信息科学与电子工程专业英语(王朔中)课程翻译

Unit 3-1 Unit 5 多址技术 Unit 5-1 第一部分：多址技术：频分多址、时分多址、码分多址 多址方案用于使许多用户同时使用同一个固定带宽的无线电频谱。在任何无线电系统中分配的带宽总是有限的。移动电话系统的典型总带宽是50MHz，它被分成两半用以提供系统的前向和反向连接。任何无线网络为了提高用户容量都需要共享频谱。频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）是无线系统中由众多用户共享可用带宽的三种主要 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。这些方法又有许多扩展和混合技术，例如正交频分复用（OFDM），以及混合时分和频分多址系统。不过要了解任何扩展技术首先要求对三种主要方法的理解。 频分多址 在FDMA中，可用带宽被分为许多个较窄的频带。每一用户被分配一个独特的频带用于发送和接收。在一次通话中其他用户不能使用同一频带。每个用户分配到一个由基站到移动电话的前向信道以及一个返回基站的反向信道，每个信道都是一个单向连接。在每个信道中传输信号是连续的，以便进行模拟通信。FDMA信道的带宽一般较小（30kHz），每个信道只支持一个用户。FDMA作为大多数多信道系统的一部分用于初步分割分配到的宽频带。将可用带宽分配给几个信道的情况见图5.1和图5.2。 时分多址 TDMA将可用频谱分成多个时隙，通过分配给每一个用户一个时隙以便在其中发送或接收。图5.3显示如何以一种循环复用的方式把时隙分配给用户，每个用户每帧分得一个时隙。 TDMA以缓冲和爆发方式发送数据。因此每个信道的发射是不连续的。待发送的输入数据在前一帧期间被缓存，在分配给该信道的时隙中以较高速率爆发式发送出去。TDMA不能直接传送模拟信号因为它需要使用缓冲，因而只能用于传输数字形式的数据。由于通常发送速率很高，TDMA会受到多径效应的影响。这导致多径信号引起码间干扰。 TDMA一般与FDMA结合使用，将可用的全部带宽划分为若干信道。这是为了减少每个信道上的用户数以便使用较低的数据速率。这有助于降低延迟扩展对传输的影响。图5.4显示TDMA结合FDMA的使用。将基于FDMA的各信道进一步用TDMA划分，从而多个用户可以在同一信道上发送信号。这一类传输技术用于大多数第二代移动通信系统。对于GSM系统，分配的全部25MHz带宽被用FDMA分成125个信道，每一个带宽为200kHz。这些信道又用TDMA进一步分割，每一个200kHz的信道可容纳8～16个用户。 码分多址 CDMA是一种扩频技术，既不使用频率信道也不使用时隙。在CDMA中，窄带的消息（典型的是数字话音）被乘以一个宽带的伪随机噪声（PN码）信号。一个CDMA系统中的所有用户使用同一频带而且同时发送。发射的信号通过将接收信号与发送者用的PN码做相关而恢复出来。图5.5显示CDMA系统中频谱的通常使用方式。 CDMA技术最初是在第二次世界大战中由军方开发的。当时研究人员受到激励以寻求安全和能够在干扰中正常工作的通信方式。使CDMA有用的一些特性包括： —​ 信号隐藏，而且不干扰现有系统 —​ 抗敌方干扰和噪声干扰 —​ 信息安全 —​ 精确测距 —​ 多用户接入 —​ 对多径的适应性 多年以来，扩频技术一直被认为是只适合于军用。但是随着大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）设计的快速发展，商用系统也开始使用了。 CDMA处理增益 要理解扩频技术最重要的概念之一就是处理增益。系统处理增益是指扩频系统通过扩频和反扩频的性质所表现出来的增益或信噪比的提高。系统处理增益等于使用的扩频带宽与数据原来的比特率之比。因此处理增益可写为： 其中BWRF是数据扩展以后的发射带宽，BWinfo是所发送信息数据的带宽。 图5.6给出CDMA传输过程。待发送的数据（a）在发送前（被）用一个PN码调制实现扩频。这使频谱扩展，如（b）所示。在本例中处理增益为125因为扩频带宽是数据带宽的125倍。（c）是接收信号。它包括要求的信号，附加的背景噪声，以及其它CDMA用户或无线电信号源的干扰。接收信号通过将信号与原来用于扩频的码进行相乘而恢复出来。这一过程使需要的接收信号反扩频恢复成原来的发射数据。然而，所有与所用PN码不相关的其它信号变得更加扩展。然后（d）中的所需信号被滤波出来，而去掉扩频干扰和噪声信号。 CDMA信号发生 CDMA通过用伪随机序列（PN码）调制数据信号来实现，PN码的码片频率高于数据的比特率。PN序列是一系列随机交替的1和0（称为码片）。数据通过与PN码序列做模-2加法被调制。也可以通过信号相乘得到，只要数据和PN序列都用1和1表示而不是1和0。图5.7是一个基本的CDMA发射器。 用于数据扩频的PN码可由两种主要类型。短的PN码（典型长度10～128码片）可用于调制每一个数据比特。短的PN码对每一比特数据重复使用，可实现接收机的快速和简单的同步。图5.8显示一个使用10个码片的短码CDMA信号的产生。另外也可以使用长码。长码的程度通常有几千乃至几百万码片，因此不经常重复。因此他们更难以解码，所以有益于增加安全性。 CDMA前向连接编码 CDMA系统中从基站到移动电话的前向连接可以使用称为Walsh码的特殊正交码来将同一信道的多用户分开。这些码基于Walsh矩阵，它是由二进制元素构成的方阵，其阶数是2的幂，由一个基Walsh(1)=W1=0和下式生成： 其中Wn是n阶Walsh矩阵。例如 Walsh码是正交的，就是说任何两行间的点积都是0。这是因为任何两行之间都有一半的比特相同，另一半不同。 Walsh矩阵的每一行都可用作CDMA系统中一个用户的PN码。这一处理过程使每一用户的信号与所有其它用户的信号正交，因而相互之间没有干扰。不过为了使Walsh码能起作用，所有用户的码片都必须同步。