光电传输原理

第一章 绪论1. 电力电缆提供电能 电压等级（耐电强度） 载流量（耐温等级）2. 通信电缆传输信息 通信距离（低频衰减/损耗）、信息容量、信息质量 电线=导体+绝缘 电缆=导体+绝缘+护层 11 现代电气通信及其对通信电缆的要求1. 通信：人与人，人与机器之间传递信息的过程。 人最基本的通信方式是语言（声波），形体语言（光波），自然界中还有其他通信方式，如：蚂蚁用触角传递信息，其他生物通过气味传递信息等。2. 电气通信：借助于电的设施来传递信息的过程。即使是光通信也离不开电的设施。3. 光通信的主要步骤：声音（图像） 电信号 光信号 中继（放大）光信号 电信号声音 机/电 电/光 传输 光/电-电/光 光/电一、 电气通信的形式1. 语言通信：如：电话、广播（声音-电信号-声音）2. 文字通信：如：电报3. 图形象通信：如：传真和电视二、 传输信息的形式电气通信的传输形式主要有两类1. 无线传输：电磁波在大气中的传播。（如：无线广播、电视、卫星通信、移动通信等）优点：不用架设线路，机动灵活经济缺点：易受干扰和大气影响，保密性差2. 有限传输：电磁波靠着通信线路进行传播优点：传输性能稳定，通信距离长，容量大，保密性好缺点：建设周期长，通信费用高三、 有限通信的线路种类1. 架空明线：以气体作为导体的绝缘。远距离用3mm左右铜线，近距离用铝线。2. 对称电缆：双线回路。对称：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。优点：容量大，距离长，不受电磁干扰缺点：光的发射接收装置昂贵，中继复杂，分路接续困难12 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、 对称电缆优点：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。缺点：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： =+，令x= =x+R金属电阻 C电缆电容 L内外电感 G绝缘电导令，即x=，即RC=LG时最小。但线路一般都是RCLG，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= 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； 选电阻率小的材料。所以Cu（无氧铜）是通信电缆的首选； 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=20D/ln 选用小的材料（非极性），非2.5，空=1，极2.5； 采用组合绝缘，因为空气D介质，如泡沫绝缘、皱纸袋绕包、 绳管绝缘等； 改变电缆结构。有对绞变为星绞，电极间距变大，相应的D减小。3. 提高电感L：方法有均匀加感和集中加感两种均匀加感：即在导电线芯上包一层磁性材料，但工艺复杂；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=Ctan，因此G的升高也意味着电容C的升高，介质损耗tan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。13 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：1016000Hz（f10Hz称为次声波，f2000Hz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3003400Hz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101000Hz，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3400300KHz=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+244=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。14 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=Pulse Code Modulation 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（07） 十进制： 0 1 2 3 4 5 6 7 二进制：000 001 010 011 100 101 110 111 同理，四位码可以表示24=16个数字（015），七位码可以表示27=128个数字（0127），八位码可以表示28=256个数字（0255）。 