资源简介

(共35张PPT)
幻灯片 1：封面
标题：21.3 卫星通信和光纤通信
副标题：跨越时空的信息桥梁
幻灯片 2：引入 —— 通信技术的飞跃
展示图片：太空中的通信卫星、地面卫星接收站、铺设中的光纤电缆、数据中心的光纤设备等场景。
引导语：在全球化的今天，我们需要快速、稳定地传递海量信息，无论是跨越洲际的视频通话，还是互联网上的高速数据传输。卫星通信突破了地理空间的限制，让信号覆盖地球的每一个角落；光纤通信则以其惊人的传输能力，支撑着互联网的高速运转。这两种通信方式如何实现信息的高效传递？让我们一同揭开它们的神秘面纱。
幻灯片 3：卫星通信的基本原理
通信卫星的作用：通信卫星相当于太空中的 “中继站”，位于距离地球约 35786km 的地球同步轨道（静止轨道）上，与地球自转周期相同，相对地面保持静止，能持续覆盖特定区域。
信号传输过程：地面发射站将需要传输的电信号（如语音、数据、图像）调制到高频电磁波上，通过大型发射天线发送给通信卫星。卫星上的转发器接收信号后，进行放大、变频等处理，再将信号重新发射回地面。地面接收站通过接收天线接收卫星发送的信号，经过解调等处理，还原出原始信息。
示意图解：展示卫星通信的简化示意图，标注地面发射站、通信卫星、地面接收站的位置及信号传输路径，清晰呈现 “地面→卫星→地面” 的通信链路。
幻灯片 4：卫星通信系统的组成
空间段：主要由通信卫星组成，包括卫星星体、通信转发器、天线等。通信转发器是卫星的核心部件，负责接收、处理和转发信号；天线用于接收地面信号和向地面发射信号，分为接收天线和发射天线。
地面段：包括地面发射站、地面接收站和测控站。发射站负责将信号发送到卫星；接收站用于接收卫星转发的信号，可分为固定接收站（如广播电视接收站）和移动接收站（如车载卫星终端）；测控站用于监测卫星的运行状态、轨道位置等，确保卫星正常工作。
用户段：指使用卫星通信服务的设备，如卫星电话、卫星电视接收机、卫星导航终端等。
幻灯片 5：卫星通信的特点与优势
覆盖范围广：一颗地球同步轨道卫星可覆盖地球表面约 40% 的区域，三颗这样的卫星即可实现全球通信覆盖，特别适用于偏远地区、海洋、沙漠等地面通信难以到达的区域。
通信距离远：卫星通信不受地理距离限制，可实现跨洲际、跨海洋的远距离通信，且通信成本与距离无关，适合远距离大容量通信。
灵活性高：卫星通信网络建设速度快，可快速部署，能适应应急通信、灾害救援等突发情况，在自然灾害导致地面通信中断时，卫星通信可作为重要的通信保障手段。
多业务支持：可支持语音通信、数据传输、广播电视、卫星导航、气象监测等多种业务，应用领域广泛。
幻灯片 6：卫星通信的应用场景
广播电视传输：通过通信卫星将电视信号传输到全国各地的电视台和千家万户的卫星电视接收机，实现广播电视信号的全国乃至全球覆盖，让偏远地区的人们也能收看到丰富的电视节目。
海事与航空通信：为远洋船舶、飞机等提供通信服务，保障航行安全和信息传递，如船舶通过卫星电话与岸上保持联系，飞机通过卫星通信系统实现空地通信和导航。
应急通信：在地震、洪水、台风等自然灾害发生后，地面通信基础设施可能遭到破坏，卫星通信可快速搭建临时通信链路，保障救援指挥、灾情上报等信息的传递。
卫星导航定位：以全球定位系统（GPS）、北斗卫星导航系统等为代表，通过卫星发送导航信号，为车辆、船舶、飞机等提供精确的位置、速度和时间信息，广泛应用于交通、测绘、农业等领域。
幻灯片 7：光纤通信的基本原理
光导纤维的结构与特性：光导纤维简称光纤，由中心的纤芯和外层的包层组成，纤芯的折射率大于包层的折射率。当光以大于临界角的角度入射到纤芯与包层的界面时，会发生全反射现象，光在纤芯中不断反射，沿着光纤向前传播，实现光信号的传输。
信号传输过程：首先，发送端的电信号通过电光转换器（如激光器、发光二极管）转换为光信号，光信号注入光纤中进行传输。在传输过程中，光信号可能会因光纤损耗和色散而衰减、失真，需要通过光放大器对光信号进行放大。接收端的光电转换器（如光电二极管）将光信号转换回电信号，经过处理后还原出原始信息。
