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電信傳輸原理及應(yīng)用 課后習(xí)題答案 I 目 錄 第一章 電信傳輸?shù)幕靖拍?. 1 第二章 金屬傳輸線理論 . 4 第三章 波導(dǎo)傳輸線理論 . 7 第四章 介質(zhì)光波傳輸理論 . 13 第 五 章 無線通信傳輸理論 . 19 第六章 移動(dòng)通信傳輸信道的特性 . 24 第七章 微波通信傳輸信道的特征 . 28 第八章 衛(wèi)星通信傳輸線路的特征 . 32 1 第一章 電信傳輸?shù)幕靖拍?1、 什么 是通信、電信和電信傳輸?電信號(hào)有哪些種類?各有什么特征? 答: 從廣義上說,無論采用何種方法,使用何種傳輸媒質(zhì)只要將信息從一地傳送到另一地,均可稱為通信。 電信號(hào)按照不同的角度可有不同的分類,按照電信號(hào)傳載信息的形式的不同,可分為:模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩種類型。模擬信號(hào),是指模擬、仿照原有消息變化的電信號(hào),這種信號(hào)的幅度變化是時(shí)間的連續(xù)函數(shù);數(shù)字信號(hào)在時(shí)間上和幅度上的取值都是離散的。數(shù)字信號(hào)在傳輸上有很多優(yōu)點(diǎn),最主要的是它的抗干擾性強(qiáng)。由于它是以 1、 0 兩種狀態(tài)傳輸?shù)?,在接收端只要正確地判斷是 “1”或者是 “0”, 就等于完全取消了干擾。 2、 完整的電信傳輸系統(tǒng)是如何組成的? 答: 一個(gè)完整的電信傳輸系統(tǒng)除了必須具備傳輸信道部分外,還需要有用戶終端設(shè)備、交換機(jī)、多路復(fù)用設(shè)備和傳輸終端設(shè)備(收發(fā)信機(jī))等。 3、 電信傳輸有些什么特點(diǎn)? 答: 一是傳輸信號(hào)的多頻率;二是電信傳輸?shù)墓β试谟芯€傳輸?shù)墓β时容^小,它一般只有毫瓦量級(jí);三是電信傳輸?shù)男?,由于電信傳輸是弱電傳輸,其傳輸效率非常重要?四是電信傳輸離不開信號(hào)的變換。 4、 常用傳輸 介質(zhì) 的結(jié)構(gòu)及用途是什么? 答: 電信號(hào)的傳輸實(shí)質(zhì)是電磁波的傳播,傳播方式分有線傳播和無線傳播兩種,因此其傳輸介質(zhì) 也按此分類方式分為有線傳輸介質(zhì)和無線傳輸介質(zhì)。 現(xiàn)有的傳輸線有架空明線、對(duì)稱電纜、同軸電纜、金屬波導(dǎo)管和光纖等;無線電傳播的傳輸介質(zhì)是對(duì)流層、平流層或電離層,傳播方式有直射波,反射波,地波,散射波等。 用途: ( 1) 架空明線:架空明線是利用金屬裸導(dǎo)線捆扎在固定的線擔(dān)上的隔電子上,是架設(shè)在電線桿上的一種通信線路,現(xiàn)今多用于專網(wǎng)通信,如利用高壓輸電線實(shí)現(xiàn)載波通信;利用鐵路電氣汽車輸電線實(shí)現(xiàn)載波通信等; 2 ( 2) 對(duì)稱電纜:市話對(duì)稱電纜是由若干條扭絞成對(duì)(或組)的導(dǎo)電芯線加絕緣層組合而成的纜芯,外面包裹有保護(hù)層的一個(gè)整體。主要作為傳統(tǒng)的話音通信介質(zhì),是當(dāng)前電信接入網(wǎng)的主體; ( 3) 同軸電纜:同軸電纜又稱為同軸線對(duì),屬于不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。它是由內(nèi)、外導(dǎo)體和內(nèi)、外導(dǎo)體之間的絕緣介質(zhì)和外護(hù)層四部分組成,同軸電纜主要用在端局間的中繼線、交換機(jī)與傳輸設(shè)備間中繼連接線、移動(dòng)通信的基站發(fā)信機(jī)與天線間的饋線以及有線電視系統(tǒng)中用戶接入線等; ( 4) 金屬波導(dǎo): 金屬波導(dǎo)是用金屬制成的中空的柱狀單導(dǎo)體,金屬波導(dǎo)常用于微波或衛(wèi)星的收、發(fā)信機(jī)與天線間饋線使用; ( 5) 光纖:光纜是由光纖、加強(qiáng)件和外戶層構(gòu)成。光纖是由纖芯、包層和涂敷層組成,光纖作為傳輸介質(zhì)主要優(yōu)點(diǎn)是傳輸頻帶寬、通信 容量大、傳輸損耗小、抗電磁場(chǎng)干擾能力強(qiáng)、線徑細(xì)、重量輕、資源豐富等。為各種通信系統(tǒng)廣泛使用,光纖目前是最理想的傳輸線。 ( 6) 無線信道:主要靠電磁波在大氣層的傳播來傳遞信息。 5、 以功率電平為例,請(qǐng)簡(jiǎn)述正電平、負(fù)電平和零電平的意義。 答: 由定義知,當(dāng)0, 電平為零,其含義是該點(diǎn)的功率等于基準(zhǔn)功率。