第30講 電磁波傳播與通信

電磁波傳播

—通信技術(shù)

人類科技進(jìn)步的產(chǎn)物——現(xiàn)代通信現(xiàn)代通信技術(shù)的基礎(chǔ)——微電子技術(shù)現(xiàn)代通信技術(shù)的核心——計(jì)算機(jī)技術(shù)現(xiàn)代通信的基本特征——數(shù)字化衛(wèi)星通信技術(shù)的基礎(chǔ)——空間技術(shù)光通信的基礎(chǔ)——光子技術(shù)傳遞信息的通信員模擬方式的代表：AM與FMAM調(diào)制原理FM調(diào)制原理目錄衛(wèi)星通信移動(dòng)通信光纖通信地面微波接力通信衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信發(fā)展衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成衛(wèi)星通信特點(diǎn)衛(wèi)星通信體制衛(wèi)星通信典型應(yīng)用衛(wèi)星通信—發(fā)展1945年，英國(guó)人克拉克設(shè)想：發(fā)射三顆同步軌道衛(wèi)星到地球的赤道上空；相鄰衛(wèi)星之間角度60度；離地面高度35800km；衛(wèi)星天線波束寬度17度；可構(gòu)成全球性的衛(wèi)星通信。這種設(shè)想已實(shí)現(xiàn)了。衛(wèi)星通信—發(fā)展電磁波傳播機(jī)理：同步衛(wèi)星繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)間等于地球自轉(zhuǎn)的周期，從地球看好象不動(dòng)；從地面發(fā)射電磁波到衛(wèi)星（有中繼器）；衛(wèi)星接收電磁波，放大。衛(wèi)星把電磁波送回地面接收機(jī)。完成通信過(guò)程衛(wèi)星通信是一種接力通信衛(wèi)星通信—發(fā)展1954—1964年，衛(wèi)星通信試驗(yàn)階段初期，無(wú)源通信，利用衛(wèi)星反射。1954年，美國(guó)，地球—月球——地球，話音試驗(yàn)；1956年，美國(guó)，華盛頓—夏威夷，建立雙工中繼線路，工作6年；1960-1964年，美國(guó)，氣球衛(wèi)星試驗(yàn)；以上試驗(yàn)質(zhì)量不好衛(wèi)星通信—發(fā)展1954—1964年，衛(wèi)星通信試驗(yàn)階段中期，低軌有源通信，利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)。1950年，試驗(yàn)星上有信號(hào)處理設(shè)備，實(shí)驗(yàn)成功后期，同步軌道試驗(yàn)衛(wèi)星通信。1963年，完成了電話、電視、傳真?zhèn)鬏斣囼?yàn)，成功。1964年，美國(guó)，轉(zhuǎn)播在日本舉行的奧運(yùn)會(huì)衛(wèi)星通信—發(fā)展1965年——，衛(wèi)星通信實(shí)用階段1965年，“國(guó)際衛(wèi)星通信組織”發(fā)射“intelsat-1”，正式承擔(dān)國(guó)際通信業(yè)務(wù)。開始標(biāo)志多種多樣業(yè)務(wù)固定衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)，地球站是固定移動(dòng)衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)，艦、船、車、飛機(jī)等廣播衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)，電視廣播、聲音廣播無(wú)線電導(dǎo)航與定位業(yè)務(wù)，其它衛(wèi)星通信—系統(tǒng)組成四大智能分系統(tǒng)空間分系統(tǒng)通信地球站分系統(tǒng)跟蹤遙測(cè)及指令分系統(tǒng)監(jiān)控管理分系統(tǒng)衛(wèi)星系統(tǒng)組成—空間分系統(tǒng)組成：通信系統(tǒng)天線系統(tǒng)姿態(tài)和位置控制系統(tǒng)電源系統(tǒng)主要作用無(wú)線電中繼站衛(wèi)星系統(tǒng)組成—地球站連接衛(wèi)星線路與用戶的中樞衛(wèi)星系統(tǒng)組成—跟蹤遙測(cè)指令分系統(tǒng)主要作用：對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤測(cè)量控制其準(zhǔn)確進(jìn)入軌道，到達(dá)指定位置衛(wèi)星正常后，定期進(jìn)行軌道修正和保持衛(wèi)星系統(tǒng)組成—監(jiān)控管理主要作用：對(duì)規(guī)定點(diǎn)上的衛(wèi)星參數(shù)進(jìn)行業(yè)務(wù)開通前后的監(jiān)控和控制如基本通信參數(shù)：衛(wèi)星發(fā)射功率衛(wèi)星天線增益射頻和帶寬保證網(wǎng)絡(luò)暢通衛(wèi)星通信特點(diǎn)覆蓋范圍大。在10GHZ頻率下受大氣環(huán)境影響小，全天暢通。大容量通信。成千上萬(wàn)路電話等建站方便，費(fèi)用小。長(zhǎng)距離比接力通信費(fèi)用小多地通信，組網(wǎng)方便。衛(wèi)星通信體制模擬數(shù)字衛(wèi)星通信典型應(yīng)用SCPC系統(tǒng)：?jiǎn)温穯屋d波系統(tǒng)，話音、數(shù)據(jù)、傳真等國(guó)際海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)：下頁(yè)圖數(shù)據(jù)站衛(wèi)星通信系統(tǒng)：下頁(yè)圖移動(dòng)通信移動(dòng)通信概念：移動(dòng)通信就是指通信的雙方,至少有一方在移動(dòng)中進(jìn)行信息的交換。

