通信技術(shù)基礎(chǔ)第4章

1、第二部分 數(shù)據(jù)通信,第四章 傳輸媒體,宋娟 軟件學(xué)院,2,內(nèi)容概要,導(dǎo)向媒體 雙絞線 同軸電纜 光纖 非導(dǎo)向媒體 天線 地面微波 衛(wèi)星微波 廣播無線電 紅外線,3,內(nèi)容概要,無線電信號的傳播方式 地波傳播 天波傳播 視距傳播 視距傳播中受到的損傷,4,內(nèi)容概要,傳輸媒體是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中發(fā)送器和接收器之間的物理通道 數(shù)據(jù)通信的特點和通信質(zhì)量取決于傳輸媒體的性質(zhì)以及傳輸信號特點 導(dǎo)向媒體，主要取決媒體自身的性質(zhì) 非導(dǎo)向媒體，主要是發(fā)送天線生成的信號帶寬 設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要考慮數(shù)據(jù)率和傳輸距離 數(shù)據(jù)率越大，傳輸距離越遠越好,5,設(shè)計因素,帶寬Bandwidth 高帶寬高數(shù)據(jù)率 傳輸損傷Transm

2、ission impairments 損傷限制傳輸距離 干擾Interference 接收器數(shù)量Number of receivers 導(dǎo)向媒體中，構(gòu)成點對點或者多個設(shè)備相連的鏈路 多個設(shè)備相連共享中會有衰減和失真并限制傳輸距離和/或數(shù)據(jù)率,6,不同傳輸媒體的工作范圍,7,導(dǎo)向傳輸媒體雙絞線,雙絞線有兩根彼此絕緣的銅線組成，這兩根銅線按照規(guī)則的螺線狀攪合在一起。 將線對絞合起來是為了減輕同一根電纜內(nèi)的相鄰線對之間的串音干擾。 同一捆電纜中的線對通常具 有不同的絞距。,8,雙絞線應(yīng)用,最便宜、最常用的傳輸媒體 電話網(wǎng) 樓層與本地電話交換局連接形成“用戶環(huán)路” 在一棟辦公樓內(nèi) 連接到專用小交換機

3、(PBX) 對于局域網(wǎng) (LAN) 數(shù)據(jù)率達到10Mbps 或 100Mbps,9,雙絞線傳輸特性,傳輸距離受到限制 模擬傳輸 每5千米到6千米用一個放大器 數(shù)字傳輸 每2千米到3千米用一個轉(zhuǎn)發(fā)器 雙絞線的衰減隨頻率的增高迅速增加 容易與電磁場耦合，非常容易受到干擾和噪聲的影響，比如容易受到交流電的影響 容易受到?jīng)_激噪聲的影響,10,減輕損傷的措施 用金屬網(wǎng)罩或護皮將纜線屏蔽減少干擾 將線對絞合起來減輕低頻干擾 相鄰線對使用不同的絞距減輕串擾噪聲,雙絞線傳輸特性,11,無屏蔽和屏蔽雙絞線,無屏蔽雙絞線Unshielded Twisted Pair (UTP) 普通的電話線 最便宜 使用方便，安

4、裝簡單 受外部電磁場干擾 屏蔽雙絞線Shielded Twisted Pair (STP) 用金屬網(wǎng)罩或護皮以減少干擾 在高數(shù)據(jù)率的情況下，性能更好 價格貴 使用不方便,12,無屏蔽雙絞線種類EIA-568-A標準,3類 傳輸特性可達 16MHz 話音級電纜在大多數(shù)辦公樓存在 每絞長度有 7.5 cm 到 10 cm 4類 傳輸特性可達 20 MHz 5類 傳輸特性可達 100MHz 數(shù)據(jù)級電纜通常在新建的辦公樓都預(yù)先鋪設(shè) 每絞長度有 0.6 cm 到 0.85 cm,13,不同雙絞線性能對比,近端串擾：近端是指耦合發(fā)生在被傳輸?shù)男盘栠M入鏈路時被同一 端接收導(dǎo)體耦合返回，換句話說就是近端發(fā)送的

