光电传输原理Word文档格式.doc
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一个回路的两个导体对地位差相同。
对称电缆分为：
对角线组，如星绞线组。
3.同轴电缆：
双线回路
同轴：
内外导体同心，但在电气上不对称。
4.金属波导：
单线回路，分为圆形、矩形、椭圆形
工作原理：
电磁波在管壁上反射而向前传输。
容量大，距离长，不受电磁干扰
光的发射接收装置昂贵，中继复杂，分路接续困难
§
1―2有线通信线路的发展过程
主要过程：
架空明线―对称电缆―增音机―载波通信―同轴电缆―波导―超导电缆
―光缆
一、架空明线
最初最简单的有线通信形式
1.单线：
以大地为回路，只能单向发送，不能对话适用于野外作业，农村广播。
2.双线：
由于采用气体绝缘，同一线柱上不能设置太多的对数，为了防止干扰同一回路上，传输容量是有限的，且间隔一定距离，要进行交叉。
二、对称电缆
与架空线相比，传输容量大，性能稳定，不易受干扰，保密性好，可埋地敷设。
采用实心绝缘时衰减大，通信距离短。
衰减常数在高频时的表达式：
а=+，令x=α=x+
R―金属电阻C―电缆电容L―内外电感G―绝缘电导
令，即→x=φ，即RC=LG时а最小。
但线路一般都是RC＞LG，所以为了减少线路衰减通常采用方法是：
1.减小电阻R：
R=R0+R，式中：
直流电阻R0=ρ
①加大导体直径，但是浪费材料增加成本，而且超过一定值（1.4mm）之后，交流电阻的增加会超过直流电阻的降低幅度；
②选电阻率ρ小的材料。
所以Cu（无氧铜）是通信电缆的首选；
③采用适当退火技术，使导体电导率（电阻率）恢复到接近原来的数值。
2.减小电容C：
圆柱型电容器的计算公式为：
C=2πε0εD/ln
①选用ε小的材料（非极性），ε非≤2.5，ε空=1，ε极＞2.5；
②采用组合绝缘，因为ε空气＜εD＜ε介质，如泡沫绝缘、皱纸袋绕包、绳管绝缘等；
③改变电缆结构。
有对绞变为星绞，电极间距变大，相应的εD减小。
3.提高电感L：
方法有均匀加感和集中加感两种
①均匀加感：
即在导电线芯上包一层磁性材料，但工艺复杂；
②集中加感：
即在线路上间隔一段距离加一个电感线圈，但是电感线圈相当于一个低通滤波器，使传输频率受限制。
4.提高绝缘电导G：
这样不仅是绝缘电阻下降，而且介质的交流电导G=ωCtanδ，因此G的升高也意味着电容C的升高，介质损耗tanδ的升高。
（不可行）
综上：
在较小线路衰减，易用的方法是1，2，4不可行，3免强可以要适时而定。
因此，减小衰减最适当的方法是选ρ小的导体材料，选介电常数小的绝缘材料和采用适当的复合绝缘结构或适当改变电缆结构。
增音机的发明
信号沿着电缆线路传输时要有衰减，衰减使通信距离受限制。
一个导体直径为0.6mm的市话电缆，在800Hz传输时最大通信距离为28.7Km。
同轴电缆在传输频率为1.3MHz时最大距离为8.1Km，因此要进行长途通信就要借助增音机，即信号放大器。
三、多路载波通信：
在同一回路上传输多个话路的通信方式。
四、同轴电缆：
多路载波使传输容量提高，但传输频率也相应提高。
因此不仅衰减增大，而且对称电缆回路间的干扰随之增加，同轴电缆的出现，使这个问题得到了解决。
五、金属波导：
一般电缆的衰减随频率的升高而增大，当f达到一定范围时，电磁波将不再向前传输，因此，传输容量受限，但金属波导的衰减特性刚好相反，它在低频是衰减大，高频时衰减小。
六、低温超导超导电缆：
低衰减高屏蔽及大功率。
七、光纤光缆：
传输容量大，无电磁干扰损耗低、重量轻、材料丰富。
1―3音频通信与载波通信
一、音频通信―音频电话
1.声音的频率范围为：
10~16000Hz（f＜10Hz称为次声波，f＞2000Hz称为超声波）