當(dāng)0 , 電平是負(fù)值 ,其含義是該點(diǎn)的功率小于基準(zhǔn)功率。 當(dāng)0 , 電 平是正值 , 其含義是該點(diǎn)的功率大于基準(zhǔn)功率 。 對(duì)于絕對(duì)功率電平來說 , 因?yàn)榛鶞?zhǔn)功率是 所以當(dāng) 1xP ,電平是正值,當(dāng) 1xP 。電平是零值,當(dāng) 1xP ,電平是負(fù)值。 6、 試簡(jiǎn)述絕對(duì)電平和相對(duì)電平的意義以及兩者之間的關(guān)系。 答: 所謂某點(diǎn)的電平,是指電信系統(tǒng)中某一信號(hào)的實(shí)測(cè)功率(或電壓、電流)值與某參考點(diǎn)的信號(hào)功率(或電壓、電流)之比的對(duì)數(shù)值,某參考點(diǎn)的信號(hào)功率(或電壓、電流 )又稱為基準(zhǔn)功率(或基準(zhǔn)電壓、基準(zhǔn)電流)。需指出的是:基準(zhǔn)功率是基本不變的,而基準(zhǔn)電壓或基準(zhǔn)電流則是根據(jù)在某一阻抗上所獲得的基準(zhǔn)功率來確定的。當(dāng)阻抗變化時(shí),基準(zhǔn)電壓或基準(zhǔn)電流也要隨之而變化。 求相對(duì)向平時(shí)所取的基準(zhǔn)是不固定的,被測(cè)量值和基準(zhǔn)是相對(duì)的,而絕對(duì)電平的基準(zhǔn)是 3 固定的。在電話通信中,絕對(duì)電平的基準(zhǔn)參考點(diǎn)的阻抗0 600R ,功率是0 1P ,就可分別計(jì)算出絕對(duì)電壓電平的基準(zhǔn)電壓和絕對(duì)電流電平的基準(zhǔn)電流。 7、 已知測(cè)試點(diǎn)的阻 抗 75,其電壓為 計(jì)算測(cè)試點(diǎn)上的絕對(duì)功率電平是多少? 解:直接帶公式計(jì)算有: 000()( ) ( ) 0 . 8 5 6 0 0 1 0 l g 2 0 l g 1 0 l g 2 0 l g 1 0 l g 9 . 8 3 ( d B m )( ) ( ) ( ) 0 . 7 7 5 7 5m W U V m W U V R V 8、 設(shè)電路某點(diǎn)的絕對(duì)功率電平為: ( 1) ( 2) ( 3) 求該點(diǎn)的功率值。 解:( 1)將 入公式,計(jì)算得到 ( 2)帶入上式得到 e(-3) 3) 將 入 () 1 0 l m WL d B 計(jì)算得到 9、 已知測(cè)試點(diǎn)功率為 路始端功率為 10測(cè)試點(diǎn)的相對(duì)功率電平值。 解: 直接帶入 公式 得到:321()1 1 0 . 2 1 0 l n l n 1 . 4 9 82 ( ) 2 1 0pP m W p N p N pP m W m W 。 10、 已知測(cè)試點(diǎn)電壓為 路始端電壓為 測(cè)試點(diǎn)的相對(duì)電壓電平值。 解:帶公式有:21() 0 . 7 l n l n 1 . 2 5 3( ) 0 . 2L N p N p N pU v V 4 第二章 金屬傳輸線理論 1、集總參數(shù)與分布參數(shù)有哪些異同? 答: 在低頻傳輸時(shí),常把傳輸線當(dāng) “短線 ”,可以認(rèn)為傳輸線上所有的電場(chǎng)能都全部集中在了一個(gè)電容器 C 中,磁場(chǎng)能都全部集中在了一個(gè)電 感器 L 中,把消耗的電磁能量集中在一個(gè)電阻元件 R 和一個(gè)電導(dǎo)元件 G 上,而連接元件的導(dǎo)線(傳輸線)則認(rèn)為理想導(dǎo)線。常把這些獨(dú)立存在的 R、 C、 L、 G 稱為集總參數(shù) ; 隨著傳輸信號(hào) 頻率升高,此時(shí)傳輸線已工作在 “長(zhǎng)線 ”狀態(tài),當(dāng)信號(hào)通過 “長(zhǎng)線 ”傳輸線所需要的傳輸時(shí)間與信號(hào)變化的一個(gè)周期所需要的時(shí)間接近時(shí),即使在穩(wěn)態(tài)工作情況下,傳輸線上電壓、電流不僅隨時(shí)間變化而且還隨傳輸線的長(zhǎng)度變化有關(guān)。因此沿傳輸線上的電壓、電流表達(dá)式要用偏微分方程來表示;其次,傳輸線間的電阻、電感、電容以及電導(dǎo)不僅互不可分,而且沿線隨機(jī)分布。常把傳輸線單位 長(zhǎng)度上的電阻 感 容 導(dǎo) 稱為傳輸線的分布參數(shù)。 2、何為長(zhǎng)線?何為短線? 答:當(dāng)傳輸線的幾何長(zhǎng)度 L 比其上所傳輸?shù)碾姶挪ǖ淖钚〔ㄩL(zhǎng) 長(zhǎng),即100輸線稱為長(zhǎng)線,反之則為短線 3、闡述金屬傳輸線出現(xiàn) R、 L、 C 和 G 的原因及它們的物理意義 。 