主讲：王敏琦 通信与信息技术部电信传输原理课程内容提要n电信传输的基本概念n金属传输线理论n波导传输线理论n光波导（光纤）传输理论n微波传输基本理论n卫星传输的基本理论n移动通信传输信道的特征参考文献n电信传输原理胡庆.电子工业出版社.2004n电信传输原理自编教材 2002.7n有线电信传输基础贾玉明.人邮出版1983.3n电信传输理论高函教材 1993.n新编电信传输理论王明鉴.北邮出版1995.10第一章 电信传输的基本概念 本章内容提要n1.1 通信、电信及电信传输通信、电信及电信传输 n1.2 电信传输系统与通信网电信传输系统与通信网n1.3 信号传输的媒质信号传输的媒质n1.4 传输中的增益、衰减与电平传输中的增益、衰减与电平1.1通信通信、电信及电信传输电信及电信传输 1.1.1通信、电信及分类通信、电信及分类 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，均可称为通信。 文字数据文字数据电信传输利用电子技术实现传送信息和交换信息的通信方式称之为电信。电信按传输媒质的分类：n有线电信有线电信在金属导线、光纤在金属导线、光纤等有形媒质上传送信息的方式。等有形媒质上传送信息的方式。n无线电信无线电信利用自由空间以电利用自由空间以电磁波形式传送信息的方式。磁波形式传送信息的方式。1.1.2电信传输电信传输 含有信息的电信号的传输含有信息的电信号的传输简称为电信传输。简称为电信传输。电信号的传输实质就是电场或磁场的传播。电信号的传输实质就是电场或磁场的传播。 电信传输由电信传输系统实现。电信传输由电信传输系统实现。 电电信信传传输输系系统统包包括括了了用用户户之之间间的的许许多多电电气气设设备备和和传传输输媒媒质质（如如金金属属导导线线、光光纤纤、自自由由空空间等）。间等）。 一一个个最最简简单单的的传传输输系系统统，至至少少要要由由一一个个发发送送器器（变变换换器器），一一个个接接收收器器（反反变变换换器器）和和把它们连接起来的把它们连接起来的传输媒质传输媒质组成。组成。电信传输的基本任务：电信传输的基本任务：把用户发出的信息，把用户发出的信息，以用户满意的质量传送到对方用户。以用户满意的质量传送到对方用户。需要研究如何高质量传输电信号的问题：需要研究如何高质量传输电信号的问题：语言、文字、图像、数据等信息如何变为语言、文字、图像、数据等信息如何变为便于传输的电信号？便于传输的电信号？对于传输方式和传输质量有哪些要求？对于传输方式和传输质量有哪些要求？传输设备和部件的结构与特性如何？等等传输设备和部件的结构与特性如何？等等本课程主要研究本课程主要研究在不同的传输系统中，电在不同的传输系统中，电磁波的特点。磁波的特点。电话通信示意图 1.1.3电信号的类型电信号的类型 按照电信号传载信息的形式不同可分为：按照电信号传载信息的形式不同可分为：1.模拟信号模拟信号幅度随时间连续变化的信号。幅度随时间连续变化的信号。模拟通信模拟通信普通电话、传真、电视。普通电话、传真、电视。2.数字信号数字信号时间和幅度离散的信号。时间和幅度离散的信号。数数据据通通信信通通信信传传输输的的都都是是数数字字信信号号，如如人人与与计算机，计算机与计算机之间的通信计算机，计算机与计算机之间的通信。1.1.4电信传输的一些特点电信传输的一些特点 q传输信号的多频率q电信传输的功率q电信传输的效率q电信传输与信号变换1.2 电信传输系统与通信网电信传输系统与通信网1.2.1电信传输系统电信传输系统由发信终端设备、传输信道、交换设备、收信终端设备组成，称通信系统。消息 消息 1.发信终端设备发信终端设备 位于变换器端作用：把声音、文字、图象等信息借助于电子技术转换成电信号的形式传送给对方。 2.收信终端设备收信终端设备 位于反变换器端作用：把电信号形式还原成声音、文字、图象。终端设备可分为终端设备可分为用户终端设备：用户终端设备：以用户线为传输信道以用户线为传输信道的终端设备，从业务分为电话、数据、的终端设备，从业务分为电话、数据、图像终端设备。图像终端设备。传输终端设备：传输终端设备：以有线、无线媒质为以有线、无线媒质为信道，为用户终端和业务网提供传输服信道，为用户终端和业务网提供传输服务的电信终端。主要包括各种收发信设务的电信终端。主要包括各种收发信设备以及复用设备。备以及复用设备。 