2.4 傳輸介質(zhì)

傳輸介質(zhì)又稱為傳輸媒體或傳輸媒介，它是網(wǎng)絡中連接收發(fā)雙方的物理通路，是通信中實際傳送信息的載體。傳輸介質(zhì)可分為導向傳輸介質(zhì)和非導向傳輸介質(zhì)兩大類。在導向傳輸介質(zhì)中，信號被導向沿著固定的介質(zhì)（如銅線或光纖）傳播。而非導向傳輸介質(zhì)是指向自由空間，通過無線方式傳播電磁波，通常稱為無線傳輸。導向傳輸介質(zhì)主要包括雙絞線、同軸電纜和光纖；非導向傳輸介質(zhì)中，常用的無線通信技術有：微波通信、衛(wèi)星通信、紅外通信和激光通信等。

2.4.1 雙絞線

雙絞線（Twisted Pair）一般是由多對兩兩扭合在一起的帶有絕緣層的銅線組成，被封裝在一個絕緣套管中。在每根銅導線的絕緣層上通常涂有不同的顏色，以示區(qū)分。通常，雙絞線扭合得越密，其抗干擾能力就越強，傳輸性能也就越高。雙絞線是網(wǎng)絡布線中使用非常多的一種傳輸介質(zhì)，它成本低，制作和使用簡便。

雙絞線按照是否帶有屏蔽層，可分為非屏蔽雙絞線（Unshielded Twisted Pair，UTP）和屏蔽雙絞線（Shielded Twisted Pair，STP）兩類。

屏蔽雙絞線（STP）一般由4對銅線組成，每對銅線都是由兩根銅線絞合在一起形成的，而每根銅線都外裹不同顏色的塑料絕緣體。每對銅線包裹在金屬箔片（線對絕緣層）里，而整個4對銅線又包在另外一層金屬箔片（整體絕緣層）里，最后在屏蔽雙絞線的最外面還包有一層塑料外套。

非屏蔽雙絞線（UTP）一般也由4對銅線組成，每對銅線也都是由兩根銅線絞合在一起形成的，而每根銅線都外裹不同顏色的塑料絕緣體，4對銅線的最外面包有一層塑料外套。非屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線結構如圖2-20所示，圖2-21為非屏蔽雙絞線實物。

UTP由于不帶屏蔽層，容易受到來自外部環(huán)境或鄰近雙絞線的電磁干擾。但它安裝和使用方便，且成本低，因此被廣泛地應用于網(wǎng)絡布線。STP抗干擾能力強，但成本較高，而且安裝相對要復雜一些。

雙絞線使用的連接器主要有RJ-11和RJ-45。其中，RJ-11用于電話線接口，而RJ-45用于網(wǎng)線接口。圖2-22是一個RJ-45連接器插頭的外形圖。

雙絞線按照性能不同又可分為1類線、2類線、3類線、4類線、5類線、超5類線和6類線等。美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）的電信工業(yè)分會（Telecommunication Industry Association，TIA）定義了EIA/TIA標準的非屏蔽雙絞電纜類型如下。

● 1類線：用于電話通信，一般不適合傳輸數(shù)據(jù)。

● 2類線：可用于傳輸數(shù)據(jù)，最大數(shù)據(jù)率為4Mbit/s。

● 3類線：用于以太網(wǎng)，最大數(shù)據(jù)率為10Mbit/s。

● 4類線：用于令牌環(huán)網(wǎng)，最大數(shù)據(jù)率為16Mbit/s。

● 5類線：用于快速以太網(wǎng)，最大數(shù)據(jù)率為100Mbit/s。

● 超5類線：用于千兆以太網(wǎng)，最大數(shù)據(jù)率為1000Mbit/s。

● 6類線：用于吉比特以太網(wǎng)，最大數(shù)據(jù)率為1Gbit/s。

類別越高，傳輸性能越好，價格也越貴。目前在計算機網(wǎng)絡布線中使用最多的是5類線、超5類線和6類線。

2.4.2 同軸電纜

同軸電纜（Coaxial Cable）由中心導體、絕緣層、同軸向放置的外導體屏蔽層和絕緣保護套組成，如圖2-23所示。用于傳遞電信號的一對導體是按照一層圓筒式的外導體套在內(nèi)導體（中心導體）外面，兩個導體之間使用絕緣材料進行隔離而設計的；其外層導體和內(nèi)層導體在同一個軸心上，所以稱其為同軸電纜。理論上，環(huán)繞著中心導體同軸放置外導體屏蔽層的方法可以將所有電磁場保持在兩個導體之間，如圖2-24所示，通過這種同軸結構，可以有效地降低外部電磁干擾對同軸電纜中所傳輸信號的影響。