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fs2fm 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=125s 时隙Tg：Ts/32=125/32=3.9s 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 8000328=2048103b/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通信的特点优点： 抗干扰性强，噪声和畸变不积累 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 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）缺点： 占用频带宽。如：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。 衰减大，通信距离短 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：/km L单位长度回路的有效电感。单位：H/km C单位长度两导体间的电容。单位：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=U0coshx-I0Zcsinhx I =I0 coshx-sinhx 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= Ulcoshx+IlZcsinhx I= Il coshx+sinhx如果取入射电压U与入射电流I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=Ul U=U0I=Il 或 I=I022 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：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： l=，l=0-l 或=，=（0-l）：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。 单位：奈培/公里（N/km）如果l=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：l=因此当l=1 N，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，l的单位为分贝（dB） l=10lg=20 lg=20 lg 1 N=8.686dB，1 dB=0.115Nl=0-l 即=（0-l）：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|=，c=式中，1=arctan , 2=arctan1. 直流：w0 ，所以Zc=，|Zc|=，c=0 此时电路为纯阻性电路。2. 低频（音频 f=800Hz）, 此时RwL，GwC Zc=，|Zc|=，c=-453. 高频（f30KHz，此时RwL，GwC一般，即RCLG或者 ，即12 （图见 P16 2-3）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：=1. 直流：w0因此，有=，=，=02. 低频（音频 f=800Hz），此时RwL，GwC = 实部：= 虚部：=3. 高频（f30KHz，此时RwL，GwC=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：= ，=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3108m/s，在介质中，其传播速度为：v=f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 =2, =因此，电磁波在介质中的传播速度公式为; v=1. 直流：w0，由于=0，所以v= ， =由传播常数的虚部，得到相移常数的表达式：=传播速度为：v=2. 低频（音频 f=800Hz），此时RwL，GwC由=可以得到= v= 3. 高频（f30KHz，此时RwL，GwC , 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，v104km/s，而高频传输时可以达到2105 km/s；同轴电缆的传播速度可达到2.8105 km/s。23 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。（P20 2-5 a、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。（P20 2-5 c）改善方法：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。改善方法：采用高频传输从上面的分析可以看出，低频传输、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。24 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。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 电流的绝对电平：p= （N） =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=600（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：PxP0，p0；当PxP0，p0；当Px= P0=1mw时，p=0。 