第二章传输介质.pptx
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1、2.1 传传 输输 介介 质质2.1.1 基本概念基本概念 (1)什么是传输介质 所谓传输介质,是指传输信号的物理通信线路。任何数据在实际传输时都会被转换成电信号或光信号的形式在传输介质中传输,数据能否成功传输则依赖于两个因素:被传输信号本身的质量和传输介质的特性。(2)什么是信道带宽 所谓信道,就是信号传输的通道;一般的通信系统包括了信源编码、信道编码、调制解调、物理信道;从信源编码到信源解码这一系列过程都可以认为是广广义信道义信道;狭义的信道狭义的信道仅仅指物理信道,即传输介质和媒介;物理信道的带宽由传输介质决定;广义信道带宽(即系统带宽,通信理论中通常所指的信道带宽)指进入物理信道前允许
2、的最大信号基带频谱宽度(最大信号带宽),这是由系统所决定的。(3 3)什么是信号带宽)什么是信号带宽 信号包含的频率成分的范围称为频谱,信号包含的频率成分的范围称为频谱,而信号的带宽就是频谱的绝对宽度。由于信而信号的带宽就是频谱的绝对宽度。由于信号所携带的能量并不是在其频谱上均匀分布号所携带的能量并不是在其频谱上均匀分布的,因此又引入了有效带宽的概念,它指包的,因此又引入了有效带宽的概念,它指包含信号主要能量的那一部分带宽。如不加说含信号主要能量的那一部分带宽。如不加说明,带宽通常均指有效带宽。明,带宽通常均指有效带宽。(4 4)什么是信道速率)什么是信道速率 传输速率和带宽的关系可以由香农传
3、输速率和带宽的关系可以由香农公式和公式和NyquistNyquist准则确定。准则确定。在通信理论研究中多用第一种解释,在通信理论研究中多用第一种解释,在计算机网络中信道带宽常常指传输速率在计算机网络中信道带宽常常指传输速率 。(5 5)传输介质的特性)传输介质的特性 物理特性:对传输介质物理结构的描述物理特性:对传输介质物理结构的描述 传输特性:传输介质允许传送数字或模传输特性:传输介质允许传送数字或模拟信号,以及调制技术、传送容量与传送的拟信号,以及调制技术、传送容量与传送的频率范围等频率范围等 连通特性:允许点点或多点连接连通特性:允许点点或多点连接 地理范围:传送介质的最大传输距离地理
4、范围:传送介质的最大传输距离 抗干扰性:传输介质防止噪声与电磁干抗干扰性:传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力扰对传输数据影响的能力 相对价格:包括器件费用、安装与维护相对价格:包括器件费用、安装与维护(6 6)传输介质的选择)传输介质的选择 可以用传输介质的可以用传输介质的有效传输距离有效传输距离和和带宽带宽来衡量其质量,其中传输距离与带宽成反比,来衡量其质量,其中传输距离与带宽成反比,同时带宽越宽,成本越高。而在数字传输中,同时带宽越宽,成本越高。而在数字传输中,具有一定带宽的传输介质的最大传输速率与具有一定带宽的传输介质的最大传输速率与信号的调制方式也紧密相关。另一方面,不信号
5、的调制方式也紧密相关。另一方面,不同的传输介质都有自己独特的传输特性,因同的传输介质都有自己独特的传输特性,因此传输介质的选择,应从性能、成本、适用此传输介质的选择,应从性能、成本、适用场合等方面综合考虑。场合等方面综合考虑。(7)(7)基带传输基带传输基带信号(Baseband Signal)(Baseband Signal):是指信源发出的没有经过调制(进行频谱搬移和变换)的原始电信号。基带信号(包括模拟基带信号和数字基带基带信号(包括模拟基带信号和数字基带信号)的传输方法有信号)的传输方法有基带传输和频带传输基带传输和频带传输(又称载波传输、调制传输)两种。(又称载波传输、调制传输)两种
6、。u基带传输基带传输:将基带信号直接送往信道中传将基带信号直接送往信道中传输的传输方式;输的传输方式;如在某些有线信道中,特别是传输距离不太远如在某些有线信道中,特别是传输距离不太远的情况下,可以让基带信号直接进行传输。的情况下,可以让基带信号直接进行传输。基带传输是一种最基本的数据传输方式。线路基带传输是一种最基本的数据传输方式。线路设备简单,信道利用率低。设备简单,信道利用率低。u频带传输频带传输:将基带信号对载波进行调制后,以将基带信号对载波进行调制后,以载波传输的传输方式。载波传输的传输方式。比如在无线信道和光信道中,基带信号则必须比如在无线信道和光信道中,基带信号则必须经过调制,以载