同軸電纜是一種使用非常廣泛的傳輸介質(zhì)，例如，在有線電視系統(tǒng)中，通常采用同軸電纜作為傳輸電視信號的介質(zhì)。與雙絞線相比，同軸電纜價格較高，其優(yōu)點是傳輸距離長，且抗干擾能力強。

同軸電纜存在多種型號，常用同軸電纜的型號和應用范圍如下。

● 特性阻抗為50Ω的粗纜RG-8和RG-11，用于粗纜以太網(wǎng)組網(wǎng)。

● 特性阻抗為50Ω的細纜RG-58，用于細纜以太網(wǎng)組網(wǎng)。

● 特性阻抗為75Ω的寬帶同軸電纜RG-59，用于有線電視中視頻信號的傳輸。

同軸電纜標準衰減在10MHz下每30m小于1.5dB，10~100MHz每30m小于5dB，由于受信號衰減和信號失真的限制，同軸電纜的可用距離隨著頻率的提高而減小。粗纜的傳輸距離長，可靠性高，其最大傳輸距離可以達到500m。細纜的傳輸距離短，線纜總長不能超過185m，否則信號會被嚴重衰減。在計算機網(wǎng)絡布線領域，粗纜和細纜已基本被雙絞線和光纜所取代。

2.4.3 光纖

光纖是光導纖維（Fiber Optics）的簡稱。它是一種利用光的全反射原理，在玻璃或塑料制成的非常細的纖維中傳輸光信號的傳輸介質(zhì)。光纖由纖芯和包層構成，纖芯非常細，其直徑只有8~200μm。包層包在纖芯的外面，與纖芯相比，它具有較低的折射率。根據(jù)折射定律n₁sinθ₁=n₂sinθ₂,其中n₁、n₂分別為纖芯和包層的折射率，θ₁、θ₂分別為入射角和反射角。當n₁>n₂時，其折射角（θ₂）大于入射角（θ₁），隨著入射角θ₁增大，折射角θ₂也隨之增大，當入射角θ₁足夠大（大于等于臨界角）時，折射角θ₂超過90°，形成全反射，反射角為θ₃，即光信號碰到包層時將光全部反射回纖芯，如圖2-25所示。光纖就是利用全反射原理，使得光信號在包層表面不斷地形成全反射，沿著纖芯進行傳播，而不會通過包層折射出去。圖2-26是光信號在纖芯中傳播的示意圖。

圖2-26中只畫了一條光信號，實際通信中，只要從纖芯中射到包層表面的光信號的入射角大于某一個臨界角度，就可產(chǎn)生全反射。因此，一條光纖中可以同時有許多條從不同角度入射的光信號在傳輸，這種光纖就稱為多模光纖，如圖2-27a所示。若光纖直徑小到只有光的波長，則只有軸向角度的光信號能進入光纖，且使光信號一直向前傳播，而不會產(chǎn)生多次反射，這種光纖稱為單模光纖，如圖2-27b所示。

光纖與光纜這兩個名詞是不同的。通常情況下，光纖在實際應用時都需要被幾層保護結構所包覆，以增強其強度和便于鋪設。這種包覆后的線纜稱為光纜。四纖芯光纜剖面示意圖如圖2-28 所示。

光纖的主要優(yōu)點如下。

● 帶寬很高，通信容量大。

● 信號衰減小，傳輸距離遠。

● 抗電磁干擾，傳輸可靠性高。

● 無信號泄露，難于竊聽，安全性好。

● 尺寸小且重量輕，易于運輸和鋪設。

● 抗腐蝕能力強，使用壽命長。

2.4.4 無線傳輸介質(zhì)

無線傳輸介質(zhì)是非導向傳輸介質(zhì)，不使用有線傳輸介質(zhì)傳輸電磁信號，而是利用電磁信號可以在自由空間中傳播的特性來傳輸信息。無線傳輸介質(zhì)實際上是一套無線通信系統(tǒng)。在無線通信系統(tǒng)中，為了區(qū)分不同的信號，通常以信號的頻率作為標志。