答:是因?yàn)槔眠@些電路參數(shù)和相應(yīng)的 系,通過基爾霍夫定律對(duì)傳輸線上的信號(hào)進(jìn)行研究,可較為準(zhǔn)確的列出傳輸線上任意一點(diǎn)的 的表達(dá)式。 物理意義: R 取決于導(dǎo)線的材料和傳輸信號(hào)的頻率; L 是由 于變化的電流流經(jīng)導(dǎo)體時(shí),導(dǎo)體內(nèi)部及其周圍出現(xiàn)變化的磁通而產(chǎn)生的,導(dǎo)線的磁通量與產(chǎn)生磁通的電流之比稱為電感頻率越高導(dǎo)線的電感越?。换ハ嘟^緣的平行雙導(dǎo)線可以認(rèn)為是電容器的兩個(gè)極板,從而產(chǎn)生電容 C,線路的直徑越大,雙導(dǎo)線間距越近,線路越長(zhǎng)時(shí)電容量越大; G 反映了雙導(dǎo)線之間的絕緣情況,電導(dǎo)值越大導(dǎo)線之間絕緣越差,漏電越嚴(yán)重。 4、傳輸線的特性阻抗和傳輸常數(shù)代表什么意義? 答:傳輸線的特性阻抗是線上任意一點(diǎn)的電壓入射波和電流入射波的比值,或電壓反射波同電流反射波比值的負(fù)值。 5 傳輸常數(shù)代表了信號(hào)的電磁波沿均勻匹配線路傳輸 時(shí),一個(gè)單位長(zhǎng)度回路內(nèi)在幅值和相位上所發(fā)生的變化的程度。 5、當(dāng) L 時(shí),傳輸線處于什么工作狀態(tài)?傳輸線具有什么特點(diǎn)? 答:傳輸線處于行波工作狀態(tài),特點(diǎn)如下: 1、傳輸線上只存在入射波而無反射波,電壓波或電流波處于純行波狀態(tài); 2、電壓波和電流波同相,其值之比為傳輸線的特性阻抗3、有傳輸線任意截面處向終端負(fù)載方向看進(jìn)去的輸入阻抗 4、因沒有發(fā)射,始端向終端方向傳輸?shù)墓β?,全部被?fù)載吸收,傳輸效率高。 6、當(dāng) 輸線處于什么工作狀態(tài)?傳輸線具有什么特點(diǎn)? 答: 此時(shí)傳輸線上既有行波,又有駐波,構(gòu)成行駐混合波狀態(tài)。 7、通信回路的串音損耗與串音防衛(wèi)度的物理意義是什么? 答:串音損耗是表征主串回路對(duì)被串回路影響大小的量,其值越大,則串音功率越小,對(duì)相鄰回路的串音干擾越??;反之,串音干擾越大。串音防衛(wèi)度表明被串回路本身對(duì)外來干擾的防衛(wèi)程度,串音防衛(wèi)度越大,則防衛(wèi)能力越強(qiáng)。 8、若已知 f=5軸電纜回路的一次參數(shù):電阻 501 ,電感 ,電導(dǎo) 151 ,電容 331 。試求該同軸電纜的二次參數(shù)。 解:特性阻抗 31910 . 2 1 0 7 7 . 8 53 3 1 0 衰減常數(shù)和相移常數(shù)為: 1 1 1 111 8 . 6 8 622R C G L d B k 9 6 3395 0 3 3 1 0 1 5 1 0 0 . 2 1 0 8 . 6 8 62 0 . 2 1 0 2 3 3 1 02 . 7 9 d B k m 或者不乘以 得: 3 91 1 1 12 2 5 1 0 0 . 2 1 0 3 3 1 0 8 0 . 7 1L C f L C r a d k m 6 2 . 7 9 8 0 . 7 1 9、設(shè)某平行雙導(dǎo)線的直徑為 2距為 8圍介質(zhì)為空氣,求其特性阻抗。 解: 首先求 221 , 11 22 11 . 1 8 6 10、設(shè)某同軸線的外導(dǎo)體內(nèi)直徑為 20導(dǎo)體外直徑為 10其特性阻抗;若在內(nèi)外導(dǎo)體之間填充 為 介質(zhì),求其特性阻抗。 解: ( 6 0 ) * l n ( ) 4 1 . 5 9cZ r D d 當(dāng)填充介質(zhì)后, ( 6 0 ) * l n ( ) 2 8 . 0 4cZ r D d 。 7 第三章 波導(dǎo)傳輸線理論 1、 波導(dǎo)為什么不能傳輸 ? 答: 因?yàn)槿艚饘俨▽?dǎo)中存在 ,那么磁力線應(yīng)在橫截面上,而磁力線應(yīng)是閉合的,根據(jù)右手螺旋規(guī)則,必有電場(chǎng)的縱向分量位移電流 支持磁場(chǎng),若沿此閉合磁力回線 對(duì) H 做線積分,積分后應(yīng)等于軸向電流(即 )。 2、 波導(dǎo)波長(zhǎng)與工作波長(zhǎng)有何區(qū)別? 答: 波導(dǎo)中某波型沿波導(dǎo)軸向相鄰兩個(gè)點(diǎn)相位面變化 2(一個(gè)周期 T) 之間距離稱為該波型的波導(dǎo)波長(zhǎng),以 P 表示。 而工作波長(zhǎng)是由不同的信號(hào)波所特有的,與自身性質(zhì)有關(guān)。 3、 一空氣填充的矩形波導(dǎo),其截面尺寸 a = 8b = 4畫出截止波 說明工作頻率 電磁波在該波導(dǎo)中可以傳輸哪些模式。 