如果是电缆线路，由于阻抗Zc600，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=600，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：已知：对称电缆线路上某点的功率Px=1mW，该线路波阻抗值Zc=150，其功率电平。 Ux= 其电压电平为：p= 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=75 Ux= 其电压电平为：p= 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=600，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。p=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，b0线路有衰减，b0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=1 mW，听筒Pl=1W。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3.45 N。 CCITT规定：标准值为b3.3N。例：0.6mm市话电缆，在f=800Hz时，=0.115N/km，求通信距离为多少？ 解：b=l 如果线径增大，则衰减减小，通信距离增大；反之亦然。载波电话（增音段长度）： 开设300路载波电话的小同轴，最高传输频率f=1.3MHz，发送端p0=-0.4N，接受端p1=-6.0N，线路的衰减常数=0.688N/km，求通信距离为多少？解：b=l= p0- p1=-0.4-（-6.0）=5.6N25 非均匀电路的性质均匀线路：材料、结构完全一致，R、L、C、G沿线完全相同。Zc处处相等且与负载匹配（Zc=ZH）。但是，完全均匀匹配不可能达到，故线路总会存在一定的反射。一、反射系数与反射衰减： 1. 反射系数：对于任一不均匀点，其反射电压与入射电压之比。即： 在线路终端： （1） （2） 将（2）式两端同乘Zc： （3） 将（1）与（3）相加，得 将（1）与（3）相减，得 若线路均匀、匹配，则ZH=Zc，P=0，线路无反射波。 若线路中波阻抗不均匀，则反射会出现2. 反射衰减： ZH越接近Zc，则bH越大，线路反射波的影响较小。二、各种负载时的反射系数 1. 负载匹配：ZH=Zc，p=0，线路无反射，能量全部被负载吸收； 2. 终端开路：ZH=，p=1，线路产生全反射，负载不吸收能量，全部磁场能量都转化为电场能量； 3. 终端短路：ZH=0，p=-1，线路产生全反射，负载不吸收能量，全部电场能量都转化为磁场能量； 4. 任意负载：p=-1。 反射系数的绝对值越小，反射衰减越大。26 均匀电缆线路的输入阻抗一、输入阻抗的概念及表达式输入阻抗：线路始端电压与电流之比。即：由传输线方程可求得： U0=+ I0=-双曲函数表示： U0= Ulcoshl+IlZcsinhl I0= Il coshl+sinhl因此，有Z入=分子、分母同乘Zc，则：Z入=将Ul=IlZH代入，整理得 Z入=二、不同负载时的输入抗阻： 1. 匹配线路：ZH=Zc，Z入=Zc 2. 终端开路：ZH=，将Z入等式中分子、分母同除ZH： Z入=，而sinhl和coshl为有界函数 Z入=Z= 3. 终端短路：ZH=0，Z入=Z0=Zctanhl 4. 一般情况：ZHZC将Z入表达式的分子、分母同除以Zccoshl得：Z入= ，令 则：Z入= 三、长线路的输入阻抗1. 长线路：l1.5(N)，即：电性能上的长线路，这与我们熟悉的几何长线有一定的差异。2. 衰减是一个与频率有关的量。例如：f=50Hz时，波长=6000km，线路的衰减很小，即使是几公里的长度都可以认为是短线；但是高频f=109Hz时，0.3km，线路的衰减很大，几米的短线都可以认为是电性能上的长线。3. 对于电性能上的长线路，无论是终端开路还是短路，都可以认为Z入=Zc 即使终端有反射，经过长线路衰减后，反射波达到终端时，幅值和能量已减至很小，故可以忽略。 从公式上看： l很大 e-l很小,sinl 而 coshl=sinhl 或tanhll Zc=Z入四、 输入阻抗的波动 从输入阻抗的计算公式中，可以看出：Z入是Zc、l有关的物理量。当这些参数变化是，Z入也要随之而变，即产生波动； 当线路很长时，这种波动会因衰减而减小，直至趋于波阻抗Zc； 由于Zc、是f的函数，故Z入也是f和l的函数，即随f和l而变。1. 从物理概念上理解阻抗的波动 当线路长度改变时，反射波的幅值和能量将不同，因此，U0=U入+U反会随之而变。同样I0=I入-I反也会反射随反射波不同而变。故随l而变； 当线路长度不变时，频率改变时，在终端产生的反射波也不同，因此，U0和I0随f而变。2. 从相量上分析 当入射波与反射波相位差小于90时，其合成矢量增大；反之，当入射波与反射波相位差大于90时，其合成矢量将减小； 如果U0=U入+U反=Umax，而此时有I0=I入-I反=Imin，那么Z入=Zmax； 如果U0=Umin，而此时有I0=Imax，则Z入=Zmin。