5、信號被近端接收 線收到。,14,導(dǎo)向傳輸媒體雙絞線,四對UTP（非屏蔽雙絞線）電纜，24AWG實心裸銅線，聚烯烴絕緣，帶撕裂繩，柔性PVC護套。護套每兩英尺有一個標志.,六類雙屏蔽雙絞線本品符合UL444、TIA/EIA568B、ETL及3P標準；頻寬CAT.5E達100MHzCAT.6可達250MHz；可支持多種布局結(jié)構(gòu)和多種傳輸媒體，如：話音、數(shù)字、電文、圖像、視像通信等局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。因其具有屏蔽層，所以一般用于有強電磁干擾場合，電纜能傳輸更高的數(shù)字速率，屏蔽效果好于STP。,五類4對室外阻水非屏蔽雙絞線滿足或優(yōu)于現(xiàn)行的五類傳輸標準，適用于室外的水平布線或設(shè)備端接，連接絕緣一致性，提供非常

6、低的傳輸延時，外徑尺寸小，減少安裝中的電纜扭曲。,15,導(dǎo)向傳輸媒體同軸電纜,由兩根導(dǎo)線構(gòu)成，由一根空心外導(dǎo) 體和內(nèi)部導(dǎo)線構(gòu)成；兩根導(dǎo)線中間填 充著絕緣物質(zhì)；直徑約為12.5cm； 幾根同軸電纜往往套在一個大的保護 套內(nèi)，其中還裝入雙絞線來傳輸控制 信號； 比雙絞線更不容易受到串擾和干擾 傳輸距離更長，數(shù)據(jù)率更高,16,同軸電纜應(yīng)用,用途最多的傳輸媒體 電視廣播Television distribution 有線電視Cable TV 長途電話傳輸能同時負載 10,000 個語音信道 正在逐漸被光纖代替 計算機系統(tǒng)之間的短距離連接 在計算機系統(tǒng)之間提供高速I/O通道 局域網(wǎng),17,同軸電纜傳輸特

7、性,同軸電纜是屏蔽的，同軸結(jié)構(gòu)的，因此不那么容易受干擾或串擾的影響，主要限制來自于衰減、熱噪聲和互調(diào)噪聲； 頻率特性優(yōu)于雙絞線； 模擬信號 每隔幾千米使用一個放大器 頻率越高間隔越近 有效頻譜可延伸至 500MHz 數(shù)字信號 每千米使用一個轉(zhuǎn)發(fā)器 數(shù)據(jù)率越高間隔越密,18,19,導(dǎo)向傳輸媒體光纖,光纖是一種纖細（2-125m），柔韌并能夠傳導(dǎo)光線的媒體，將電信號進行光調(diào)制，通過光線在光纖中傳播來傳輸信號。 前香港中文大學(xué)校長高錕和George A. Hockham首先提出光纖可以用于通訊傳輸?shù)脑O(shè)想，高錕因此獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎。 有多種玻璃和塑料可用于制造光纖，使用超高純光纖可得到最低

8、損耗，但是制造工藝復(fù)雜；可以采用經(jīng)濟的多成分玻璃光纖或塑料光纖；,20,導(dǎo)向傳輸媒體光纖,纖芯由一個或多個非常纖細的光纖 纖維組成，每根纖維由玻璃或塑料制 成。每根纖維由自己的覆層包裹，芯 與覆層之間的界面作為反射器防止光 線從芯中逃逸。最外層是保護罩對芯 進行保護 多數(shù)光纖在使用前必須由幾層保護 結(jié)構(gòu)包覆，包覆后的纜線即被稱為 光纜。光纖外層的保護結(jié)構(gòu)可防止 周圍環(huán)境對光纖的傷害，如水、火、 電擊等。,21,光纖優(yōu)勢,容量更大 以數(shù)百吉bps的數(shù)據(jù)率傳輸 體積更小，重量更輕 更細，更輕，便于布線 衰減更小 隔絕電磁場 不怕沖激噪聲和串擾之類的干擾 不輻射能量，不會對其他信號造成干擾 更安全，

9、很難被人搭線竊聽 轉(zhuǎn)發(fā)器的間隔更遠 更低的費用,22,光纖應(yīng)用,長途線路 電話網(wǎng), 20k 60k 話音信道, 平均長度1500 km 市區(qū)中繼電路 100k話音信道,平均長度12 km 農(nóng)用交換干線電路 5k話音信道,長度范圍40 160 km 光纖用戶環(huán)路 Voice, text, image, and video data LANs 容量100 Mbps 1G bps,23,光纖傳輸特性,光纖通過對光束全反射進行傳輸 全反射條件 光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)傳輸 入射角大于臨界角 光纖系統(tǒng)的頻譜范圍寬，頻率操作范圍1014到 1015 Hz 間，范圍覆蓋了紅外線區(qū)和可見光區(qū)的頻譜 光纖有三種傳輸模

