第四章 传输媒体
物理传输媒体
导向媒体 (双绞线，同轴电缆，光纤)
非导向媒体 （地面微波，卫星微波，广播无线电，红外线）
工作频段
物理性质
传输特性
无线传播方式
地波传播，天波传播，视距传播
视距传输 （损伤）
传输媒体是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理通道
数据通信的特点和通信质量取决于传输媒体的性质以及传输信号特点
导向媒体，主要取决媒体自身的性质
非导向媒体，主要是发送天线生成的信号带宽
设计数据传输系统主要考虑数据率和传输距离
数据率越大，传输距离越远越好
带宽－Bandwidth
高带宽高数据率
传输损伤－Transmission impairments
损伤限制传输距离
双绞线＞同轴电缆＞光纤
干扰－Interference
频率重叠的区域内，相互竞争的信号之间
在非导向媒体中尤其值得注意
接收器数量－# of receivers
使用导向媒体可以构成点对点或者多个设备相连的链路
多个设备相连共享中会有衰减和失真并限制传输距离和/或数据率
双绞线
最廉价，使用最广
一对线作为一根通信链路使用
低数据率，短距传输
双绞线-应用
电话传输系统 （传输模拟信号）
模拟信号：楼层与本地电话交换局连接形成“用户环路”
数字信号：在一栋办公楼内，连接到专用小交换机 (PBX)
对于局域网 (LAN) （传输数字信号）
数据率达到10Mbps -100Mbps
传输原理:
用一对电线来携带大小相等方向相反的两路信号,用两路信号来传输相同的信息,在接收端对其中一路信号进行反转,然后对这两路波形进行叠加
为什么使用两条相互绞合在一起的导线构成通信链路？
降低对其他线路的干扰
两根信号线对外产生的电磁波大小相等，方向相反，它们叠加为驻波，相互抵消，有效减少对外产生电磁干扰，即它做到了尽量不用打扰别人。
降低收到其他线路的干扰
双绞线携带的是同一路信息的两路反相的信号，如果在传输过程中受了电磁干扰，因为它们是双绞信号线对，靠得很近，可以近似的看成，噪声对它们的影响是相等的，即对两路信号的波形相同程度的叠加。在接收端对其中一路信号进行反转，这样在这两路波形中的信号分量是大小相等方向也相等，而噪声分量则变成了大小相等方向相反。然后对这两路波形进行叠加，信号分量得到加强，而噪声分量因为抵消而消除。
模拟传输方式
每5千米到6千米用一个放大器
数字传输方式
使用数字或模拟信号
每2千米到3千米用一个转发器
与其他导向传输媒体相比
传输距离、带宽、数据率受到限制
易受到衰减，干扰和噪声的影响 （P81 图4.3d）
无屏蔽双绞线－Unshielded Twisted Pair (UTP)
普通的电话线
最便宜
使用方便，安装简单
受外部电磁场干扰
屏蔽双绞线－Shielded Twisted Pair (STP)
用金属网罩或护皮以减少干扰
在高数据率的情况下，性能更好
价格贵
使用不方便
二者比较 （P83，表4.2）
1991年，美国电子工业协会 公布EIA-568 标准
EIA-568A标准 （1995年）
无屏蔽双绞线
Cat 3 (话音级电缆)
传输特性可达 16MHz
在大多数办公楼存在
每绞长度有 7.5 cm 到 10 cm
Cat 4
传输特性可达 20 MHz
Cat 5 (数据级电缆)
传输特性可达 100MHz
通常在新建的办公楼都预先铺设
每绞长度有 0.6 cm 到 0.85 cm
屏蔽双绞线
100 屏蔽双绞线
150 屏蔽双绞线
绞距的减小带来各项性能的提升，但也增加了费用
同轴电缆
由一根空心的圆柱形外导体和柱体内部的一根内导体组成。
优点：
比双绞线更不容易受到串扰和干扰
传输距离更长，数据率更高
应用：
用途广泛
电视广播－Television distribution
有线电视－Cable TV
长途电话传输－Can carry 10,000 voice calls simultaneously
正在逐渐被光纤代替
短距离设备间的连接，如计算机系统之间提供高速I/O通道
局域网
传输特性：
模拟信号
每隔几千米使用一个放大器
频率越高放大器间隔越近
有效频谱可延伸至 500MHz
数字信号
每千米使用一个转发器
数据率越高需要间隔越密
光纤
光
光是一种电磁能量形式
光纤
一种纤细，柔韧并能传导光线的媒体
通常制作材料为玻璃和塑料。
组成部分
芯
玻璃或塑料
覆层
与芯之间的界面作为反射器限制光线不从芯中逃逸
防护罩
优点：
容量更大
以数百G的数据率传输几十千米
体积更小，重量更轻
衰减更小
隔绝电磁场
不怕冲激噪声和串扰之类的干扰
更安全，很难被人搭线窃听
转发器的间隔更远
更低的费用，更少的故障点
应用
长途线路
电话网, 20k – 60k 话音信道, 平均长度1500 km
市区中继电路
100k话音信道,平均长度12 km
农用交换干线电路
5k话音信道,长度范围40 – 160 km
光纤用户环路
