介质的传输特征20120623.doc

425cd94161c5ff9f324283d9ea937e74.pdf介质的传输特征信号在介质中传输，如在金属介质中以电流的形式、在光纤介质中以光的形式、在无线介质中以电磁波的形式幅射出去。不同介质具有不同的传输性能，这些性能取决于介质的固有特征及传输环境。传输介质只有被相应的传输技术所使用，才能够体现为可供上层业务使用的信道，由于传输介质是与传输技术紧密结合的，因此，设计传输技术就必须考虑并充分利用传输介质本身固有的特点，以下分别说明传输介质的各种特征对设计传输技术的影响。（1）带宽也就是可供使用的频谱宽度。高带宽的传输介质就可以承载较高的比特率，例如光纤；如果传输介质的带宽会受到其它因素的影响而改变，那么还必须针对这些情况，设计不同的传输技术；（2）误码率高误码率的传输环境下，肯定会要求使用更为复杂、有效的检纠错技术；（3）信号的传输距离不同的传输介质对信号传输具有不同的衰减，当有用信号的强度衰减至一定水平之下时，就必须以某种形式进行信号的再生与放大，以保证按收端的正常工作。光纤通信中的光中继器，微波通信中的中继站，都是为了完成这一目的而设立的；（4）安全不同的传输介质是有不同的安全等级，通信中的加密和认证都是必不可少的，但不同复杂度的加密与认证技术在传输代价，时间代价等方面有很大差异，因此必须为各种传输介质来选用最为合适的安全保证技术。需要说明的是，以上几方面的影响不是单独存在的，它们经常存在着互相作用。例如更可靠的检纠错技术会占用更多的比特位，因此也就会减少可供有用信号使用的带宽。因此，在设计传输技术时必须综合考虑各种因素的影响，实用的传输技术常常是考虑各种因素影响的折衷体现。一、金属介质的传输特征在已知的金属中，导电性最强的前三个金属分别是银铜金，出于经济和性能的综合考虑，铜是使用最广泛的金属介质。双绞线由粗约1mm的相互绝缘的一对铜导线绞扭在一起组成，对称均匀的绞扭可以减少线对之间的电磁干扰。双绞线大量使用在传统的电话系统中。双绞线分为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线。介质中的电阻限制了双绞线的传输距离，如五类线的有效传输距离约为100米。双绞线的性能主要取决于导线直径、含铜量、导线单位长度绕数、屏蔽措施，这些因素的综合作用决定了双绞线的传输速率和传输距离。（1）导线直径即铜导线的直径，一般直径越大，传输能力越强；（2）含铜量直观的表现就是导线的柔软程度，越柔软的导线含铜量越高，传输能力越强；（3）导线单位长度绕数表示了导线螺旋缠绕的紧密程度，单位长度内的绕数越多，对干扰的抵消作用就越强；（4）屏蔽措施屏蔽措施越好，抗干扰的能力就越强。根据双绞线缆是否带有金属封装的屏蔽层可以把双绞线分为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP），理论上，屏蔽双绞线的传输性能更好，但在实际的使用中，屏蔽双绞线对于工程安装的要求较高，而且如果金属屏蔽层的接地不好，有些条件下其性能甚至还不如非屏蔽双绞线。因此，被广泛使用的实际上是非屏蔽双绞线。EIA/TIA为双绞线电缆定义了不同的规格型号，根据双绞线所支持的传输速率，主要可以分为以下几类：（1）一类线由两对双绞线组成的非屏蔽双绞线。频谱范围窄，主要用于传输语音，而较少用于数据传输，最高只能支持20kbit/s的数据速率；（2）二类线由四对双绞线组成的非屏蔽双绞线。主要用于语音传输和最高可达4Mbit/s的数据传输；（3）三类线由四对双绞线组成的非屏蔽双绞线。