10、式：多模突變、單模傳輸和多模漸變,24,光纖傳輸特性,多模突變 折射率基本上是平均不變，而只有在包層表面上才會突然降低，發(fā)生全反射。 入射角度平緩的光束被反射并沿著纖維向前傳播，其他射線被周圍的物質(zhì)吸收。 有多個角度可以發(fā)生反射，存在多條傳播路徑，而每條路徑長度不同，因此時間也不同。 光脈沖最終會被擴散，限制了數(shù)據(jù)傳輸速率。 適合短距離傳輸。,25,光纖傳輸特性,多模突變,26,光纖傳輸特性,單模傳輸 如果芯纖維的半徑減小，發(fā)射角度也會變少。如果將芯半徑減小到波長的數(shù)量級，則僅有一個角度（模）能夠傳輸，這就是軸線光束。 單模傳播只存在一條傳播路徑，不存在多模傳播產(chǎn)生的失真，傳輸質(zhì)量最好 適合于

11、遠距離傳輸，電話、電視,27,多模漸變,芯的折射率于芯的外圍最小而逐漸向中心點不斷增加，從而減少訊號的模式色散； 中心較高的折射率使得光束沿軸線前進速度比靠近覆層的光束慢，這樣所有角度的光束都可以比較同時的到達接收端； 光束因為漸變的折射率呈螺旋狀； 常用于局域網(wǎng)傳輸,28,光纖傳輸特性,多模漸變,29,光纖傳輸特性,光源 - 發(fā)光二極管Light Emitting Diode (LED) 比較便宜 工作溫度范圍較寬 壽命長 注入激光二極管Injection Laser Diode (ILD) 效率更高 支持較高的數(shù)據(jù)率,30,光纖傳輸特性,大多數(shù)本地應(yīng)用采用850nm的發(fā)光二極管作為光源。價

12、格便宜，數(shù)據(jù)率限制在100Mbps以下，傳輸距離也只有幾千米。 要達到更高的數(shù)據(jù)率和更高的傳輸距離，需要采用1300nm的發(fā)光二極管或激光器作為光源。 使用1500nm的激光器可達到最高的數(shù)據(jù)率和最長的傳輸距離。,31,32,無線傳輸,頻率范圍 微波頻率 1GHz 到 40GHz，高方向性，點對點傳輸，可用于衛(wèi)星通信 無線電波區(qū) 30MHz to 1GHz，全向應(yīng)用，可用于廣播 紅外線頻譜 0.3GHz 到 2 00GHz，在特定區(qū)域完成點對點及多點應(yīng)用 非導(dǎo)向媒體通過天線發(fā)送和接收實現(xiàn),33,天線,天線：變換器，用來發(fā)射電磁能量或收集電磁能量的電導(dǎo)體或電導(dǎo)體系統(tǒng)。 發(fā)送端：發(fā)送器的電能量被轉(zhuǎn)

13、換為電磁能量，并由天線發(fā)射到周圍環(huán)境中 接收：碰撞天線的電磁能量被轉(zhuǎn)換為電信號，輸送到接收器 在雙向通信中，同一個天線既用于發(fā)送也用于接收，只要這兩個方向使用的頻率相同。但是一端不能同時收發(fā)一個頻率,34,各向同性天線：理想化的天線，均等的向所有方向發(fā)射能量，發(fā)射曲線是以天線為中心的圓。 拋物面反射天線：天線位于拋物面的焦點。天線發(fā)出的電磁能量經(jīng)過拋物面發(fā)射，發(fā)射出去的能量將平行于拋物面的軸線；如果收到的能量波平行于反射拋物面的軸線，得到的信號將聚焦在位于焦點的天線上。 天線直徑越大，線束的方向性越強。,35,36,天線增益,天線增益：對天線方向性的度量。該天線在特定方向上的輸出功率與由完美的