3.传输信道传输信道 全塑市话电缆全塑市话电缆、同轴电缆、同轴电缆、光缆光缆、自由空间等、自由空间等是是不同形式的传输信道。不同形式的传输信道。 主要功能是尽量减小信号在信道中传输时的功率主要功能是尽量减小信号在信道中传输时的功率损耗，减小因信号畸变和噪声造成的干扰，使接损耗，减小因信号畸变和噪声造成的干扰，使接收端获得尽可能大的接收功率和信号信噪比。收端获得尽可能大的接收功率和信号信噪比。 4. 交换设备交换设备 用于为用户群内各用户终端按需提供传输信道的用于为用户群内各用户终端按需提供传输信道的连接，并控制信号的流量、流向，以达到共用电连接，并控制信号的流量、流向，以达到共用电信设备，提高设备利用率的目的。信设备，提高设备利用率的目的。 q用户数增多时：用户数增多时： 用户线急剧增大；用户线急剧增大； 每个用户如何确定与其他用每个用户如何确定与其他用户通话的问题；户通话的问题； 每新增加一个的处理问题。每新增加一个的处理问题。 没有实用价值。没有实用价值。q用户数较少时：用户数较少时：q解决办法：采用中央交换的方法解决办法：采用中央交换的方法在用户分布区域中心安装公共设备在用户分布区域中心安装公共设备出现交换机，出现交换机，完成各个用户完成各个用户之间的接续之间的接续当当任意两个用户要通话时，任意两个用户要通话时，由交换机将它们连通，通由交换机将它们连通，通话完毕将线路拆除，供其话完毕将线路拆除，供其它用户使用。它用户使用。通信网的基本结构通信网的基本结构电信传输系统一般结构 由上可见，无论是电缆、光纤通信由上可见，无论是电缆、光纤通信系统，还是微波、卫星通信系统，它们系统，还是微波、卫星通信系统，它们的基本结构形式都很类似。不同通信系的基本结构形式都很类似。不同通信系统之间的差异仅在于统之间的差异仅在于电信号载体（或传电信号载体（或传输媒质）和传输终端设备输媒质）和传输终端设备不同。不同。 不同的传输系统具有的独特性能和不同的传输系统具有的独特性能和差别也正是本课程讨论的重点问题。差别也正是本课程讨论的重点问题。1、通信网的概念、通信网的概念多用户构成的电信传输体多用户构成的电信传输体系就称为通信网。系就称为通信网。从通信内容分为电话网（电从通信内容分为电话网（电信网）、电报网、数据网等。信网）、电报网、数据网等。电话网？电话网？电话网是指在本地网和长途网组织开通电话业务电话网是指在本地网和长途网组织开通电话业务的一种业务网络。的一种业务网络。长途电话网长途电话网?长途电话网是指担负本地电话网之间的长途电话长途电话网是指担负本地电话网之间的长途电话业务的网络，直达和辐射相结合业务的网络，直达和辐射相结合 1.2.2通信网概念通信网概念长途电话网层次结构 本地电话网？本地电话网？ 本地电话网是指同一长途编号本地电话网是指同一长途编号区范围内的网络区范围内的网络，是由若干个端，是由若干个端局，或由若干个端局和汇接局、局，或由若干个端局和汇接局、局间中继线、长市中继线、用户局间中继线、长市中继线、用户线、用户交换机及用户终端等所线、用户交换机及用户终端等所组成的电话网。组成的电话网。本地电话网的服务范围图 142本地网的网路结构1.3 信号传输的媒质信号传输的媒质电信号的传输实质上是电磁波的传播，传播方式因传输的媒质不同可分为两类：q一种是在自由空间传播，通常叫无线电波的一种是在自由空间传播，通常叫无线电波的传播，其能量比较分散，传输效率较低；由自传播，其能量比较分散，传输效率较低；由自由空间传输电信号的方式称为由空间传输电信号的方式称为无线通信无线通信。q另一种是沿导线传播，由于电磁波的能量大另一种是沿导线传播，由于电磁波的能量大部分集中在导线周围，其传输效率较高。沿导部分集中在导线周围，其传输效率较高。沿导线传输电信号的方式称为线传输电信号的方式称为有线通信有线通信。 有线通信的传输媒质：q 架空明线架空明线 q 对称电缆（平行双导线）对称电缆（平行双导线） q 同轴电缆同轴电缆 q 光纤光缆光纤光缆 q 金属波导金属波导 （a）架空明线（b）对称市话电缆 （c）同轴电缆（d）光纤 （e）金属波导 无线信道：根据使用无线电波频率不同分为根据使用无线电波频率不同分为q 短波短波 =100=1001010m m，f=3f=330MHz30MHz，经电离层的反射，经电离层的反射，通信距离达上万千米。