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文章目录
- 1 导引型传输媒体
- 1.1 双绞线
- 1.2 同轴电缆
- 1.3 光缆
- 2 非导引型传输媒体
- 2.1 无线电微波通信
- 2.2 多径效应
- 2.3 卫星通信
- 2.4 无线局域网
在数据通信系统中,传输媒体是发送器与接收器之间的物理通路,其作用至关重要。根据信号传播的方式,传输媒体可分为导引型与非导引型两大类。
1 导引型传输媒体
导引型传输媒体通过固体介质(如铜线或光纤)导引电磁波传播。在这类媒体中,最常见的有以下几种:
1.1 双绞线
①基本概念
双绞线是最古老但仍被广泛使用的传输媒体。它由两根互相绝缘的铜导线以规则的方法绞合而成。
绞合度越高,可用的数据传输率越高。
②分类
双绞线可以分为两大类:
- 无屏蔽双绞线 (UTP):没有额外的屏蔽层,成本较低,适用于一般的应用场景。
- 屏蔽双绞线 (STP):具有屏蔽层,可以有效减少电磁干扰,适用于对信号质量要求更高的环境。
③双绞线标准
无论是哪种类别的双绞线,衰减都随频率的升高而增大。
双绞线的最高速率还与数字信号的编码方法有很大的关系。
1.2 同轴电缆
同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是单股的)以及保护塑料外层所组成。
同轴电缆具有很好的抗干扰特性,被广泛用于传输较高速率的数据。
1.3 光缆
①基本概念
光纤 :用于传输光信号的细长透明介质,通常由玻璃或塑料制成,可高效传输光信号,具有极低的损耗和高带宽。
光纤的基本构造包括:
- 纤芯:光线在此传输,具有较高的折射率。
- 包层:包围在纤芯外部,具有较低的折射率,帮助光信号通过全反射原理保持在纤芯内。
优点:
- 通信容量非常大。
- 传输损耗小,中继距离长,对远距离传输特别经济。
- 抗雷电和电磁干扰性能好。
- 无串音干扰,保密性好,不易被窃听或截取数据。
- 体积小,重量轻。
光缆:由多根光纤组成的集成结构,通常还包含保护材料和其他组件,以确保光纤在各种环境下的安全和稳定运行。光缆的设计通常包括:
- 光纤:多个光纤的集合。
- 护套:保护光纤免受物理损害、湿气和温度变化。
- 增强材料:如钢丝或其他材料,用于增加强度和耐用性。
②光波在纤芯中的传播
光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝,主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时,其折射角将大于入射角。如果入射角足够大,就会出现全反射,光也就沿着光纤传输下去。
③分类
光纤可分为多模光纤和单模光纤:
- 多模光纤:
- 可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。
- 光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽,造成失真,只适合于近距离传输。
- 单模光纤:
- 其直径小到只有一个光的波长(几个微米),可使光线一直向前传播,而不会产生多次反射。
- 制造成本较高,但衰耗较小。
- 光源要使用昂贵的半导体激光器,不能使用较便宜的发光二极管
④光纤通信系统
基本的光纤通信系统主要由发送端和接收端组成。
- 发送端:要有光源(例如发光二极管、半导体激光器),在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。
- 接收端:要有光检测器,利用光电二极管做成,在检测到光脉冲时还原出电脉冲。
2 非导引型传输媒体
非导引型传输媒体通过无线电波在自由空间中传播,实现多种通信形式。其频段范围从低频到超高频(30 kHz ~ 3000 GHz),涉及多个应用场景。
2.1 无线电微波通信
①基本概念
无线电微波通信是一种利用无线电波进行信息传输的技术,主要应用于远距离通信和数据传输。微波是指频率在300 MHz到300 GHz之间的电磁波,具有较短的波长。无线电微波通信利用这一频段的电磁波进行信号传输,常用于电视广播、卫星通信、移动通信等。
②组成部分
a. 发送端
- 微波发射机:将原始电信号(如语音、视频或数据)转换为微波信号,并通过天线发射出去。
- 调制器:对输入信号进行调制,以便适合微波传播,例如使用幅度调制(AM)、频率调制(FM)或相位调制(PM)。
b. 传输媒介
- 空间传播:微波信号通过空气传播,可以直视传播,也可以反射和折射,适合点对点的长距离传输。
- 微波链路:使用定向天线实现点对点的传输,通常需要在发射和接收端之间保持视距。
c. 接收端
- 微波接收机:接收来自发射端的微波信号,并将其转换回可用的电信号。
- 解调器:对接收到的信号进行解调,恢复原始信息。