主要用于语音传输和最高可送10Mbit/s的数据传输，10 base-T的以太网，即是采用三类线；（4）四类线由四对双绞线组成的非屏蔽双绞线。用于语音传输和最高达16Mbit/s的数据传输；（5）五类线由四对双绞线组成的非屏蔽双绞线。用于语音传输和高于100Mbit/s的数据传输，主要用于百兆以太网，如用在100 base-T的以太网中。 （6）超五类线由四对双绞线组成的非屏蔽双绞线。与五类线相比，超五类线所使用的铜导线质量更高、单位长度绕数也更多，因而衰减更小、信号串扰更小、具有更小的时延误差，在使用4对双绞线同时用于传输的情况下，可以用于1000 base- T的千兆以太网。同时双绞线还具有以下缺点：（1）带宽有限由于材料与本身结构的特点，双绞线的频带宽度是有限的。像在千兆以太网中就不得不使用4对导线同时进行传输，此时单对导线已无法满足要求；（2）信号传输距离短双绞线的传输距离只能达到1000 m左右，这对于很多用场合的布线存在着比较大的限制，而且传输距离的增长还会伴随着传输性能的下降；（3）抗干扰能力不强双绞线对于外部干扰很敏感，特别是外来的电磁干扰，而且湿气、腐蚀以及相邻的其它电缆这些环境因素都会对双绞线产生干扰。在实际的布线中双绞线一般不应与电源线平行布置的，否则就会 引入干扰；而且对于需要埋入建筑物的双绞线，还应套入其它防腐防潮的管材中，以消除湿气的影响。同轴电缆的芯线是铜质导线，外包一层绝缘材料，再外面是由细铜丝组成的网状导体，最外面加一层塑料保护膜，具有高带宽和较好的噪声抑制特性。常用的同轴电缆有两种：一种是特性阻抗为50，用于传输数字信号，叫做基带同轴电缆；另一种是特性阻抗为75的CATV电缆，用于传输模拟信号，叫做宽带同轴电缆。同轴电缆的性能与双绞线基本相似。除了金属固有结构对信号产生的损耗外，信号的频率及温度也会对信号的传输造成损耗。一般而言，信号频率越高、或温度越高，信号的损耗就越大。2、光纤介质的传输特征因为信号在金属介质中衰减明显且易受到干扰，人们一直在寻找其它的传输介质来替代。光纤的发明是通信领域的一次革命。光纤具有极低的衰减，因此它可以传输数百公里而不需要中继，且光纤几乎不会受到电磁干扰，适用于强电磁场的环境。上述优点使光纤离消费者越来越近，“光进铜退”已逐渐变成现实。光纤分为两种：单模（Sing Mode Fiber，SM）光纤和多模（Multi Mode Fiber，MM）光纤，它们的本质区别在于纤芯的直径，单模光纤的纤芯直径为8.3m，多模光纤的纤芯直径分50m和62.5m两种。单模光纤与多模光纤的区别是由介质的制作工艺决定的，一般肉眼很难区分。我们通常通过光纤标识来判断，SM为单模，MM为多模。与此同时，ITU-T还规范了三种常用光纤：符合G.652规范的光纤、符合G.653规范的光纤、符合规范G.655的光纤，它们都是单模光纤。（1）标准光纤（ITU-T G652）G.652光纤在1310nm波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好相等。这就是说在1310nm波长处，单模光纤的总色散为零。它的特点是当工作波长在1310nm波段时，光纤色散为零，此时系统的传输距离只受光纤衰减所限制，但不幸的是，此时光纤的损耗较大，约为0.35 dB/km，而在1550nm窗口时，光纤的损耗最小，约为0.22 dB/km，但色散却较大，约为17ps/(nmkm)。G.652光纤是目前使用最多的光纤类型，工作波长既可选在1310nm 波长区域，也可选在1550nm波长区域，它的最佳工作波长在1310nm 区域。