提供话音，数据，图像，视频等服务
LANs
容量100 Mbps – 10G bps
原理：光束被反射并沿光纤向前传播
传输特性：
光纤系统的频率操作范围10^14到 10^15 Hz 之间
光的折射和反射
从高密度媒质进入到低密度媒质的光线，随着入射角增大，折射角也增大，并逐渐远离垂直轴而靠近水平轴
入射角的变化使折射角增大到90度，折射光线完全成了沿媒质界面传播水平光线，此时的入射角称为临界角，或称全反射角
光线折射时会向折射率大的介质偏移
多模
多个角度发射
多条传播路径
分类
多模突变：外部介质折射率固定，内部光芯折射率也固定。内部光束成折线状前进
缺点：每条路径的长度不同导致传输时间不同，光脉冲最终被扩散
适合短距离传输
多模渐变：外部介质折射率固定，内部光芯折射率随半径增大减小。内部光束成螺旋状前进
中心较高的折射率使光速沿轴线前进的速度减慢。从而导致多条传输路径上的光束几乎同时到达
常用于局域网
单模
一个角度，一条传播路径，适合长距离传输
光源
发光二极管－Light Emitting Diode (LED)
价格便宜
工作温度范围较宽
寿命长
注入激光二极管－Injection Laser Diode (ILD)
效率更高
支持较高的数据率
光线可利用的带宽可达到THz数量级
1THz=10^12Hz
天线
无线传输的频率范围
无线电波区
30MHz to 1GHz，全向应用
微波频率
1GHz 到 40GHz，高方向性，点对点传输
红外线频谱
3 x 10^11 Hz到 2 x 10^14Hz，在特定区域完成点对点及多点应用
非导向媒体通过天线发送和接收实现
天线
发射电磁能量或者接收电磁能量的电导体或者电导体系统
概念
各向同性天线
均等的向所有方向发射能量
抛物面反射天线
天线增益
抛物面反射天线
天线增益
天线在特定方向上的输出功率与全向天线在任意方向上产生的功率之比
P90，公式4.1
地面微波
地面微波使用抛物面碟状天线将电磁波聚集成细波束
应用
长途电信服务：如话音和电视
视距内传输，所需放大器或转发器比同轴电缆少
点对点短距离，建筑物间，用于闭路电视和局域网
蜂窝系统（14章介绍）
频谱范围在1 – 40 GHz: 频率越高，带宽越宽，数据率越高，但是衰减也越大
微波传输的主要损耗
衰减
损耗公式：
频率越高，距离越大，衰减越大
频率越高，使用天线越小，价格越低
卫星微波
通信卫星
微波接力站
从一个频段接收信号，放大或再生，再从另一个频段发送信号
卫星要求相对于地球的位置是恒定的
高度 35,863km
应用
电视广播，长途电话传输，专用商业网络（VSAT），全球定位
最佳频率范围为1 到10 GHz
从地球站发送到接收有0.25秒的传输时延
卫星通信的本质是广播形式的，所以卫星微波天生就是广播工具
GPS 原理简介
（GPS卫星星座由27颗卫星组成，其中24颗为工作卫星，3颗为备用卫星。
卫星分布保证在全球任何地点、任何时刻至少可以观测到4颗卫星。）
卫星i的坐标为（xi,yi,zi）
接收器的坐标为（x,y,z）
卫星发射时间为ti，接收器接收到信号的时间为tr,时间误差为b；
则满足公式：
若同时与四颗或更多的卫星进行测量，则可知道精确位置
广播无线电
全向性
应用
广播FM 频段
UHF频段和 VHF频段 电视广播
数据网络应用
传输特性
30 MHz 到 1 GHz 是广播通信的有效频段
高于30MHz的传输范围局限于视距范围
无线电损伤的主要来源
衰减 （与微波一样）
多径干扰
地面，水域自然界或人造物体的反射
红外线
发送/接收器调制不相干的红外线光实现通信
视距范围直接传输或反射
无法穿透墙体，比较安全，不受干扰
不存在频率分配问题
4.3 无线传播
根据信号传播路径分为(P95 表4.7)：
地波传播 低于2MHz
天波传播 2M-30MHz
视距传播 30MHz以上
视距传输
光学视距与无线电视距 P98 图4.9
光学视距 （天线与地平线之间的距离）
无线电视距
两个视距通信的天线之间的最大距离为：两个天线的无线电视距之和
4.4 视距传输
特有的损伤类型
自由空间损耗
离发送天线越远，信号扩散带来的衰减使接收到的信号功率越弱
大气吸收
主要来自水蒸气和氧气
雨和雾引起的散射导致衰减
多径
信号被障碍物反射沿多条路径传播，如通过水域时，风使水的反射面运动，导致多径传播
折射
大气层的折射，海拔高度变化或其他大气层状态变化
本章小结
物理传输媒体
导向媒体 (双绞线，同轴电缆，光纤)
非导向媒体 （地面微波，卫星微波，广播无线电，红外线）
工作频段
物理性质
传输特性
无线传播方式
地波传播，天波传播，视距传播
视距传输 （损伤）
本章思考题
1. 常用的导向媒体有哪几种？
双绞线，同轴电缆，光纤
2. 光纤传输模式有哪几种？
单模，多模。区别在于是否一个角度发射，是否一条传播路径传输。
3. 无线传播有几种方式？它们分别是？
地波传播，天波传播，视距传播