1、第二部分 数据通信,第四章 传输媒体,宋娟 软件学院,2,内容概要,导向媒体 双绞线 同轴电缆 光纤 非导向媒体 天线 地面微波 卫星微波 广播无线电 红外线,3,内容概要,无线电信号的传播方式 地波传播 天波传播 视距传播 视距传播中受到的损伤,4,内容概要,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,5,设计因素,带宽Bandwidth 高带宽高数据率 传输损伤Transm
2、ission impairments 损伤限制传输距离 干扰Interference 接收器数量Number of receivers 导向媒体中，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,6,不同传输媒体的工作范围,7,导向传输媒体双绞线,双绞线有两根彼此绝缘的铜线组成，这两根铜线按照规则的螺线状搅合在一起。 将线对绞合起来是为了减轻同一根电缆内的相邻线对之间的串音干扰。同一捆电缆中的线对通常具有不同的绞距。,8,双绞线应用,最便宜、最常用的传输媒体 电话网 楼层与本地电话交换局连接形成“用户环路” 在一栋办公楼内 连接到专用小交换机 (P
3、BX) 对于局域网 (LAN) 数据率达到10Mbps 或 100Mbps,9,双绞线传输特性,传输距离受到限制 模拟传输 每5千米到6千米用一个放大器 数字传输 每2千米到3千米用一个转发器 双绞线的衰减随频率的增高迅速增加 容易与电磁场耦合，非常容易受到干扰和噪声的影响，比如容易受到交流电的影响 容易受到冲激噪声的影响,10,减轻损伤的措施 用金属网罩或护皮将缆线屏蔽减少干扰 将线对绞合起来减轻低频干扰 相邻线对使用不同的绞距减轻串扰噪声,双绞线传输特性,11,无屏蔽和屏蔽双绞线,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
4、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,12,无屏蔽双绞线种类EIA-568-A标准,3类 传输特性可达 16MHz 话音级电缆在大多数办公楼存在 每绞长度有 7.5 cm 到 10 cm 4类 传输特性可达 20 MHz 5类 传输特性可达 100MHz 数据级电缆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,13,不同双绞线性能对比,近端串扰：近端是指耦合发生在被传输的信号进入链路时被同一 端接收导体耦合返回，换句话说就是近端发送的信号
5、被近端接收 线收到。,14,导向传输媒体双绞线,四对UTP（非屏蔽双绞线）电缆，24AWG实心裸铜线，聚烯烃绝缘，带撕裂绳，柔性PVC护套。护套每两英尺有一个标志.,六类双屏蔽双绞线 本品符合UL444、TIA/EIA 568B、ETL及3P标准；频宽CAT.5E达100MHzCAT.6可达250 MHz；可支持多种布局结构和多种传输媒体，如：话音、数字、电文、图像、视像通信等局域网络环境。因其具有屏蔽层，所以一般用于有强电磁干扰场合，电缆能传输更高的数字速率，屏蔽效果好于STP。,五类4对室外阻水非屏蔽双绞线 满足或优于现行的五类传输标准，适用于室外的水平布线或设备端接，连接绝缘一致性，提供
6、非常低的传输延时，外径尺寸小，减少安装中的电缆扭曲。,15,导向传输媒体同轴电缆,由两根导线构成，由一根空心外导 体和内部导线构成；两根导线中间填 充着绝缘物质；直径约为12.5cm； 几根同轴电缆往往套在一个大的保护 套内，其中还装入双绞线来传输控制 信号； 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,16,同轴电缆应用,用途最多的传输媒体 电视广播Television distribution 有线电视Cable TV 长途电话传输能同时负载 10,000 个语音信道 正在逐渐被光纤代替 计算机系统之间的短距离连接 在计算机系统之间提供高速I/O通道 局域网,17,同轴电缆传