主要应用于应急、抗灾中的通信距离达上万千米。主要应用于应急、抗灾中的电报、电话及数据通信。电报、电话及数据通信。q 超短波超短波 =10=101 1m m，f=30f=30300MHz300MHz，主要以直线主要以直线视距方式传输，距离约视距方式传输，距离约5050kmkm，也可在对流层中进行也可在对流层中进行数百千米超视距通信。主要用于无线寻呼、无绳电数百千米超视距通信。主要用于无线寻呼、无绳电话、对讲电话及超短波数字通信等。话、对讲电话及超短波数字通信等。q 微波微波 =1=10.10.1m m，f=300MHzf=300MHz3THz3THz，主要用于微主要用于微波移动电话、地面微波接力通信、卫星通信、对流波移动电话、地面微波接力通信、卫星通信、对流层散射通信、空间通信等。层散射通信、空间通信等。1.4传输中的增益传输中的增益,衰减与电平衰减与电平 1.4.1增益与衰减增益与衰减 n增益：增益：PoutPinn衰减：衰减：PoutPinn增益与衰减大小的衡量增益与衰减大小的衡量增益增益G和衰减和衰减A公式如下：公式如下： 在通信中信号的强弱往往用在通信中信号的强弱往往用“电平电平”来表示，来表示， 用电平表示信号的强弱能反映信号的实际传用电平表示信号的强弱能反映信号的实际传输效果。输效果。 因为在传输语音信号时人的听觉灵敏度不是因为在传输语音信号时人的听觉灵敏度不是和信号功率的变化成正比，而是和功率变化和信号功率的变化成正比，而是和功率变化的对数成正比。的对数成正比。 例如，将功率为例如，将功率为0.1mw的信号提高的信号提高1mw。信号功率增大了信号功率增大了10倍，但对人的听觉来说，倍，但对人的听觉来说，声音响度是增大声音响度是增大lg1/0.1=lg10=1倍。倍。1.4.2传输单位与传输电平传输单位与传输电平q传输单位由来传输单位由来n传输电平传输电平国际上通用的传输单位有两种：国际上通用的传输单位有两种：分贝（用分贝（用dB表示）表示）奈培（用奈培（用Np表示）表示）电平电平dB(m)的含义的含义 ? 所谓某点的电平，就是指该点的功率（或电压、电流）与基准功率（或基准电压、基准电流）之比的对数值。由于对数有常用对数和自然对数之分，因此电平的表示方法也有两种。 首先定义贝尔值：1贝尔表示传输中信号功率变化了10倍，将贝尔的十分之一作基本传输计量单位，称为分贝，单位是dB。1.以常用对数表示时，其单位为分贝dB n功率电平dB的定义：（dB数） LP=10Lg P2/P1 n电压电平dB的定义: （dB数） LU =20Lg U2/U1n电流电平dB的定义: （dB数） LI =20Lg I2/I1 式中p2、U2、I2分别为被测点的功率、电压、电流。p1、U1、I1分别为基准功率、电压、电流2以自然对数表示时,其单位为 NP(奈培)n功率电平：n电压电平：n电流电平： 3. 奈培和分贝之间的转换关系n设1奈培1NP =1/2 Ln p1/p0np1/p0=e2 =7.389=100.8686 n10Lgp1/p0=10Lg100.8686=8.686n1NP =8.686dBn1dB=1/8.686=0.115NP1.4.3绝对电平计算绝对电平计算 绝对电平与相对电平不同的是:基准值为固定值而不是任意值.n例: 绝对功率电平绝对功率电平的基准功率P0为1mwn绝绝对对电压电平的基准电压V0是根据在600欧电阻上获得1mw基准功率来确定的。n绝对电流电平的绝对电流电平的基准电流I0也是根据在600欧电阻上获得1mw基准功率来确定的。1绝对功率电平 n相对于基准功率为1mw的某一点的功率电平称为绝对功率电平dBmm某某一点的一点的绝对功率电平绝对功率电平:2绝对电压电平n相对于基准电压U0为0.775V的某一点的电压电平称为绝对电压电平dBV .V某某一点的一点的绝对电压电平绝对电压电平:3绝对电流电平 n相对于基准电流I0为1.2910-3 A的某一点的电流电平称为绝对电流电平dBI .某某一点的一点的绝对电流电平绝对电流电平:I例例1-11-1：设某传输设备中测试点阻抗：设某传输设备中测试点阻抗RX=600=600欧欧姆，若该点信号功率分别为姆，若该点信号功率分别为0.10.1 mw,1,1 mw,10,10 mw，试计算该点绝对功率电平值是多少？试计算该点绝对功率电平值是多少？解解: 4. 