通信导论--传输介质

网络技术导论传输介质计算机学院2011年春季学期魏更宇第二章传输介质2.1传输介质的基本概念2.2双绞线2.3同轴电缆2.4无线信道2.5微波2.6光纤2.1传输介质的基本概念（1）2.1.1传输介质传输介质是连接通信设备的媒介，是通信设备之间的物理通道，是信号的实际载体。传输介质的多样性源于通信环境和业务的多样性。2.1.2传输介质的分类有线、无线3类常见的传输介质电缆：非屏蔽双绞线UTP，屏蔽双绞线STP，同轴电缆Cable无线：可见光、微波、红外线等等光纤：单模光纤、多模光纤传输介质和典型应用传输介质频率范围波长表示符号典型应用普通有线电缆、长波无线电3Hz~30kHz108~104米VLF长波电台普通有线电缆、长波无线电30kHz~300kHz104~103米LF电话通信网中的用户线路、长波电台同轴电缆、中波无线电300kHz~3MHz103~102米MF调幅广播电台同轴电缆、短波无线电3MHz~30MHz102~10米HF有线电视网中的用户线路同轴电缆、米波无线电30MHz~300MHz10~1米VHF调频广播电台分米波无线电300MHz~3GHz100~10厘米UHF公共移动通信AMPS、GSM、CDMA厘米波无线电3GHz~30GHz10~1厘米SHF无线局域网802.11a/g、微波中继通信、卫星通信毫米波无线电30GHz~300GHz10~1毫米EHF卫星通信、超宽带（UWB）通信光纤、可见光、红外光105~107GHz3×10-4~3×10-6米光纤通信、短距红外通信2.1传输介质的基本概念（2）2.1.3传输介质与传输技术的设计根据传输介质的特性，传输介质的参数：（1）带宽：可供使用的频谱宽度；（2）误码率：单个比特差错出现的概率；（3）信号传输距离：当信号在传输介质上传播，信号强度会随距离增加而衰减；当有用信号的强度衰减至一定水平时传输介质的长度就是介质的信号传输距离；（4）安全：不同的传输介质因其特性有不同的安全等级，在传输时就需要采用的通信加密与认证技术；为不同的传输介质需要选用适合的安全保证技术。2.2双绞线2.2双绞线（1）2.2.1双绞线概述1、定义：双绞线是由一对带有绝缘层的铜线，以螺旋的方式缠绕在一起制成的。双绞线电缆通常由一对或多对双绞线组成；双绞线通常用于传输平衡信号。双绞线在传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面均受到一定限制，但价格低廉。2、双绞线的特征（1）导线直径：铜导线的直径，一般直径越大，传输能力越强；（2）含铜量：直观的表现就是导线的柔软程度，越柔软的导线含铜量越高，传输能力越强；（3）单位长度绕数：表示了导线螺旋缠绕的紧密程度，单位长度内的绕数越多，对干扰的抵消作用就越强；（4）屏蔽措施：屏蔽措施越好，抗干扰的能力就越强。国际电气工业协会为双绞线电缆的传输标准2.2双绞线（2）非屏蔽双绞线UTP和屏蔽双绞线STP双绞线的分类：根据双绞线所支持的传输速率分类：（1）一类线：主要用于传输语音，不用于数据传输。（2）二类线：传输频率为1MHz，用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输（3）三类线:传输频率为16MHz,用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于10base-T。（4）四类线:传输频率为20MHz,用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输2.2双绞线（3）（5）五类线：由四对双绞线组成的非屏蔽双绞线。用于语音传输和高于100Mbit/s的数据传输，主要用于百兆以太网，100base-T的以太网中。通过颜色的组合来区分互相缠绕的双绞线对；（6）超5类：由四对双绞线组成的非屏蔽双绞线。与五类线相比，超五类线所使用的铜导线质量更高、单位长度绕数也更多，因而衰减更小、信号串扰更小、具有更小的时延误差；在使用4对双绞线同时用于传输的情况下，可以用于1000base-T的千兆以太网。