1.電磁波頻譜

可用于無線通信的電磁波頻譜的范圍很寬，無線電波使用的無線電頻率一般在10kHz~1GHz范圍。無線電波的傳播特性與頻率有關。電磁波頻譜如圖2-29所示，無線通信用的電磁波頻率資源的劃分如表2-3所示。

2.無線電波的傳播方式

無線電波通信就是利用地面發(fā)射的無線電波通過視距或電離層的反射，或電離層與地面的多次反射而到達接收端的一種無線通信方式。無線電波的發(fā)送和接收是通過天線進行的。天線一般都具有可逆性，即同一副天線既可以作為發(fā)射天線使用，也可以作為接收天線使用。在無線電波的發(fā)送端，信號通過饋線輸進至天線，由天線以電磁波的形式輻射出去；在無線電波的接收端，天線接收到空中的電磁波信號后，通過饋線傳送給后續(xù)的接收機單元進行處理。無線電波的傳播方式主要有3種：地波傳播、天波傳播和直線傳播，如圖2-30所示。

（1）地波傳播

地波是指沿地球表面進行傳播的無線電波，如圖2-30a所示。地球表面上各種起伏不平的障礙物會對地波的傳播造成影響。只有無線信號的波長大于障礙物的尺寸或與障礙物的尺寸相當時，電磁波才能經(jīng)過障礙物繼續(xù)前進。在電磁波譜中，長波（VLF和LF）和中波（MF）的波長較長，可以采用地波的方式進行傳播；而短波（HF）和微波的波長較短，不適合采用地波的方式進行傳播。調(diào)幅（AM）廣播就是采用地波進行通信的例子。

（2）天波傳播

天波是指借助于電離層的反射而進行傳播的無線電波，如圖2-30b所示。在距離地球表面60～900km的大氣中，有一部分大氣分子在太陽紫外線、X射線和高能粒子的作用下發(fā)生了電離，形成了帶正電的離子和自由電子，發(fā)生電離的大氣稱為電離層。

電離層對于不同波長的無線電波呈現(xiàn)出不同的特性：波長超過1000m的長波，幾乎會被電離層全部吸收；而波長小于10cm的微波，能夠穿越電離層進入太空；波長介于兩者之間的短波和中波，可以通過電離層發(fā)生反射，傳播至很遠的地方。短波廣播和業(yè)余無線電通信都是采用天波傳播的例子。

（3）直線傳播

直線傳播是指無任何障礙物的進行直線傳播的無線電波，如圖2-30c所示。微波采用直線傳播，因其波長很短，既不能繞過地面上的障礙物，也不能通過電離層進行反射，因此不能采用地波或天波的方式進行傳播，只能采用直線方式進行傳播。直線傳播也稱為視距傳播。

3.微波通信

在無線電波中，微波的頻率范圍是300MHz~300GHz，波長范圍是1mm~1m。根據(jù)其波長的不同，微波又可劃分為分米波、厘米波和毫米波。100MHz以上電磁波頻段，電磁波幾乎按直線傳播，因此，可以將它們聚集成窄窄的一束，通過拋物線形狀的天線，將所有能量集中于一小束，從而獲得極高的信噪比及較遠的傳輸距離。微波通信常采用2~40GHz的頻段，微波的傳播方式是直線傳播?？赏ㄟ^微波通信傳送視頻、圖像、電話和電報等信息。

微波通信主要有兩種形式：地面微波接力通信和衛(wèi)星通信。

（1）地面微波接力通信

由于微波是直線傳播的，而地球表面的形狀是球面的，如果兩個微波站相距太遠，地球本身就會阻擋傳輸路徑，因此，為了利用微波實現(xiàn)地面上的遠距離通信，需要在地球表面建立若干個微波中繼站，以實現(xiàn)微波接力通信，微波站的塔越高，微波傳輸?shù)木嚯x就越遠，微波中繼站之間的距離大致與塔高的平方根成正比，即對于高度為100m的微波塔，兩個中繼站之間的距離可以為80km。微波接力通信如圖2-31所示。

