
传输系统基础理论.ppt
158页传输系统基础理论 第一部分:电波传播理论 第二部分:天线基础知识 第三部分:噪声与失真 第四部分:数字通信系统模型与性能指标 第五部分:数字视音频压缩、编码与复用技术 第六部分:数字信号基带传输 第七部分:调制理论 第八部分:电气工作安全规程 Date1 一、无线电波的频率和波长 无线电波是由频率很高的交变电流通过天线 辐射的结果,是一种电场和磁场的波动,所以又 叫电磁波 波长是波在一个周期内传播的距离,单位为 米(m)频率是波在每秒钟完成的周期数,单位为 赫兹(Hz) 电磁波的频率f(Hz)、波长λ(m)与波速 υ(m/s)之间存在下述关系:υ= λ× f 电磁波的传播速度很快,在空气中的传播速 度约为3×108m/s 第一部分 电波传播理论 Date2 二、无线电波频段划分 波段指波长范围,频段指频率范围 Date3 三、广播电视频段划分 我国的广播电视波段(频段)划分如下:中 波(中频) 短波(高频)、超短波和微波 中波(中频)——526.5kHz(570m)至 1606.5kHz(187m),主要用于国内的声音广播 短波(高频)——2.3MHz(130m) 至26.1MHz(11.5m),主要用于对国外的声音广 播。
Date4 超短波(米波): 48.7MHz(6.16m)至223MHz(1.35m) 用VHF表示,它分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个波段 Ⅰ波段—48.7MHz(6.16m)至92MHz(3.26m) 用于地面电视广播的1至5频道; Ⅱ波段—87MHz(3.5m)至108MHz(2.78m) 用于调频广播; Ⅲ波段—167MHz(1.8m)至223MHz(1.35m) 用于地面电视广播的6至12频道 Date5 微波频率为300MHz~300GHz可分为分米波、 厘米波、毫米波用于传输节目和进行卫星广播 分米波:470MHz(0.64m)至958MHz(0.31m) 用UHF表示,它又分为Ⅳ、Ⅴ两个波段,可容纳56 个频道,主要用于地面电视广播 Ⅳ波段—470MHz(0.64m)至566MHz( 0.53m ) 用于地面电视广播的13至24频道 Ⅴ波段—606 MHz(0.5m)至958MHz(0.31m) 用于地面电视广播的25至68频道 卫星广播通常使用C波段(3.7~4.2GHz)和 Ku波段(11.7~12.5GHz) Date6 四、电波传播特性 电波的传播途径主要分为以下几种:地波传播 、天波传播、空间波传播和散射传播。
1、地波传播——弯曲地沿地球表面传播; 地波传播 Date7 地波传播特性: (1)地面波传播采用垂直极化波地面波的 传播损耗与波的极化形式有很大关系,计算表明 ,电波沿一般地质传播时,水平极化波比垂直极 化波的传播损耗要高数十分贝所以地面波传播 采用垂直极化波,天线则多采用直立天线的形式 (2)传播较稳定这是由于大地的电特性、 地貌地物等不会随时改变,并且地面波基本上不 受气候条件的影响,故地面波传播信号稳定 (3)有绕射损耗障碍物越高,波长越短, 则绕射损耗越大长波绕射能力最强,中波次之 ,短波较弱,而超短波绕射能力最弱 Date8 2、天波传播——经过电离层反射后到达接收点 Date9 短波天波传播的特点 (1)能以较小的功率进行远距离传播由于 天波传播是靠高空电离层反射来实现的,因此不 受地面吸收及障碍物的影响,此外,这种传播方 式的损耗主要是自由空间的传输损耗,而电离层 吸收及地面损耗则较小,在中等距离(1000km左 右)上,电离层的平均损耗只不过10dB左右因 此,利用小功率电台可以完成远距离通信 Date10 (2)白天和夜间要更换工作频率由于电离 层的电子密度、高度在白天和夜间是不同的,因 此工作频率也应不同。
