网络的传输介质

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传输介质是数据传输系统中发送设备和接收设备之间的物理路径。计算机以及其他通信设备需要依靠传输介质,将这些信号从一台设备传输到另一台设备。传输介质主要分为有线介质和无线介质。常用的网络传输介质包括双绞线、同轴电缆、光纤和无线介质等。随着网络技术的发展,网络传输介质也由开始又粗又重的同轴电缆发展到现在所使用的光缆、红外线、无线电波等其他高效率、高可靠性的传输介质。

双绞线(Twisted Pair)

双绞线是将两条绝缘铜线螺旋形地绞在一起制成的数据传输线。现在常用的双绞线一般都未加屏蔽层,图1即为非屏蔽双绞线的结构示意图,它的抗干扰性能是靠制造工艺上的严格对称性来保证的。屏蔽双绞线采用金属作屏蔽,可减少干扰。

双绞线既可传输模拟信号,又可传输数字信号。其优点是价格低廉,施工方便。缺点是对干扰和噪声较脆弱,信号传输衰减受频率的影响较大,所以传输距离不能太长,需使用中继器对信号进行再生放大。双绞线适合用于楼寓内的局域网联接,可支持10/100/1000Mbps以太网。
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图1 非屏蔽双绞线结构示意图

同轴电缆(Coaxial Cable)

同轴电缆由四部分组成,中心为一根铜线(称内导体),铜线外面是绝缘介质,再外边是屏蔽层,屏蔽层由金属丝组成或金属箔裹成(称外导体),最外边是塑料保护层,如图2所示。同轴线制造中要严格保持内、外导体的同轴性和均匀性,以保证信号能往前走而不会被反射或丢失。

同轴电缆有一个重要参数叫“特性阻抗”,它是由内、外导体的有关尺寸所确定的,以太网络所用的(基带)同轴电缆特性阻抗为50欧姆,而电视天线所用的(宽带)同轴电缆其特性阻抗为75欧姆。
与双绞线相比,同轴电缆的频率特性好、抗干扰能力强,适用于各种局域网络的连接。然而,目前同轴电缆几乎已被双绞线和光纤所取代。但是有线电视网络仍使用同轴电缆。
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图2 同轴电缆结构示意图

光纤(Optical fiber)

光传输系统由光源、光纤和光敏元件三部分组成。光源是发光二极管LED(Light Emitting Diode)或激光二极管ILD(Injection Laser Diode),当电流通过时发出光脉冲。光敏元件(如光电二极管)是光的接收装置,遇到光时会产生电脉冲。由于传输是单向的,所以需要两根光纤,一根发送,一根接收。

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图3 光纤截面图                           图4 光信号在纤芯中的反射

光纤是一种能够传导光信号的极细的传输介质,由玻璃或塑料等物质材料做成。光纤的结构包括纤芯、覆层和保护层三部分,结构如图5-27所示。中心为一根纤芯(直径为几微米到几十微米的石英玻璃纤维),纤芯外面是玻璃或塑料覆层,光密度比纤芯部分低。由于纤芯的折射系数高于覆层的折射系数,因此可以形成光波在纤芯与覆层界面上的全反射,进行光传输,如图5-28所示。最外边是塑料保护层,起保护和提供光纤强度的作用,防止光纤受到弯曲、外拉、折断和温度等影响。

光纤优于双较线和同轴电缆的主要特点是:

①传输速率极高,或者说带宽很宽。目前已达几十至几百Gbps,即每秒数万至数十万兆位以上,其潜在带宽无法预测。

②传输距离长,可达数百公里。长距离传输需要的中继器数量少。

③抗干扰能力强,不受外部电磁场影响,也不向外辐射能量。适合在户外、在建筑物之间敷设使用。

④保密性好。铜线传输容易被窃听,而光纤则不易被窃听。

⑤成本低。光纤的制造成本很低,一根光缆里可放置数十根甚至数百根光纤,平均到每根光纤上特别是平均到单位带宽上其成本极其低廉。

由于以上优点,目前光纤正被广泛应用。现在存在的问题是,网络的主要设备,以及为了延长光纤通信距离而采用的光纤中继器(负责信号的放大、再生),仍然采用电子的方式工作,而光—电、电—光转换影响了传输性能,成为“瓶颈”,也增加了成本。正在研制中的“全光网络”如成功,将能克服这一缺点。

