1.3 網絡傳輸介質的應用

計算機網絡傳輸介質分為有線介質和無線介質，其中有線介質有雙絞線、同軸電纜、光纖等，無線介質有無線電波、微波或紅外線等。下面分別介紹它們的特點和應用。

1.3.1 雙絞線

雙絞線（Twisted Pair）是由一對或多對絕緣銅導線組成，如圖1.15所示，為了減少信號傳輸中串擾及電磁干擾（EMI）影響的程度，通常將這些線按一定的密度互相纏繞在一起。

雙絞線是模擬和數字數據通信最普通的傳輸媒體，適用于較短距離的信息傳輸，當超過一定距離（UTP-5類線的有效距離為100m）時，信號因衰減可能會產生畸變，這時就要使用放大器或中繼器（Repeater）來放大或整形信號和再生波形。一般導線越粗，其通信距離就越遠，導線的價格就越高。雙絞線因其價格便宜且安裝簡單而得到廣泛的使用。在局域網中，一般采用雙絞線作為傳輸介質。

為了提高雙絞線的抗電磁干擾能力，在雙絞線的外面加上一層用金屬絲編織的屏蔽層，這就是屏蔽雙絞線（Shielded Twisted Pair, STP），它的價格要高于非屏蔽雙絞線（Unshielded Twisted Pair, UTP）。雙絞線按性能分為不同的等級，級別越高，性能越好。由于UTP的成本低于STP，所以使用得更廣泛些。雙絞線共分為7類，對于傳輸數據現在最常用的是五類UTP。五類線在線對間的絞合度和線對內兩根導線的絞合度上都經過了精心設計，再輔以嚴格的生產工藝，使干擾在一定程度上得以抵消，從而提高了傳輸效率。雙絞線的類別、帶寬及典型應用如下。

①一類UTP：主要用于電話連接，通常不用于數據傳輸。

②二類UTP：通常用在程控交換機和告警系統。ISDN和T1/E1數據傳輸也可以采用二類電纜，二類線的最高帶寬為1MHz。

③三類UTP：又稱為聲音級電纜，是一類廣泛安裝的雙絞線。三類UTP的阻抗為100W，最高帶寬為16MHz，適合于10Mb/s的雙絞線以太網和4Mb/s令牌環網的安裝，也能運行16Mb/s的令牌環網。

④四類UTP：最大帶寬為20MHz，其他特性與三類UTP一樣，能更穩定地運行16Mb/s的令牌環網。

⑤五類UTP：又稱為數據級電纜，質量最好。它的帶寬為100MHz，能夠運行100Mb/s以太網和FDDI，五類UTP的阻抗為100W。五類UTP目前已被廣泛應用。

⑥超五類UTP：與五類UTP相比衰減更小，適用于傳輸速率不超過1Gb/s的應用。

⑦六類UTP：最大帶寬250MHz，與五類UTP相比改善了串擾等性能，適用于傳輸速率高于1Gb/s的應用。

⑧七類STP：是最新的一種雙絞線，它不再是非屏蔽雙絞線，而是屏蔽雙絞線，能提供至少600MHz的整體帶寬，適用于傳輸速率高于10Gb/s的應用。

1.3.2 同軸電纜

同軸電纜（Coaxial Cable）是由繞同一軸線的兩個導體組成，即內導體（銅芯導線）和外導體（屏蔽層），外導體的作用是屏蔽電磁干擾和輻射，兩導體之間用絕緣材料隔離，如圖1.16所示。同軸電纜具有較高的帶寬和極好的抗干擾特性。

同軸電纜的規格是指電纜粗細程度的衡量，按射頻級測量單位（RG）來衡量，RG越高銅芯導線越細，RG越低銅芯導線越粗。

常用同軸電纜的型號和應用如下。

①阻抗為50W的粗纜RG-8或RG-11，用于粗纜以太網。

②阻抗為50W的細纜RG-58A/U或C/U，用于細纜以太網。

③阻抗為75W的電纜RG-59，用于有線電視（CATV）。

同軸電纜在局域網發展早期應用較為廣泛，目前同軸電纜主要用在有線電視網絡中。同軸電纜的帶寬取決于電纜的質量。目前高質量的同軸電纜帶寬已接近1GHz。

1.3.3 光導纖維

從20世紀70年代至今，計算機和通信都發展迅速。據統計，計算機的運行速度每10年大約提高10倍，而信息的傳輸速率則提高得更快，從20世紀70年代的56Kb/s提高到現在的100Gb/s（使用光纖通信技術），并且這個速率還在繼續提高。因此，光纖通信是現代通信技術的一個重要領域。

光纖通信是利用光導纖維（Fiber Optics，簡稱光纖）傳遞光脈沖來進行通信。用光脈沖的有無來表示0和1。由于可見光的頻率非常高，為108MHz的量級，因此一個光纖通信系統的帶寬遠遠大于其他各種傳輸媒體的帶寬。

