传输系统基础理论
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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
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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。
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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。
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（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、昼夜和地理位臵的不同而 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。
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。
O
r
y
x
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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。
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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。
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。 按用途：可分为通信天线、广播电视天线、雷达 天线等； 按频段：可分为短波天线、超短波天线、微波天 线等； 按方向性：可分为全向天线、定向天线等； 按外形：可分为线状天线、面状天线等； 按极化：可分为圆极化、线极化（水平极化、垂 直极化）等。
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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
E ( r, ,
z
60 I f ( , ) r
16
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。
M Pr r
A
60Pr D E r
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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
Pr L0 PL Pr L0 10lg dB PL
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D=1的无方向性发射天线产生的功率密度为
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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)。
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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。
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第二部分 天线基础知识
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。
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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
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第一部分 电波传播理论
一、无线电波的频率和波长
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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。
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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。
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2、天波传播——经过电离层反射后到达接收点
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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。
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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 臵高度随昼夜、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。
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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：
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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。
不均匀介质
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二、无线电波频段划分
波段指波长范围，频段指频率范围。
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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。
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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。 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。 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。
Pr Sav 4 r 2 D=1的无方向性接收天线的有效接收面积为
Ae 4
2
所以该接收天线的接收功率为
2 PL Sav Ae ( ) Pr 4 r
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于是自由空间传播损耗为
Pr 4 r L0 10lg 20lg dB PL
或
L0 32.45 20lg f ( MHz) 20lg r( km) 121.98 20lg r(km) 20lg ( cm)
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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。
(a )
(b )
(c)
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12
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。
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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。 有一天线臵于自由空间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
60Pr D E r
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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。
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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
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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。
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
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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。
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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。
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（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、昼夜和地理位臵的不同而 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。
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。
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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。
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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。
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。 按用途：可分为通信天线、广播电视天线、雷达 天线等； 按频段：可分为短波天线、超短波天线、微波天 线等； 按方向性：可分为全向天线、定向天线等； 按外形：可分为线状天线、面状天线等； 按极化：可分为圆极化、线极化（水平极化、垂 直极化）等。
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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
E ( r, ,
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60 I f ( , ) r
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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。
M Pr r
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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
Pr L0 PL Pr L0 10lg dB PL
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D=1的无方向性发射天线产生的功率密度为
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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)。
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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。
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第二部分 天线基础知识
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。
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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
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第一部分 电波传播理论
一、无线电波的频率和波长
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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。
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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。
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2、天波传播——经过电离层反射后到达接收点
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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。
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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 臵高度随昼夜、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。
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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：
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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。
不均匀介质
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二、无线电波频段划分
波段指波长范围，频段指频率范围。
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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。
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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。 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。 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。
Pr Sav 4 r 2 D=1的无方向性接收天线的有效接收面积为
Ae 4
2
所以该接收天线的接收功率为
2 PL Sav Ae ( ) Pr 4 r
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于是自由空间传播损耗为
Pr 4 r L0 10lg 20lg dB PL
或
L0 32.45 20lg f ( MHz) 20lg r( km) 121.98 20lg r(km) 20lg ( cm)
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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。
(a )
(b )
(c)
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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。
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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。 有一天线臵于自由空间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
60Pr D E r
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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。
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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
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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。