7、波传输的方式在信道中传输。经过调制,以载波传输的方式在信道中传输。宽带传输 将信道分成多个子信道,分别传送音频、将信道分成多个子信道,分别传送音频、视频和数字信号,称为宽带传输。宽带是比音视频和数字信号,称为宽带传输。宽带是比音频带宽更宽的频带,它包括大部分电磁波频谱。频带宽更宽的频带,它包括大部分电磁波频谱。使用这种宽频带传输的系统,称为宽带传输系使用这种宽频带传输的系统,称为宽带传输系统。其通过借助频带传输,可以将链路容量分统。其通过借助频带传输,可以将链路容量分解成两个或更多的信道,每个信道可以携带不解成两个或更多的信道,每个信道可以携带不同的信号,这就是宽带传输。如同的信号,这就是宽带
8、传输。如CATVCATV 传输介质分为有线介质和无线介质两大类,无论何种传输介质分为有线介质和无线介质两大类,无论何种情况,信号都是以电磁波的形式传输的。情况,信号都是以电磁波的形式传输的。在有线介质中,电磁波信号会沿着有形的固体介质传在有线介质中,电磁波信号会沿着有形的固体介质传输,有线介质目前常用的有双绞线、同轴电缆和光纤;输,有线介质目前常用的有双绞线、同轴电缆和光纤;在无线介质中,电磁波信号通过地球外部的大气或外在无线介质中,电磁波信号通过地球外部的大气或外层空间进行传输,大气或外层空间并不对信号本身进行制层空间进行传输,大气或外层空间并不对信号本身进行制导。无线传输常用的电磁波段主要
9、有无线电、微波、红外导。无线传输常用的电磁波段主要有无线电、微波、红外线等。线等。2.1.2 2.1.2 传输介质传输介质有线介质有线介质无线介质无线介质双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆光光 纤纤无线电无线电微微 波波红外线红外线传传输输介介质质 1双绞线双绞线 双绞线是指由一对绝缘的铜导线扭绞在一起组成的一条物理通信链路。采用双线扭绞的形式主要是为减少线间的低频干扰,扭绞得越紧密抗干扰能力越好。图2.1 双绞线的物理结构传输特性:传输特性:()串音会随频率的升高而增加,抗干扰能力差,通常用作电话用户线和局域网传输介质,在局域网范围内传输速率可达100 Mb/s,但其很难用于宽带通信和长途传输线路
10、。()模拟信号和数字信号均可传图2.2 双绞线的构成双绞线主要分成两类:双绞线主要分成两类:非屏蔽非屏蔽(UTP:Unshielded Twisted Pair)和屏蔽和屏蔽(STP:Shielded Twisted Pair)。屏蔽双绞线除了应用在。屏蔽双绞线除了应用在IBM的令的令牌环网中以外,其他领域并无太多应用。目前电话用户线牌环网中以外,其他领域并无太多应用。目前电话用户线和局域网中都使用非屏蔽双绞线,例如普通电话线多采用和局域网中都使用非屏蔽双绞线,例如普通电话线多采用24号号UTP。常用。常用UTP的性能如表的性能如表2.1所示。所示。表表2.1 常用常用UTP的性能的性能10带
11、宽带宽base数字基带传输数字基带传输T双绞线双绞线5类和类和3类类都可以都可以,3类更合适类更合适T1和和E1是是物物理理连连接接技技术术,T1是是美美国国标标准准,1.544M,E1是是欧欧洲洲标标准准,2.048M,我我国国的的专专线线一一般般都都是是E1,然然后后根根据据用用户户的的需需要要再再划划信信道道分分配配(以以64K为为单单位位)。比比如如PPP的的DDN线线路路以以及及frame-relay的的线线路路等等都都可可以以使使用用他他们们类别类别 规格规格AWG 性能性能 典型应用典型应用 三类三类 22和和24 16 MHz E1/T1、令牌环网、令牌环网、10 Base-T
12、网等网等 四类四类 各种各种 20 MHz 4/16 Mb/s令牌环网令牌环网 五类五类 各种各种 100 MHz 4/16 Mb/s令牌环网、令牌环网、10/100 Base-T网等网等 2.2.同轴电缆:同轴电缆:同轴电缆由一根实心的铜质线作为内导体、一个空心的铜质圆形薄皮作为外导体,内外导体之间由塑料绝缘材料隔离,外导体之外再被覆聚氯乙烯或其它绝缘材料,外导体以内导体为同心轴,所以称为同轴电缆。u特点:抗干扰性能很强。l50的同轴电缆:局域网基带传输。传输带宽为120M 传输距离11.2kml75的同轴电缆:闭路电视系统(CATV)。频分多路复用50个信道。支持的带宽:300450MHz