2.如果把声波包含的全部频率范围都包含在内，则对线路和设备要求过高。
在满足一定收听效果的前提下选择300~3400Hz的频率范围作为语言通信频率范围，虽会有一定的失真度，但能够满足要求，且可降低成本，所以电话带宽取4KHz。
3.一般广播所占频带为10~1000Hz，故广播的的带宽约为10KHz。
4.模拟通信：
电信号随非电信号的变化而变化，频率相同，振幅相似其数值随时间连续变化。
二、载波通信―频分制多路通信
载波通信（主要是载波电话）：
利用频率分割的原理在一对导线（二线制）或二对导线（四线制）上传输多路电话的通信方式。
在载波线路上，每一路电话的波段（频率段）不同，但每一段所占的带宽都相同。
实际带宽为3400~300KHz=3.1KHz，为防干扰留出间隔，所以传输话路越多（传输容量越大）传输频率越高，以24路载波电话为例：
最高传输频率为12+24×
4=108KHz，传输带宽108-12=96KHz，每一路带宽4KHz，最低传输f为12KHz。
载波频率从12Hz开始主要是为了避其低频区的非线性失真。
最高传输频率是电缆设计的依据，限制频率提高的因素主要有两个：
一是衰减；
二是干扰，但是对于同轴电缆则主要考虑衰减问题，因为高频同轴抗干扰能力强。
1―4脉码调制（PCM）通信概述
一、时分制多路通信
脉冲通信：
每间隔一定的时间，抽取一个信号幅值，将连续信号变为离散的脉冲信号，在线路上传输。
在线路接收端经过低通滤波器还原成连续信号。
抽样：
离散的抽取信号样值的过程称抽样，抽出的离散值称为样值。
时分制多路通信：
在每一路抽样量值的间隔内，插入其他路的量值。
二、脉码调制通信―PCM通信
PCM=PulseCodeModulation
十进制数字可以用来表示大小（多小）和先后顺序。
二进制数字可以用来表示两种相反的状态，例如：
电路的“通”和“断”（“1”和“0”），二极管的导通和截止。
如果用二进制数字来表示十进制数字，则不同的状态就可以反映十进制大小和顺序；
二进制数码的位数，决定了它最大可表征的十进制数字，如：
三位码最多可表示十进制的八个数字，即23=8（0~7）
十进制：
01234567
二进制：
000001010011100101110111
同理，四位码可以表示24=16个数字（0~15），七位码可以表示27=128个数字（0~127），八位码可以表示28=256个数字（0~255）。
在PCM通信中，我们将抽样的脉冲量化，然后用二进制数码进行解码，在进行传输。
PCM通信的基本过程：
模拟信号―抽样―量化―编码―解码―分路―恢复
抽样：
依据抽样定理fs≥2fm
音频通信的最高传输fm=4000Hz，故fs=8000次/秒
量化：
分级取整（四舍五入）
量化噪声：
在量化过程中，由于四舍五入而引起失真，称量化噪声。
为了减小量化噪声，一般用7位码或8位码表示信号幅值。
编码：
用二进制数码，即脉冲的有无来代表脉冲幅值的大小。
在PCM通信中，用信息速率来反映传输容量。
信息速率：
单位时间传输的信息量。
信息量的单位是比特，在二进制中，每一个数码的信息量为1比特（1b）。
例：
以30/32路PCM通信为例，计算信息速率。
抽样频率fs：
音频通信的抽样频率为8000Hz
抽样周期Ts（1帧）：
音频通信的抽样周期Ts=125μs
时隙Tg：
Ts/32=125/32=3.9μs抽取每一路信号样值所用的时间。
位时隙Tl：
用二进制数码表征信号时，显示每一位数码所用的时间。
Tl=g=3.9/8=488ns
脉冲宽度Tp：
Tp=Tl
一次群：
30/32路音频通信的信息速率为
8000×
32×
8=2048×
103b/s=2.048Mb/s
二次群：
120路，8.448Mb/s
三次群：
480路，34Mb/s