在日出日落前后要更换工 作频率 (3)传播不太稳定,衰落严重由于电离层 的情况随年份、季节、昼夜和地理位置的不同而 变化,因此天波传播不如地面波稳定,且衰落严 重 (4)天波传播由于随机多径效应严重 (5)电台拥挤、干扰大尤其是夜间,由于 电离层吸收减弱,干扰更大 Date11 3、视距传播(空间波传播) 当电波的频率很高时,地波衰减很大, 天波又会穿透电离层不能反射回来,因而只 能采用视线传播,即在“看得见”的距离内进行 直线传播 Date12 视线距离: 在给定的发射天线和接收天线高度H1、H2的 情况下,由于地球表面的弯曲,当收发两点A、B 之间的直视线与地球表面相切时,存在着一个极 限距离在通信工程中常常把由H1 、H2限定的极 限地面距离A′B′=d0称为视线距离当H1 、H2 远小于地球半径R时, d0也就是A、B之间的距离 r0,而实际问题大多如此 Date13 Date14 将地球半径R=6370km代入上式并且H1、H2均 以米为单位时, 在标准大气折射时,视线距离将增加到: Date15 4、散射传播 是利用低空对流 层、高空电离层下缘 的不均匀性散射电波 ,使电波到达视距以 外的地方。
Date16 五、各波段电波的传播特点 1、中波 白天,中波的天波受电离层D层的强烈吸收 ,衰减很大,主要由地波传播晚间D层消失, 天波由E层反射可传到较远距离因此,在晚间 可收听到更多的中波电台的广播地波的传播要 受到地面的吸收,所以中波电台的功率越大,传 播的距离越远通常,中波电台所用发射天线为 一直立铁塔的塔身铁塔高度通常为四分之一波 长,即几十米至一百多米,所辐射的地波约可传 播200公里 Date17 2、短波 由于短波的频率较高,地面对它的吸收 更强烈,因此短波在地波传播方式下只能传播几 十公里但它的天波在电离层的损耗却较小,因 而短波主要由天波传播由于电离层的电离程度 和位置高度随昼夜、季节和纬度等变化,因而传 播不稳定,收听的信号忽强忽弱,称为衰落现象 短波广播的发射天线尺寸比中波要短小得多, 发射机的功率也可以小得多靠天波传播的距离 很远,可达上万公里 Date18 3、超短波 超短波的频率高,地波衰减大,天波又 会穿入电离层很深,以至穿出电离层而不被反射 ,因而只能靠空间波传播即在收、发两点间直 线的方向传播,也称为视距(视线距离)传播, 传播距离一般只有几十公里,发射天线架得越高 传播效果越好。
因此,在一些大城市建有四、五 百米的电视塔,以扩大覆盖范围 Date19 4、微波 它可象光线一样聚成一条细束来传播, 也是按视距传播微波可用来在两个地点之间传 送节目由于微波的传播距离只有几十公里,而 且会受到传播路径中高大物体的阻挡,因此需要 每隔一定距离设一微波站,形成微波链路,将信 号一站一站接力传向远方,这种方式也称为微波 中继传输 Date20 六、自由空间的电波传播 自由空间又称理想介质空间(介质均匀、 电导率=0、相对介电常数和磁导率等于1),即 相当于真空状态的理想空间 有一天线置于自由空间A处,其辐射功率为 Pr,方向系数为D,在最大辐射方向上距离为r的 点M处产生的场强振幅为 Date21 Date22 七、自由空间传播损耗 当发射天线与接收天线的方向系数都为1 时,发射天线的辐射功率Pr与接收天线的最佳 接收功率PL的比值,记为L0,即 Date23 D=1的无方向性发射天线产生的功率密度为 D=1的无方向性接收天线的有效接收面积为 所以该接收天线的接收功率为 Date24 或 于是自由空间传播损耗为 Date25 虽然自由空间是一种理想介质,是不会吸收 能量的,但是随着传播距离的增大导致发射天线 的辐射功率分布在更大的球面上,因此自由空间 传播损耗是一种扩散式的能量自然损耗。