如果一个用户使用的Walsh码在时间上相对于其它所有Walsh码偏移了超过约十分之一的码片周期，就失去了正交性，导致用户间干扰。对于前向连接所有用户的信号源自基站，因此它们很容易同步。 CDMA反向连接编码 反向连接不同于前向连接，因为从各用户发出的信号并不像前向连接那样由同一个源产生。由于传播延迟和同步误差，不同用户发射的信号在不同时刻到达。由于用户之间不可避免的定时偏差，Walsh码几乎没用，因为它们之间不再正交。由于这一原因，用不相关而又不正交的伪随机序列作为各用户的PN码。 由于调制方法的不同，前向和反向连接的容量是不同的。反向连接是非正交的，导致用户间的严重干扰。由于这一原因，反向信道限制了系统的容量。 Unit 5-2 第二部分: 正交频分复用 正交频分复用（OFDM）——从本质上来说和编码的OFDM（COFDM）是一样的——是一种数字多载波调制方案，它使用大量的相隔很接近的正交子载波。每个子载波都用传统的调制方案以一个低的符号率进行调制（如正交幅度调制），保持在同一带宽内其数据率和传统单载波调制方案相同。 在实际应用中，OFDM信号通过快速傅里叶变换算法产生。 OFDM已经成为具有广泛应用的宽带数字通信系统中的受欢迎的方案。OFDM与单载波方案相比的主要优点是不需要复杂的均衡滤波器就能应对严重的信道问题，如：在长铜线中的高频衰减，窄带干扰以及由于多路径而引起的频率选择性衰落。信道均衡被简化了，因为OFDM可以看成是使用许多慢调制的窄带信号而不是一个快速调制的宽带信号。慢的符号率使得符号间可引入保护间隔，使之能处理时间扩展和消除符号（码）间干扰（ISI）。 OFDM一个主要的缺点是高峰值平均功率比，这就需要更昂贵的发射机电路，而且还有可能降低功率效率。此外，它还对多普勒频移以及频率同步问题很敏感。 正交性 在OFDM中，选择彼此正交的子载波频率，这就意味着子信道之间的串扰被消除了，而且不需要载波之间的保护频带。这就大大简化了发射机和接收机的设计。与传统的FDM不同的是，对于每个子信道不需要单独的滤波器。 正交性也使频谱利用率提高到接近于Nyquist频率。几乎整个可用频带都能被利用。OFDM信号一般具有“白的”频谱，使之在与其他用户使用同一信道的情况下具有良好的抗电磁干扰性质。 正交性允许用FFT算法实现高效的调制和解调。尽管OFDM的原理以及所带来的好处在20世纪60年代已被知晓，但是直到能高效计算FFT的低成本数字信号处理器件的出现，OFDM才在当今宽带通信中广泛使用。 OFDM需要发射机与接收机之间有非常精确的频率同步，如果出现频率偏移，子载波将会不再是正交的，这会导致载波间干扰（ICI），也就是子载波之间的串扰。频率偏移典型地是由发射机与接收机振荡器之间的不匹配造成的，或者是由于移动产生的多普勒频移。只有多普勒频移时可以用接收机来补偿，而当多普勒频移和多径结合在一起时，情况就变得更糟，因为反射会出现在不同的频率偏移上，这种偏移很难校正。当速度增加时，这种影响会变的更坏，这是OFDM在高速车辆中的使用受到限制的重要原因。一些抑制ICI的技术已被提出，但是它们可能增加接收机的复杂性。 消除码间干扰的保护间隔 OFDM的一个关键的原理是因为低符号速率调制方案（也就是与信道时间特性相比，符号的持续时间相对较长）很少受到由多径引起的符号间干扰的影响，并行地传输许多低速率数据流要比传输一个高速率数据流有利。因为每个符号的持续时间都很长，所以在OFDM符号之间插入保护间隔是可行的，这样就可以消除符号间干扰。 保护间隔也不再需要脉冲整形滤波器，这也能减低对于时间同步问题的敏感程度。 一个简单的例子：如果用传统的单载波调制在一个无线信道上每秒传输100万个符号，那么每个符号的持续时间将会是1微秒或者更短。这就对同步要求很高并需要去除多径干扰。如果将每秒100万个符号分散到1000个子信道上传输，为满足正交性并保持同样的带宽，每个符号的持续时间可以增大1000倍，即1毫秒。假设一个长度为符号长度1/8的保护间隔被插入到每个符号中，如果多径的时间扩展（接收第一个和最后一个回应的间隔时间）比保护间隔更小，即125毫秒，那么此时就可以避免符号间干扰的产生。这就等价于传播路径之间最大存在37.5千米的差异。每个符号最后的125毫秒被复制，然后作为循环前缀在每个符号之前发送。 在保护间隔里传输的循环前缀是由复制到保护间隔中的OFDM符号的尾部组成，保护间隔是在OFDM符号之前传输的。保护间隔由OFDM符号尾部的复制构成的原因是为了用FFT实现OFDM解调时接收机能在每个多路径的整数个正弦周期上积分。 尽管保护间隔仅包含冗余数据，这意味着它减低了容量，但是一些基于OFDM的系统，如：一些广播系统，故意地使用长时间的保护间隔，目的是使得单频率网络（SFN）的发射机之间能有较大的间距，而且越长的保护间隔允许越大的SFN蜂窝尺寸。根据经验方法SFN发射机之间最大的间距等于一个信号在保护间隔内传输的距离——例如：一个200微秒的保护间隔能够允许发射机之间间距为60千米。 简化均衡 如果子信道带宽足够窄，即子信道数量足够多，OFDM子信道中频率选择性信道状况的影响，比如由于多径传播所引起的衰落，可以看成是一个常数。这就使得OFDM接收机的均衡相比传统单载波调制要简单很多。均衡器只需要将子载波乘以一个常数或者是一个几乎不变的值。 在我们的例子中：对于每个OFDM符号，OFDM均衡器需要N = 1000次复数乘法，即接收机每秒需要进行100万次乘法。FFT算法需要对每个OFDM符号进行Nlog2N = 10000次复数乘法，即无论是在发送端还是接收端，每秒都需要进行1000万次乘法。相比之下，在单一载波调制下，每秒发送100万个符号，使用FIR滤波器125微秒的时间扩展均衡将会需要对每个符号做125次乘法，即每秒1.25亿次乘法。 部分OFDM符号中的某些子载波可能会携带导频信号，用于测量信道状况即每个子载波的均衡系数。导频信号也可以用于同步。 