移動(dòng)通信的特點(diǎn)電波傳播條件惡劣在強(qiáng)干擾條件下工作具有多卜勒頻移效應(yīng)移動(dòng)用戶經(jīng)常移動(dòng)

多徑效應(yīng)移動(dòng)通信尋呼系統(tǒng)移動(dòng)通信集群尋呼移動(dòng)通信組成學(xué)習(xí)新知識(shí)最好的方法：拿它與舊知識(shí)進(jìn)行類比。無(wú)線通信與有線通信的區(qū)別接口、信道問(wèn)題——你知道嗎？問(wèn)題1：基站如何區(qū)分手機(jī)？問(wèn)題2：手機(jī)如何找到基站？問(wèn)題3：基站如何找到手機(jī)？問(wèn)題4：如何識(shí)別手機(jī)用戶的身份？問(wèn)題5：如何保證對(duì)話不被他人竊聽(tīng)？問(wèn)題6：如何保證“移動(dòng)”著打電話不會(huì)有問(wèn)題？問(wèn)題1：基站如何區(qū)分手機(jī)？固定電話移動(dòng)電話平時(shí)說(shuō)話分辨音調(diào)——聲波中頻率最低的基音響度——聲音的大小音色——其它低頻與基音組合決定音色基站區(qū)分手機(jī)方法——多址or復(fù)用空分復(fù)用——從空間上將同一頻率的不同終端隔離開來(lái)；頻分復(fù)用——把一頻率分成若干塊，不同終端占用不同塊；時(shí)分復(fù)用——從時(shí)間上將同一頻率的不同終端隔離開來(lái)；碼分復(fù)用——通過(guò)終端占用不同的擴(kuò)頻碼來(lái)區(qū)分。問(wèn)題2：手機(jī)如何找到基站？發(fā)現(xiàn)基站類似旅游團(tuán)，基站不停向外發(fā)射廣播信息GSM——不通基站廣播頻率不同，找出信號(hào)最強(qiáng)之基站。CDMA——只有一個(gè)頻率，調(diào)諧即可，類似110。廣播內(nèi)容廣播頻率校正信號(hào)，時(shí)間同步、基站標(biāo)識(shí)、空中接口參數(shù)（頻率、位置、優(yōu)先級(jí)等）。廣播之間干擾GSM——相鄰基站間頻率不同，不會(huì)產(chǎn)生干擾。CDMA——盡管只有一個(gè)頻率，但擴(kuò)頻碼不同。問(wèn)題3：基站如何找到手機(jī)？簡(jiǎn)單方法--尋人啟事實(shí)用方法問(wèn)題4：如何識(shí)別手機(jī)用戶的身份？固定網(wǎng)絡(luò)的接口在您家里——向你要錢移動(dòng)用戶：標(biāo)識(shí)碼IMSI(全球唯一)存在SIM卡中；為了防止假貨，增加密碼（存在SIM卡中）；IMSI與密碼也存在網(wǎng)絡(luò)中心，好驗(yàn)證。問(wèn)題5：如何保證對(duì)話不被他人竊聽(tīng)？問(wèn)題6:如何保證移動(dòng)打電話不會(huì)有問(wèn)題？移動(dòng)通信——GSM移動(dòng)業(yè)務(wù)需求光纖通信光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀探索時(shí)期的光通信原始光通信：中國(guó)古代烽火臺(tái)、歐洲旗語(yǔ)送信息。望遠(yuǎn)鏡極大延長(zhǎng)目視光通信距離。1880年，美國(guó)人貝爾(Bell)發(fā)明了光電話?，F(xiàn)代光纖通信1966年，英籍華裔高錕和霍克哈姆指出了利用光纖進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。1970年，光纖研制取得了重大突破。1973年，美國(guó)貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室取得了更大成績(jī)。1976年，日本電報(bào)電話公司等單位將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長(zhǎng)1.2μm)。