解:根據(jù)公式2222( ) ( ) 可以得到 , 22222 2 1 64( ) ( )c ck mn 圖略。 由 3H得, 893 1 0 0 . 1 ( )3 1 0c 而各模式的截止波長(zhǎng)為 , 10 2 0 . 1 6c T E 01 2 0 . 0 8c T E 2211 2 2 2 2 2 22 2 7 . 2 1 0 4 . 3 1 0 0 . 0 7 4 m( 7 . 2 1 0 ) ( 4 . 3 1 0 )c T 可見,該波導(dǎo)在工作頻率為 3,只能傳輸 10。 8 4、 若將 3準(zhǔn)矩形波導(dǎo) ( a = b 來傳輸工作波長(zhǎng) 0= 5電磁波,試問是否可能?若用 ( a =b = 來傳輸波長(zhǎng) 0= 3不會(huì)產(chǎn)生什么問題? 解: ( 1) 首先考慮 0 波, 1 0 02 4 5 . 7 2 4 . 5c T E a m m c m 因此,不能用來傳輸波長(zhǎng) 5電磁波。 ( 2)同上, 1 0 02 8 0 . 8c T E a m m 因此可以傳輸。 5、 設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo) , a=b 1)當(dāng)工作波長(zhǎng) =6波導(dǎo)中可能傳輸哪些模式? (2)設(shè) 0=10工作于 式,求相位常數(shù) 、波導(dǎo)波長(zhǎng) p、相速度速度 波阻抗 : ( 1) 10 2 1 4 4 . 2 4c T E a m m 可以傳輸; 01 2 6 8 . 0 8c T E b m m 可以傳輸 20 7 . 2 6C T E a c m c m 可以傳輸 22222 2 2( ) ( )( ) ( )c mn b m a m=1,n=1:222 6 0 . 7 6( ) ( )m m c mb m a n ,可以傳輸 ; m=1,n=2:222 3 3 6( ) ( )m m c mb m a n ,不能傳輸; m=2,n=1:222 4 9 . 5 6( ) ( )m m c mb m a n ,不能傳輸。 因此,只能傳輸 。 2) 22 1 ( )c,其中 10 2 1 4 4 . 2 4c T E a m m ,帶入公式解得, 。 6、在 的矩形波導(dǎo)中傳輸頻率 f =10 式的電磁波。 (1)求 C、 、 p、和 2)若波導(dǎo)寬邊 a 增大一 倍,上述各量如何變化? 9 (3)若波導(dǎo)窄邊尺寸 b 增大一倍,上述各量又將如何變化? (4)若波導(dǎo)截面尺寸不變,但工作頻率變?yōu)?15述各量又將如何變化? 解 :( 1 ) 10 2 4 5 . 7 2c T E a m m , 22 1 ( ) 1 . 5 8c ,823 . 9 8 * 1 0 /1 ( )m s,2120 4 9 9 . 5 81 ( ) ( 2)( 3)( 4)方法同上。 7、有一空氣填充的矩形波導(dǎo)工作于 式,其工作頻率為 10測(cè)得波導(dǎo)波長(zhǎng) p 4求: (1)截止頻率 f,和截止波長(zhǎng) C; (2)相速度 速度 波阻抗 解: ( 1 ) 由 公 式21 ( )得到 ,則83 * 1 06 . 6 1 40 . 0 4 5 4c H z ; ( 2 ) 984 * 1 0 * 1 0 4 * 1 0 /f c m m s , 2 82 . 2 5 * 1 0 /m ,10321 2 0 1 2 0 * 2 . 8 3 * 1 01 ( ) 。 8、 有一內(nèi)充空氣, b fc/2a; c/2b 10 0.8*c/2b fc/2a 0.8*c/ 2a fc/2a a6,該模式在傳輸中不會(huì)截止;若 V ,此模式截止。 6階躍型光纖的單模傳輸條件是什么? 答: 通常把只能傳輸一種模式的光纖稱為單模光纖,單模光纖只傳輸一種模式即基模 以它不存在模式色散且?guī)挊O寬,一般都在幾十上,可實(shí)用于長(zhǎng)距離大容量的通信。要保證單模傳輸,需要二階模截止即讓光纖的歸一化頻率 V 小于二階模 一化截止頻率,從而可得: 0 V 一重要關(guān)系稱為 “單模傳輸條件 ”。 7什么是單模光纖的 截止波長(zhǎng)?寫出表達(dá)式。 答:通常把只能傳輸一種模式的光纖稱為單模光纖,單模光纖只傳輸一種模式即基模 某一光纖,每個(gè)模式,都對(duì)應(yīng)有一個(gè)截止波長(zhǎng) c,當(dāng)工作波長(zhǎng) c 時(shí),該模式可 以傳輸;當(dāng) 模式就截止了。對(duì)于單模光纖,其截止波長(zhǎng)為 c=2)1/2a/ 8光纖產(chǎn)生的原因及其危害是什么? 9光纖損耗和色散產(chǎn)生的原因及其危害是什么?為什么說光纖的損耗和色散會(huì)限制系統(tǒng)的光纖傳輸距離? 答: 造成光纖損耗的原因很多,主要有吸收損耗、散射損耗和附加損耗。