資料通訊 CH04 傳輸媒體

第四章 傳輸媒體

物理傳輸媒體

　　導向媒體 (雙絞線，同軸電纜，光纖)

　　非導向媒體 （地面微波，衛星微波，廣播無線電，紅外線）

　　　　工作頻段

　　　　物理性質

　　　　傳輸特性

無線傳播方式

　　地波傳播，天波傳播，視距傳播

視距傳輸 （損傷）

 

傳輸媒體是資料轉送系統中發送器和接收器之間的物理通道

資料通訊的特點和通訊品質取決於傳輸媒體的性質以及傳輸訊號特點

　　導向媒體，主要取決媒體自身的性質

　　非導向媒體，主要是發送天線產生的訊號頻寬

設計資料轉送系統主要考慮資料率和傳輸距離

　　資料率越大，傳輸距離越遠越好

 

頻寬－Bandwidth

　　高頻寬高資料率

傳輸損傷－Transmission impairments

　　損傷限制傳輸距離

　　雙絞線＞同軸電纜＞光纖

幹擾－Interference

　　頻率重疊的地區內，相互競爭的訊號之間

　　在非導向媒體中尤其值得注意

接收器數量－# of receivers

　　使用導向媒體可以構成點對點或者多個裝置相連的鏈路

　　多個裝置相連共用中會有衰減和失真並限制傳輸距離和/或資料率

 

雙絞線

　　最廉價，使用最廣

　　一對線作為一根通訊鏈路使用

　　低資料率，短距傳輸

 

雙絞線-應用

　　電話傳輸系統 （傳輸類比訊號）

　　　　類比訊號：樓層與本地電話交換局串連形成“使用者環路”

　　　　數字訊號：在一棟辦公樓內，串連到專用小交換器 (PBX)

　　對於區域網路 (LAN)  （傳輸數字訊號）

　　　　資料率達到10Mbps -100Mbps

 

傳輸原理:

　　用一對電線來攜帶大小相等方向相反的兩路訊號,用兩路訊號來傳輸相同的資訊,在接收端對其中一路訊號進行反轉,然後對這兩路波形進行疊加

為什麼使用兩條相互絞合在一起的導線構成通訊鏈路？

　　降低對其他線路的幹擾

　　　　兩根訊號線對外產生的電磁波大小相等，方向相反，它們疊加為駐波，相互抵消，有效減少對外產生電磁幹擾，即它做到了盡量不用打擾別人。

　　降低收到其他線路的幹擾

　　　　雙絞線攜帶的是同一路資訊的兩路反相的訊號，如果在傳輸過程中受了電磁幹擾，因為它們是雙絞訊號線對，靠得很近，可以近似的看成，雜訊對它們的影響是相等的，即對兩路訊號的波形相同程度的疊加。在接收端對其中一路訊號進行反轉，這樣在這兩路波形中的訊號分量是大小相等方向也相等，而雜訊分量則變成了大小相等方向相反。然後對這兩路波形進行疊加，訊號分量得到加強，而雜訊分量因為抵消而消除。

 

類比傳輸方式

　　每5千米到6千米用一個放大器

數字傳輸方式

　　使用數字或類比訊號

　　每2千米到3千米用一個轉寄站

與其他導向傳輸媒體相比

　　傳輸距離、頻寬、資料率受到限制

　　易受到衰減，幹擾和雜訊的影響 （P81 圖4.3d）

 

無屏蔽雙絞線－Unshielded Twisted Pair (UTP)

　　普通的電話線

　　最便宜

　　使用方便，安裝簡單

　　受外部電磁場幹擾

屏蔽雙絞線－Shielded Twisted Pair (STP)

　　用金屬網罩或護皮以減少幹擾

　　在高資料率的情況下，效能更好

　　價格貴

　　使用不方便

二者比較 （P83，表4.2）

 

1991年，美國電子工業協會 公布EIA-568 標準

EIA-568A標準 （1995年）

　　無屏蔽雙絞線        

　　　　Cat 3 (話音級電纜)

　　　　　　傳輸特性可達 16MHz

　　　　　　在大多數辦公樓存在

　　　　　　每絞長度有 7.5 cm 到 10 cm

　　　　Cat 4

　　　　　　傳輸特性可達 20 MHz

　　　　Cat 5 (資料級電纜)