示意图解：展示光纤通信的基本传输示意图，标注电光转换、光纤传输、光放大、光电转换等环节，说明光信号在光纤中的全反射传播原理。
幻灯片 8：光纤通信系统的组成
光发射机：由电信号处理电路、光源和调制器组成。电信号处理电路对输入的电信号进行编码、放大等处理；光源产生携带信息的光信号，常用的光源有半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）；调制器将电信号加载到光信号上，实现电信号到光信号的转换。
光纤线路：包括光纤光缆和光放大器。光纤光缆是光信号传输的通道，由多根光纤组成，具有良好的柔韧性和机械强度；光放大器用于补偿光信号在传输过程中的损耗，延长传输距离，常用的光放大器有掺铒光纤放大器（EDFA）。
光接收机：由光电检测器、放大电路和信号处理电路组成。光电检测器将接收到的光信号转换为电信号；放大电路对微弱的电信号进行放大；信号处理电路对电信号进行解码、整形等处理，还原出原始的电信号。
幻灯片 9：光纤通信的特点与优势
传输容量大：光纤的带宽很宽，一根光纤可同时传输大量的光信号，目前单根光纤的传输速率已达到太比特每秒（Tbps）级别，能够满足海量数据传输的需求，如互联网数据中心之间的高速互联、高清视频的实时传输等。
传输损耗低：光纤的传输损耗很小，在 1550nm 波长处，损耗可低至 0.2dB/km 左右，因此光信号在光纤中可传输很长距离而无需中继放大，降低了通信成本，提高了通信可靠性。
抗干扰能力强：光纤是非金属材料，不导电、不导磁，不受电磁干扰和射频干扰的影响，在强电磁环境下（如变电站、电气化铁路附近）也能稳定工作，保证通信质量。
保密性好：光信号在光纤内部传输，不易泄露，且很难被窃听，相比电缆通信，光纤通信具有更高的保密性，适用于传输敏感信息和机密数据。
体积小、重量轻：光纤光缆的体积小、重量轻，便于铺设和安装，可节省管道空间和运输成本，尤其适用于长距离通信和复杂地形的铺设。
幻灯片 10：光纤通信的应用场景
长途通信干线：在国家和地区之间的长途通信中，光纤通信是主要的传输手段，承担着电话、数据、图像等大容量信息的传输任务，连接着各大城市和通信枢纽。
互联网骨干网：支撑互联网的高速运行，数据中心之间、运营商网络之间通过光纤光缆连接，实现海量数据的快速交换和传输，保障互联网的畅通和高速。
接入网通信：通过光纤到户（FTTH）、光纤到楼（FTTB）等方式，将光纤延伸到用户端，为家庭和企业提供高速的宽带接入服务，满足用户对高清视频、在线游戏、云服务等高速数据业务的需求。
广播电视传输：用于广播电视信号的传输，将电视信号从电视台传输到各个发射台和有线电视前端，保证电视信号的高质量传输。
幻灯片 11：卫星通信与光纤通信的对比与协同
性能对比：
特性
卫星通信
光纤通信
传输延迟
较大（约 270ms 左右，因卫星距离远）
较小（传输速度快，延迟低）
传输容量
相对较小
极大
覆盖范围
广（全球覆盖，尤其偏远地区）
受地理限制，需铺设光缆
抗干扰能力
易受天气等因素影响
抗干扰能力强
建设成本
卫星发射成本高，地面设备成本相对低
光缆铺设成本高，尤其长距离和复杂地形
协同应用：卫星通信和光纤通信各有优势，在实际应用中常常协同工作。例如，光纤通信承担着地面大容量、低延迟的通信任务，而卫星通信则负责覆盖光纤难以到达的区域，实现全球无缝通信。在灾害救援中，卫星通信可快速建立临时通信链路，而光纤通信则作为主要的通信干线保障日常通信。两者相互补充，共同构建了全球通信网络。
幻灯片 12：卫星通信与光纤通信的发展趋势
卫星通信发展趋势：
低地球轨道（LEO）卫星星座：由大量低轨道卫星组成星座，如星链（Starlink），相比地球同步轨道卫星，具有传输延迟低、信号强度高的优势，可提供高速宽带服务，实现全球无缝覆盖。
高通量卫星（HTS）：通过增加卫星的带宽和容量，提高卫星通信的传输速率和服务能力，满足日益增长的数据传输需求。