如果对每个子载波应用不同的调制，如：DPSK或者DQPSK，那么就可以完全不用均衡，因为这些方案对于缓慢变化的幅度和相位失真都不敏感。 信道编码和交织 OFDM总是和信道编码（前向纠错编码）联合使用，并几乎都会使用频率和/或时间交织。 频率（子载波）交织可以增强频率选择性信道状况如衰落的抵抗能力。例如，当一部分信道带宽衰落时，频率交织将确保由带宽衰落部分的那些子载波产生的比特误差会分散在整个比特流上而不是集中起来。同样地，时间交织将确保在原来比特流里集中在一起的比特在发射时分开，这就使得当比特流以一个很高的速率传输时可能产生的强烈衰落有所缓解。 然而，时间交织对于缓慢衰落信道却没有好处，如：平稳接收信道。而频率交织对于平衰落（整个信道带宽同时衰弱）的窄带信号也没有好处。 交织在OFDM中的用处是分散比特流在纠错解码器中的错误，因为当这种解码器接受到集中的错误时将无法纠正所有的比特错误，于是就会出现突发性的未纠正的错误。基于OFDM系统常用的一种纠错编码是卷积编码，通常与RS编码一起使用。卷积编码作为内部编码，Reed-Solomon作为外部编码——通常在两层编码之间还会使用另外的交织（除了上面提到的时间和频率交织）。这两种纠错编码结合使用的原因是，当错误集中度高时，卷积解码使用的Viterbi解码器会产生突发的持续时间很短的错误，而这种错误很适合用Reed-Solomon编码来纠正。 Unit 6 移动通信 Unit 6-1 第一部分：移动通信 一个移动通信系统是指用户在这个系统中可以一边和别人互相通信，一边在物理位置上进行移动。例如：传呼机、蜂窝电话和无绳电话。移动性使得射频通信功能强大而且广为流行。用户所持的收发器叫移动单元、终端或手持单元。无线基础设施的复杂性往往要求移动单元只通过一些固定的、较昂贵的称为基站的设备进行通信。每个移动单元通过两个射频信道接收来自基站的信息并向基站发射信息，这两个信道分别称为前向信道或下行链路，以及逆向信道或上行链路。我们大多数讨论的是移动单元，因为和基站相比，手持单元构成市场极大的一块，它们的设计更接近于其他射频系统。 蜂窝系统 对于一个有限的可用频谱（例如：900MHz附近的一个25MHz的频谱），数十万人如何在拥挤的城区里相互通信？为了回答这个问题，首先考虑一种较简单的情况：几千个FM电台可利用88-108MHz的频带在一个国家里广播。这是可能的，因为在物理位置上相隔足够远的电台可使用同一载波频率（频率重用），而相互干扰可以忽略。两个电台的中间位置除外，这里接收到的两个电台信号强度相近。两个可以使用相同载波频率的电台的最小距离是由每个电台发射的信号功率所决定的。 在移动通信系统中，用蜂窝结构来实现频率重用概念，其中每一个蜂窝是六边形的，其周围环绕着6个其它的蜂窝，如图6.1(a)所示。频率重用概念是：如果位于中央的蜂窝使用频率f1进行通信，那么与其相邻的6个蜂窝就不能使用这个频率，但外面不直接相邻的蜂窝可再次使用这个频率。实际上，更有效的频率分配方式是如图6.1(b)所示的“7蜂窝”重用模式。注意：实际上每个蜂窝是使用了一组频率。 图6.1(b)中的每一个蜂窝中的移动单元都有一个基站提供服务，而所有的基站则有一个移动电话交换机构（MTSO）来控制。 同信道干扰 在蜂窝系统中，一个重要的问题是两个使用同一频率的单元之间的干扰有多大。这种干扰叫做同信道干扰，这一效应依赖于两个同信道单元之间的距离与单元半径之比，而与发射功率无关。给定频率重用方案，对于图6.1(b)所示的7蜂窝模式，这个比大约是4.6。可以看出，这个值导致信号－同信道干扰比为18dB 切换 当一个移动单元从蜂窝A漫游到蜂窝B时将会发生什么事情？因为从单元A的基站接收到的功率电平不足以维持通信，手机必须将服务器更换为单元B的基站。而且，由于相邻的蜂窝并不使用同一组频率，因此，移动单元还必须更换信道。这一过程叫做切换，是由MTSO来完成的。一旦基站A接收的电平低于某一阈值，MTSO将手机切换到基站B，希望后者足够近。这种策略失败的可能性比较高，会导致通话的中断。 为了改善切换过程，第二代蜂窝系统使手机能测量接收来自不同基站的信号电平，当到第二个基站的路径损耗足够低时进行切换。 路径损耗和多径衰落 在一个移动通信环境里，信号的传播是相当复杂的。这里只简单描述一些重要的概念。在自由空间里传播的信号会有功率损耗，其值正比于离开发射源的距离d的平方。然而实际上，信号是同时沿着直接路径和间接的反射路径进行传播的，如图6.2所示，在这种情况下，可以看出损耗随距离的四次方增大。在一个拥挤的区域里，实际的损耗情况可能对于某些距离是与d2成比例，而对于另一些距离是与d4成比例。 除了图6.2描述的总的损耗情况之外，还有一种机制会引起接收信号的强度随着距离而波动。由于图6.2所示的两个信号通常经受不同的相移，因此有可能到达接收端时相位相反，而幅度却大致相等，这样净接收的信号就可能非常弱。这种现象叫做多径衰落，当接收机移动波长的几分之一，会引起信号强度的很大变化。实际上，由于发射信号被许多建筑物和运动的汽车反射，这种起伏是很没规律的。 分集 信号的衰落效应可以通过在发送或者接收信号时增加冗余来减小。“空间分集”或“天线分集”是采用两个或更多的天线，间隔为波长的几分之一，这样便能以较高的概率接收到无衰落的信号。 频率分集是指使用多个载波频率的情况，其思想是：在两个相距足够远的频率上不太可能同时发生衰落。 时间分集是另一项技术，数据被不止一次地发送或接收，以克服短期衰落。 延迟扩展 假设在一个多径环境里的两个信号有大致相同的衰减，却有不同的延时。这是可能的，反射或折射材料的吸收系数和相移相差很大，使得两条传播路径很可能呈现相同的损耗和不同的延迟。 在多径环境中，许多信号以不同的延迟到达接收机，产生的均方根延迟扩散可大到几个微秒，因而衰落带宽达数百千赫。这样，整个通信信道可能因这一个衰落而受抑制。 大的延迟扩散还引起另一个困难：如果延迟扩散可与数字调制波形的比特周期相比，则会收到延迟量不同的多个副本，导致相当可观的符号间干扰。 