《部分传输介质》PPT课件.ppt

第三部分传输介质Chapter3TransmissionMedia ComputerNetworks 本章讲什么What saboutThisChapter 本章研究 什么是传输介质 三种重要的有向传输介质双绞线 广泛用于楼内布线 同轴电缆 已成昨日黄花 目前主要用于有线电视 光纤 广泛用于楼间布线和长途传输 无线通信用的传输介质 无向介质 本章主要内容Contents 3 1有向介质GuidedTransmissionMedia3 2无向介质UnguidedTransmissionMedia 什么是传输介质 Transmissionmedium 通信系统中发送设备与接收设备之间的物理线路 通信系统以电磁能形式的信号传输数据 电磁能通过传输介质传播 实现了数据的传送 P124图7 1 电磁频谱ElectromagneticSpectrum 电磁频谱与传输介质ElectromagneticSpectrumandTrans Media 传输介质的分类ClassesofTransmissionMedia P124图7 2 3 1有向介质GuidedTransmissionMedia 有向介质GuidedMedia 双绞线TwistedPairCable 无屏蔽双绞线 四对线芯 平行导线的噪声效应EffectofNoiseonParallelLines 如果两条导线互相平行 离噪声源 如电动机 近的导线中产生的噪声电平就会比另一条导线中的更高 从而导致负载不平衡以及信号损益 双绞线上的噪声NoiseonTwisted PairLines 导线绞合并不保证一定能消除噪声 但是能显著减弱它的影响 双绞 可以减少相邻导线的电磁干扰 非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线UTPandSTPcables 双绞线可分为非屏蔽双绞线 UTP 和屏蔽双绞线 STP 两大类 差别在于双绞线内是否有一层金属隔离膜 STP内有一层金属隔离膜 在数据传输时可减少电磁干扰 稳定性较高 价格比UTP贵 UTP内没有这层金属隔离膜 稳定性较差 但价格相对来说便宜多了 屏蔽双绞线ShieldedTwisted PairCable 无屏蔽双绞线的种类CategoriesofUTP 1类线用于 0 1Mbps传输 适用于语音 低速传输 2类线用于 2Mbps传输 适用于语音 低速传输 3类线用于 10Mbps传输 4芯 10Mbps以太网电缆 4类线用于 20Mbps传输5类线用于 100Mbps传输 8芯 超5类线用于 125Mbps传输 8芯 最常用的网络电缆 6类线用于 200Mbps传输7类线用于 600Mbps传输电缆上通常印有类别标志 如cat5或category5 5类线 标准规定计算机网络用的双绞线 UTP 每根长度不宜超过100米 广泛用于楼内布线 参见P126表7 1 UTP连接件UTPConnectors P126图7 5 RJ 45connector crystalconnector UTP连接件 RJ 45 俗称 水晶头 双绞线的性能UTPPerformance 衰减测量 每英里分贝数频率超过100kHz时衰减剧增 P126图7 6 同轴电缆CoaxialCable P127图7 7 屏蔽层 铜网或铜箔 也是传导体的一部分 以形成完整的回路 同轴电缆的结构 广泛使用的同轴电缆有两种 一种为50 指沿电缆导体各点的电磁电压对电流之比 同轴电缆 用于数字信号的传输 即基带同轴电缆 另一种为75 同轴电缆 用于宽带模拟信号的传输 即宽带同轴电缆 参见P127表7 2 基带传输型 主要用于早期的10Mbps低速局域网 50 RG 11 粗缆 10mm RG 58 细缆 5mm 93 RG62频带传输型 主要模拟传输 75 RG 59 有线电视 常用同轴电缆种类CategoriesofCoaxialCables 细同轴电缆的连接ConnectionofThinCoax 终接器 Terminator 又称为 终端电阻 BNC 同轴电缆接插件 BNC连接器BNCConnectors P127图7 8 BNC连接器实图BNCconnectors BNC接头 T型连接器 带BNC接头的同轴电缆 终接器Terminator 安装在同轴电缆线路的两端 用于吸收信号能量 带链的 接地 不带链的 双绞线与同轴电缆带宽比较Bandwidth UTPvsCoax 双绞线3类16MHz5类100MHz超5类100MHz6类200MHz7类600MHz同轴电缆500MHz 同轴电缆的性能Coaxialcableperformance 频率超过10kHz时衰减剧增尽管同轴电缆带宽更大 但信号减弱很快 P128图7 8 昔日黄花 Outdated 曾经广泛用于模拟电话网络 有线电视网络和传统的低速 10Mbps 以太局域网 电话网络中大部分已被光缆取代 有线电视网络中也大部分被光缆取代 一般仅入户线仍使用同轴电缆 计算机局域网中已被数据速率达100Mbps的双绞线全面取代 光纤 光导纤维 OpticalFiber 光纤通信是目前发展最快的一种通信技术 光的特性Aboutlight 光是一种电磁能 它在真空中的传播速度可达30万千米 秒 光的传播速度与它通过的介质密度有关 密度越大 传播速度越低 光在单一密度的介质中以直线形式传播 