7、输特性,同轴电缆是屏蔽的，同轴结构的，因此不那么容易受干扰或串扰的影响，主要限制来自于衰减、热噪声和互调噪声； 频率特性优于双绞线； 模拟信号 每隔几千米使用一个放大器 频率越高间隔越近 有效频谱可延伸至 500MHz 数字信号 每千米使用一个转发器 数据率越高间隔越密,18,19,导向传输媒体光纤,光纤是一种纤细（2-125m），柔韧并能够传导光线的媒体，将电信号进行光调制，通过光线在光纤中传播来传输信号。 前香港中文大学校长高锟和George A. Hockham首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。 有多种玻璃和塑料可用于制造光纤，使用超高纯光纤可得到
8、最低损耗，但是制造工艺复杂；可以采用经济的多成分玻璃光纤或塑料光纤；,20,导向传输媒体光纤,纤芯由一个或多个非常纤细的光纤 纤维组成，每根纤维由玻璃或塑料制 成。每根纤维由自己的覆层包裹，芯 与覆层之间的界面作为反射器防止光 线从芯中逃逸。最外层是保护罩对芯 进行保护多数光纤在使用前必须由几层保护 结构包覆，包覆后的缆线即被称为 光缆。光纤外层的保护结构可防止 周围环境对光纤的伤害，如水、火、 电击等。,21,光纤优势,容量更大 以数百吉bps的数据率传输 体积更小，重量更轻 更细，更轻，便于布线 衰减更小 隔绝电磁场 不怕冲激噪声和串扰之类的干扰 不辐射能量，不会对其他信号造成干扰 更安全
9、，很难被人搭线窃听 转发器的间隔更远 更低的费用,22,光纤应用,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 Voice, text, image, and video data LANs 容量100 Mbps 1G bps,23,光纤传输特性,光纤通过对光束全反射进行传输 全反射条件 光密介质向光疏介质传输 入射角大于临界角 光纤系统的频谱范围宽，频率操作范围1014到 1015 Hz 间，范围覆盖了红外线区和可见光区的频谱 光纤有三种传输
10、模式：多模突变、单模传输和多模渐变,24,光纤传输特性,多模突变折射率基本上是平均不变，而只有在包层表面上才会突然降低，发生全反射。 入射角度平缓的光束被反射并沿着纤维向前传播，其他射线被周围的物质吸收。 有多个角度可以发生反射，存在多条传播路径，而每条路径长度不同，因此时间也不同。 光脉冲最终会被扩散，限制了数据传输速率。 适合短距离传输。,25,光纤传输特性,多模突变,26,光纤传输特性,单模传输 如果芯纤维的半径减小，发射角度也会变少。如果将芯半径减小到波长的数量级，则仅有一个角度（模）能够传输，这就是轴线光束。 单模传播只存在一条传播路径，不存在多模传播产生的失真，传输质量最好 适合于
11、远距离传输，电话、电视,27,多模渐变,芯的折射率于芯的外围最小而逐渐向中心点不断增加，从而减少讯号的模式色散；中心较高的折射率使得光束沿轴线前进速度比靠近覆层的光束慢，这样所有角度的光束都可以比较同时的到达接收端； 光束因为渐变的折射率呈螺旋状； 常用于局域网传输,28,光纤传输特性,多模渐变,29,光纤传输特性,光源 - 发光二极管Light Emitting Diode (LED) 比较便宜 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,30,光纤传输特性,大多数本地应用采用850nm的发光二极管作为光源。价格便
12、宜，数据率限制在100Mbps以下，传输距离也只有几千米。 要达到更高的数据率和更高的传输距离，需要采用1300nm的发光二极管或激光器作为光源。 使用1500nm的激光器可达到最高的数据率和最长的传输距离。,31,32,无线传输,频率范围 微波频率 1GHz 到 40GHz，高方向性，点对点传输，可用于卫星通信 无线电波区 30MHz to 1GHz，全向应用，可用于广播 红外线频谱 0.3GHz 到 2 00GHz，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,33,天线,天线：变换器，用来发射电磁能量或收集电磁能量的电导体或电导体系统。 发送端：发送器的电能量被转换为