③特点与应用
- 高带宽:微波频段提供了较大的带宽,适合高速数据传输。
- 抗干扰性强:微波信号能抵御一定程度的干扰。
- 广泛应用:常用于卫星通信、无线网络、雷达、电视广播、移动通信等领域。
④注意事项
- 视距要求:微波通信通常需要发射和接收装置之间有无遮挡物。
- 天气影响:雨、雪等天气条件可能会对微波信号造成衰减。
2.2 多径效应
①基本概念
多径效应是无线通信中常见的现象,主要是指信号在传播过程中,由于反射、折射和散射等原因,产生多个相同信号的副本,这些副本通过不同的路径到达接收端。这种现象会对信号的质量和通信系统的性能产生影响。
②产生原因
- 反射:信号遇到建筑物、地面或其他障碍物时,会反射回去。
- 折射:信号在穿越不同介质(如空气与水)时,其传播速度和方向发生变化。
- 散射:信号碰到小障碍物或粗糙表面时,会向多个方向散射。
③影响
- 信号衰减:由于多条路径传播,信号的强度可能会因为相位差而相互抵消,导致接收到的信号变弱。
- 延迟扩展:不同路径的信号到达接收端的时间不同,造成信号波形的展宽。
- 失真:由于不同路径信号的相位和幅度差异,可能会导致接收到的信号失真,影响数据的解码和传输质量。
④应对措施
- 均衡技术:在接收端使用均衡器来补偿多径引起的信号失真。
- MIMO技术:多输入多输出技术通过使用多个发射和接收天线,增强信号的可靠性和带宽。
- OFDM技术:正交频分复用技术将信号分散在多个频率上,可以有效抵御多径干扰。
2.3 卫星通信
①基本概念
卫星通信是利用人造卫星作为中继站,进行信息传输的通信方式。它在全球范围内提供了广泛的通信服务,包括电视广播、互联网接入、电话通信和数据传输等。
②工作原理
- 信号发射:地面站通过天线将信号发射到轨道上的卫星。
- 信号转发:卫星接收到信号后,将其处理并转发回地面,通常通过不同频率的信号频道。
- 地面接收:另一地面站或用户终端接收从卫星转发回来的信号。
③卫星类型
- 静止卫星(GEO):位于赤道上空约35,786公里的轨道,卫星与地面站保持相对静止,适合电视广播和宽带服务。
- 中轨卫星(MEO):通常在2000到35,786公里之间,常用于导航系统(如GPS)。
- 低轨卫星(LEO):位于2000公里以下,具有较低的延迟,适合实时通信和宽带服务,近年来被用于星链等项目。
④卫星通信系统组成
- 地面站:包括发射设备和接收设备,用于发送和接收信号。
- 卫星:搭载转发器和其他通信设备,负责信号的接收、处理和转发。
- 终端用户设备:如卫星电话、卫星宽带调制解调器等,用于最终用户的通信。
⑤优势
- 全球覆盖:卫星通信可以覆盖偏远地区和海洋,提供普遍的服务。
- 高容量:能够支持大量用户同时进行通信。
- 灵活性:可以快速部署和扩展,适应不同的通信需求。
⑥挑战
- 信号延迟:尤其是静止卫星,由于其高度,信号传输延迟较大。
- 气候影响:恶劣天气可能会影响信号质量,如雨衰现象。
- 成本高:卫星的发射和维护成本较高。
七应用领域
- 广播电视:卫星广播是主要的电视节目分发方式之一。
- 互联网接入:为偏远地区提供宽带服务。
- 军事通信:用于增强军事指挥和控制能力。
- 紧急通信:灾害恢复期间提供临时通信支持。
2.4 无线局域网
①基本概念
无线局域网(Wireless Local Area Network,简称WLAN)是一种使用无线技术连接设备的局域网,广泛应用于家庭、办公室和公共场所。
②工作原理
- 无线信号:WLAN通过无线电波传输数据,设备通过无线路由器或接入点(AP)进行通信。
- 协议:常用的无线通信协议包括802.11系列(如802.11a/b/g/n/ac/ax),这些协议定义了不同的频率、速度和覆盖范围。
③组成部分
- 无线路由器:负责管理网络流量,连接互联网并将信号发送到各个无线设备。
- 接入点(AP):扩展网络覆盖范围,通常用于大型场所。
- 终端设备:如智能手机、笔记本电脑、平板电脑等,可以连接到WLAN进行上网。
④优势
- 灵活性:用户可以在覆盖区域内自由移动,无需物理连接。
- 易于部署:相较于有线网络,设置和维护更为简单。
- 成本效益:减少了布线和相关基础设施的成本。
⑤挑战
- 信号干扰:其他无线设备或物理障碍物可能会影响信号质量。
- 安全性:无线网络容易受到未经授权的访问,需要采取加密措施(如WPA3)来保护数据安全。
- 带宽限制:无线网络的带宽通常低于有线网络,可能会受到用户数量和使用情况的影响。
⑥安全措施
- 加密协议:使用WPA3或WPA2等加密协议保护数据传输。
- SSID隐藏:隐藏网络名称以增加安全性,减少被陌生设备扫描到的风险。
- MAC地址过滤:限制可以连接到网络的设备,增强安全性。
⑦应用领域
- 家庭网络:连接个人设备,提供互联网接入。
- 企业环境:支持员工在办公区域内的灵活工作。
- 公共热点:如咖啡店、机场等地提供无线网络服务。