3. 从公式上分析：Z=，Z0=Zctanhl, Z入=Zctanh(n+l)Z入是随l和Zc而变化的。又和Zc是频率f的函数 Z入随l和f而变化 tanhl=tanh(+j)l=T ， 开路输入阻抗：Z=即：|Z|=， 短路输入阻抗：Z0=Zctanhl 即：|Z0|=， 当2l=2n时，cos2l=+1，T=Tmin，|Z|最大，|Z0|最小 当2l=（2n+1）时，cos2l=-1，T=Tmax，|Z|最小，|Z0|最大在其它情况下，T在最大和最小之间变化，因此，|Z|和|Z0|也是在最大和最小之间振荡，但是，二者的变化规律相反。 在2l=0时，sin2l0。sinh2l0 t0 一般|t|c|,0, 0 在2l=2时，sin2l0。t0, 00, 0 Z0为容性阻抗（下降），Z为感性阻抗（上升）因此，随频率变化，Z由容性、感性交替变化，而Z0由感性、容性交替变化。同理，随线路长度的变化，也有类似的变化规律，一般线路长度固定，但沿线的输入阻抗变化（波动），而信号具有一定的频率，因此，输入阻抗随频率而变化，其输入功率也随之而变。影响衰减常数的频率特性，加重电缆回路的振幅失真。五、电缆回路一、二次传输参数的测试原理（开、短路法），输入阻抗是始端电压与电流之比。这个值我们可以通过电桥进行测试。即：分别测量出终端开路时的输入阻抗Z=和终端短路时的输入阻抗Z0=Zctanhl。 Z0 Z= ， ，1. 求波阻抗Zc |Zc|= ， 短路输入阻抗的模和幅角分别为： |Z0|= ， 开路输入阻抗的模和幅角分别为： |Z|= ，2. 求传播常数=+jtanhl=tanh(+j)l=T=|T|= ，又tanh2l=tanh2l= =即：2l=arctan反正切是多值函数 2l=20l+n确切地说：20l是前页中公式的测试值若计算出的角度为负角，则应加上 （取整）式中，是由已知电缆结构的设计值求出。3. 求一次传输参数 =| R= wL= G= ，wC= 开、短路法的使用范围及有关说明1. 当线路衰减在l=0.21（N）时，此法有效，衰减太小（线路短或频率低时），Z和Z0相差太大，则测试误差较大，若l太大，则Z和Z0太接近，也有测试误差。；2. 在所有测试参数中，R和G的测试误差较大。例如：较大时，可能超过90，故可能使G的计算值为负；3. 在偏离谐振点（频率）时，测试准确性较大；4. Z和Z0应该在同一频率下测试，否则会引起误差；5. 求谐振频率： 高频（f30KHz）时， 式中，Zc（），C（F/km）电缆谐振时，有：2l=n = （n=1，2，3）六、用谐振法测试同轴射频电缆的波阻抗和衰减常数射频电缆波阻抗的计算公式为：式中各变量的单位是：f/MHz;C/PF/m;l/m（1） 由电容电桥测出Cl；（2） 用导纳电桥测出谐振频率； 谐振时，有，而= 即：谐振发生在电缆长度整数倍的时候 测试采用剪断法，即当导纳电桥中，电容臂为0时，所对应的长度。 根据公式：tanhl=tanh(+j)l=可知：当时，有 =故tanl=，Z0=R (tanhl总是小于1)Z=Ztanhl=Rl=tanh= tanhZG当l=m时,l=n则tanl=0, tanhl= tanhlZ0=Ztanhl= RZ= R在开、短路阳抗曲线上，谐振点分别为n=1,3,5 2,4,6串联（电流）谐振 2,4,6 1,3,5并联（电压）谐振 （开路） （短路）第三章 对称通信电缆3-1 对称电缆的结构元件电缆的基本组成：导体，绝缘，护层通信电缆由于其多芯的特点因此，增加了线组和缆芯这两个基本构成元件你。按顺序将其排列：导体，绝缘，线组，缆芯和护层。一、 导电线芯：1、 要求：导电性能好，有一定的机械强度及柔软性。2、 材料：电工用铜=0.10m 电工用铝=0.10m3、 直径：市话：0.32，0.4，0.5，0.6，0.8 长途：0.9，1.2 高频数据电缆：5类缆AGW24(0.511) 6类缆AGW23(0.573)当直径相同时，R=1.639R当电阻相同时，r=1.28r二、 绝缘1、 要求：相对介电常数、介质耗损正切tan小，而在5010HZ的频率范围内，在-5080的温度范围内基本不变；绝缘电阻率 大，机械强度高，吸湿性小，加工方便。2、 材料：空气1，tan=0 塑料（聚乙烯、聚烯烃、聚氯乙烯）、纸等 或者采用组合绝缘（在保证结构稳定的前提下，尽可能提高空气含量）3、 结构：（1） 塑料绝缘：实心、泡沫、泡沫皮、塑料绳带（2） 纸绝缘：纸带、纸带、纸绳纸带三、 线组组成线组的目的： 使参数稳定。因为R、L、C、G都与结构即导体间距有关，间距变化，则参数变化。 减小串音 易于识别绞合形式 对绞 星绞 复对绞绞合方向：左对绞（S绞） 右对绞（Z绞）左右绞（SZ绞） 交叉绞（组成基本单时采用）四、缆芯:将若干线组绞合在一起 单位式：主要用于市话电缆。以25对为基本单位，50对或100对为一个单位以12，13对为次基本单位单位组成缆芯时，可采用同心式绞合五、护层 1. 作用：机械保护、防潮、防腐蚀、屏蔽等 2. 护层的种类 金属护层：铝套、铅套、轧纹钢管 主要特点：屏蔽及防潮性能优异、强度高 橡塑护层：柔软、重量轻、节省金属。