卫星与 5G/6G 融合：将卫星通信纳入 5G/6G 通信网络，实现天地一体化通信，为物联网、自动驾驶等新兴应用提供更广泛的通信支持。
光纤通信发展趋势：
超大容量传输：通过波分复用（WDM）、空分复用（SDM）等技术，进一步提高光纤的传输容量，实现单根光纤传输数百太比特甚至更高的速率。
超高速率传输：研究更高速率的光传输技术，如 400G/800G/1.6T 光传输系统，满足数据中心互联、超高清视频等对高速率的需求。
智能光网络：引入人工智能、大数据等技术，实现光网络的智能管控、故障预测和自愈，提高网络的可靠性和灵活性。
幻灯片 13：课堂小结
知识回顾：回顾卫星通信（原理、系统组成、特点、应用）和光纤通信（原理、系统组成、特点、应用）的核心知识，对比两者的性能差异与协同作用，了解它们的发展趋势。
思维导图总结：展示一张关于卫星通信和光纤通信的思维导图，以两者为核心分支，展开各自的原理、组成、特点、应用和发展趋势，帮助构建完整的知识体系。
幻灯片 14：课堂练习
通信卫星通常位于（ ）轨道上，相对地面保持静止。
A. 低地球
B. 地球同步
C. 太阳同步
D. 极地
光纤通信中，光信号在光纤中传播的原理是（ ）。
A. 光的折射
B. 光的反射
C. 光的全反射
D. 光的直线传播
与光纤通信相比，卫星通信的优势是（ ）。
A. 传输延迟小
B. 传输容量大
C. 覆盖范围广
D. 抗干扰能力强
简述光纤通信系统的基本组成及各部分的作用。
幻灯片 15：课后作业
查阅资料，了解北斗卫星导航系统在通信领域的应用，写一篇 400 字左右的短文。
对比卫星通信和光纤通信在应急通信中的应用场景和优势，分析它们如何相互配合保障通信畅通。
畅想未来卫星通信和光纤通信技术的发展会给我们的生活带来哪些变化，举例说明。
2024人教版物理九年级全册
21.3卫星通信和光纤通信
第二十一章 电磁波及其应用
授课教师： . 班 级： . 时 间： .
一、微波通信
信息理论表明，作为载体的电磁波，频率越高，相同时间内传输的信息就越多。因此，现代通信技术所采用的频率越来越高，微波通信就是其中应用较广泛的一种。
1. 传输信息与频率的关系
（1）波长和频率范围
微波波长在 10m~1mm之间，频率 30MHz~3×105MHz之间。
（2）性质
微波的性质接近光波，大致沿直线传播，不能沿地球表面绕射。
一、微波通信
2. 微波
波长在10m~ 1mm ，频率 30MHz~3×105MHz之间
（1）概念：利用微波进行的通信称为微波通信。
一、微波通信
3. 微波通信
（2）微波中继站
微波大致沿直线传播，不能沿地球表面绕射。因此必须每隔50km左右就要建设一个中继站，可以把上一站传来的微波信号经过接收、放大处理后，再发射到下一站去。这就像接力赛跑一样，一棒传一棒，可以把信息传递到远方。
（3）微波通信的优点
①频率高，传输信息的容量大；
②质量好，可以传送很远的距离；
③大致沿直线传播，受大气干扰小，能量损耗小，收到的信号强且稳定。
（4）微波通信的缺点
需要大量中继站进行信号处理，而且，信号传递的距离越远，需要的中继站越多。在遇到雪山、大洋，根本无法建设中继站时，微波通信几乎无法继续。
一、微波通信
在遇到雪山、大洋，根本无法建设中继站时，又该怎么办？能不能利用地球的卫星——月球进行微波中继通信呢？
月球是地球的卫星，可以反射微波，但它离我们太远了——38万千米！信号衰减、时间延迟，而且只有当两个通信点同时见到月亮时，才能完成这两点间的通信。
二、卫星通信
解决方案：
使用人造卫星通信
1. 卫星通信的概念
利用通信卫星做微波通信的中继站来进行通信的方式叫卫星通信。
二、卫星通信
2. 同步通信
地球同步卫星即地球同步轨道卫星，是运行在地球同步轨道上的人造卫星，距离地球约36000km，卫星的运行方向与地球的自转方向相同、运行轨道位于地球赤道平面上圆形轨道、运动周期与地球自转一周的时间相等，所以叫做“同步通信卫星”。