　　　　　　傳輸特性可達 100MHz

　　　　　　通常在建立的辦公樓都預先鋪設

　　　　　　每絞長度有 0.6 cm 到 0.85 cm

　　屏蔽雙絞線

　　　　100    屏蔽雙絞線

　　　　150    屏蔽雙絞線

　　絞距的減小帶來各項效能的提升，但也增加了費用

 

 

同軸電纜

由一根空心的圓柱形外導體和柱體內部的一根內導體組成。

 

優點：

　　比雙絞線更不容易受到串擾和幹擾

　　傳輸距離更長，資料率更高

應用：

　　用途廣泛

　　電視廣播－Television distribution

　　　　有線電視－Cable TV

　　長途電話傳輸－Can carry 10,000 voice calls simultaneously

　　　　　正在逐漸被光纖代替

　　短距離裝置間的串連，如電腦系統之間提供高速I/O通道

　　區域網路

 

傳輸特性：

　　類比訊號

　　　　每隔幾千米使用一個放大器

　　　　頻率越高放大器間隔越近

　　　　有效頻譜可延伸至 500MHz

　　數字訊號

　　　　每千米使用一個轉寄站

　　　　資料率越高需要間隔越密

 

光纖

光

　　光是一種電磁能量形式

光纖

　　一種纖細，柔韌並能傳導光線的媒體

　　　　通常製作材料為玻璃和塑料。

　　組成部分

　　　　芯

　　　　　　玻璃或塑料

　　覆層

　　　　與芯之間的介面作為反射器限制光線不從芯中逃逸

　　防護罩

 

優點：

容量更大

　　以數百G的資料率傳輸幾十千米

體積更小，重量更輕

衰減更小

隔絕電磁場

　　不怕衝激雜訊和串擾之類的幹擾

　　更安全，很難被人搭線竊聽

轉寄站的間隔更遠

　　更低的費用，更少的故障點

 

應用

　　長途線路

　　　　電話網, 20k – 60k 話音通道, 平均長度1500 km

　　市區中繼電路

　　　　100k話音通道,平均長度12 km

　　農用交換幹線電路

　　　　5k話音通道,長度範圍40 – 160 km

　　光纖使用者環路

　　　　提供話音，資料，映像，視頻等服務

　　LANs

　　　　容量100 Mbps – 10G bps

 

原理：光束被反射並沿光纖向前傳播

傳輸特性：

　　光纖系統的頻率操作範圍10^14到 10^15 Hz 之間

光的折射和反射

　　從高密度媒質進入到低密度媒質的光線，隨著入射角增大，折射角也增大，並逐漸遠離垂直軸而靠近水平軸

　　入射角的變化使折射角增大到90度，折射光線完全成了沿媒質介面傳播水平光線，此時的入射角稱為臨界角，或稱全反射角

　　光線折射時會向折射率大的介質位移

 

多模

　　多個角度發射

　　多條傳播路徑

　　分類

　　　　多模突變：外部介質折射率固定，內部光芯折射率也固定。內部光束成折線狀前進

　　　　缺點：每條路徑的長度不同導致傳輸時間不同，光脈衝最終被擴散

　　　　適合短距離傳輸

 

　　　　多模漸層：外部介質折射率固定，內部光芯折射率隨半徑增大減小。內部光束成螺旋狀前進

　　　　中心較高的折射率使光速沿軸線前進的速度減慢。從而導致多條傳輸路徑上的光束幾乎同時到達

　　　　常用於區域網路

 

單模

　　一個角度，一條傳播路徑，適合長距離傳輸

 

光源

　　發光二極體－Light Emitting Diode (LED)

　　　　價格便宜

　　　　工作溫度範圍較寬

　　　　壽命長

　　注入雷射二極體－Injection Laser Diode (ILD)

　　　　效率更高

　　　　支援較高的資料率

　　光線可利用的頻寬可達到THz數量級

　　　　1THz=10^12Hz

 

天線

無線傳輸的頻率範圍

　　無線電波區

　　　　30MHz to 1GHz，全嚮應用

　　微波頻率

　　　　1GHz 到 40GHz，高方向性，點對點傳輸

　　紅外線頻譜

　　　　3 x 10^11 Hz到 2 x 10^14Hz，在特定地區完成點對點及多點應用

非導向媒體通過天線發送和接收實現

 