四次群：
1920路，140Mb/s
五次群：
7680路，560Mb/s
三、PCM通信的特点
⑴抗干扰性强，噪声和畸变不积累
⑵能适应各种新型通信业务的要求，各种模拟信号都可以变成数字信号，组成统一的通信网，进行综合传输
⑶数字通信保密性强（原脉冲信号可在传输时进行数码变换，最后解码、还原）
⑴占用频带宽。
2.048Mb/s可传输30路电话，等效带宽为32KHz，而模拟通信时，带宽4KHz。
⑵衰减大，通信距离短
⑶技术复杂（需抽样、量化和编码等）
第二章通信电缆的传输理论
2-1电磁能沿均匀电缆线路的传输
一、均匀电缆线路的等效回路
1.在电路分析中，我们吧所有负载元件都看成是集中参数。
因为，在工频50Hz时，电磁波在空气中传播时，其波长理论上约为6000km，所以，一般几何尺寸的元件都可以看成是集中参数，但是，对于通信电缆而言，传输频率很高。
例如射频f=109Hz时，相应的波长约为0.3m，而电缆长度以公里计，因此，不能将电缆看成是集中参数。
2.但是，电缆线路的材料、结构等，沿着全长是完全一致的，每一横截面上电缆的分布是完全相同的，因此，我们就可将电缆分割成无限多个，无限小的多段电缆，对每一小段电缆都可以作为一个集中参数电路。
3.当电磁波沿地纳兰线路传输时，电流通过导体沿线产生压降，这可以用电阻R表征。
4.在交变电磁信号周围存在着变化的电场和磁场，因此，在导体回路中产生自感电动势和感应电流，这可以用电感L表示。
5.构成回路的两个导体间电位不等，因此，按照电容的定义，可以认为二者间构成电容C。
6.电缆绝缘中存在漏导电流，因此，可以用电导G表示。
R—单位长度回路的有效电阻。
单位：
Ω/km
L—单位长度回路的有效电感。
H/km
C—单位长度两导体间的电容。
F/km
G—单位长度的绝缘电导。
单位：
S/km
上述参数称为电缆的一次传输参数。
它们由电缆的尺寸、材料以及信号的频率所决定。
它们制约了电缆中电流、电压的关系。
二、均匀电缆传输线的基本方程
在电路分析中，基本物理量有三个：
电流、电压和电功率，但是，电功率可以由电流和电压求出，因此，电路问题主要是求解电流和电压。
电流和电压受二方面的因素制约：
一是元件本身的特性所决定的电流和电压关系，例如：
电阻：
UR=RI电感：
UL=jwLI
电容：
IC=jwCUC电导：
IG=GU
二是电路连接方式决定的电流和电压的关系。
按照（P11图2-1）所示的电路，由KCL可以得出：
I=I+dI+（G+jwC）dx（U+dU）
dUdx为高阶无穷小将其忽略，整理后得到
-
（1）
由KVL得出：
-U+（R+jwL）dxI+（U+dU）=0
-
（2）
对
（2）式两端微分，得：
-，将
（1）式代入
得
同理得出
式中，——称为传播常数
按照二阶、常系数、齐次微分方程的通解形式，解得前两式的通解为
U=A1（3）
I=A3（4）
式中，A1、A2、A3、A4为待定常数，由边界条件确定
将
（2）式右端（R+jwL）除到左端，有-
再对（3）式微分，，代入前式得
=，
=
式中Zc=——称为波阻抗
已知边界条件：
x=0时，U=U0，I=I0，代入通解中，解得U0=A1+A2
I0=（A1-A2）
得：
A1=，A2=
U=+=U入+U反
I=-=I入-I反
用双曲函数表示：
U=U0coshγx-I0Zcsinhγx
I=I0coshγx-sinhγx
若已知终端条件，即：
x’=0时，U=Ul，I=Il
将x=l-x’代入传输线方程，得：
U=A1
I=（A3）
代入边界条件，解得：
A3=
A4=
按照函数自变量无关数学思想，去掉x’的上角标，即可得到已知终端条件的传输线方程：
U=+
I=-
写成双曲函数U=Ulcoshγx+IlZcsinhγx
I=Ilcoshγx+sinhγx