但是，防潮、防腐、机械强度、屏蔽性能都不如金属 防潮：因为高分子的分子间距大于水分子直径，因此，有透潮问题。而金属是规则的晶体结构，原子排列规整，间距小，所以，水分子不能通过，不透潮出现空隙饱和温度升高 护层吸潮后，主要对纸绝缘危害较大，使增加，增大。对塑料绝缘电性能的影响不十分大。但是，当水进入护套后，会按照如下过程发展，因此，最后使缆芯内含水。护层吸潮后 水蒸气 凝聚成水滴 再吸潮 再凝聚成水滴 缆芯含水综合护层铝塑粘合护层复合结构： 纵包在缆芯上，接缝处用热风粘合，在外层挤包PE护套。水进入护套扩散的唯一途径是纵包搭盖处。隔潮因数（BF）=理论上分析，BF可达2500以上，但实际上，由于搭盖处粘合不可能达到100%，因此，实际BF值在100左右。因此，即使是埋地敷设，也可以用铝塑综合护层。 3-2 对称电缆的结构类型一、市内通信电缆（市话电缆）用途：用于市区、市郊及局部地区电话系统中品种：全塑市话电缆 非填充型（HYA系列）：绝缘线芯之间有空气隙。因此，只有径向防潮能力，但无纵向防潮能力，目前采用充气维护方法，在电缆内充高压气体，通过监测压力的变化，获得护层是否出现破坏的信息。填充型（HYAT系列）：用石油膏（以凡士林为基）将空气隙填满。因此，同时具有径向和纵向防潮能力。但其缺点是：制造、接续工艺复杂。而且，由于填充后，介电常数提高，因此，电缆衰减增大。市话电缆主要用于管道敷设，也可自承式敷设。导电线芯：铜导体直径：0.32、0.4、0.5、0.6、（0.7）、0.8、（0.9）(mm)绝缘：实心绝缘、泡沫绝缘、泡沫皮绝缘线组：对绞结构（每对线组颜色不同，节距不同）缆芯：单位式 25对为一个基本单位，100对为一个单位 12、13对为次基本单位，50对为一个单位色谱：a线 白 红 黑 黄 紫 b线 兰 桔 绿 棕 灰不仅组成线组按照全色谱，即使组成基本单位，单位和缆芯都是采用这样的色标方法护层：综合护层二、高频长途对称电缆1. 用途：长途载波通信 用于开设60路（252KHz）、36路（156KHz）、24路（108KHz）载波电话2. 导电线芯：0.9mm、1.2mm3. 绝缘：泡沫聚乙烯绝缘、塑料绳管绝缘4. 线组：星绞组（红白对、蓝绿对）电缆接续时有A、B端之分。若绿色单线在红色单线的顺时针方向上，则为A端；否则为B端。5. 缆芯：同心式绞合6. 护层：金属护层三、局域网用对称电缆（数据电缆）1. 用途：局域网、城域网和广域网2. 品种 按照波阻抗划分：有100、120、150 按照最高传输频率分： 3类对称电缆（category 3） 16MHz 4类对称电缆（category 4） 20MHz 5类对称电缆（category 5） 100MHz 超5类对称电缆（category -5e） 150MHz 6类对称电缆（category 6） 200/250MHz 7类对称电缆（category 7） 600/1000MHz 按照电缆对数分： 主要有2对、4对、8对、16对和25对 按照电缆结构类型化分： UTP非屏蔽对绞线（适用于5类、超5类电缆） 也有的结构性好记为：HSYV-5，HSYZ-5，即：聚乙烯绝缘、聚氯乙烯或低烟无卤阻燃聚烯烃护套 UTP超五类非屏蔽数字电缆（4对，HSYV-5e；HSYZ-5e系列） 0.511mm（24AWG）裸铜线，聚乙烯绝缘，两根绝缘导线绞合成对绞组，共4对，最外层为阻燃聚氯乙烯或烟无卤阻燃聚烯烃护套（护套颜色为灰色，也可由客户指定） UTP六类非屏蔽数字电缆（4对，HSYV-6；HSYZ-6系列） 0.573mm（23AWG）裸铜线，聚乙烯绝缘，两根绝缘导线扭绞成对绞组，共4对，最外层为阻燃聚氯乙烯或烟无卤阻燃聚烯烃护套（护套颜色为灰色，也可由客户指定） SUTP屏蔽对绞线（适用于超5类、6类缆） 0.511mm（24AWG）裸铜线，聚乙烯绝缘，两根绝缘导线绞合成对绞组，共4对到5对，外包铝箔带，内设排流线，最外层为阻燃聚氯乙烯或烟无卤阻燃聚烯烃护套（护套颜色为灰色，也可由客户指定） 也可用FTP或HSYV代表屏蔽对绞线 五类、超五类线（HSYVP-5，HSYP-5e） STP屏蔽对绞线（适用于超5类、6类缆） SSTP双屏蔽对绞线（适用于6类、7类缆）3. 导电线芯：铜导体 直径24AWG（0.511mm）、23AWG（0.573mm）28.6/1000ft4. 绝缘：聚烯烃实心绝缘 波阻抗为100时，绝缘外径1.2mm； 波阻抗为150时，绝缘外径2.6mm； 特性阻抗：10010，或10015 工作电容：20pF/1000ft（即：46nF/km）5. 线组：对绞 节距：16-18-20-22mm 17-20-25-30mm 10-12-14-16mm 色谱：白-兰、白-橙、白-绿、白-棕 或 白/绿-绿、白/橙-兰、白/兰-橙、白/棕-棕（T568-A） 或 白/橙-橙、白/绿-兰、白/兰-绿、白/棕-棕（T568最常用）6. 护套：综合护层3-3 对称电缆传输参数的计算一、有效电阻R：R=R0+R 式中，R0直流电阻；R交流电阻1、直流电阻： 将代入，并将其换算成单位长度的值，有 式中，总绞入系数，由p48表3-10查出；导体电阻率（.m），L电缆长度（m），d导体直径（m）。 2. 交流附加电阻 R=R集+R临+R金 由集肤效应引起的附加电阻R集 集肤效应：由导体内部涡流而使传输电流趋于表面分布的现象 影响因素： 导体直径d R