（7）六类线：传输频率为1MHz～250MHz，提供了250MHZ的带宽，适用于Gbps的应用。（8）七类线：提供600MHZ的带宽。七类线是一种8芯屏蔽线，每对都有屏蔽层（一般为金属箔屏蔽DINTEK），8根芯外还有一个屏蔽层（一般为金属编织丝网屏蔽DINTEK），接口与现在的RJ-45不兼容。五类线图示线对色彩组合1蓝白相间蓝2黄（橙）白相间黄（橙）3绿白相间绿4褐（棕）白相间褐（棕）2.2双绞线（4）双绞线的优：（1）低成本、易于安装（2）应用广泛双绞线缺点：（3）带宽有限（4）信号传输距离短（5）抗干扰能力不强2.2双绞线（5）双绞线的应用（1）ISDN综合业务数字网用户环路（2）xDSL(DigitalSubscriberLine)ADSL，HDSL,IDSL,SDSL,RADSL,VDSL（3）Ethernet以太网十兆/百兆/千兆以太网的主要传输介质都是双绞线;十兆/百兆以太网使用了2对双绞线，千兆以太网使用了4对双绞线，一般的以太网线都包含4对双绞线。部分以太网线也采用平行线或同轴电缆作为传输介质。双绞线简要说明双绞线常见的有Cat.3（3类线），Cat.5（5类线）、Cat.5e（超5类线）、Cat.6（6类线），以及目前的Cat.6A（6A类线）、Cat.7（7类线）及Cat.8（8类线）等。Cat.1：传输最高速率为100kHz的语音信号，用作扬声器电缆、门铃电缆、报警器电缆等。不适用于网络或数字语音用途。Cat.2：传输最高速率为4MHz的信号，用于模拟或数字信号，不适用于网络用途。Cat.3：传输最高速率为16MHz的信号，用于10Base-T以太网或数字语音用途。Cat.4：传输最高速率为20MHz的信号，因其价格与五类相关无几，但传输频率低，所以很少使用。Cat.5：传输最高速率为100MHz的信号，使用广泛。Cat.5e：传输最高速率为100MHz的信号，一种拥有比Cat.5更好性能的电缆，改善了诸多传输指标，支持双工应用。Cat.6：传输最高速率为250MHz的信号。Cat.6A：超六类电缆，性能比六类很明显提升。Cat.7：传输最高速率为600MHz的信号。Cat.8：为适应SOHO一族家庭办公与公司之间的信息沟通而产生的电缆，一般为SSTP结构，每一对有屏蔽，多对绞合之后还有一总屏蔽，特点为使用长度短，一般不超过50m，通过它可以将电话、计算机、数据传输、图像传输、图像、卫星传输（通讯）、普通电视、数字电视等信息、音频、视频信号的传输全部解决。称为：宽带传输的数据电缆。2.3同轴电缆（1）2.3.1同轴电缆的概述同轴电缆由中心的铜质或铝质的导体、中间的绝缘塑料层、金属屏蔽层以及主要起保护作用的外套层组成。(铜导体、绝缘层、屏蔽层、外套)同轴电缆的铜导体要比双绞线中的铜导体更粗，而接地的金属屏蔽层则可以有效的提高抗干扰性能。因此，同轴电缆具有比双绞线更高的传输带宽。2.3同轴电缆（2）常见的同轴电缆有两种：一种是50欧姆阻抗的同轴电缆，用于数字传输，由于多用于基带传输，也叫基带同轴电缆；另一种是75欧姆阻抗的同轴电缆，用于模拟传输，也被称为宽带同轴电缆。宽带同轴电缆在使用中其带宽可以被划分为几个范围。通常每一个频率范围都携带着各自的编码信息，这样就可以在一根电缆上同时复用的传输多个数据流。表2-3同轴电缆的常见规格规格类型阻抗描述RG-58U细缆50欧姆固体实心铜导线RG-58A/U细缆50欧姆绞合线RG-58C/U细缆50欧姆RG-58A/U的军用版本RG-59CATV75欧姆宽带同轴电缆，用于有线电视中RG-8粗缆50欧姆固体实心线，直径约为0.4英寸RG-11粗缆50欧姆标准实心线，直径约为0.4英寸2.3同轴电缆（4）2.3.2同轴电缆的特点（1）可用频带宽：同轴电缆可供传输的频谱宽度最高可达GHz，比双绞线更适于提供视频或是宽带接入业务，也可以采用调制和复用技术来支持多信道传输；（2）抗干扰能力强，误码率低，但会受到屏蔽层接地质量的影响；（3）性能价格比高：同轴电缆的成本比要双绞线高，但是它有明显优于双绞线的传输性能，其性能价格比有一定的优势；（4）安装较复杂：同轴电缆和双绞线一样，线缆都是制作好的，使用时根据需要截取相应的长度再做连接头。