天線

　　發射電磁能量或者接收電磁能量的電導體或者電導體系統

概念

　　各向同性天線

　　　　均等的向所有方向發射能量

　　拋物面反射天線

　　天線增益

 

拋物面反射天線

天線增益

　　天線在特定方向上的輸出功率與全向天線在任意方向上產生的功率之比

　　P90，公式4.1

 

地面微波

地面微波使用拋物面碟狀天線將電磁波聚整合細波束

應用

　　長途電信服務：如話音和電視

　　視距內傳輸，所需放大器或轉寄站比同軸電纜少

　　點對點短距離，建築物間，用於閉路電視和區域網路

　　蜂窩系統（14章介紹）

頻譜範圍在1 – 40 GHz: 頻率越高，頻寬越寬，資料率越高，但是衰減也越大

 

微波傳輸的主要損耗

　　衰減

　　損耗公式：

　　頻率越高，距離越大，衰減越大

　　頻率越高，使用天線越小，價格越低

 

衛星微波

通訊衛星

　　微波接力站

　　從一個頻段接收訊號，放大或再生，再從另一個頻段發送訊號

 

衛星要求相對於地球的位置是恒定的

　　高度 35,863km

應用

　　電視廣播，長途電話傳輸，專用商業網路（VSAT），全球定位

最佳頻率範圍為1 到10 GHz

從地球站發送到接收有0.25秒的傳輸時延

衛星通訊的本質是廣播形式的，所以衛星微波天生就是廣播工具

 

GPS 原理簡介

（GPS衛星星座由27顆衛星組成，其中24顆為工作衛星，3顆為備用衛星。

衛星分布保證在全球任何地點、任何時刻至少可以觀測到4顆衛星。）

衛星i的座標為（xi,yi,zi）

接收器的座標為（x,y,z）

衛星發射時間為ti，接收器接收到訊號的時間為tr,時間誤差為b；

則滿足公式：

若同時與四顆或更多的衛星進行測量，則可知道精確位置

 

廣播無線電

全向性

應用

　　廣播FM 頻段

　　UHF頻段和 VHF頻段 電視廣播

　　資料網路應用

傳輸特性

　　30 MHz 到 1 GHz 是廣播通訊的有效頻段

　　高於30MHz的傳輸範圍局限於視距範圍

無線電損傷的主要來源

　　衰減 （與微波一樣）

　　多徑幹擾

　　　　地面，水域自然界或人造物體的反射

 

紅外線

　　發送/接收器調製不相干的紅外線光實現通訊

　　視距範圍直接傳輸或反射

　　無法穿透牆體，比較安全，不受幹擾

　　不存在頻率分配問題

 

4.3 無線傳播

根據訊號傳播路徑分為(P95 表4.7)：

　　地波傳播  低於2MHz

　　天波傳播  2M-30MHz

　　視距傳播 30MHz以上

 

視距傳輸

光學視距與無線電視距 P98 圖4.9

　　光學視距 （天線與地平線之間的距離）

　　

　　無線電視距

　　

　　兩個視距通訊的天線之間的最大距離為：兩個天線的無線電視距之和

 

4.4 視距傳輸

特有的損傷類型

　　自由空間損耗

　　　　離發送天線越遠，訊號擴散帶來的衰減使接收到的訊號功率越弱

　　大氣吸收

　　　　主要來自水蒸氣和氧氣

　　　　雨和霧引起的散射導致衰減

　　多徑

　　　　訊號被障礙物反射沿多條路徑傳播，如通過水域時，風使水的反射面運動，導致多徑傳播

　　折射

　　　　大氣層的折射，海拔高度變化或其他大氣層狀態變化

 

本章小結

物理傳輸媒體

　　導向媒體 (雙絞線，同軸電纜，光纖)

　　非導向媒體 （地面微波，衛星微波，廣播無線電，紅外線）

　　　　工作頻段

　　　　物理性質

　　　　傳輸特性

無線傳播方式

　　地波傳播，天波傳播，視距傳播

視距傳輸 （損傷）

 

本章思考題

1. 常用的導向媒體有哪幾種？

　　雙絞線，同軸電纜，光纖

2. 光纖傳輸模式有哪幾種？

　　單模，多模。區別在於是否一個角度發射，是否一條傳播路徑傳輸。

3. 無線傳播有幾種方式？它們分別是？

　　地波傳播，天波傳播，視距傳播