第二章传输介质

2.1传输介质2.1.1基本概念(1)什么是传输介质所谓传输介质，是指传输信号的物理通信线路。任何数据在实际传输时都会被转换成电信号或光信号的形式在传输介质中传输，数据能否成功传输则依赖于两个因素：被传输信号本身的质量和传输介质的特性。（2）什么是信道带宽所谓信道，就是信号传输的通道；一般的通信系统包括了信源编码、信道编码、调制解调、物理信道；从信源编码到信源解码这一系列过程都可以认为是广义信道；狭义的信道仅仅指物理信道，即传输介质和媒介；物理信道的带宽由传输介质决定；广义信道带宽（即系统带宽，通信理论中通常所指的信道带宽）指进入物理信道前允许的最大信号基带频谱宽度（最大信号带宽），这是由系统所决定的。（3）什么是信号带宽信号包含的频率成分的范围称为频谱，而信号的带宽就是频谱的绝对宽度。由于信号所携带的能量并不是在其频谱上均匀分布的，因此又引入了有效带宽的概念，它指包含信号主要能量的那一部分带宽。如不加说明，带宽通常均指有效带宽。（4）什么是信道速率传输速率和带宽的关系可以由香农公式和Nyquist准则确定。在通信理论研究中多用第一种解释，在计算机网络中信道带宽常常指传输速率。（5）传输介质的特性－物理特性：对传输介质物理结构的描述－传输特性：传输介质允许传送数字或模拟信号，以及调制技术、传送容量与传送的频率范围等－连通特性：允许点－点或多点连接－地理范围：传送介质的最大传输距离－抗干扰性：传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力－相对价格：包括器件费用、安装与维护（6）传输介质的选择可以用传输介质的有效传输距离和带宽来衡量其质量，其中传输距离与带宽成反比，同时带宽越宽，成本越高。而在数字传输中，具有一定带宽的传输介质的最大传输速率与信号的调制方式也紧密相关。另一方面，不同的传输介质都有自己独特的传输特性，因此传输介质的选择，应从性能、成本、适用场合等方面综合考虑。(7)基带传输基带信号(BasebandSignal)：是指信源发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号。基带信号（包括模拟基带信号和数字基带信号）的传输方法有基带传输和频带传输（又称载波传输、调制传输）两种。基带传输:将基带信号直接送往信道中传输的传输方式；如在某些有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，可以让基带信号直接进行传输。基带传输是一种最基本的数据传输方式。线路设备简单，信道利用率低。频带传输:将基带信号对载波进行调制后，以载波传输的传输方式。比如在无线信道和光信道中，基带信号则必须经过调制，以载波传输的方式在信道中传输。宽带传输将信道分成多个子信道，分别传送音频、视频和数字信号，称为宽带传输。宽带是比音频带宽更宽的频带，它包括大部分电磁波频谱。使用这种宽频带传输的系统，称为宽带传输系统。其通过借助频带传输，可以将链路容量分解成两个或更多的信道，每个信道可以携带不同的信号，这就是宽带传输。如CATV传输介质分为有线介质和无线介质两大类，无论何种情况，信号都是以电磁波的形式传输的。在有线介质中，电磁波信号会沿着有形的固体介质传输，有线介质目前常用的有双绞线、同轴电缆和光纤；在无线介质中，电磁波信号通过地球外部的大气或外层空间进行传输，大气或外层空间并不对信号本身进行制导。无线传输常用的电磁波段主要有无线电、微波、红外线等。2.1.2传输介质有线介质无线介质双绞线同轴电缆光纤无线电微波红外线传输介质1．双绞线双绞线是指由一对绝缘的铜导线扭绞在一起组成的一条物理通信链路。采用双线扭绞的形式主要是为减少线间的低频干扰，扭绞得越紧密抗干扰能力越好。图2.1双绞线的物理结构扭距传输特性：（１）串音会随频率的升高而增加，抗干扰能力差，通常用作电话用户线和局域网传输介质，在局域网范围内传输速率可达100Mb/s，但其很难用于宽带通信和长途传输线路。