G652光纤可支持用于1550nm的2.5GB/s的干线系统，但由于该窗口的色散较大，若传输10GB/s的信号需要进行色散补偿。（2）色散位移单模光纤（ITU-T G653）针对零色散和衰减不在同一窗口的特点，后来ITU开发了一种把零色散波长从1310nm移到1550nm窗口的光纤，被称为“色散位移光纤”，即G653光纤，它非常适合于长距离单信道光纤通信系统，但不利于多信道的WDM传输，当信道数较多时，信道间距变小，此时就会发生四波混频（FWM）导致信道间发生串扰。如果光纤的色散为零，FWM的干扰就会十分严重，如果有微量色散，FWM干扰反而还会减小。针对这一现象，后来又研制了非零色散光纤，即G655。（3）非零色散位移光纤（ITU-T G655）G655光纤实际上一种改进的色散位移光纤，其零色散波长不在1550nm，而在1525nm或1585nm处。G655削减了色散效应和四波混频效应，而G652和G653都只能克服这两种缺陷中的一种，所以G655综合了G652和G653的优势，通常应用于“很长再生段传输距离”的海底光纤通信。并不是任意波长的光信号在光纤中都可以很好的工作。科学家们通过大量实验发现，只有3个波长的光信号在光纤传输时具有极低的衰减，它们分别是850nm、1310nm和1550nm窗口，我们称之为光纤的3个低损耗窗口。其中，850nm 窗口主要应用于多模光纤；1310nm窗口称之为零色散窗口，光信号在此窗口传输色散最小；1550nm窗口称之为最小损耗窗口，光信号在此窗口传输的衰减最小。制约光传输距离长短的两大因素：损耗和色散。光纤的损耗主要取决于3种损耗，即本征损耗、瑞利散射损耗和弯曲损耗。本征损耗是光纤的固有损耗，包括瑞利散射，固有吸收等，本征损耗由光纤的制作工艺决定。光纤是柔软的，可以弯曲，可是弯曲到一定程度后，光纤虽然可以导光，但会使光的传输途径改变。由传输模转换为辐射模，使一部分光能渗透到包层中或穿过包层成为辐射模向外泄漏损失掉，从而产生损耗。当弯曲半径大于510cm时，由弯曲造成的损耗可以忽略。另外，光纤在熔接或对接过程中也会产生损耗。色散是光纤的另一个重要特性。所谓色散，是指输入信号中包含的不同频率或不同模式的光在光纤中传播的速度不同，不同时到达输出端，使输出波形展宽变形，形成失真的现象。单模光纤的色散由材料色散和结构色散相加而成。由于纤芯材料的折射率随波长变化而引起的色散称为材料色散。结构色散取决于折射率、相对折射率、纤芯直径及波长等，它的数值通常小于材料色散。由于色散使脉冲变形，引起码间干扰降低信号质量，要提高光纤有线电视系统的性能指标，应尽可能减少光纤的色散。为了延长系统的传输距离，主要从减小色散和损耗方面入手。目前，在朗迅（Lucent）、北电（Nortel）、阿尔卡特（Alcatel ）、西门子（Siemens）等公司的实验室中，光纤传输技术已经达到数千公里无中继的先进水平。三、无线传输3.1无线信道的基本概念无线通信的传输媒质，即是无线信道，更确切的说，无线信道是基站天线与用户天线之间的传播路径。天线感应电流而产生电磁振荡并辐射出电磁波，这些电磁波在自由空间或空中传播，最后被接收天线所感应并产生感应电流。电磁波的传播路径可能包括直射传播和非直射传播，多种传播路径的存在造成了无线信号特征的变化。了解无线信道的特点对于理解无线通信是非常必要的。与其它通信信道相比，无线信道是最为复杂的一种。例如，模拟有线信道中典型的信噪比约为46dB，也就是说，信号电平要比噪声电平高40000倍。