吸收損耗是光波通 過光纖材料時(shí),一部分光能被消耗(吸收)轉(zhuǎn)換成其他形式的能量而形成;散射損耗是由于材料的不均勻使光散射將光能輻射出光 纖外導(dǎo)致的損耗;附加損耗屬于來自外部的損耗或稱應(yīng)用損耗,如在成纜、施工安裝和使用運(yùn)行中使光纖扭曲、側(cè)壓等造成光纖宏彎和微彎所形成的損耗等。 光纖的損耗將導(dǎo)致傳輸信號(hào)的衰減,光纖損耗是決定光纖通信系統(tǒng)中繼距離的主要因素之一。 15 光纖的損耗將導(dǎo)致傳輸信號(hào)的衰減,所以把光纖的損耗又稱衰減。當(dāng)光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí),隨著距離增長(zhǎng)光的強(qiáng)度隨之減弱,其規(guī)律為:10/)(10)0()( ;在光纖中,信號(hào)的不同模式或不同頻率在傳輸時(shí)具有不同的群速度,因而信號(hào)達(dá)到終端時(shí)會(huì)出現(xiàn)傳輸時(shí)延差,從而引起信號(hào)畸變,這種現(xiàn)象統(tǒng)稱為色散。對(duì)于數(shù)字信號(hào),經(jīng)光纖傳播一段距離后,色散會(huì)引起光脈沖展寬,嚴(yán)重時(shí),前后脈沖將互相重疊,形成碼間干擾,導(dǎo)致誤碼率增加。因此,色散決定了光纖的傳輸帶寬,限制了系統(tǒng)的傳輸速率或中繼距離。 10光纖中都有哪幾種色散?解釋其含義。 答: 根據(jù)色散產(chǎn)生的原因,光纖的色散主要分為:模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散和偏振模色散。下面分別給予介紹。 模式色散一般存在于多模光纖中。因?yàn)?,在多模光纖 中同時(shí)存在多個(gè)模式,不同模式沿光纖軸向傳播的群速度是不同,它們到達(dá)終端時(shí),必定會(huì)有先有后,出現(xiàn)時(shí)延差,形成模式色散,從而引起脈沖寬度展寬; 由于光纖材料的折射率隨光波長(zhǎng)的變化而變化,使得光信號(hào)各頻率的群速度不同,引起傳輸時(shí)延差的現(xiàn)象,稱為材料色散。這種色散取決于光纖材料折射率的波長(zhǎng)特性和光源的線譜寬度; 波導(dǎo)色散 w 是針對(duì)光纖中某個(gè)導(dǎo)模而言的,在不同的波長(zhǎng)下,其相位常數(shù)不同,從而群速度不同,引起色散。波導(dǎo)色散還與光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)、纖芯與包層的相對(duì)折射率差等多 方面的原因有關(guān),故也稱為結(jié)構(gòu)色散; 對(duì)于理想單模光纖,由于只傳輸一種模式(基模 ),故不存在模式色散,但存在偏振模色散。偏振模色散是單模光纖特有的一種色散,偏振模色散的產(chǎn)生是由于單模光纖中實(shí)際上傳輸?shù)氖莾蓚€(gè)相互正交的偏振模,它們的電場(chǎng)各沿 x, y 方向偏振,分別記作 相位常數(shù) x, y 不同( xy),相應(yīng)的群速度不同,從而引起偏振色散 0 。 )(21)0()( 2 求 : 光纖的本地?cái)?shù)值孔徑 NA(r)。 16 解: 2 2 22N A ( 0 ) 2 1 ( ) rr n r n , 0 r a 12均勻光纖芯與包層的折射率分別為: 1 50, 1 45,試計(jì)算: ( 1)光纖芯與包層的相對(duì)折射率差 ? ( 2)光纖的數(shù)值孔徑 ( 3)在 1的光纖上,由子午線的光程差所引起的最大時(shí)延差 ( 4)若在 1的光纖上 ,將 0ns/選什么值 . 解: ( 1) 2 2 21 2 1( ) / 2 3 . 2 8 e - 2n n n ; ( 2) 2212 0 . 3 8 4N A n n ; ( 3) 由 =可求出 為 列出方程并解得此時(shí)所走的光程為 。 更正:m a x 11/ ( s i n ) / ( ) 則 11m a 1 )L n = ( 1000*(08) * ( 1) = 4) 由題可以先求出光走的光程 L=1003m。 =1/入數(shù)據(jù)得到, 更正: 由公式11m a 1 )L n 可得, m a ( 1 )n 代入數(shù)據(jù)可得 : 2n3. 已知階躍光纖纖芯的折射率 對(duì)折射率差 = 芯半徑 a 25m 試求 : 17 的截止波長(zhǎng)各為多少? 解: 查表可以得到對(duì)應(yīng)的 分別為: 0, 別帶入公式 c=2)1/2a/得到以下各值: 無 截 止 波 長(zhǎng) ; 14. 階躍光纖,若 0=計(jì)算 ( 1)若 = 0 25,為了保證單模傳輸,其纖芯半徑 a 應(yīng)取多大? ( 2)若取 a=5m ,為保證單模傳輸, 應(yīng)取多大? 