交织 多径衰落的性质，以及用于减轻这一问题的信号处理技术使得差错以比特串的形式出现。为了减小这些差错的影响，发送机中的基带比特流在调制前要先进行“交织”。交织器实质上根据接收端已知的某种算法打乱比特位的时间顺序。交织也可以看作是一种没有额外开销的时间分集（尽管它需要一定的等待时间）。 Unit 6-2 第二部分：第三代无线网络 数字网络使用的扩展已经导致了设计新的更大容量通信网络的需要。在欧洲，蜂窝型系统到2000年的需求预计将达到1500至2000万户，而美国（1995年）已经超过了3000万户。无线通信服务正以每年50%的速度增长，目前的第二代欧洲数字系统（GSM）预期在21世纪初达到饱和。随着更广泛的业务需求如视频会议、互联网服务、数据网络、多媒体等的发展，电信工业也在变化之中。对更大容量网络的需求导致了第三代通信系统的发展。 已提出的第三代通信系统之一是通用移动电信系统（UMTS），其目标是提供更大的灵活性，更大的容量，以及更紧密集成的业务。本节集中讨论UMTS的业务和目标。国际上也正在开发其它系统，不过预计其中许多技术将会整合到UMTS中来。 万维网（WWW）已成为重要的通信媒体，在过去几年内它的应用有了戏剧性的增长。这就产生了计算机网络业务需求的增长。为满足（适应）这一发展，电信系统正在被用于计算机网络、互联网访问和话音通信。一项WWW调查显示，60%以上的用户从他们的居住地访问互联网，那里的带宽常限于28.8kbps。这就限制了互联网的使用，不能实现音频和视频的实时传输。也有更高的传输速率，例如综合业务数字网（ISDN）。这些技术提供快5倍的数据率，但访问成本也高得多。这就需要有更加综合的业务，提供更快的数据速度，以及对于各种业务更通用的接口。重点已经从提供固定话音业务转移到提供一个通用的数据连接用于各种各样的应用如话音、互联网访问、计算机网络等。 对计算机网络和互联网日益增强的依赖已经导致对“任何地方、任何时间”连接需求的增长，从而发展为对无线系统需求的增长。这种需求促使发展新的大容量、高可靠性的无线电信系统。 开发和部署第三代通信系统的目标在于通过提供大容量和综合无线网络克服现有无线系统的缺点。目前有好几个第三代无线通信标准，包括UMTS，cdmaOne，IMT2000，IS-95。 电信系统的发展 全世界已经提出了许多移动无线标准，看来还会出现更多的标准。 大多数第一代系统都是八十年代中期开始使用的，他们以模拟传输和采用频分多址（FDMA）这样的简单多址技术为特征。第一代电信系统例如先进移动电话业务（AMPS）仅提供话音通信功能。还存在用户容量小的问题，同时由于所用的无线电接口简单，也不够安全。 第二代系统出现于二十世纪90年代初，全部使用数字技术，使容量增加了三倍左右，这是通过发送前将话音波形压缩而实现的。 第三代系统是在复杂性方面对第二代系统的扩展，预计将于2000年以后推出。系统容量预计将扩大到原来第一代系统的10倍以上。这将通过使用复杂的多址技术如码分多址（CDMA）或者TDMA的一种扩展技术，以及改进已有业务的灵活性来实现。 表6.1和表6.2列出了北美和欧洲的一些主要蜂窝式移动电话标准。 图6.1给出现有业务和网络向融入一个统一的第三代网络这一目标的发展情况。当今许多分离的系统和业务例如无线电寻呼、无绳电话、卫星电话、公司的私人电话系统等将互相结合，由第三代电信系统来提供。 UMTS的总体目标 UMTS的主要目标是在无线和有线环境下提供更加统一的大容量网络。UMTS将使固定业务和无线业务融合在一起。将有三个不同容量的主要信道连接：移动数据率144kbps，可携带数据率384kbps，室内数据率2Mbps。它能提供2Mbps以下速率的业务和功能，否则这样的功能是由固定网络提供的。因此，UMTS必须提供按需的、可变的带宽分配。它还将把一系列用于个人、公司、居民区的应用结合起来，包括无绳电话、蜂窝式移动电话以及移动数据网络。 远程业务 UMTS有许多业务，可根据所要求的数据率、服务质量、可靠性和允许的误码率（BER）、实时传输速率来分类。每一种业务在延迟宽容度和允许的误码率方面有不同的特性。表6.3列出某些UMTS业务的特性。 数据性质将决定最适合的传输方式。与各业务相关的数据类型决定了可支持该业务的环境类型。 UMTS环境 UMTS的目标是提供“任何地点、任何时间”的服务，因此工作环境将随用户位置而变化。无线系统必须在其中工作的环境影响系统的容量以及可提供业务的种类。表6.4列出一些UMTS将要求提供覆盖的环境。 每一种环境所支持的最大数据率与对该环境提供足够覆盖所要求的蜂窝单元大小有关。 蜂窝单元的类型 需要使用蜂窝网络以保证UMTS提供一个大容量的网络系统。和任何蜂窝系统一样，网络的总容量依赖于所用蜂窝的大小。蜂窝愈小总容量愈大。不过蜂窝大小受到可建立的基础设施的数量限制。蜂窝单元的大小也决定了每个蜂窝的最大信道容量，因为传播效应如多径和衰落迫使大的单元只能使用较低的数据率。大的单元还必须为大量用户服务。由于单元容量大致上是固定的，每个用户只能使用相对于小单元的低数据率。为了优化蜂窝网络有三种类型的蜂窝单元，即微微蜂窝，微蜂窝，宏蜂窝。三种蜂窝在蜂窝大小和总容量以及业务之间实现折衷。表6.5给出UMTS中使用的三种蜂窝单元以及一些蜂窝的性质。 每种蜂窝单元的覆盖范围大小和类型导致所面临的无线电传播问题。这将决定所用的最适合的无线电发射技术。 无线电接口 UMTS的目标之一是提供可与有线连接相当的无线电接口。在一个大范围无线环境中提供灵活、传输容量按需分配的2Mbps宽带业务将要求无线电接入技术方面的变革。 当前正在对无线电接口进行大量科研，涉及到对CDMA和TDMA性能比较的研究。现在看来CDMA最有可能成为支持所要求高数据率的候选技术。然而其它技术如COFDM和混合解决方案也有可能适合于UMTS。 卫星网络 UMTS的目标之一是提供“任何地点、任何时间”的接入。然而限于高昂的基础设施成本，蜂窝网络只能覆盖有限区域。