目前常用的光纤分为多模光纤(Mutimode)和单模光纤(Singlemode)两种,如图5所示。多模光纤直径较大,为62.5mm(微米),采用850nm (纳米)的较短波长的激光传送信息,其损耗较大,传输距离较短,仅为数百米至数公里,常用于局部网络中;单模光纤直径较小,为9mm,常采用1300nm的较长波长的激光传送信息,其损耗小,传输距离长,可达数十公里,邮电等通信部门长距离通信常使用单模光纤。
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图5 光在光纤内的传播

无线介质

有线传输并不是在任何场合都是可行的。例如,当通信线路要通过一些高山、岛屿或海洋时,施工就很难进行。再如在城市中挖马路,打通现有混泥土墙铺设电缆也不容易。利用无线介质在空中的传输可以解决上述问题。无线通信技术包括微波通信、短波通信、卫星通信、红外线等。

微波通信

微波通信是在对流层视距离范围内利用无线电波进行传输的一种通信方式,它的频率为1GHz至20GHz。因为微波的频率极高,波长又很短,其在空中的传播特性与光波相近,也就是直线前进,遇到阻挡就被反射或被阻断,因此微波通信的主要方式是视距通信,超过视距以后需要中继转发。受地形和天线高度的限制,两个微波站之间的通信距离一般为30~50km。长途通信时必须建立多个中继站,如图6所示,A到D之间不能直接通信,必须通过C和D才能将信号传送到D。中继站的功能是变频和放大,进行功率补偿,然后逐站将信息传送下去。
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图6 用作中继器的微波塔

微波通信由于其频带宽、容量大、可以用于各种电信业务传送,如电话、电报、数据、传真以及彩色电视等均可通过微波电路传输。微波通信具有良好的抗灾性能,对水灾、风灾以及地震等自然灾害,微波通信一般都不受影响。但微波经空中传送,易受干扰,在同一微波电路上不能使用相同频率于同一方向,因此微波电路必须在无线电管理部门的严格管理之下进行建设。此外由于微波直线传播的特性,在电波波束方向上,不能有高楼阻挡,因此城市规划部门要考虑城市空间微波通道的规划,使之不受高楼的阻隔而影响通信。

短波通信

短波通信是利用地面发射的无线电波在电离层反射,或电离层与地面之间多次反射而达到接收点的一种远距离通信方式,如图7所示。

它的工作频率范围为3~30MHz。电离层的高度为数十到数百公里,分为多个不同的层次,而且随着季节、昼夜以及太阳活动等情况不断变化,所以电离层的不稳定是造成短波通信质量不稳定的主要因素。同时由于短波通信可能存在多条传播途径,各途径的时延不等,从而会产生多径效应以及衰落现象。加之它的工作频段窄,通信量小,所以窄数据通信中很少使用。但是短波通信的突出优点是投资少,建设快,通信距离远,因而在军事通信以及移动通信方面仍有实用价值。
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图7 短波通信

卫星通信

卫星通信就是利用空间3600km高空的同步卫星作为微波中转站,进行远距离传输。卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成,如图8所示。卫星在空中起中继站的作用,即把地球站发上来的电磁波放大后再返送回另一地球站。地球站则是卫星系统与地面公众网的接口,地面用户通过地球站出入卫星系统形成链路。由于静止卫星在赤道上空3600Km,它绕地球一周时间恰好与地球自转一周(23小时56分4秒)一致,从地面看上去如同静止不动一般。三颗相距120度的卫星就能覆盖整个赤道圆周。故卫星通信易于实现越洋和洲际通信。最适合卫星通信的频率是1-10GHZ频段,即微波频段。为了满足越来越多的需求,已开始研究应用新的频段,如12GHZ,14GHZ,20GHZ及30GHZ。

利用地球同步卫星通信最突出的优点是具有广播多址传输功能、覆盖面积大、传输距离远,并且数据传输成本不随着传输距离的增加而增加,适用于广域网络的远程传输。但是,卫星成本高,传输延迟较长,而且安全问题较突出。
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图8 卫星通信

红外线传输通信

红外线是较新采用的无线传输介质。红外传输系统利用墙壁或屋顶反射红外线而形成整个房间内的通信系统。这种系统常常用于室内家用电器的遥控技术上,特别是在电视、音响的遥控上得到普遍的使用。红外通信的设备相对便宜,但是这种方式的缺点是传输距离有限,容易受到室内空气状况的影响。