如果取入射电压Uλ与入射电流Iλ之比，则有
同理，反射电压与入射电流之比为：
因此，电磁行波在传输过程中所遇到阻抗即为波阻抗。
按照欧姆定律：
Ul=ZHIl，即
因此，消除反射波的条件为：
ZH=Zc，此时称线路处于匹配状态。
匹配状态下的传输线方程为
U=UlU=U0
I=Il或I=I0
2—2电缆线路二次传输参数
一、波阻抗及传播常数的物理意义
1、波阻抗Zc：
电磁行波在均匀匹配线路上传播时所遇到的阻抗，即：
Zc=
2、传播常数γ：
线路处于匹配状态时，传输线方程为U=Ul
I=Il
由此求得线路始端的电压、电流分别为：
U0=Ul
I0=Il
由前式可知：
始端电压与终端电压之比等于始端电流与终端电流之比，即
如果用向量表示电压，则有：
U0=|U0|e，Ul=|Ul|e
因此有：
αl=，βl=ψ0-ψl或α=，β=（ψ0-ψl）
α：
衰减常数。
电磁行波沿着均匀匹配线路传播时，经过单位距离后幅值的衰减变化量。
奈培/公里（N/km）
如果αl=1N，即：
=1，或U0=eUl
这意味着电磁波有始端到终端时，幅值衰减了2.718倍。
又P=UI即：
αl=
因此当αl=1N，意味着信号由始端到达终端时，功率降低了7.39倍。
用常用对数表示时，αl的单位为分贝（dB）
αl=10lg=20lg=20lg
1N=8.686dB，1dB=0.115N
βl=ψ0-ψl即β=（ψ0-ψl）
β：
相移常数。
电磁行波沿着均匀匹配线路传播时，经过单位距离后相位的变化量。
单位：
弧度/公里（rad/km）
二、波阻抗的计算公式
Zc==|Zc|e
其幅值和幅角分别为
|Zc|=，ψc=
式中，ψ1=arctan,ψ2=arctan
1.直流：
w→0，所以Zc=，|Zc|=，ψc=0
此时电路为纯阻性电路。
2.低频（音频f=800Hz）,此时R＞＞wL，G＜＜wC
Zc≈=，|Zc|=，ψc=-45°
3.高频（f＞30KHz，此时R＜＜wL，G＜＜wC
一般＞，即RC＞LG
或者，即ψ1＜ψ2（图见P162-3）
由于波阻抗一般为负角，即电流超前于电压，因此为容性。
三、传播常数的计算公式
按照传播常数的定义式，有：
γ=
w→0
因此，有γ=，α=，β=0
2.低频（音频f=800Hz），此时R＞＞wL，G＜＜wC
γ=
实部：
α=
虚部：
β=
在数学上，如x为无穷小，则有下面的展开式:
略去高阶无穷小，则
其中：
，
将实部与虚部分开，得到：
α=，β=w
将衰减常数和相移常数的频率关系作图：
从上图以及波阻抗随频率变化的规律，可以看出：
在低频区，无论是波阻抗还是衰减常数、相移常数都随频率而变，因此，载波频率从12KHz起始，主要是为了避开这些非线性区域。
四、传播速度
电磁波在真空中的传播速度为3×
108m/s，在介质中，其传播速度为：
v=fλ
传播速度与波的频率和波长有关。
因为电磁波在一个波长内，相位变化为，即
βλ=2π,λ=
因此，电磁波在介质中的传播速度公式为;
v=
w→0，由于β=0，所以v=→
，
γ=
由传播常数的虚部，得到相移常数的表达式：
传播速度为：
v=
由γ=可以得到
β=v=
3.高频（f＞30KHz，此时R＜＜wL，G＜＜wC
v=
根据前面的公式，可以得到速度随频率变化的规律，如下图所示，从图中可以看出：
传播速度随频率提高而增大。
对称通信电缆，低频传输时，v≈104km/s，而高频传输时可以达到2×
105km/s；
同轴电缆的传播速度可达到2.8×
105km/s。
2—3信号在线路上的失真
失真：
接收端所收到的信号波形与发送端发送的波形相比，产生偏差的现象叫失真。
一、振幅失真
由于信号中不同频率的波受到的衰减不一致而产生的失真。
（P202-5a、b）
改善方法：