13、。距离:100km 支持点到点和多点通信;支持点到点和多点通信;传输距离几传输距离几km到几十千米;到几十千米;目前主要应用于目前主要应用于CATV和光纤同轴混合接入网和光纤同轴混合接入网;2.2.同轴电缆同轴电缆 3光纤光纤 图2.4 光纤的物理结构光纤是一种同轴性结构,由纤芯、包层和外套三个同轴部分组成,其中纤芯、包层由两种折射率不同的玻璃材料制成,利用光的全全反射反射可以使光信号在纤芯中传输,包层的折射率略小于纤芯,以形成光波导效应,防止光信号外溢。石英光纤石英光纤玻璃光纤玻璃光纤塑料光纤塑料光纤石英光纤石英光纤最为实用最为实用 光纤系统的工作频率分布在10141015Hz范围内,属于近
14、红外区,其潜在带宽是巨大的。目前10 Tb/s/100 km的实验系统已试验成功,通过密集波分复用(DWDM)在一根光纤上实现40 Gb/s/200 km传输的实际系统已经在电信网上广泛使用。体积小、重量轻。低衰减、抗干扰能力强。传输范围达到6-8km 光纤分为多模光纤光纤分为多模光纤(MMF)和单模光纤和单模光纤(SMF)两种基本类型。两种基本类型。多模光纤主要用于短距低速传输,比如接入网和局域网,一多模光纤主要用于短距低速传输,比如接入网和局域网,一般传输距离应小于般传输距离应小于2 km。单模光纤的纤芯直径非常小,通常为单模光纤的纤芯直径非常小,通常为410 m,在任何在任何时候,单模光
15、纤只允许光信号以一种模式通过纤芯。目前长时候,单模光纤只允许光信号以一种模式通过纤芯。目前长途传输主要采用单模光纤。在途传输主要采用单模光纤。在ITU-T的最新建议的最新建议G.652、G.653、G654、G.655中对单模光纤进行了详细的定义和规范。中对单模光纤进行了详细的定义和规范。单模光纤多模光纤 在光脉冲信号传输的过程中,所使用的波长与传输速在光脉冲信号传输的过程中,所使用的波长与传输速率、信号衰减之间有着密切的关系。率、信号衰减之间有着密切的关系。通常采用的光脉冲信通常采用的光脉冲信号的波长集中在某些波长范围附近,这些波长范围习惯上号的波长集中在某些波长范围附近,这些波长范围习惯上
16、又称为窗口又称为窗口,目前常用的有,目前常用的有850 nm、1310 nm和和1550 nm为为中心的三个低损耗窗口,在这三个窗口中,信号具有最优中心的三个低损耗窗口,在这三个窗口中,信号具有最优的传输特性。在局域网中较常采用的传输特性。在局域网中较常采用850 nm,而在长距离和,而在长距离和高速率的传输条件下的城域网和长途网中均采用高速率的传输条件下的城域网和长途网中均采用1550 nm波波长。长。4无线介质无线介质u何谓无线电通信何谓无线电通信通通信信就就是是在在一一点点准准确确或或近近似似地地再再现现另另一一点点所所选选择择的消息的消息香农。香农。l这这个个再再现现的的过过程程包包括
17、括一一个个最最重重要要的的环环节节:即即承载信息的载波。承载信息的载波。无无线线电电通通信信是是指指利利用用无无线线电电波波作作载载波波传传递递各各种种消消息的各种通信方式的总称。息的各种通信方式的总称。100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波 调幅无线电 调频无线电 海事无线电光纤电视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHF E
18、HFTHF波段 移动无线电 图图2.4 电磁波频谱及其在通信中的应用电磁波频谱及其在通信中的应用1)无线电 无线电又称广播频率无线电又称广播频率(RF:Radio Frequency),其工作频率其工作频率范围在几十兆赫兹到范围在几十兆赫兹到200兆赫兹左右。兆赫兹左右。优点优点:易于产生,能够长距离传输,能轻易地穿越建筑物,并易于产生,能够长距离传输,能轻易地穿越建筑物,并且其传播是全向的,非常适合于广播通信。且其传播是全向的,非常适合于广播通信。缺点缺点:是其传输特性与频率相关:低频信号穿越障碍能力强,是其传输特性与频率相关:低频信号穿越障碍能力强,但传输衰耗大;高频信号趋向于沿直线传输,
19、但容易在障碍但传输衰耗大;高频信号趋向于沿直线传输,但容易在障碍物处形成反射,并且天气对高频信号的影响大于低频信号。物处形成反射,并且天气对高频信号的影响大于低频信号。高频无线电波传播途径 2)微波 微波指频段范围在微波指频段范围在300 MHz30 GHz的电磁波,因为其波的电磁波,因为其波长在毫米范围内,所以产生了微波这一术语。长在毫米范围内,所以产生了微波这一术语。微波信号的主要特征是在空间沿直线传播,因而它只能在微波信号的主要特征是在空间沿直线传播,因而它只能在视距范围内实现点对点通信,通常微波中继距离应在视距范围内实现点对点通信,通常微波中继距离应在80 km范范围内。微波的主要缺点