解: ( 1) 單模傳輸 的條件, 10220 2 . 4 0 4 8,將數(shù)據(jù)帶入解出0 0,時(shí), R, 此時(shí)電波射線折射向上彎曲,與地球彎曲方向相反,故稱負(fù)折射。當(dāng) 時(shí)電波射線折射向下彎曲,與地球彎曲方向相同,故稱正折射。在正折射中, K 稱為臨界折射。 K=4/3, =4KF 2R,故可得: h1:d2=R h1=R 理: 2)考慮到大氣折射 K=4/3 時(shí),上述情況下 C 點(diǎn)等效地面突起高度為 : Re=理, G 點(diǎn)等效地面突起高度為: Re= 8、 若兩相鄰微波站 A、 B 相距 48射點(diǎn)距 A 站 18 24此兩種情況下的地面突起高度 是多少?若又考慮大氣折射時(shí)的 K 值為4/3,再求上述兩種情況下的等效地面突起高度 是多少 m? 解: 9、 設(shè)微波中繼通信采用 f 10距為 50徑為光滑 球形地面,收發(fā)天線最小高度,如圖 7示。求( 1)不計(jì)大氣折射 K=1,保證自由空間余隙 ,等高收發(fā)天線的最小高度;( 2)在 k 4/3 時(shí),收發(fā)天線最小高度。 30 解: ( 1)地形為光滑球面,地球半徑 6370 線路中點(diǎn)之地面凸起高度 設(shè)中點(diǎn)為反射點(diǎn)(一般以地形最高點(diǎn)為反射點(diǎn)), d1=5 893 * 1 0 0 . 0 31 0 * 1 0c ,于是自由 空間余隙為: 61201 30 . 0 3 * 2 5 * 2 5 * 1 00 . 5 7 7 0 . 5 7 7 0 . 5 7 7 1 1 . 1 75 0 * 1 0 , 當(dāng) K=1 時(shí),地面凸起高度: 61232 5 * 2 5 * 1 0 4 9 . 0 62 2 * 6 3 7 0 * 1 0 * 1 確定收發(fā)天線高度時(shí),應(yīng)使地面凸起高度最大處還留有 傳播空間,故 m i n 0 1 1 . 1 7 4 9 . 0 6 6 0 . 2 3eH h h m ( 2) k 4/3 時(shí),地面凸起高度 : 61232 5 * 2 5 * 1 0 3 6 . 7 942 2 * 6 3 7 0 * 1 0 * 3 m i n 0 1 1 . 1 7 3 6 . 7 9 4 7 . 9 6eH h h m 10、 已知某數(shù)字微波通信系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下:理論載噪比 20定惡化 =4 室溫下( 290K),接收機(jī)的噪聲系數(shù) 收機(jī)的等效帶寬=計(jì)算出該系統(tǒng)的門限載波信號(hào)功率電平值 。 解: 噪聲功 率 N 23)*290* 2 0 2 1 8C C C N 門 限 理 論 惡 化 量, 所以有 3 1 8 1 0 l g ( 2 . 2 5 e - 1 3 * 1 0 ) 7 8 . 4 7C d B m 門 限11、 已知一個(gè) 6 55s 系統(tǒng)的傳輸信道參數(shù)如下:發(fā)射機(jī)的發(fā)射電平等于 42、發(fā)端天線增益各為 43端饋線損耗 加損耗 道的頻帶寬度為 際門限載噪比 C/N 聲系數(shù) 2發(fā)兩 端之間的距離 60計(jì)算出系統(tǒng)的平衰落儲(chǔ)備是多少? 31 解:根據(jù)公式 22 實(shí)際門限,直接帶入數(shù)據(jù)解得, ( ) 5 1 . 6 1 0 l g 2 1 0 l g 2 2 2 0 l g 2 0 l . 6 1 2 2 * 4 3 1 0 l g 2 5 . 8 3 3 2 3 . 1 2 2 * 2 . 5 2 * 2 . 5 2 0 l g 6 2 0 l g 6 04 9 . 2 5 2 d Bf i T A F f d B P G B N L L f 實(shí) 際 門 限 32 第八章 衛(wèi)星通信傳輸線路的特征 1. 簡(jiǎn)要敘述衛(wèi)星通信的主要優(yōu)缺點(diǎn);與光纖通信相比,你認(rèn)為衛(wèi)星通信系統(tǒng)適合什么樣的應(yīng)用領(lǐng)域。 答: 衛(wèi)星通信的主要優(yōu)點(diǎn)是:( 1)通信范圍大,只要衛(wèi)星發(fā)射的波束覆蓋進(jìn)行的范圍均可進(jìn)行通信。( 2)不易受陸地災(zāi)害影響。( 3)建設(shè)速度快。( 4)易于實(shí)現(xiàn)廣播和多址通信。( 5)電路和話務(wù)量可靈活調(diào)整。( 6)同一通信可用于不同方向和不同區(qū)域。主要缺點(diǎn)是:( 1)由于兩地球站向電磁波傳播距離有 72000號(hào)到達(dá)有延遲。( 2) 10上頻帶受降雨雪的影響。