13、电磁能量，并由天线发射到周围环境中 接收：碰撞天线的电磁能量被转换为电信号，输送到接收器 在双向通信中，同一个天线既用于发送也用于接收，只要这两个方向使用的频率相同。但是一端不能同时收发一个频率,34,各向同性天线：理想化的天线，均等的向所有方向发射能量，发射曲线是以天线为中心的圆。 抛物面反射天线：天线位于抛物面的焦点。天线发出的电磁能量经过抛物面发射，发射出去的能量将平行于抛物面的轴线；如果收到的能量波平行于反射抛物面的轴线，得到的信号将聚焦在位于焦点的天线上。 天线直径越大，线束的方向性越强。,35,36,天线增益,天线增益：对天线方向性的度量。该天线在特定方向上的输出功率与由完美的全向
14、天线在任意方向上产生的功率之比。 例：若天线增益为3dB，表明它的输出功率比各向同性天线在该方向的输出功率高3dB。 在某个方向上输出功率增强了，代价是在其他方向上输出功率减小了。 注意：天线增益并不是输出功率和输入功率的比较，而是指它的方向性增强了！,37,天线增益,有效面积：天线真正辐射电磁能量的面积。天线的有效面积和天线的物理大小以及形状有关。 天线增益和天线的有效面积有关。对于各向同性天线，G=1，有效面积为 . 对于抛物面天线，表面面积为A，有效面积为0.56A,38,例4.2 有一个抛物天线的直径为2m，工作频率为12GHz，它的有效面积为 。求它的天线增益为,39,地面微波,抛物
15、面“碟状”天线 最常见微波天线 电磁波聚集成细波束实现视距传输 微波天线通常安放在高出地面很多的位置上 延长天线与天线之间的距离 越过天线之间的障碍物 为了实现长距离传输，需要一组微波中继站,40,地面微波,应用 长途电信服务：如话音和电视，可替代同轴电缆和光纤 视距内传输，所需放大器或转发器比同轴电缆少 建筑物之间点对点的短距离传输：用于闭路电视和局域网 无线移动蜂窝系统,41,地面微波,传输特性 频谱覆盖范围广，从1GHz-40GHz。是用的频率越高，带宽就越宽，可达数据率也就越高,42,地面微波-传输特性,微波传输的损耗主要来自于衰减微波的损耗以距离的平方值变化，同双绞线、同轴电缆（以距
16、离的指数值变化）相比，同样距离，损耗更小。因此在微波系统中转发器或放大器之间的距离可以相距很远（10-100km）。下雨天衰减会增大，尤其是对高于10GHz的频段另一个损伤是由于干扰，应用设备越来越多，传输区域重叠，干扰越来越严重。,43,地面微波传输特性,长途电信系统最常用的频段4-6GHz； 越来越拥挤，开始使用11GHz； 有线电视系统12GHz; 近距离点对点连接，22GHz； 频率越高衰减越大，所以高频率不适用于远距离传输，适用于近距离传输； 频率越高，使用的天线越小，价格越便宜,44,卫星微波,微波接力站 卫星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 卫星通信两种配置
17、方式,点到点的连接,多点广播,45,卫星微波,卫星要求相对于地球的位置是恒定的，保持所有的地球站在自己的可视范围内； 必须采用同步卫星，和地球具有相同的自转周期。高度 35,863km可以实现周期匹配,46,卫星微波,最常用的频率范围为1 到10 GHz，为了满足更多的需求，也是用12/14GHz 如果两个使用相同频带的卫星离得很近，会互相干扰。标准规定4/6GHz的间隔不小于4。，12/14GHz的间隔不小于3。 从地球站发送到接收有0.25秒的传输时延 传播范围广，天生就是广播工具,47,卫星微波应用,电视广播 长途电话传输 专用商业网络 全球定位GPS,48,卫星微波应用,电视广播 卫星
18、非常适用于广播，全世界的电视广播系统大量采用了卫星通信手段。 节目被发送到卫星上，从卫星向下传播到各个电视台，电视台通过同轴电缆等将节目传给观众 直播卫星:随着费用的降低和接收天线尺寸的缩小，卫星直接发送到用户家庭,49,卫星微波应用,长途电话传输 主要用于国际电话交换局的干线的远距离传输 仍然受到光纤通信的威胁 专用商业网络 将总传输容量划分为许多信道，将某些信道出租给私人商户。 利用卫星信道建立专用网络 花费大，仅限于设备众多的大型机构,50,51,卫星微波应用,Navstar全球定位系统（GPS）：由三部分组成： 一个卫星星座（27颗卫星），轨道距地表2万公里，传输信号有两个频率范围 一