由于这个原因，卫星系统构成UMTS网络的一个主要的部分。卫星将对边远地区、空中和海上提供延伸的无线覆盖。无线系统与地面蜂窝网络的结合程度正在研究之中。一个完全结合的解决方案将要求移动电话是双重模式的，同时允许与轨道上运行的卫星和地面上的蜂窝式系统通信。低地球轨道（LEO）卫星是提供全球覆盖的最可能候选技术。 目前正在部署多种低地球轨道卫星系统用于提供全球电信服务，包括Teledesic系统，它有288个卫星，计划于2002年底投入运行，向世界实际上所有地方提供大带宽的双向通信。然而Teledesic系统将无法满足20%的需求，因此提出了宽带（broadband）无线网络的要求。 系统实现时间表 世界各地都在向实现第三代系统前进。日本期望到2000年建立系统并投入运行。这是由对移动通信的需求变得如此巨大，因而第二代蜂窝网络正在开始超出容量极限这一事实所驱动的。预期欧洲到2005年将出现宽带CDMA系统。美国预计在2000到2010年之间的某一时间实现第三代系统。 制造商正在制定好几个标准以满足世界各地的需求。至今大多数系统是基于CDMA标准的。在基础设施方案公布以前，第三代系统的发展将是基于地区的。 这一过程正在得到国际电信联盟（ITU）制定IMT2000标准的指导。ITU将于2000年完成IMT2000标准，其目的是将地区性系统纳入统一的标准。 结论 未来通信将由提供更加综合的大容量和广泛覆盖的业务这一需求所推动。对于21世纪的用户，理想的情况是在移动和固定网络接入的服务能力方面应该没有区别。这将通过使用包括卫星通信、先进的无线网络技术、高速固定网络在内的许多技术来实现。 Unit 7 卫星通信 Unit 7-1 第一部分：通信卫星的应用 通信卫星（有时缩写为comsat）是为了通信而停留在太空中的人造卫星。现代通信卫星使用多种轨道，包括对地静止轨道、椭圆形轨道、低地球轨道（过极地和不过极地）。 对于固定的（点对点）服务，通信卫星为海底通信光缆提供了技术补充。它们也可用于如船、车辆、飞机和手持终端的移动通信，用于电视和无线电广播，以及应用其它技术，比如电缆，是不现实或不可能的地方。 电话 通信卫星第一次也是历史上最重要的应用是国际电话。固定电话将通话传输到地面站，在那里再发射到对地静止卫星上。接着在向下链路中是类似的路径。相反，移动电话（船和飞机上接收和发送的）必须直接连到设备上把信号上传到卫星，又能确保在有干扰时的卫星指向，如船上的电波干扰。 海底通信电缆的改进导致了20世纪后期用于固定电话的卫星应用有所下降。在城市中使用的手机不使用卫星通信。相反它们接入地面上用于接收和发射的星罗棋布的基站群。 卫星电视和无线电台 电视成为主要市场，其对相对很少的大带宽信号同时传送给很多接收机的要求更好地匹配了对地静止通信卫星的性能。北美电视电台使用两种类型的卫星：直播卫星和固定服务的卫星。 直播卫星是一种通信卫星，它直接向小型DBS卫星天线发射（通常直径为18到24英寸）。直播卫星通常工作在微波Ku波段的较高部分。直播技术用于直接到家的卫星电视服务。 固定业务卫星用C波段和Ku波段的较低部分。它们通常用于向电视网和加盟的地方电视台馈送或收集广播节目，也用于中 小学 小学生如何制作手抄报课件柳垭小学关于三违自查自纠报告小学英语获奖优质说课课件小学足球课教案全集小学语文新课程标准测试题 和大学的远程教学、商业电视、视频会议和一般商用通信。固定服务卫星也可用来把国家有线电视频道分发给中央控制单元。 FSS（固定业务卫星）与DBS（直播卫星）的不同之处在于固定业务卫星具有更低的射频功率输出，需要更大的碟形卫星接收天线（对于Ku波段直径为3到8英尺，对于C波段直径为12英尺以上），收发器的射频输入和输出也都采用线极化（而直播卫星采用圆极化）。固定业务卫星技术在美国从20世纪70年代后期到90年代初期，以TVRO（仅电视接收）接受器和天线的形式最初用于DTH卫星电视。 1994年，当第一个美国DBS提供者（Direct TV）开始运行，一切都改变了，它夺去了FSS卫星技术在DTH节目方面的风头。但是FSS卫星在C波段和Ku波段仍然用在有线和卫星电视频道中，例如CNN频道，天气频道，HBO（家庭影院）及其它方面，分配给有线电视数据转发器和DBS提供者，提供者把这些信道再分配给他们自己的系统。 免费的卫星电视频道也通常分配在FSS卫星的Ku波段。在北美的国际通信卫星美洲5号，银河10R和AMC三颗卫星在他们的Ku波段收发器上提供相当多的FTA频道。 美国Dish网络DBS业务也使用FSS技术，由于传输地方电视台节目需要更大的容量，传输HDTV频道节目需要更大的带宽。现在已经发射了在Ka波段具有转发器的通信卫星。NASA（国家航空航天局）近来也发射了使用Ka波段的实验卫星。 北美以外的地区，尤其是欧洲，固定业务和直播卫星的定义显得有点模糊。欧洲大部分用于直播的卫星使用与北美DBS级同样级别的功率输出，却使用与FSS卫星一样的线性极化。因此，FSS和DBS这两个术语更多地在整个北美洲这样用，而在欧洲却很少。 业余无线电 业余无线电爱好者有权使用被设计成承载业余无线电通信流量的OSCAR卫星。大多数这样的卫星作为太空中继器，通常被装备UHF或VHF设备并使用高度方向性天线如八木天线或抛物面天线的业余无线电接入。由于地面业余设备限制，大多数业余卫星发射到低地轨道上，并设计得只能在任何给定时刻进行有限次数的简短接触。有些卫星用AX.25或相似的 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 来提供数据转发业务。 卫星宽带 20世纪90年代以后，卫星通信技术通过宽带数据连接被用来作为连接因特网的一种方式。这对于位于边远地区，不能接入有线宽带网络或拨号上网的用户非常有用。 Unit 7-2 第二部分：卫星因特网接入 卫星因特网服务用在地面因特网不可用和频繁移动的地方。通过卫星的因特网连接在全球均可实现，包括海洋中的船只和陆地上移动的车辆。