( 3)天線受太陽噪聲的影響。 主要應(yīng)用領(lǐng)域:( 1) 機(jī)內(nèi)通信服務(wù) ( 2) 衛(wèi)星導(dǎo)航的定位應(yīng)用 ( 3) 衛(wèi)星導(dǎo)航在運(yùn)輸上的應(yīng)用 ( 4) 衛(wèi)星導(dǎo)航在非運(yùn)輸上的應(yīng)用 ( 5) 數(shù)字電影 ( 6) 衛(wèi)星無線電 ( 7) 衛(wèi)星遙感業(yè)務(wù) 2. 衛(wèi)星通信系統(tǒng)由哪幾部分組成 ? 它們各自的作用如何 ? 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的主要功能是什么 ? 答:一個(gè)靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)由空間分系統(tǒng) (通信衛(wèi)星 )、地球站分系統(tǒng)、跟蹤遙 測(cè)與指令分系統(tǒng)( , 監(jiān)控管理分系統(tǒng)( 大部分組成。 跟蹤遙測(cè)與指令分系統(tǒng)又稱為測(cè)控站,它是受衛(wèi)星控制中心自直接管轄的、衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)的附屬部分。它與衛(wèi)星控制中心結(jié)合,其任務(wù)是:檢測(cè)和控制火箭并對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤測(cè)量; 控制其準(zhǔn)確進(jìn)入靜止軌道上的指定位置;待衛(wèi)星正常運(yùn)行后,定期對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行軌道修正和位置保持;測(cè)控衛(wèi)星的通信系統(tǒng)及其他部分的工作狀態(tài),使其正常工作;必要時(shí),控制衛(wèi) 星的退役。 監(jiān)控管理分系統(tǒng)又稱衛(wèi)星控制中心,它的任務(wù)是對(duì)定點(diǎn)的衛(wèi)星在業(yè)務(wù)開通前、后進(jìn)行通信性能的監(jiān)測(cè)和控制,例如對(duì)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功率、衛(wèi)星天線增益以及各地球站發(fā)射的功率、射頻頻率和帶寬等基本通信參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控,以保證正常通信。 跟蹤遙測(cè)與指令分系統(tǒng)和監(jiān)控管理分系統(tǒng)構(gòu)成了衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)。一個(gè)測(cè)控系統(tǒng)一般是由以衛(wèi)星控制中心為主體的衛(wèi)星控制系統(tǒng)和分布在不同地區(qū)的多個(gè)測(cè) 33 控站組成。 地球站是衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)的主要組成部分,所有的用戶終端將通過它接入衛(wèi)星通信線路。根據(jù)地球站的大小和用途不同,它的組成也有所不同。 概括地說,衛(wèi)星通信 系統(tǒng)由空間段和地面段兩部分組成??臻g段以衛(wèi)星為主體,并包括地面衛(wèi)星控制中心 跟蹤、遙測(cè)和指令站 ,在 C 站與衛(wèi)星之間,有一條控制和監(jiān)視的鏈路對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)控。 衛(wèi)星星載的通信分系統(tǒng)主要是轉(zhuǎn)發(fā)器,現(xiàn)代的星載轉(zhuǎn)發(fā)器不僅僅能提供足夠的增益(包含從上行頻率到下行頻率的頻率變換),而且具有(再生)處理和交換功能。 3. 衛(wèi)星通信使用哪些工作頻段 ? 原因是什么 ? 目前使用較多的衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)主要有哪些 ? 答:通信衛(wèi)星比較適合的工作頻段宜選在 110 最理想的頻段是46 4. 通信衛(wèi)星有哪些運(yùn)行軌道 ? 影響靜止衛(wèi)星軌道的有哪些因素 ? 答: 按衛(wèi)星軌道的傾角分為以下三種:( 1)若衛(wèi)星的軌道平面與赤道平面重合,則此衛(wèi)星軌道稱為赤道軌道;( 2)若衛(wèi)星軌道平面穿過地球的南北極,即與赤道平面垂直,則稱為極軌道;( 3)衛(wèi)星軌道平面傾斜于赤道平面,則稱為傾斜軌道。 