（２）模拟信号和数字信号均可传图2.2双绞线的构成铜线绝缘层外屏蔽层外部保护层（a）屏蔽双绞线铜线绝缘层外部保护层（b）非屏蔽双绞线双绞线主要分成两类：非屏蔽(UTP：UnshieldedTwistedPair)和屏蔽(STP：ShieldedTwistedPair)。屏蔽双绞线除了应用在IBM的令牌环网中以外，其他领域并无太多应用。目前电话用户线和局域网中都使用非屏蔽双绞线，例如普通电话线多采用24号UTP。常用UTP的性能如表2.1所示。表2.1常用UTP的性能10－带宽base－数字基带传输T－双绞线5类和3类都可以,3类更合适T1和E1是物理连接技术，T1是美国标准，1.544M，E1是欧洲标准，2.048M，我国的专线一般都是E1，然后根据用户的需要再划信道分配（以64K为单位）。比如PPP的DDN线路以及frame-relay的线路等都可以使用他们•类别••规格•AWG••性能••典型应用••三类••22•和•24••16MHz••E1/T1•、令牌环网、•10Base•-•T•网等••四类••各种••20MHz••4/16Mb/s•令牌环网••五类••各种••100MHz••4/16Mb/•s•令牌环网、•1•0/100Base•-•T•网等••2.同轴电缆：同轴电缆由一根实心的铜质线作为内导体、一个空心的铜质圆形薄皮作为外导体，内外导体之间由塑料绝缘材料隔离，外导体之外再被覆聚氯乙烯或其它绝缘材料，外导体以内导体为同心轴，所以称为同轴电缆。特点：抗干扰性能很强。50Ω的同轴电缆：局域网基带传输。传输带宽为1～20M传输距离1～1.2km75Ω的同轴电缆：闭路电视系统（CATV）。频分多路复用50个信道。支持的带宽：300～450MHz。距离：100km支持点到点和多点通信；传输距离几km到几十千米；目前主要应用于CATV和光纤同轴混合接入网；2.同轴电缆3．光纤外套包层纤芯小于临界角的光线将被外套吸收入射角反射角图2.4光纤的物理结构光纤是一种同轴性结构，由纤芯、包层和外套三个同轴部分组成，其中纤芯、包层由两种折射率不同的玻璃材料制成，利用光的全反射可以使光信号在纤芯中传输,包层的折射率略小于纤芯，以形成光波导效应，防止光信号外溢。石英光纤玻璃光纤塑料光纤石英光纤最为实用光纤系统的工作频率分布在10^14～10^15Hz范围内，属于近红外区，其潜在带宽是巨大的。目前10Tb/s/100km的实验系统已试验成功，通过密集波分复用(DWDM)在一根光纤上实现40Gb/s/200km传输的实际系统已经在电信网上广泛使用。体积小、重量轻。低衰减、抗干扰能力强。传输范围达到6-8km光纤分为多模光纤(MMF)和单模光纤(SMF)两种基本类型。多模光纤主要用于短距低速传输，比如接入网和局域网，一般传输距离应小于2km。单模光纤的纤芯直径非常小，通常为4～10μm,在任何时候，单模光纤只允许光信号以一种模式通过纤芯。目前长途传输主要采用单模光纤。在ITU-T的最新建议G.652、G.653、G654、G.655中对单模光纤进行了详细的定义和规范。光纤包层外部保护层外部保护层包层光纤包层外部保护层单模光纤多模光纤在光脉冲信号传输的过程中，所使用的波长与传输速率、信号衰减之间有着密切的关系。通常采用的光脉冲信号的波长集中在某些波长范围附近，这些波长范围习惯上又称为窗口，目前常用的有850nm、1310nm和1550nm为中心的三个低损耗窗口，在这三个窗口中，信号具有最优的传输特性。在局域网中较常采用850nm，而在长距离和高速率的传输条件下的城域网和长途网中均采用1550nm波长。4．无线介质何谓无线电通信通信就是在一点准确或近似地再现另一点所选择的消息—香农。这个再现的过程包括一个最重要的环节：即承载信息的载波。无线电通信是指利用无线电波作载波传递各种消息的各种通信方式的总称。