14、全向天線在任意方向上產(chǎn)生的功率之比。 例：若天線增益為3dB，表明它的輸出功率比各向同性天線在該方向的輸出功率高3dB。 在某個方向上輸出功率增強了，代價是在其他方向上輸出功率減小了。 注意：天線增益并不是輸出功率和輸入功率的比較，而是指它的方向性增強了！,37,天線增益,有效面積：天線真正輻射電磁能量的面積。天線的有效面積和天線的物理大小以及形狀有關(guān)。 天線增益和天線的有效面積有關(guān)。 對于各向同性天線，G=1，有效面積為 . 對于拋物面天線，表面面積為A，有效面積為0.56A,38,例4.2 有一個拋物天線的直徑為2m，工作頻率為12GHz，它的有效面積為 。求它的天線增益為,39,地面微波

15、,拋物面“碟狀”天線 最常見微波天線 電磁波聚集成細波束實現(xiàn)視距傳輸 微波天線通常安放在高出地面很多的位置上 延長天線與天線之間的距離 越過天線之間的障礙物 為了實現(xiàn)長距離傳輸，需要一組微波中繼站,40,地面微波,應(yīng)用 長途電信服務(wù)：如話音和電視，可替代同軸電纜和光纖 視距內(nèi)傳輸，所需放大器或轉(zhuǎn)發(fā)器比同軸電纜少 建筑物之間點對點的短距離傳輸：用于閉路電視和局域網(wǎng) 無線移動蜂窩系統(tǒng),41,地面微波,傳輸特性 頻譜覆蓋范圍廣，從1GHz-40GHz。是用的頻率越高，帶寬就越寬，可達數(shù)據(jù)率也就越高,42,地面微波-傳輸特性,微波傳輸?shù)膿p耗主要來自于衰減 微波的損耗以距離的平方值變化，同雙絞線、同軸電

16、纜（以距離的指數(shù)值變化）相比，同樣距離，損耗更小。因此在微波系統(tǒng)中轉(zhuǎn)發(fā)器或放大器之間的距離可以相距很遠（10-100km）。 下雨天衰減會增大，尤其是對高于10GHz的頻段 另一個損傷是由于干擾，應(yīng)用設(shè)備越來越多，傳輸區(qū)域重疊，干擾越來越嚴重。,43,地面微波傳輸特性,長途電信系統(tǒng)最常用的頻段4-6GHz； 越來越擁擠，開始使用11GHz； 有線電視系統(tǒng)12GHz; 近距離點對點連接，22GHz； 頻率越高衰減越大，所以高頻率不適用于遠距離傳輸，適用于近距離傳輸； 頻率越高，使用的天線越小，價格越便宜,44,衛(wèi)星微波,微波接力站 衛(wèi)星從一個頻段接收信號，放大或再生，再從另一個頻段發(fā)送信號 衛(wèi)星

17、通信兩種配置方式,點到點的連接,多點廣播,45,衛(wèi)星微波,衛(wèi)星要求相對于地球的位置是恒定的，保持所有的地球站在自己的可視范圍內(nèi)； 必須采用同步衛(wèi)星，和地球具有相同的自轉(zhuǎn)周期。高度 35,863km可以實現(xiàn)周期匹配,46,衛(wèi)星微波,最常用的頻率范圍為1 到10 GHz，為了滿足更多的需求，也是用12/14GHz 如果兩個使用相同頻帶的衛(wèi)星離得很近，會互相干擾。標準規(guī)定4/6GHz的間隔不小于4。，12/14GHz的間隔不小于3。 從地球站發(fā)送到接收有0.25秒的傳輸時延 傳播范圍廣，天生就是廣播工具,47,衛(wèi)星微波應(yīng)用,電視廣播 長途電話傳輸 專用商業(yè)網(wǎng)絡(luò) 全球定位GPS,48,衛(wèi)星微波應(yīng)用,電

18、視廣播 衛(wèi)星非常適用于廣播，全世界的電視廣播系統(tǒng)大量采用了衛(wèi)星通信手段。 節(jié)目被發(fā)送到衛(wèi)星上，從衛(wèi)星向下傳播到各個電視臺，電視臺通過同軸電纜等將節(jié)目傳給觀眾 直播衛(wèi)星:隨著費用的降低和接收天線尺寸的縮小，衛(wèi)星直接發(fā)送到用戶家庭,49,衛(wèi)星微波應(yīng)用,長途電話傳輸 主要用于國際電話交換局的干線的遠距離傳輸 仍然受到光纖通信的威脅 專用商業(yè)網(wǎng)絡(luò) 將總傳輸容量劃分為許多信道，將某些信道出租給私人商戶。 利用衛(wèi)星信道建立專用網(wǎng)絡(luò) 花費大，僅限于設(shè)備眾多的大型機構(gòu),50,51,衛(wèi)星微波應(yīng)用,Navstar全球定位系統(tǒng)（GPS）：由三部分組成： 一個衛(wèi)星星座（27顆衛(wèi)星），軌道距地表2萬公里，傳輸信號有兩個