按衛(wèi)星離地面最大高度 h 的不同,可把衛(wèi)星軌道分為: ( 1) 低軌道( 此時(shí) 000 ; ( 2) 中軌道( 此時(shí) 5000h 20000( 3) 高軌道( 其軌道高度 h 20000 對(duì)靜止衛(wèi)星來說,由于地球結(jié)構(gòu)的不均勻和太陽、月亮引力的影響等,將使衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的實(shí)際軌道不斷發(fā)生不同程度地偏離開普勒定律所確定的理想軌道的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱為衛(wèi)星的攝動(dòng)。 5. 有哪幾種干擾在衛(wèi)星通信中必須考慮 ? 它們的產(chǎn)生原因是什么? 答: ( 1) 系統(tǒng)熱噪聲與等效噪聲溫度 只要傳導(dǎo)媒質(zhì)處于熱力學(xué)溫度的零度以上,帶電粒子就存在著隨機(jī)的熱運(yùn)動(dòng),從 而產(chǎn)生對(duì)有用信號(hào)形成干擾的噪聲 。 ( 2)接收系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲和外部噪聲 接收天線收到衛(wèi)星(或地球站) 34 發(fā)來的信號(hào)的同時(shí),還接收到大量的噪聲。接收系統(tǒng)的噪聲可分為來自各種噪聲源的外部噪聲和內(nèi)部噪聲。 其中有些噪聲是由天線從其周圍輻射源的輻射中所接收到的,如宇宙噪聲、大氣噪聲、降雨噪聲、太陽噪聲、天電噪聲、地面噪聲等,若天線蓋有罩子則還有天線罩的介質(zhì)損耗引起的天線罩噪聲,這些噪聲與天線本身的熱噪聲合在一起統(tǒng)稱為天線噪聲,還有些噪聲則是伴隨信號(hào)一起從衛(wèi)星發(fā)出被收端地球站收到的,包括發(fā)端地球站、上行線路、衛(wèi)星接收系統(tǒng)的 熱噪聲,以及多載波工作時(shí)衛(wèi)星及發(fā)端地球站的非線性器件產(chǎn)生的互調(diào)噪聲;此外,還有些干擾噪聲(如人為噪聲、工業(yè)噪聲 )。 宇宙噪聲 宇宙噪聲主要包括銀河系輻射噪聲、太陽射電輻射噪聲和月球、其他行星射電輻射噪聲。頻率在 1下時(shí),銀河系輻射噪聲影響較大,故一般就將銀河系噪聲稱為宇宙噪聲。銀河系噪聲在銀河系中心指向上達(dá)到最大值,通常稱之為指向熱空。而在天空其他某些部分的指向上則是很低的,故稱之為指向冷空。宇宙噪聲是頻率的函數(shù),在 1下時(shí),它是天線噪聲的主要部分。 大氣噪聲 大氣層對(duì)穿過它的電波,在吸收能 量的同時(shí),也產(chǎn)后電磁輻射而形成噪聲,其中主要是水蒸氣及氧分子構(gòu)成的大氣噪聲。大氣噪聲是頻率的函數(shù),在 10上是顯著增加,此外,它又是仰角的函數(shù),仰角越低,穿過大氣層的途徑越長(zhǎng),大氣噪聲對(duì)天線噪聲溫度的貢獻(xiàn)越大。 降雨噪聲 降雨及云、霧在產(chǎn)生電波吸收衰減的同時(shí),也產(chǎn)生噪聲,稱之為降雨噪聲。其對(duì)天線噪聲溫度的作用與雨量、頻率、天線仰角有關(guān)。在 4仰角時(shí),大雨對(duì)天線噪聲溫度的貢獻(xiàn)也達(dá) 50 100K,因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮。 地面噪聲 由于衛(wèi)星天線對(duì)準(zhǔn)地球,因而地球熱噪聲也是等效噪聲溫度 要組成部分。地球站天線除由其旁瓣、后瓣接收到直接由地球產(chǎn)生的熱輻射外,還可能接收到經(jīng)地面反射的其他輻射。當(dāng)仰角不大時(shí),地面噪聲中對(duì) 是指卡塞格林天線饋源喇叭的輻射波束主瓣邊緣的相當(dāng)一部分以及其旁瓣越過副反射面產(chǎn)生的噪聲。當(dāng)仰角小于 30 度時(shí),天線接收的地面熱噪聲是相當(dāng)大的。 干擾噪聲 包括來自其他同頻段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)和同頻段的微波中繼通 35 信系統(tǒng)的干擾噪聲和人為干擾噪聲。干擾噪聲的大小與干擾的頻率、干擾電波的傳播環(huán)境、收發(fā)天線的增益方向性圖函數(shù)等許多因素有關(guān)。其頻譜一般為非白噪聲,但不管這些干擾的頻譜如何分布,在衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)的工程計(jì)算和設(shè)計(jì)中,都可采用將它們轉(zhuǎn)化為等效噪聲溫度的辦法而同系統(tǒng)的其他噪聲同樣對(duì)待。 ( 3) 接收機(jī)輸入端的噪聲功率 天線接收到各種噪聲的大小可以用天線的等效噪聲溫度 T 來表示。由電子
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