100102104106108101010121014101610181020102210241041051061071081091010101110121013101410151016无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波调幅无线电调频无线电海事无线电光纤电视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段移动无线电图2.4电磁波频谱及其在通信中的应用1)无线电无线电又称广播频率(RF:RadioFrequency),其工作频率范围在几十兆赫兹到200兆赫兹左右。优点:易于产生，能够长距离传输，能轻易地穿越建筑物，并且其传播是全向的，非常适合于广播通信。缺点:是其传输特性与频率相关：低频信号穿越障碍能力强，但传输衰耗大；高频信号趋向于沿直线传输，但容易在障碍物处形成反射，并且天气对高频信号的影响大于低频信号。高频无线电波传播途径(a)地波传播(b)天波传播地球表面地球表面电离层2)微波微波指频段范围在300MHz～30GHz的电磁波，因为其波长在毫米范围内，所以产生了微波这一术语。微波信号的主要特征是在空间沿直线传播，因而它只能在视距范围内实现点对点通信，通常微波中继距离应在80km范围内。微波的主要缺点是信号易受环境的影响(如降雨、薄雾、烟雾、灰尘等)，频率越高影响越大，另外高频信号也很容易衰减。卫星通信可认为是微波通信的一种特殊形式。地面微波接力两个地面站之间传送距离：50-100km地球地面站之间的直视线路微波传送塔地球同步卫星(对地静止)与地面站位置相对固定使用3个卫星可覆盖全球一个卫星使用12－20个转发器，每个转发器频宽36－50MHz地面站大量使用甚小孔径地球站VSAT传输延迟时间长(270ms)36,000公里地球3)红外线红外线指1012～1014Hz范围的电磁波信号。与微波相比，红外线最大的缺点是不能穿越固体物质，因而它主要用于短距离、小范围内的设备之间的通信。红外线通信目前主要用于家电产品的远程遥控，便携式计算机通信接口等。电信领域使用的电磁波的频谱传输媒体速率或频宽传输距离性能(抗干扰性)价格应用双绞线10-1000Mb/s几--十几km可以低模拟/数字传输50同轴电缆10Mb/s3km内较好略高于双绞线基带数字信号75同轴电缆500--750MHz100km较好较高模拟传输电视、数据及音频光纤几-几十Gb/s30km以上很好较高远距离传输短波50MHz全球较差较低远程低速通信地面微波接力4-6GHz50--100km/中继站好中等远程通信卫星50MHz/转发器x20上万km很好与距离无关远程/洲际通信各种常用传输媒体的比较小结（本节重点）双绞线(UTP和STP)、同轴电缆、光纤的使用特点单模光纤和多模光纤的使用特点无线通信常用的传输介质与使用特点2.2多路复用－什么是多路复用（Multiplexing）DEMUX复用器解复用器共享信道MUX复用—多个信息源共享一个公共信道为何要复用？线路成本多路复用技术多路复用技术就是将多路信号组合在一条物理信道上进行传输，到接收端再用专门的设备将各路信号分离开来。这样使一条物理信道资源被多路信号共享。多路复用技术包括:频分多路复用(FDM)时分多路复用(TDM)波分多路复用(WDM)按信号在传输介质上的复用方式不同，传输系统分为：基带传输系统、频分复用传输系统、时分复用传输系统、波分复用传输系统2.2.1基带传输系统在传输介质上直接传输基带信号的系统。如：计算机局域网(1)FDM的基本原理FDM是利用传输介质的带宽高于单路信号的带宽这一特点，将多路信号经过高频载波信号调制后在同一介质上传输的复用技术。为防止各路信号之间相互干扰，要求每路信号要调制到不同的载波频段上，而且各频段之间要保持一定的间隔,这样各路信号通过占用同一介质不同的频带实现了复用。2.2.2频分复用传输系统频分多路复用带宽分配示例AFDM多路复用过程示例FDM解多路复用过程示例FDM中的移频与叠加（频谱）带通滤波器f1s1解调器f1m1带通滤波器f2s2解调器f2m2…带通滤波器fnsn解调器fnmns1m1s2m2snmn调制器f1调制器f2调制器fn………∑信道1信道2…信道n时间