有三种卫星因特网服务：单向多播卫星接入，地面回传单向卫星接入和甚小口径（天线）终端（双向）卫星接入。 单向多播 单向多播卫星因特网系统用于IP多播数据、音频、视频的发布。在美国，仅仅上行站需要联邦通信委员会的许可证，用户不需要。注意，大多数互联网协议不能在单向接入情况下正常工作，因为它们要求一个回馈信道。互联网内容如Web页面仍能通过单向系统发布，这是通过将内容“推”向终端用户的局域存储器实现的，尽管不能实现真正的交互性。这很像电视或无线电内容，提供很少的用户界面。 系统硬件组成：类似于单向地面回传，卫星互联网接入可包括与公共交换电话网之间的接口用于内部通话。不需要因特网连接，但许多应用包括一个文件传输协议（FTP）服务器以将待广播的数据排成队列。 系统软件的组成：多数的单向多播应用需要远端的客户编程。远端的软件必须对数据进行过滤、存储、提供选择界面并显示。发射站的软件必须提供数据的接入控制、按优先级形成队列、发送、封装。 地面回传单向接入 单向地面回传卫星因特网系统与传统的拨号接入互联网一起应用，通过电话modem将数据传出，而通过卫星以接近宽带互联网接入的速度进行下载。在美国，仅对上行站需要联邦通信委员会的许可证，用户不需要。 系统硬件组成 发射站（也被称为电讯港，首端，上行设备或集线器）有两个部分： — 因特网连接：互联网服务提供商的路由器连接到代理服务器，对用户流量实行并保证服务质量（QoS）带宽限制。接着再连接到DVB封装器上，其连接DVB-S调制解调器。来自DVB-S调制解调器的射频信号连接到上变频器，上变频器通过馈线连接到室外单元。 — 卫星上行链路：块上变频器（BUC）和可选择的低噪声变频器，用波导联到一个接在馈电喇叭上的可选直接式收发转换器，它被用金属支撑安装在卫星天线和支架上。 在远端（地面站）的设置组成： — 户外单元（具有底座、馈电喇叭、Ku波段通用的LNB和馈线的卫星天线） — 室内单元（计算机内部的DVB-S外围组件互连卡，或者DVB外置式调制解调器，通过以太网端口或USB端口连接到计算机）。 根据提供商的 合同 劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载 条款，使用单向卫星互联网的一种低成本的方法是用通用分组无线业务（GPRS）作为返回链路。通过使用标准GPRS提供的9600bps连接，上传量很小。此外由于该项业务不是按时间计费，而是按上传数据流量计费的，用户可以宽带速度进行浏览和下载。有些公司提供速度可达24Mbps。用GPRS作为回传的另一个理由是由卫星提供业务时的机动性，卫星发射场在50dBW到53dBW之间。使用33厘米宽的卫星天线、一台笔记本和配有正常GPRS的GSM手机，用户在任何地方都可以获得宽带。 系统软件组成部分 远程节点在提供认证和设置代理服务器时要求最少的编程，DVB卡驱动器通常提供过滤功能。 通常，用非标准IP堆栈解决卫星连接中的潜伏期和非对称问题。通过卫星链接的数据发送通常被加密，因为否则拥有卫星接收器的任何人都可获得。 许多卫星IP的实现在终端使用成对的代理服务器，这样客户端和服务器就不必承受卫星连接中固有的延迟。因为类似的原因，有用于卫星链接而设计的专门的虚拟专用网（VPN）实现，因为标准的VPN软件不能处理长包传输次数。 上传速度受制于用户的拨号modem，延迟量很大，对任何基于卫星的互联网业务都是如此。下载速度相比拨号来说是很高的：通常提供1Mbps、4Mbps和16Mbps的包。 工作原理 卫星调制解调器的后面板，具有输入输出信号的同轴连接，和一个以太网端口连接到因特网。 在地面发送站远地使用代理服务器，其设定为向服务质量服务器发送所有的外传数据，服务质量服务器确保用户不超过分配带宽或每月的通信流量限制。流量被发送到封装器中，把IP包放入DVB包中。DVB包被送到DVB调制解调器中，接着被送到发送器。 双向 双向卫星互联网服务通过卫星把数据从远程站点发送到一个网络集线器（Hub），然后再把数据发送到因特网。每个位置的卫星天线必须精确地放置以避免和其它卫星的相互干扰。一些雷达探测器的振荡器会引起这些系统的干扰。同样，每个位置都必须使用功率管理来调节发射功率以补偿像降雨衰落这样的情况。有几种双向卫星互联网服务，如时分多址或单路单载波（SCPC）。 每个远程位置也装备有电话调制解调器；这种连接与传统的拨号ISP一样。双向卫星系统当延迟比带宽更重要时在两个方向均会使用modem信道传输数据，而为下载保留卫星信道，因为此时带宽比延迟更重要，例如对于文件传输。 上行速度很少超过1Mbps，而延迟可达到1秒。卫星电话服务在相对较低的2400 bps速度下也可提供数据服务。 国际移动卫星组织提供了三种双向卫星因特网服务：宽带全球局域网（BGAN）、宽带全球区域网和移动包数据交换业务，它们都不需精确地调整，但速度要比基于碟形卫星天线的系统低，而且带宽花费也更大。BGAN有着最高的数据速率。 在2006年，欧洲委员会赞助了UNIC项目，其目的是发展一个端到端的科学测试基地，用于通过低成本双向卫星将新型宽带交互式电视中心服务传送到真正的家庭终端用户。UNIC结构对下行链路采用DVB-S2标准，上行链路采用DVB-RCS标准。 Unit 8 光通信 Unit 8-1 第一部分：电磁频谱 仔细研究表8.1中的频率表可以看到各种用于信息传输的光学技术的潜力。 人们所感兴趣的“现代”常规通信系统的信息传播速率通常相应于电话系统中的音频、商用广播系统中的无线电频率、或是最先进的视频节目分配系统中的数字电视数据率。这些数据率通常低于几个吉赫兹（GHz）。如果传输这样的信息不是将它加载到光纤上，而是加载在略高于最大速率的射频载波上，则此射频载波就会是厘米波或是波长更长一些的波。用光载波则有很大的优越性。一个明显的优点就是光纤的低损耗和方向性。载波的数据率显然必须高于信息速率。通信系统的一个基本原则是频率愈高，技术就愈复杂。