3. 全球通信
在地球周围均匀地配置三颗通信卫星，就可以覆盖几乎全部的地球表面，实现全球通信。
二、卫星通信
二、卫星通信
4. 卫星通信的组成
由通信卫星、地面站和传输系统三部分组成。卫星通信的工作原理是将卫星发射到赤道上空36000km处的对地静止轨道上，利用卫星上的通信转发器接收由地面站发射的信号，并对信号进行放大变频后转发给其他地面站，从而完成两个地面站之间的传输。
事实上，一颗通信卫星就是一个微波中继站。
二、卫星通信
5. 卫星通信特点
通信范围大，只要在卫星发射的电磁波覆盖的范围内均可进行通信；不易受陆地灾害影响，建设速度快；易于实现广播和多址通信。
二、卫星通信
6. 中国北斗卫星导航系统
北斗卫星导航系统是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设运行的全球卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要时空基础设施。
A
三、光纤通信
（1）激光的概念：频率单一、方向高度集中的光叫激光。
（2）激光通信容量更大
我们已经知道，电磁波的传播速度等于光速，实际上光也是一种电磁波。与微波相比，光的频率更高。如果用光来通信，这条“高速公路”要比短波、微波的“公路”宽出百万倍、千万倍。
不过，普通的光源包含了许多不同波长（频率）的光，难以用它携带信息。
1960年，美国科学家梅曼制成了世界上第一台红宝石激光器，它能产生频率单一、方向高度集中的光——激光。
1. 激光
三、光纤通信
（1）光导纤维简称光纤，是一种非常细的玻璃丝，激光可在光纤里传播，不受外界干扰。
2. 光导纤维
实用的光纤是比人的头发丝稍粗的玻璃丝，通信用光纤的外径一般为125~140 μm。一般所说的光纤是由纤芯和包层组成，纤芯完成信号的传输，包层与纤芯的折射率不同，将光信号封闭在纤芯中传输并起到保护纤芯的作用。工程中一般将多条光纤固定在一起构成光缆。
三、光纤通信
光沿着水流传播
①演示实验—《水流导光》
（2）光导纤维传光原理
光不但能沿直线传播，也可以沿着弯曲的水流传播
三、光纤通信
光导纤维
携带信息
的激光射入
携带的信息
随激光射出
②光导纤维传光原理
光导纤维传播激光的原理是光的全反射。携带信息的激光从光导纤维的一端射入，在光纤内部传播时，发生的是全反射，在内壁上多次反射，从另一端射出，这样就把它携带的信息传到了远方。
光纤通信是利用激光在光导纤维中传输信息的一种通信方式。由于光的频率很高，在一定时间内可以传输大量信息。
3. 光纤通信
我国光缆通信的发展十分迅速，目前光缆可以通达所有地区（市、州），而且还与其他国家合作修建了跨越太平洋的海底光缆。光纤通信已经成为我国长途通信的骨干力量。
三、光纤通信
（1）传输频带极宽，通信容量很大；
（2）光纤衰减小，无中继设备，传输距离远；
（3）不受电磁干扰，通信质量高，保密性好。
4. 光纤通信的优点
三、光纤通信
三、光纤通信
1966年，华裔物理学家高锟提出用光纤通信的构想，并得以实现，高锟被誉为“光纤之父”。
1960年，美国物理学家西奥多·梅曼在佛罗里达州迈阿密的研究实验室里，制成了世界上第一台红宝石激光器。
光纤通讯技术的发展
光纤通讯技术是近几十年才发展起来的。
A
计算机可以高速处理各种信息，把计算机联在一起，可以进行网络通信。计算机之间的联结，除了使用金属导线外，还用了光缆、通信卫星等各种通信手段。
如果某人的计算机跟一个叫做服务器的大计算机相联，就是平常说的“上网”。世界上最大的计算器网络是因特网。
1. 网络通信
四、网络通信
A
计算机服务器是指在计算机网络中提供服务的一种计算机系统，它提供应用程序的服务，可以接受客户端的请求并提供相应的服务功能。服务器通常配备高效的硬件和软件资源，用于处理大量的请求和数据，在网络上起到“服务商”的角色。
2. 计算机服务器
四、网络通信
A
（1）电子邮件