由于同轴电缆中的铜导体粗，一般需要与连接件焊接相连；安装比双绞线复杂。2.3.3同轴电缆的应用（1）局域网（2）局间中继线路（3）有线电视（CATV）系统的信号线（4）射频信号线2.4无线信道（1）2.4.1无线信道的基本概念无线通信的传输媒质——无线信道是基站天线与用户天线之间的传播路径。无线信道是最为复杂的一种通信信道：模拟有线信道中典型的信噪比约为46dB，信号电平要比噪声电平高40000倍。有线传输介质中，信噪比的波动通常不超过l-2dB。陆地移动通信无线信道信号强度的骤然降低（衰落）经常发生，衰落深度可达30dB。无线信道的衰落特性取决于无线电波传播环境。复杂、恶劣的传播条件是无线信道的特征，运动中进行无线通信方式决定了无线传播环境的复杂和多变，所以无线信道特性十分复杂。2.4无线信道（2）2.4.2电磁波在无线信道中的传播1、基本传播机制（1）直射：无线信号在自由空间中的传播；（2）反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，就发生反射。反射一般在地球表面，建筑物、墙壁表面发生。（3）绕射：当电磁波被尖锐的物体边缘阻挡时，会发生绕射；（4）散射：当电磁波遇到比波长小的物体，并且单位体积内这种障碍物的数量较多的时，会发生散射。散射发生在粗糙的表面、小物体或其它不规则物体上，例如，树叶、灯柱等会引起散射。2.4无线信道（3）2、无线信道的指标多种传播机制的存在使得任何一点接收到的无线信号都极少是经过直线传播的原有信号。（1）传播损耗：无线信号的损耗主要以下三种：①路径损耗：由于电波的弥散特性造成的，反映了在公里级的空间距离内，接收信号电平的衰减，也称大尺度衰落；②阴影衰落（慢衰落）：接收信号的场强在长时间内的缓慢变化，一般由于电波在传播路径上遇到由于障碍物的电磁场阴影区所引起的；③多径衰落（快衰落）：接收信号场强在整个波长内迅速的随机变化，一般主要由于多径效应引起的。（2）传播时延：包括传播时延的平均值、传播时延的最大值和传播时延的统计特性等；（3）时延扩展：信号通过不同的路径、沿不同的方向到达接收端会引起时延扩展，时延扩展是对信道色散效应的描述；（4）多普勒扩展：是一种由于多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散，又称时间选择性衰落，是对信道时变效应的描述；（5）干扰：包括干扰的性质以及干扰的强度。2.4无线信道（4）2.4.3无线信道的传播模型1、构建无线信道模型传播环境、传播机理用户台的移动性，传播参数随时变化，引起接收场强、时延等参数的快速波动信号传播特征、通信环境中的系统干扰各种不同条件下的无线信道模型。2、无线信道模型的分类无线信道模型一般可分为室内传播模型和室外传播模型，后者又可以分为宏蜂窝模型和微蜂窝模型。（1）室内传播模型：室内传播模型的主要特点是覆盖范围小、环境变动较大、不受气候影响，但受建筑材料影响大。典型模型包括：对数距离路径损耗模型、Ericsson多重断点模型等；（2）室外宏蜂窝模型：当基站天线架设较高、覆盖范围较大时所使用的一类模型。实际使用中一般是几种宏蜂窝模型结合使用来完成网络规划；（3）室外微蜂窝模型：当基站天线的架设高度在3~6m时，多使用室外微蜂窝模型；其描述的损耗可分为视距损耗与非视距损耗。常见的信道传播模型类型名称特征备注室外宏蜂窝模型自由空间传播模型在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，不发生发射、折射、绕射、散射现象经验模型平面大地传播模型同时考虑了发射机与接收机之间的直接路径和地面发射路径经验模型杂乱因子模型（ClutterFactorModel）利用频率、地形、高度、方位等修正因