19、頻率范圍 一個控制部分，通過地面監(jiān)控站和衛(wèi)星上傳設(shè)施維護GPS 用戶接收器，包括軍用和民用設(shè)備，手機，導(dǎo)航儀,52,衛(wèi)星微波應(yīng)用,GPS如何實現(xiàn)定位？ 每個衛(wèi)星發(fā)送導(dǎo)航報文，用0,1組成的數(shù)字編碼序列，并由原子鐘精確定時； 導(dǎo)航報文被用戶接收器接收，與接收器產(chǎn)生的同一導(dǎo)航報文匹配； 通過匹配判斷信號從衛(wèi)星到接收器所化時間，并換算成距離； 如果同時測量與多顆衛(wèi)星的距離，并且知道衛(wèi)星的精確位置，就可以判斷出自己所處位置的經(jīng)緯度和高度,53,衛(wèi)星通信傳輸特性,衛(wèi)星傳輸?shù)淖罴杨l率范圍為1-10（GHz），低于1GHz，容易受到各種宇宙噪聲的影響和各種電子設(shè)備的人為干擾；高于10GHz，由于大氣層和雨水

20、影響，信號嚴重衰減； 大多數(shù)采用4/6GHz頻段，上行頻率在5.925GHz-6.425GHz，下行在3.7GHz-4.2GHz之間。無法用同樣的頻率同時發(fā)送和接收，因此必須采用不同的上下行的頻率。 除了4/6GHz頻段外，還采用12/14GHz和20/30GHz頻段，但是必須要克服衰減問題。,54,廣播無線電,全方向性的，不需要用碟狀天線，無需固定 應(yīng)用 廣播FM 頻段 UHF頻段和 VHF頻段 電視廣播 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,55,廣播無線電-傳輸特性,30 MHz 到 1 GHz 廣播通信的有效頻段 電離層對其是透明的，因此高于30MHz的傳輸范圍局限于視距范圍，采用視距傳輸 下雨對無線電衰減影

21、響不大,56,廣播無線電-傳輸特性,無線電的衰減公式 波長較長，因此衰減相對較少。 容易受到多徑干擾。,57,紅外線,紅外線 波長范圍為0.70m1mm，略長于可見光 發(fā)送/接收器調(diào)制不相干的紅外線光實現(xiàn)通信 視距范圍直接傳輸或反射 遇到不透光的物體會反射，無法穿透墻體，比較安全，不受干擾 利用光傳輸，不占用無線頻道資源 大氣對紅外線輻射傳輸?shù)挠绊懼饕俏蘸蜕⑸洹?主要用于輔助通信、室內(nèi)通信、近距離遙控等,58,無線電的傳播路徑,地波傳播 天波傳播 視距傳播,59,60,地波傳播,當發(fā)射點和接收點都在地面上，且天線高度比工作波長短得多時，無線電波在兩點間沿著地面?zhèn)鞑サ哪Ｊ健?61,地波傳播,

22、大于在2MHz以下的頻率都沿著地波傳播； 沿著地表曲面?zhèn)鞑ピ颍?靠近地面的波陣面速度變慢，致使波陣面向下傾斜； 由衍射引起，與電磁波遇到障礙物時的反應(yīng)有關(guān)。 無法穿透大氣層 地波傳播的例子：AM廣播,62,天波傳播,面發(fā)射的頻率為30300千赫的無線電波,經(jīng)電離層反射再回到地面的傳播方式。 傳播距離可達幾千公里。 主要用于國際廣播電臺BBC，VOA等,63,視距傳播（LOS）,高于30MHz的電磁波，不會被電離層反射，無法用地波或天波傳播模式； 視距傳播是指在發(fā)射天線和接受天線間能相互“看見”的距離內(nèi)，電波直接從發(fā)射點傳播到接收點（一般要包括地面的反射波）的一種傳播方式 ； 視距傳播的距離一般為2050Km。,64,視距傳播（LOS）-應(yīng)用,第一類是指地面上的