19、个控制部分，通过地面监控站和卫星上传设施维护GPS 用户接收器，包括军用和民用设备，手机，导航仪,52,卫星微波应用,GPS如何实现定位？ 每个卫星发送导航报文，用0,1组成的数字编码序列，并由原子钟精确定时； 导航报文被用户接收器接收，与接收器产生的同一导航报文匹配； 通过匹配判断信号从卫星到接收器所化时间，并换算成距离； 如果同时测量与多颗卫星的距离，并且知道卫星的精确位置，就可以判断出自己所处位置的经纬度和高度,53,卫星通信传输特性,卫星传输的最佳频率范围为1-10（GHz），低于1GHz，容易受到各种宇宙噪声的影响和各种电子设备的人为干扰；高于10GHz，由于大气层和雨水影响，信号严
20、重衰减； 大多数采用4/6GHz频段，上行频率在5.925GHz-6.425GHz，下行在3.7GHz-4.2GHz之间。无法用同样的频率同时发送和接收，因此必须采用不同的上下行的频率。 除了4/6GHz频段外，还采用12/14GHz和20/30GHz频段，但是必须要克服衰减问题。,54,广播无线电,全方向性的，不需要用碟状天线，无需固定 应用 广播FM 频段 UHF频段和 VHF频段 电视广播 数据网络应用,55,广播无线电-传输特性,30 MHz 到 1 GHz 广播通信的有效频段 电离层对其是透明的，因此高于30MHz的传输范围局限于视距范围，采用视距传输 下雨对无线电衰减影响不大,56
21、,广播无线电-传输特性,无线电的衰减公式波长较长，因此衰减相对较少。 容易受到多径干扰。,57,红外线,红外线 波长范围为0.70m1mm，略长于可见光 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 遇到不透光的物体会反射，无法穿透墙体，比较安全，不受干扰 利用光传输，不占用无线频道资源 大气对红外线辐射传输的影响主要是吸收和散射。 主要用于辅助通信、室内通信、近距离遥控等,58,无线电的传播路径,地波传播 天波传播 视距传播,59,60,地波传播,当发射点和接收点都在地面上，且天线高度比工作波长短得多时，无线电波在两点间沿着地面传播的模式。,61,地波传播,大于在2MHz
22、以下的频率都沿着地波传播； 沿着地表曲面传播原因： 靠近地面的波阵面速度变慢，致使波阵面向下倾斜； 由衍射引起，与电磁波遇到障碍物时的反应有关。 无法穿透大气层 地波传播的例子：AM广播,62,天波传播,面发射的频率为30300千赫的无线电波,经电离层反射再回到地面的传播方式。 传播距离可达几千公里。 主要用于国际广播电台BBC，VOA等,63,视距传播（LOS）,高于30MHz的电磁波，不会被电离层反射，无法用地波或天波传播模式； 视距传播是指在发射天线和接受天线间能相互“看见”的距离内，电波直接从发射点传播到接收点（一般要包括地面的反射波）的一种传播方式 ； 视距传播的距离一般为2050K
23、m。,64,视距传播（LOS）-应用,第一类是指地面上的视距传播，例如无线电中继通信、电视广播以及地面上移动通信等； 第二类是指地面与空中目标如飞机、通信卫星之间的视距传播； 第三类是指空间通信系统之间的视距通信，如飞机之间、宇宙飞行器之间等,65,无线视距传输的损伤,自由空间损耗 离发送天线越远，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,66,无线视距传输的损伤,自由空间损耗 由于电磁波信号随着传输距离的增加，扩散面
24、积越来越大，称为自由空间损耗 表示为发射功率pt与接收功率pr的比值。 对于全向天线来说，自由空间损耗L,67,自由空间损耗,对于其他类型的天线，必须考虑天线增益对于全向天线，损耗随频率的增高而增高，而对于定向天线，频率越低，损耗越大，这是为什么？ 天线增益在补偿这个不断增加的损耗！,68,自由空间损耗,例4.4 判断在4GHz的频率上，地球同步卫星（35863Km）最短路径上的全向空间损耗是多少？若考虑卫星和基地天线增益分别为44dB和48dB，自由空间损耗又是多少？若地球站的发送功率为250W（24dBW），那么卫星天线接收到的功率又是多少？,69,大气吸收,大气分子对电磁波能量的吸收 。在微波和毫米波段，氧和水汽是大气气体吸收的主要成分。 水蒸气的影响出现的衰减峰值在22 GHZ附近； 氧气的影响出现的衰减峰值在60Hz； 在降水频繁的地区，应该使用较低的 频率或采用较短的传输距离,70,多径干扰,由于地面、水域、建筑等对电磁波的反射，造成天线之间有多条传输路径，接收天线会收到信号的多个具有不同时延的副本。,