而且对有线信道来说，其传输质量是可以控制的，通过选择合适的材料与施工，可以确保在有线传输系统中有一个相对稳定的电气环境。有线传输介质中，信噪比的波动通常不超过l-2dB。与此相对照，陆地移动无线信道中信号强度的骤然降低即所谓衰落是经常发生的，衰落深度可达30dB。而且在城市环境中，一辆快速行驶车辆上的移动台的接收信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次。这种衰落现象严重恶化了接收信号的质量，影响通信的可靠性。在蜂窝移动环境中，同频干扰也是一个必须考虑的问题。当发生衰落时，要接收的信号也许比同频小区基站来的干扰信号还要弱，接收机就会锁定在错误信号上。模拟移动通信多采用调频方式，调频方式的捕获效应对同频干扰有一定的抑制作用。而衰落现象会显著改变调频信号特性，削弱其捕获效应。对于数字传输来说，衰落将使比特误码率（BER）大大增加。此外，在有线信道中能够很好工作的语音编码器、调制解调器和同步装置在移动环境中工作性能将会大大恶化。无线信道的衰落特性取决于无线电波传播环境。不同的环境，其传播特性也不尽相同。例如，一个有许多高层建筑的大城市与平坦开阔的农村相比，其传播环境有很大不同，两者的无线信道特性也大有差异。而传播环境本身是相当复杂和多变的，这就使得无线信道特性也是十分复杂的。复杂、恶劣的传播条件是无线信道的特征，这是由在运动中进行无线通信这一方式本身所决定的。3.2 电磁波在无线信道中的传播电磁波传播主要分为地波、天波和视线传播三种。（1）地波频率在2MHz以下，电磁波沿大地与空气的分界面传播。传播时无线电波可随地球表面的弯曲而改变传播方向。在传播途中的衰减大致与距离成正比。地波的传播比较稳定，不受昼夜变化的影响，所以长波、中波和中短波可用来进行无线电广播。 根据波的衍射特性，当波长大于或相当于障碍物的尺寸时，波才能明显地绕到障碍物的后面。地面上的障碍物一般不太大，长波可以很好地绕过它们。中波和中短波也能较好地绕过，短波和微波由于波长过短，绕过障碍物的本领很差。由于地波在传播过程中要不断损失能量，而且频率越高，损失越大，因此中波和中短波的传播距离不大，一般在几百千米范围内，收音机在这两个波段一般只能收听到本地或邻近省市的电台。长波沿地面传播的距离要远得多，但发射长波的设备庞大，造价高，所以长波很少用于无线电广播，多用于超远程无线电通信和导航等。（2）天波天波是靠电磁波在地面和电离层之间来回反射而传播的，频率范围在230MHz。天波是短波的主要传播途径。短波信号由天线发出后，经电离层反射回地面，又由地面反射回电离层，可以多次反射，因而传播距离很远(可上万公里)，而且不受地面障碍物阻挡。但天波传播的最大弱点是信号很不稳定的，处理不好会影响通信效果。电离层对于不同波长的电磁波表现出不同的特性。波长短于10m（30MHz）的微波能穿过电离层，波长超过3000km的长波，几乎会被电离层全部吸收。对于中波、中短波、短波，波长越短，电离层对它吸收得越少而反射得越多。因此，短波最适宜以天波的形式传播。但是，电离层是不稳定的，白天受阳光照射时电离程度高，夜晚电离程度低。因此夜间它对中波和中短波的吸收减弱，这时中波和中短波也能以天波的形式传播。收音机在夜晚能够收听到许多远地的中波或中短波电台，就是这个缘故。（3）视线传播频率高于30MHz的电磁波将穿透电离层，不能被反射回来，它只能作视线传播，即直线传播。典型的是微波通信，利用微波接力站。天线越高，传播距离越远。利用三颗同步地球卫星(高度35800km)，可实现全球通信。中、低轨道卫星主要用于移动通信，一般距地面1000km，由于卫星的轨