处理微波就比处理无线电波更困难。随着波长减小到接近于电路元件的尺寸，电路单元就不再是集总的，导线可起到反射元件以及（或）天线的作用，集总单元则成为电磁谐振器。这通常意味着当发送的信息较多时，代价也较高，因此在较高的信息率要求较高的频率这层意义上，要考虑传输信息的每个bps的成本问题。于是，观察上述频率表得到的第一个结论就是，对于频率为数百特赫兹（THz）的光载波而言，信息的带宽在某种意义上是免费的。就是说与大多数器件相比，光的波长是如此之小，以至于所用技术与电和微波有根本的不同。一旦我们具备了这样的技术，则无论信息率有多高，再也没有必要改变载波了，因为载波频率高于任何现实信息率所能达到的程度。不过带宽也不是完全免费的，因为编码器和解码器必须工作在相应于信息率的频率上，而系统其余部分大都只需要处理载波和调制。如果一个元件可以工作在51014Hz的频率上，在这个频率信息偏移千分之一（相应于500吉赫兹的信息率）对器件的性能将没有什么影响。因此，只要系统已经建立起来，大体上就可以随意升级系统而不会涉及常规系统中改变电磁载波所需付出的那种代价。 光波的宽频带一个结果就是光载波可以同时携带许多不同电话信号和电视节目等。通常实现这种同时传输多路信息的过程（至少以同步格式实现）称为时分复用。其原理是：如果要复用16个1 Mbps的不同信道，可将每一比特所占时间除以16，然后将16个数据比特交织成一个持续1微秒的复合比特（即比特率为1 Mbps），这一复合比特实际上带有16比特的信息。电话通信所用的数据率是64kbps，光载波数百个Tbps带宽使实现TDM有了极大的可能。当然，TDM并不是人们可以使用的唯一复用方案。可以设想将相隔几个吉赫兹的若干子载波加载到光载波上。其中每一个载波又可以信息频率被调制，然后在输出端按其不同的载波波长重新分离。根据实现方法，这种方案称为波分复用（WDM）或子载波调制。现在有许多随着不断增大的信息流量而扩大链路吞吐量的方案，都涉及到将许多TDM信号与WDM载波结合的技术。实际上，WDM密度所受到的限制并不是带宽而是功率。就是说，每个信道要求有一定的功率。于是信道愈多所需功率也愈大。在达到一定的功率时光纤的非线性变得重要起来，这种非线性往往使信号混合在一起。目前正在进行大量的研究，努力寻求对这种非线性的均衡处理。 光载波极高的载波频率也有缺点，当它通过光速与光的波长相联系时尤其如此。光波的周期不到2毫微微秒（21015秒）。这意味着对相位的控制要达到毫微微秒级以下的时间间隔。虽然这种技术正在出现，但它们十分复杂，比处理微波或射频的波形复杂得多。因为这样，相干光的接收至今仍然是一项实验室技术。随着信噪比的提高，看来稀土金属掺杂光纤放大器的发展使通信系统中不再需要用相干技术。 光波的周期短还意味着半微米左右的短波长。光波波长之小使发射和接收模块得以小型化，这就使光通信系统的尺寸、重量以至价格与相应的微波、无线电波通信系统相比都大为降低。在微波情况下，开放的微波信道排列的密度愈高，窜音就愈严重。另一方面，无论将光纤包装得多紧密，只要包层设计得当基本上就不会有窜音。这导致光纤可用作空分复用（SDM）极佳媒体这样的优良性质，就是说，可将多个传输不同信息流的信道紧密地封装在一起。 虽然相干光通信系统的所有优点还有待于落实在具体成果中，光辐射的另一性质却使目前的光通信系统不利于应用。这里，重要的性质是光子能量的属性。如表8.1所示，光子能量大约在2eV到4eV之间。看起来这是效率方面的一个优点。不过，具有这样的光子能量需要付出高昂的代价。因为单个光子是可检测到的，发射/接收过程必然具有颗粒性。如所周知，即使在一场稳定的降雨中，雨滴落地的概率（作为时间的函数）服从Poisson分布，这意味着有成串的雨滴。一滴雨更会在前一滴落下之后立即落下。雨滴是缺乏耐心的，不会等待。几乎以同样的方式，即使在恒定偏置电流条件下激光也发出光子束。这就产生一种噪声，通常称为散粒噪声或量子噪声。在发射/检测过程中，这一问题对于模拟通信变得相当严重，尽管在数字通信中要轻微得多。 由于单个光子是可测量的，光量子检测器能在室温下工作。因此如果散粒噪声受到限制，光的直接检测会十分灵敏。另外，直接检测与强度调制方案完全兼容，在这些方案中光源实质上只是简单地接通和断开。这种调制方案最容易实现。光的波长很小，可以使用小型的光源和检测器以及微米级的波导，于是用直接检测方案可实现在许多领域具有竞争力的小巧的宽带系统，这些领域中特别引人注目的是当前电信传输中的应用，尽管无数其他应用也在不断涌现出来。如前所述，（线路）成本并非电信系统中真正重要的考虑因素，通信设备的成本主要受到其他因素的制约，因此这些应用比预料的出现得慢。在消费电子学中，我们不必操心通路的权利或安装问题。现在用光技术将相距几米的个人计算机连接起来是如此昂贵，使得光纤还未能进入消费市场。但是在这种情况下连接的高昂成本并不是根本性的问题，而是一个历史阶段性的问题。目前在毫米级纤芯塑料方面的发展就是一个采用比玻璃光纤便宜得多的技术的实例。光纤连接的元件成本和封装成本正在下降，新的应用也正在出现。 Unit 8-2 第二部分：光纤 光纤是一种玻璃的或塑料的纤维，用来沿其长度方向引导光，把尽可能多的光限于一种传播形式。在具有大的纤芯直径的光纤中，这种限制是基于全内反射。在小的纤芯直径的光纤中，（广泛用于200米以上的大多数通信链接）限制是依赖于建立波导。纤维光学是应用科学和光纤工程的结合。光纤广泛应用于光纤通信，它允许长距离传输和数据速率比有线和无线通信的其它形式更高。它们也被用来构成传感器及其它的各种应用。 光纤一词涵盖了各种不同的设计，包括渐变折射率光纤和阶跃折射率光纤。基于光在光纤中的传播方式的不同，光纤分为单模光纤和多模光纤，其中单模光纤包括非零色散位移光纤和色散位移光纤。一根光纤根据其设计和在其中传播的光的波长，可以是单模的也可以是多模的。由于较常见的玻璃光纤的机械特性，需要用特别的方法熔接光纤以及把它们连接到其它设备。