20、是信号易受环境的影响围内。微波的主要缺点是信号易受环境的影响(如降雨、薄雾、如降雨、薄雾、烟雾、灰尘等烟雾、灰尘等),频率越高影响越大,另外高频信号也很容易,频率越高影响越大,另外高频信号也很容易衰减。衰减。卫星通信卫星通信可认为是微波通信的一种特殊形式。可认为是微波通信的一种特殊形式。地面微波接力地面微波接力两个地面站之间传送距离:两个地面站之间传送距离:50-100 km地球地球地球地球地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路 微波传送塔微波传送塔微波传送塔微波传送塔地球同步卫星地球同步卫星(对地静止对地静止)与地面站位置相对固定与地面站位置相对固定
21、 使用使用3个卫星可覆盖全球个卫星可覆盖全球 一个卫星使用一个卫星使用1220个转发器,个转发器,每个转发器频宽每个转发器频宽3650MHz 地面站大量使用甚小孔径地球地面站大量使用甚小孔径地球 站站VSAT 传输延迟时间长传输延迟时间长(270ms)36,00036,000公里公里公里公里地球地球地球地球 3)红外线红外线 红外线指红外线指10121014Hz范围的电磁波信号。与微波相范围的电磁波信号。与微波相比,红外线最大的缺点是不能穿越固体物质,因而它主要比,红外线最大的缺点是不能穿越固体物质,因而它主要用于短距离、小范围内的设备之间的通信。用于短距离、小范围内的设备之间的通信。红外线通
22、信目前主要用于家电产品的远程遥控,便携红外线通信目前主要用于家电产品的远程遥控,便携式计算机通信接口等。式计算机通信接口等。电信领域使用的电磁波的频谱电信领域使用的电磁波的频谱各种常用传输媒体的比较小结(本节重点)小结(本节重点)u双绞线(UTP和STP)、同轴电缆、光纤的使用特点u单模光纤和多模光纤的使用特点u无线通信常用的传输介质与使用特点2.2 多多 路路 复复 用用什么是多路复用(Multiplexing)DEMUX复用器复用器解复用器解复用器共享信道 MUX复用复用 多个信息源共享一个公共信道多个信息源共享一个公共信道 为何要复用?线路成本为何要复用?线路成本多路复用技术多路复用技术
23、u 多路复用技术就是将多路信号组合在一条物理多路复用技术就是将多路信号组合在一条物理 信道上进行传输,到接收端再用专门的设备将信道上进行传输,到接收端再用专门的设备将 各路信号分离开来。这样使一条物理信道资源各路信号分离开来。这样使一条物理信道资源 被多路信号共享。被多路信号共享。u多路复用技术包括多路复用技术包括:频分多路复用频分多路复用(FDM)(FDM)时分多路复用时分多路复用(TDM)(TDM)波分多路复用波分多路复用(WDM)(WDM)按信号在传输介质上的复用方式不同,传输系统分为:按信号在传输介质上的复用方式不同,传输系统分为:基带传输系统、频分复用传输系统、时分复用传输系统、波基
24、带传输系统、频分复用传输系统、时分复用传输系统、波分复用传输系统分复用传输系统2.2.1 2.2.1 基带传输系统基带传输系统在传输介质上直接传输基带信号的系统。在传输介质上直接传输基带信号的系统。如:计算机局域网如:计算机局域网(1)FDM的基本原理 FDM是利用传输介质的带宽高于单路信号的带宽这一特点,将多路信号经过高频载波信号调制后在同一介质上传输的复用技术。为防止各路信号之间相互干扰,要求每路信号要调制到不同的载波频段上,而且各频段之间要保持一定的间隔,这样各路信号通过占用同一介质不同的频带实现了复用。2.2.2 2.2.2 频分复用传输系统频分复用传输系统频分多路复用带宽分配示例AF
25、DM 多路复用过程示例FDM 解多路复用过程示例FDM 中的移频与叠加(频谱)图2.5 FDM原理示意图(a)FDM信道划分;(b)FDM系统示意图 ITU-T标准的话音信号频分多路复用的策略如下:为每路话音信号提供4 kHz的信道带宽,其中3 kHz用于话音,两个500 Hz用于防卫频带,12路基带话音信号经调制后每路占用60108 kHz带宽中的一个4 kHz的子信道。这样12路信号构成的一个单元称为一个群。在电话通信的FDM体制中,五个群又可以构成一个超群Supergroup,还可以构成复用度更高的主群Mastergroup。FDM 分层多路复用分层多路复用(2)FDM的特点 优点:容易
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