正电平、负电平和零电平的意义 以功率电平为例:定义LP =10LgP1 /P0 n当P1P0时电平是零,其含义? n当P1P0时电平是负值,其含义?n当P1P0时电平是正值,其含义?n电平是零时,功率为零吗?需指出的是：q基准功率是基本不变的基准功率是基本不变的 ,而基准电而基准电压或基准电流则是根据在某一阻抗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。上所获得的基准功率来确定的。q当阻抗变化时，基准电压或基准电当阻抗变化时，基准电压或基准电流也要随之而变化。流也要随之而变化。5. 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修正值Kx。n绝对电压电平: dBV=20LgUX/0.775V 设通信设备中某一点的阻抗为RX，则绝对功率电平: （dBm） LPX = 绝对电压电平(dBv)+10Lg600/RX 当测试点阻抗为当测试点阻抗为600欧时，用电平表测出的欧时，用电平表测出的该点绝对电压电平值在数值上等于该点绝对该点绝对电压电平值在数值上等于该点绝对功率电平值。功率电平值。例例1-2：设设某某测测试试点点阻阻抗抗Rx分分别别为为75，150150，300300，则则从从电电平平表表上上读读出出的的绝绝对对电电压压电电平平值值应应加加上上多大修正值多大修正值Kx才是测试点的绝对功率电平值？才是测试点的绝对功率电平值？解：解： 用电平表上读出的绝对电压电平值必须分别加9dBm，6 dBm，3 dBm修正值后，在数值上才等于这点的绝对功率电平值。 1.4.4相对电平计算相对电平计算 如果以任选一点的功率、电压和电流作为基准值。那么所求得的某一点电平就称为相对电平。 1.相对功率电平设P2为基准点的功率(输入端)，P1为测量点的功率(输出端),则两点间的相对功率电平是： 2相对电压电平 n设U2为基准点的电压，U1为测量点的电压，则两点间相对电压电平是: 3相对电流电平n设I2为基准点的电流，I1为测量点的电流，则两点间相对电流电平是: LI =20Lg I1 / I2 dB LI =Ln I1 / I2 NP4绝对电平相对电平的关系可见，可见，两点间的相对功率电平等于该两点的绝对功两点间的相对功率电平等于该两点的绝对功率电平之差。率电平之差。这种关系对于电压电平和电流电平都这种关系对于电压电平和电流电平都成立。成立。小小 结结通信的广义定义：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。电信的定义：用电子技术来进行的传送信息和交换信息通信方式。电信传输就是指含有信息的电信号的传输，简称为电信传输。电信号可以分为模拟信号和数字信号两种类型。因而，根据信号的形式，通信也可分为模拟通信和数字通信两大类。一个完整的通信系统主要由以下五部分组成：用户终端设备、交换设备、多路复用设备、传输终端设备和传输媒质。通信网实质上是由用户终端设备、传输设备、交换设备和相应的信令、协议、标准等软件构成的集合。常见通信的传输媒质有光缆、对称电缆、同轴电缆、金属波导管、架空明线和无线信道（自由空间）。当信号（电信号或光信号）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G；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衰减。衡量传输过程中的信号功率变化的计量单位有：分贝、奈培。以功率为例它们的定义式分别如下： 和 绝对功率电平是以基准参考功率取为1mw。因此某一点的绝对功率电平可以表示为； 或 正电平、负电平和零电平的意义。 习题习题 1 7已已知知测测试试点点的的阻阻抗抗RL=75,其其电电压压为为0.85V，试计算测试点上的绝对功率电平是多少？试计算测试点上的绝对功率电平是多少？8叙叙述述绝绝对对电电平平和和相相对对电电平平的的意意义义以以及及两两者者之之间间的关系的关系?9设电路某点的绝对功率电平为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。试求该点的功率值。10已已知知测测试试点点功功率率为为0.2w，线线路路始始端端功功率率为为10mw，求测试点的相对功率电平值。求测试点的相对功率电平值。