光纤制造过程是将化学掺杂的预制棒部分融化，并在一个拉丝塔上拉长流动的原料。根据使用方式，光纤可做成不同类型的光缆。 光纤通信 由于光纤的柔韧性以及可捆扎成光缆，所以它可以用作通信和网络的媒介。对于长距离通信特别有利的，因为光在光纤中的传播相比于电缆具有极小的衰减。这使得长距离通信只需要很少的中继器。此外，在光纤中传播的光信号可以调制到高达40 Gbps的速率，每一根光纤能作为许多独立的信道，每个信道用不同波长的光来调制（波分复用）。总体上， 单根光缆可携带数据高达14.4 Pbps（大约1400万Gbps）。对于短距离，如大厦内部的网络，光纤可以节省电缆管道的空间，因为单根光纤比单根电缆可携带更多数据。光纤也不会受电干扰的影响，防止了不同光缆中信号之间的串话以及环境噪声的介入。此外，相比电连接窃听是更困难的，有防窃听的双芯光纤。因为光纤是不用电的，它能横跨很高的电位差，能用于存在爆炸烟雾的环境下而没有燃烧的危险。 虽然光纤可用透明塑料、玻璃、或两者的结合制成，但用于长距离通信的光纤都是玻璃的，因为其光衰减较低。多模和单模光纤都可用于通信，多模光纤大都用于短距离（到500米），而单模光纤用于长距离的链接。由于将光耦合到单模光纤或在单模光纤之间耦合（纤芯直径大约为10微米）的允差较小，单模发射器、接受器、放大器和其它元件的价格通常比多模元件的贵。 光纤传感器 光纤可用作传感器来测量张力，温度，压力和其他参数。 小的尺寸以及在偏远位置不需要电力使得光纤传感器在某些应用上要优于传统的电传感器。 光纤可用作地震或声纳应用中的水听器。已经开发出了每根光缆带有一百多个传感器的水听器系统。水听器传感系统可用于石油工业以及少数国家的海军。船底装有水听器阵列和拖缆系统已投入使用。德国公司森海塞尔已经开发了一种与激光和光纤一起工作的微型麦克风。 温度和压力光纤传感器已经开发出来，用于油井的井下测量。光纤传感器非常适合这种环境，因为它能工作在对半导体传感器而言太高的温度下。 光纤用作传感器的另一个应用是光学陀螺，可用在波音767和一些汽车模型（导航目的）以及氢微传感器中。 光纤传感器已被开发用来以很高的精确度同时测量同一点的温度和张力。这一点对于从小的复杂结构中获取信息是特别有用的。 光纤的其它应用 光纤广泛用于照明应用。它们被用来作为医学和其它应用中光导，在这些应用中只需要明光照亮目标而不需要一个清晰的直线路径。在一些建筑物中，光纤将房顶的阳光引入到建筑物的其它地方。光纤照明也可用于装饰性的应用，包括标志，艺术和人造圣诞树等。 光纤也被用于成像光学。光纤的相干光束，有时和镜头一起用于长而薄的成像设备，称为内窥镜，它可以通过一个小孔来观察目标。医学内窥镜用于微创探测或外科手术（内窥镜检查法）。工业内窥镜用于检查任何难以达到的地方，如喷气发动机内部。 掺杂某些稀土元素如铒的光纤，可作为激光或光放大器的增益介质。掺杂稀土的光纤可以通过一小段掺杂光纤熔接到正常（非掺杂）光纤将信号放大。除了信号波外，耦合到光纤线路的另一个激光波长被泵浦（注入）到掺杂介质的光纤中。两个光波长在掺杂光纤中传输，第二个泵浦波长向信号波传输能量。这个放大过程是受激发射。 光纤可用于给处于用电困难环境的电子设备提供低的功率（约一瓦特）。例如，高性能天线单元的电子设备和高压传输设备中的测量装置。 工作原理 光纤是一个圆柱形的电介质波导，通过全内反射沿其轴传播光。光纤由一个被包层包围的纤芯组成（图8.1）。为了将光信号限制在纤芯中，纤芯的折射率必须大于包层的折射率。纤芯和包层之间的分界线在阶跃折射率光纤中是突变的，在渐变折射率光纤中是逐渐变化的。 多模光纤 纤芯直径大（大于10 μm）的光纤可用几何光学加以 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 。根据电磁分析，这种光纤称为多模光纤。在阶跃折射率多模光纤（图8.2）中 ，由于全内反射光线沿光纤纤芯传播。当光线射到纤芯和包层之间界面的角度（与垂直于边界的直线之间的夹角）大于临界角时，光线被完全反射。临界角（全内反射的最小角）是由纤芯和包层材料折射率的差异决定的。以小角度射到分界面上的光线被折射，从纤芯进入包层，它们并不沿着光纤传输光，因而也不传输信息。临界角决定了光纤的接收角，通常记为数值孔径。大的数值孔径使光能以接近于轴线的方式沿光纤传播，也能以不同的角度传输，从而使得光能有效地耦合进入光纤。然而，大的数值孔径增加了色散的总量，因为以不同角度传播的光线具有不同的光程长度，因而化了不同的时间穿过光纤。所以小的数值孔径是我们希望的。 在渐变折射率光纤中（图8.3），纤芯的折射率在轴线和包层之间连续减小。这使得光线到达包层时是平滑地弯曲，而不是在纤芯包层边界上突然反射。由此产生的曲线路径减小了多径色散，因为大角度光线更多经过低折射率的纤芯外围，而不是高折射率的中心。我们要选择使光纤中不同光线的轴向传播速度差异最小的折射率曲线图。这个理想折射率曲线图是折射率和离开轴线的距离之间十分接近抛物线关系。 单模光纤 纤芯直径小于传播光波长10倍左右的光纤不能用几何光学来建模。而它必须作为电磁结构通过解Maxwell方程组来分析，Maxwell方程组可化为电磁波的波动方程。我们也需要电磁分析来理解譬如相干光在多模光纤中传播时出现斑点。作为光波导，光纤支持一个或多个光能沿光纤传播的受限横模。仅支持一个模式的光纤被称为单模光纤。大纤芯的多模光纤可以使用波动方程建模，这表明这种光纤支持一个以上的传播方式（由此得名）。多模光纤这样建模的结果和几何光学的预测大体是一致的，如果光纤的纤芯足够大可以支持多过几个模式。 波导分析表明，光纤中的光能并不完全局限在纤芯。相反，尤其是在单模光纤中，束缚模中相当一部分能量作为渐逝波在包层中传输。 最常见的单模光纤的纤芯直径为8至10 μm，并设计用于近红外区。其模式的结构依赖于所使用的光波长，以致这种光纤实际上只支持在可见光波长的少量的另外模式。相比之下，多模光纤的纤芯直径可小到50微米，大到数百微米。