光纖是一種由石英玻璃纖維或塑料制成的，直徑很小，能傳輸光脈沖信號的介質，如圖1.17所示。光纖由一束玻璃芯組成，它的外面包了一層折射率較低的反光材料，稱為覆層。由于覆層的作用，在玻璃芯中傳輸的光信號幾乎不會從覆層中折射出去。這樣當光束進入光纖中的芯線后，可以減少光通過光纜時的損耗，并且在芯線邊緣產生全反射，使光束曲折前進。

由于光纖傳送的是光脈沖信號，而終端發送和接收的是電信號，因此在光纖通信系統的兩端都要有一個裝置來完成光／電信號的轉換。在發送端有光源，可以采用發光二極管（LED）或注入式激光二極管（ILD），它們在電脈沖的作用下產生光脈沖。在接收端有由光電二極管制成的光檢測器，它可將檢測到的光脈沖還原成電脈沖。

光纖的優點是信號損耗小、頻帶寬、傳輸率高，傳輸速率為100～1000Mb/s，甚至更高，且不受外界電磁干擾。另外，由于它本身沒有電磁輻射，所以它傳輸的信號不易被竊聽，保密性能好。但是它的成本高并且連接技術比較復雜。

光纖主要用于長距離的數據傳輸和網絡的主干線。

根據使用的光源和傳輸模式的不同，光纖可分為多模光纖和單模光纖。

多模光纖采用發光二極管產生可見光作為光源，定向性較差。當光纖芯線的直徑比光波波長大很多時，由于光束進入芯線中的角度不同傳播路徑也不同，這時光束是以多種模式在芯線內不斷反射而向前傳播，如圖1.18（a）所示。多模光纖的傳輸距離一般在2km以內。

單模光纖采用注入式激光二極管作為光源，激光的定向性強。單模光纖的芯線直徑一般為幾個光波的波長，當激光束進入玻璃芯中的角度差別很小時，能以單一的模式無反射地沿軸向傳播，如圖1.18（b）所示。

常用光纖的規格見表1.1。

由于光纖非常細，因此必須將光纖做成結實的光纜。一根光纜少則有一根光纖，多則可有數十至數百根光纖，再加上加強芯和填充物就可大大提高其機械強度。最后加上包帶層和外護套，完全可滿足工程施工的強度要求。

1.3.4 無線傳輸

根據距離的遠近和對通信速率的要求，可以選用不同的有線介質，但是若通信線路要通過一些高山、島嶼或河流時，鋪設線路就非常困難且成本非常高，這時就可以考慮使用無線電波在自由空間的傳播實現多種通信。

無線電微波通信在數據通信中占有重要地位。微波的頻率范圍為300MHz~300GHz，但主要是使用2～40GHz的頻率范圍。微波在空間主要是直線傳播。由于微波會穿透電離層而進入宇宙空間，因此它不像短波通信可以經電離層反射傳播到地面上很遠的地方。微波通信有兩種主要方式，即地面微波接力通信和衛星通信。

1．地面微波接力通信

地面微波接力通信在物理線路昂貴或地理條件不允許的情況下適用，如圖1.19所示。

地面微波接力通信是通過地球表面的大氣傳播，易受到建筑物或天氣的影響，在兩個地面站之間傳送，距離為50~100km。

（1）地面微波接力通信的優點。

①微波波段頻率很高，其頻段范圍也很寬，因此其通信信道的容量很大。

②微波通信受外界干擾比較小，傳輸質量較高。

③與相同容量和長度的電纜載波通信比較，微波接力通信建設投資少、見效快。

（2）地面微波接力通信的缺點。

①相鄰站之間必須直視，不能有障礙物（“視距通信”）。有時一個天線發射出的信號也會分成幾條略有差別的路徑到達接收天線，因而造成失真。

②微波的傳播有時也會受到惡劣氣候的影響。

③與電纜通信系統比較，微波通信的隱蔽性和保密性較差。

④微波通信對大量中繼站的使用和維護要耗費一定的人力和物力。

2．衛星通信

衛星通信，簡單地說，就是地球上（包括地面和低層大氣中）的無線電通信站間利用衛星作為中繼而進行的通信。衛星通信系統由衛星和地球站兩部分組成，如圖1.20所示。

衛星通信的優點如下。

①通信范圍大，只要在衛星發射電波所覆蓋的范圍內，任何兩點之間都可進行通信。

②不易受陸地災害的影響（可靠性高）。

③只要設置地球站電路即可開通（開通電路迅速）。

④同時可在多處接收，能經濟地實現廣播、多址通信（多址特點）。

⑤電路設置非常靈活，可隨時分散過于集中的話務量。

⑥同一信道可用于不同方向或不同區間（多址連接）。

但其也存在缺點，那就是通信費用高，延時較大，10GHz以上雨霧的散射衰耗較大，易受太陽噪聲的干擾。

3．紅外線和毫米波

紅外線和毫米波這種通過光波傳輸來進行通信的應用，一般在短距離內連接兩個通信設備，如電視、錄像機等的遙控等。其缺點是不能穿透雨和濃霧，不能穿透固體，易受天氣影響。

1.3.5 常用各種傳輸介質的比較

每種傳輸介質都有各自的特點，應根據具體情況選用。各種常用傳輸介質性能參數的比較如表1.2所示。