加振幅均衡器。
二、相位失真
由于信号中不同频率的波在传输过程中，传播速度不一致而产生的失真。
（P202-5c）
加相位均衡器
三、阻抗失配引起的失真
由于低频传输时，不同频率的波其阻抗不同，因此，无法与终端阻抗匹配。
采用高频传输
从上面的分析可以看出，低频传输α、β、Zc都随频率而变化，因此，为了避免增加线路损耗和失真，载波频率从12KHz开始。
2—4传输电平与通信距离
一、传输电平：
信号在传输过程中，衰减随频率增高而增大，在工频50Hz时，由于电流、电压沿线的衰减较小，因此，可直接用电流、电压来表示。
但通信电缆传输高频信号，其电压、电流、功率等物理量沿线衰减很大。
如音频信
号从始端至终端（通信距离）功率衰减通常可达至千倍；
而高频载波信号，功率衰
减甚至达到十万倍，因此，不便于用电流、电压或功率等物理量来表示，这样就引入了电平的概念。
电平：
某点的电平即该点的功率（电压、电流）与某一基准功率（电压、电流）之比取对数表示之。
1.绝对电平：
回路中任意一点功率（电压、电流）与指定的标准功率（电压、电流）之比取对数表示之。
⑴功率的绝对电平：
p=（N）
=10（dB）
式中，Px为回路任一点功率；
P0为标准功率值，P0=1mV
⑵电压的绝对电平：
p=（N）
=20（dB）
式中，Ux为回路任一点电压；
U0为标准电压值
⑶电流的绝对电平：
=20（dB）
式中，Ix为回路任一点电流；
I0为标准电流值
电平计算的标准值只有功率P0=1mV，而U0和I0是由公式或求得的，其中Zc=600Ω（即开设12路载波电话，直径为3mm的铜线，线间距离为200mm的架空线的波阻抗）。
无论采用哪种计算方式，其电平值都是相同的，测量电平的仪表实际上是一个改变了刻度的电压表，即：
当时，p=0；
当时，p=+1；
当时，p=-1。
电平值有“+”、“-”，当电平为负值时，并不意味着功率为负值，而是测量点功率低于基准功率，即：
Px＞P0，p＞0；
当Px＜P0，p＜0；
当Px=P0=1mw时，p=0。
如果是电缆线路，由于阻抗Zc≠600Ω，因此，用电压或电流进行电平计算时，必须进行修正。
例1：
已知：
线路上某点的功率Px=1mW，该线路波阻抗值Zc=600Ω，其功率电平：
p==（N）
∵Ux=
其电压电平为：
p=
在本=例中，用功率计算的电平和用电压计算的电平是相等的。
例2：
对称电缆线路上某点的功率Px=1mW，该线路波阻抗值Zc=150Ω，其功率电平。
∵Ux=
其电压电平为：
同样的，在同轴线路中，若线路上某点的功率Px=1mW，该线路波阻抗值Zc=75Ω
因此，电平表测试时需修正。
修正的原则是将功率与电压的关系代入功率电平的表达式中，即：
式中，第一项为电平表的测试值；
第二项为修正项，其中：
ZC0=600Ω，ZCX为不同线路的波阻抗值。
将例2中的两个线路波阻抗代入前面的修正公式，分别为：
2.相对电平：
回路中某点的功率P1（电压U1、电流I1）与参考点功率P2（电压U2、电流I2）之比取对数表示之。
3.衰减与增益
若1点的绝对电平为p1=，2点的绝对电平为p2=，两点之间的电平差为：
p1-p2=-=，即二者的相对电平。
令b==p1-p2
则沿着电缆的传输方向，b>
0线路有衰减，b＜0线路有增益。
二、通信距离（增音机之间的距离）
决定通信距离的因素有三：
1.线路的衰减常数；
2.增音机的最小灵敏度；
3.话筒的发送功率P0，听筒的接受功率Pl。
∴普通电话：
话筒P0=1mW，听筒Pl=1μW。
如果中间无增音站，则从线路始端传输到终端的衰减为：
b=（N）
即：
线路允许的衰减为3.45N。
CCITT规定
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