（2）衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信也是一種微波通信，它是以衛(wèi)星作為中繼站轉發(fā)微波信號的無線通信。衛(wèi)星通信系統(tǒng)由衛(wèi)星、地面站、用戶端三部分組成。衛(wèi)星在空中起中繼站的作用，即把地面站發(fā)送的電磁波信號經(jīng)處理后轉發(fā)給另一個地面站。地面站則是衛(wèi)星系統(tǒng)與地面公眾網(wǎng)的接口。用戶端是指各種用戶終端，它可以通過地面站出入衛(wèi)星系統(tǒng)形成鏈路，地面站還包括地面衛(wèi)星控制中心，及其跟蹤、遙測和指令站。

衛(wèi)星通信的主要特點如下。

● 通信范圍大，在衛(wèi)星所覆蓋范圍下的任意兩點之間都可以進行通信。

● 可靠性高，不易受各種陸地災害的影響。

● 能夠方便地實現(xiàn)廣播和多址通信。

根據(jù)通信衛(wèi)星與地球表面距離的不同，通信衛(wèi)星可大致分為3種類型：低地球軌道（Low Earth Orbit，LEO）衛(wèi)星、中地球軌道（Middle Earth Orbit，MEO）衛(wèi)星、地球靜止軌道（Geostationary Earth Orbit，GEO）衛(wèi)星。

4.紅外通信

紅外線的頻率范圍大致為300GHz~400THz（波長1mm~750nm），分為遠紅外、中紅外和近紅外3個波段。遠紅外的頻率范圍是300GHz~30THz（波長1mm~10μm），中紅外的頻率范圍是30~120THz（波長10~2.5μm），近紅外的頻率范圍是120~400THz（波長2500~750nm）。紅外數(shù)據(jù)傳輸一般使用近紅外波段。

紅外通信就是利用紅外技術實現(xiàn)兩點之間的通信。紅外通信系統(tǒng)可分為兩個部分：紅外發(fā)射單元和紅外接收單元。發(fā)射單元負責對源信號進行調(diào)制，然后以紅外線的方式發(fā)射出去；接收單元通過光學裝置和紅外探測器進行紅外信號的接收。

紅外通信的優(yōu)點是性能價格比高，實現(xiàn)容易，抗電磁干擾；缺點是只能在直視范圍內(nèi)通信，且無法穿透不透明的障礙物。

紅外通信技術可用于室內(nèi)的點對點通信、無線紅外LAN通信和軍用紅外通信。紅外通信技術被廣泛應用于移動計算設備、移動通信設備以及對電器設備的控制中，如電腦、PDA、移動電話之間的數(shù)據(jù)交換，以及對電視機、DVD機和空調(diào)等電器設備的遙控等。

5.自由空間的激光通信

紅外通信技術屬于點對點（Point-to-Point）通信，而激光通信也是一種點對點通信技術。與紅外通信相類似，自由空間的激光通信也是在直視范圍內(nèi)進行。與紅外光不同的是，激光的波束較窄，通常只有幾厘米寬，因此在通信時要求激光發(fā)送器和激光接收器精確對準，以確保發(fā)送的激光光束能夠被接收器的感應設備接收到。點對點的激光發(fā)送器和接收器通常都是在固定位置進行安裝，并且經(jīng)過仔細的校準。

與紅外通信相比，自由空間的激光通信適合于戶外使用，且能夠傳輸較長的距離。可以利用激光通信完成城市中樓宇之間的信息傳輸。例如，兩座鄰近的建筑物需要進行通信，但又不允許進行電纜的鋪設（如街道的阻隔等原因），這時可通過在建筑物屋頂上架設激光通信設備的方式進行激光通信。

自由空間的激光通信的主要優(yōu)點如下。

● 通信容量大。理論上講，激光通信可同時傳送1000萬路電視節(jié)目。

● 保密性好。由于激光具有很強的方向性，不易發(fā)生信號泄露。

● 結構輕便，設備成本低。與微波天線相比，激光通信所需的發(fā)射和接收天線體積小（直徑僅有幾十厘米）、重量輕（幾千克），便于安裝。

自由空間的激光通信的主要缺點如下。

● 受大氣和氣候的影響較為嚴重。例如，云霧、雨雪和灰塵等均會阻礙激光的傳播，從而減小了其通信距離。

● 發(fā)送器和接收器的對準比較困難。由于激光具有很強的方向性，必須保證發(fā)送設備和接收設備的精確對準。這不但對設備的穩(wěn)定性和精度提出了很高的要求，而且安裝調(diào)試也比較復雜。