从上式 可见,当电波频率提高1倍或传播距离增加1倍时 ,自由空间传播损耗分别增加6dB Date26 一、天线的作用 无线电发射机输出的射频信号功率, 通过馈线(电缆)输送到天线,由天线以 电磁波形式辐射出去电磁波到达接收地 点后,由天线接收下来并通过馈线送到无 线电接收机 天线是发射和接收电磁波的一个重要 的无线电设备,没有天线也就没有无线电 通信 第二部分 天线基础知识 Date27 二、天线的分类 天线品种繁多,以供不同频率、不同用途、 不同场合、不同要求等情况下使用 u按用途:可分为通信天线、广播电视天线、雷达 天线等; u按频段:可分为短波天线、超短波天线、微波天 线等; u按方向性:可分为全向天线、定向天线等; u按外形:可分为线状天线、面状天线等; u按极化:可分为圆极化、线极化(水平极化、垂 直极化)等 Date28 三、天线辐射的基本原理 导线上有交变电流流动 时,就会发生电磁波的辐射 若两导线的距离很近,电 场被束缚在两导线之间,因 而辐射很微弱;将两导线张 开,电场就散播在周围空间 ,因而辐射增强当导线的 长度 L 远小于波长 λ 时 ,辐射很微弱;导线的长度 L 增大到可与波长相比拟时 ,导线上的电流将大大增加 ,因而就能形成较强的辐射 。
Date29 u 对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广 泛的天线,单个对称振子可简单独立使用,也可 采用多个对称振子组成天线阵 u 两臂长度相等的振子叫做对称振子每臂长 度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子 ,称半波对称振子 u 另外,还有一种异型半波对称振子,可看成 是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框,并 把全波对称振子的两个端点相叠,这个窄长的矩 形框称为折合振子,折合振子的长度也是二分之 一波长,故称为半波折合振子 Date30 Date31 四、发射天线的电参数 描述天线工作特性的参数称为天线电参数, 又称电指标它们是定量衡量天线性能的尺度, 用来衡量天线把高频电流能量转变成空间电波能 量以及定向辐射的能力 (1)方向特性:方向函数、方向图、方向系数、增 益 (2)阻抗特性:输入阻抗、效率 (3)带宽特性: (4)极化特性:极化、极化隔离度 Date32 1、方向函数 天线辐射出去的电磁 波虽然是一球面波,但却不 是均匀球面波,因此,任何 一个天线的辐射场都具有方 向性 所谓方向性,就是在 相同距离的条件下天线辐射 场的相对值与空间方向(子 午角θ、方位角φ)的关系 Date33 2、方向图 将方向函数用曲线描绘出来,称为方向图。
方向图就是与天线等距离处,天线辐射场大小在 空间中的相对分布随方向变化的图形 Date34 工程上常常采用两个特定正交平面方向图, 即E面和H面方向图 E面即电场强度矢量所在并包含最大辐射方 向的平面;H面即磁场强度矢量所在并包含最大 辐射方向的平面 E面即为包含z轴的任一平面,例如yoz面 而H面即为x0y面,E面和H面方向图是指立体方向 图沿E面和H面两个主平面的剖面图 Date35 Date36 方向图参数: 实际天线的方向图通常有多个波瓣,它可细 分为主瓣、副瓣和后瓣 用来描述方向图的参数通常有: (1)零功率点波瓣宽度 用2θ0E或2θ0H(下标E、H表示E、H面):指 主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角 Date37 Date38 (2)半功率点波瓣宽度 用2θ0.5E或2θ0.5H表示指主瓣最大值两边 场强等于最大值的0.707(或等于最大功率密度 的一半)的两辐射方向之间的夹角,又叫3分贝 波束宽度定向辐射性能的强弱可以从半功率点 波瓣宽度来判断 (3)副瓣电平:指副瓣最大值与主瓣最大值之比 ⑷前后比:指主瓣最大值与后瓣最大值之比 Date39 3、方向系数 方向图是反映特定方向的辐射强弱程度,未 能反映辐射在全空间的分布状态。
为了更精确地 比较不同天线之间的方向性,需要引入一个能定 量地表示天线定向辐射能力的电参数,这就是方 向系数 方向系数:在同一距离及相同辐射功率的条 件下,某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度 (或场强(|Emax|2的平方)和无方向性天线的 辐射功率密度(或场强|E0|2的平方)之比,记为 D Date40 4。