①电子邮件是人们经常使用的网络通信形式，它不仅可以传送文字，也可以把照片、语言及任何信息变成数字文件进行传送。
每个电子信箱都有自己的“地址”，这样才能把邮件送到正确的地方。电子信箱地址的格式为：用户名、符号“@”（发音同英语的“at”）和域名三部分。
如 xiaolin@.cn，这表示信箱属于一个自称“xiaolin”的人，他的服务器名叫.cn。其中“cn”是China的简写，表示这个服务器是在中国注册的。
3. 网络通信的应用
四、网络通信
A
②电子邮件的传送
发送方通过计算机输入信息并传送到与计算机相联系的服务器A→服务器A将信息传送到与接收方计算机相连接的服务器B→服务器B将信息再传送到接收方计算机中，即可显示发送方的信息。
四、网络通信
A
（2）网络通信的一些应用
除了通过网络收发电子邮件外，还可以通过网络通信系统查阅资料、看新闻、购物、进行视频点播，另外还可以通过网络进行远程教育、远程医疗等。
四、网络通信
　通过因特网可以快速收发语音短信、视频、图片和文字等信息。
随着通信技术的发展，现在已经可以在很短的时间内传送越来越大的信息量，信息传送的速度能够满足电视等活动画面的需要。
四、网络通信
近年来随着互联网技术的不断发展，使得线上购物成为中国网民不可缺少的消费渠道之一。截止到2019年上半年，我国网络购物用户规模达6.39亿，占网民整体的74.8%。其中手机网络购物用户规模达6.22亿，占手机网民的73.4%。2019年网络购物消费额将达到66610亿元，占社零总额比重为19.5%。
网络购物
四、网络通信
知识点1 卫星通信
1.以下关于微波的说法中不正确的是( )
D
A.微波属于电磁波
B.微波的性质接近于光波，大致沿直线传播
C.进行长距离微波通信时，应利用中继站
D.微波中继站间的距离大约为 ，而且只能建立在地球表面
2.关于地球同步卫星，下列说法中正确的是( )
C
A.地球同步卫星在空中静止不动
B.地球同步卫星和月球一样每天绕地球运转一周
C.地球同步卫星的转动周期和地球自转周期相同，相对于地面是静止的
D.地球同步卫星作为传播微波的中继站，地球上空至少需要4颗才能将
信号覆盖全球
3. 古时候，北斗七星是人们用来辨别方向的重要指针。
今天，我国自主研发的北斗系统，已成为全球导航领域的璀璨明星。北
斗系统服务全世界，它传递信息是利用( )
B
A.红外线 B.电磁波 C.超声波 D.次声波
知识点2 光纤通信
4.［2024广州］如图，光导纤维在传递信息时，光从内芯的一端传输到
另一端，其原理应用了光的( )
B
A.折射 B.反射 C.色散 D.直线传播
5.［2024南通模拟］光纤通信是利用激光在光导纤维里传播信息。通常
情况下，制作光导纤维的材料为( )
A
A.绝缘体 B.导体 C.超导体 D.半导体
6.利用光导纤维在一定的时间内可以传输大量的信息，这是因为光
( )
C
A.波长长 B.波速大 C.频率高 D.看得见
7.关于电磁波，下列说法正确的是( )
A
A.光纤通信中的光纤利用了玻璃材料，在内壁多次反射把信息传到远方
B.光纤通信中所使用的光不是激光
C.导体中稳定的电流会在空间激起电磁波
D.微波是一种波长短频率低的电磁波
8.现在许多长途电话是以地球同步卫星
做中继站的，如图所示。打这种长途电
话时，会感到对方的反应有些延迟。造
成这种延迟的原因之一是无线电波在射
向卫星和从卫星返回时需要一定的时间。
假设某人造卫星与地球的距离是
，则延迟的时间约为( )
B
A. B. C. D.
9. ［2024深圳校级期中］我国能前往月球背面采集样品，
是因为有“鹊桥”中继卫星为探月任务提供了强有力的通信支持。如下图
所示，请你为“鹊桥”选址，将其位置选定在___（填“”“”或“ ”）点，
可以实现地面指挥中心与月球背面的通信中转。
C
谢谢观看！

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