1976年，日本電報(bào)電話公司研制成功激光器。1976年，美國(guó)在亞特蘭大進(jìn)行了世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1979年美國(guó)和日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.55μm的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。1980年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化FT-3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用。

第一階段(1966~1976年)，從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時(shí)期。無(wú)中繼傳輸距離約10km。第二階段(1976~1986年)，以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時(shí)期。實(shí)現(xiàn)了單模光纖通信系統(tǒng)，無(wú)中繼傳輸距離為100~50km。第三階段(1986~1996年)，以超大容量超長(zhǎng)距離為目標(biāo)、全面深入開展新技術(shù)研究的時(shí)期。無(wú)中繼傳輸距離可達(dá)150~100km。目前，正在開展研究的光纖通信新技術(shù)，例如，超大容量波分復(fù)用光纖通信、超長(zhǎng)距離光孤子通信。光纖通信的發(fā)展三個(gè)階段光通信與電通信電纜通信和微波通信的載波是電波，線路由金屬導(dǎo)體制成的同軸電纜和波導(dǎo)管。損耗大光纖通信的載波是光波，光纖是由絕緣的石英材料制成，損耗很小。雖然光波和電波都是電磁波，但是頻率差別很大。光纖通信用的近紅外光頻率比微波頻率高3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。部分電磁波頻譜各種傳輸線路的損耗特性

容許頻帶很寬，傳輸容量很大光纖通信的優(yōu)點(diǎn)通信手段傳輸容量(話路)/條中繼距離/km1000km內(nèi)中繼器個(gè)數(shù)微波無(wú)線電9605020小同軸9604250中同軸180061600光纜19203033光纜14000(1Gb/s)8411光纜6000(445MB/S)1347光纖通信的優(yōu)點(diǎn)損耗很小，中繼距離很長(zhǎng)且誤碼率很小重量輕、體積小抗電磁干擾性能好泄漏小，保密性能好各種通信系統(tǒng)相對(duì)造價(jià)與傳輸容量的比較

①通信網(wǎng)②構(gòu)成因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)③有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)④綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)，分為有源接入網(wǎng)和無(wú)源接入網(wǎng)光纖通信的應(yīng)用光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào)。用戶要傳輸?shù)男畔⒍喾N多樣，一般有話音、圖像、數(shù)據(jù)或多媒體信息。為敘述方便，這里僅以數(shù)字電話和模擬電視為例。