如果通过某一介质的光束突然进入另一种密度不同的介质 它的传播速度会突然改变 导致光束传播方向也随之改变 折射或反射 回到中学 折射与反射RefractionandReflection P128图7 10光从高密度介质射到低密度介质时的情况 光纤与光OpticalfiberandLight 光纤是一种透光性极好的玻璃或塑料纤维 可以最小损耗将光束从一端传送到另一端 光纤起着某种 光导管 的作用 它将光纤一端进来的光束引导到另一端 光源可以是一个发光二极管 LED 也可以是一个激光器 光源发出了一连串 亮 灭 形式的光脉冲 在光纤的接收端有一个光敏接收器 可以将光脉冲转换回由数字 1 和 0 组成的原信号形式 相比其他传输媒介 光纤最主要的优点是低损耗 高带宽和高抗干扰性 参见P131 应用 一对光纤可以有160个长途通信通道 每个通道的带宽可达10Gpbs 甚至高达20Gbps 且传输质量极好 测试表明 当数据速率为420Mbps且距离为119km无中继器时 其误码率仅为10 8 光的传输特性TransmissionCharacteristicsofLight 主要用于 主干网 高速 防雷击保密 防窃听 光纤传输原理BasicPrinciple 光纤利用全反射使光线在通道内定向传输 光纤中心是玻璃或塑料的纤芯 外面填充着密度相对较小的玻璃或塑料材料 包层 两种材料的密度差异必须达到能够使纤芯中的光线只能反射回来而不能折射入包层的程度 信息被编码与一束以一系列开关状态来代表0和1的光线形式 P129图7 11 光纤结构Fiberconstruction P130图7 14 光缆OpticalCable 光纤为圆柱状 由3个同心部分组成 纤芯 包层和封套 每一路光纤包括两根 一根接收 一根发送 光纤包层有用于保护芯线和将光反射回玻璃导体内的镀层 然后封装坚韧的 凯夫拉尔 制造防弹衣的材料 封套 最后再用聚氯乙稀等材料制作的外套层封装 Core 纤芯Cladding 包层Jacket 防护层 光纤的传播模式Propagationmodes P129图7 12 传播模式示意图TransmissionModes P129图7 13 多模光纤是指在给定的工作波长上 能以多个模式同时传输的光纤 即多条入射角度不同的光线可以同时在一条光纤反射式地传播 多模光纤根据折射率的分布特性 可分为渐变型 graded index 阶跃型 step index 多模光纤MultimodeFiber 多模阶跃折射率光纤MultimodeStep index 折射率为阶跃型 其折射率在整个光纤直径方向为常量 同样距离下 入射角较小的光束需要更多的反射 所以经过的路程更长 这种路程差意味着到达时间有所不同 当光束在接收端重新组合时 所生成的信号就会畸变 多模渐变折射率光纤MultimodeGraded index 折射率为渐变型的光纤 其折射率随光纤芯径变化 中心处为0 具有变化的密度 其芯材中心密度最高 向外逐渐变小 在边界处最小 密度的不断变化使得光线逐渐弯曲成一条曲线 这样每隔一定间距不同的光线就会相交 把接收装置精心放置在这些相交处 就可以获得高精度的重组信号 由于突变型多模光纤传输时光信号畸变较大 故常用渐变型多模光纤 其主要规格有 50 m 纤芯直径 125 m 包层直径 62 5 m 纤芯直径 125 m 包层直径 100 m 纤芯直径 140 m 包层直径 多模光纤对准要求不太严格 弯曲时损耗不太灵敏 被推荐应用于所有的建筑物综合布线系统 支持100Mbps传输率 1 5 2km和1000Mbps传输率 300m范围的LAN 计算机网络一般使用62 5 m多模光纤 多模光纤的传输特性TransmissionCharacteristicsofMultimodeFiber 单模光纤SingleMode 使用折射率突变型光纤 其芯径被减少到某个波长级 这样只有一个角度即 模式 的光纤可以通过 轴心光线 于是所有光线都能 同时 到达 并能无失真地重新组合 通常用于长距离的传输 单模光纤的传输特性TransmissionCharacteristicsofSingleModeFibres 单模光纤的纤芯直径很小 在给定的工作波长上只能以单一模式传输 传输频带宽 传输容量大 折射率为突变型 光线沿其中心直线传输 故光信号的损耗很小 离散也很小 传输距离大大高于多模光纤 常用规格为7 0 m 纤芯直径 125 m 包层直径 衰减小 适合远程传送 但需用昂贵的注入式激光二极管作光源 应用Application 多模光纤和单模光纤的线路造价相当但多模光纤的光端设备价格低廉能用多模不用单模 根据传输距离选择 注意事项CarefulinUsingFibers 光缆不易分支 所以一般适用于点到点的连接 光纤在任何时间都只能单向传输 因此 要实行双向通信 必须成对使用 一个用于输入 一个用于输出 每一条光纤电缆的连接都需要小心地磨光光端头 通过电烧烤或化学工艺与光学接口连在一起 整个安装过程 必须确保光通道没有被阻塞 也不能将光纤拉得太紧或形成直角 光缆弯曲时容许的最小曲率半径应不小于光缆外径的15 20倍 一般来说 多芯光纤并不直接连接到计算机的网卡上 而是连接到一种叫做光端器的设备上 这时就需要使用一种俗称 光纤跳线 的专用连接线 连接光端器和计算机上的网卡 光纤跳线也是光纤 一根光纤跳线中只含有一根光纤 只能进行单向的数据传输 一般连接一台计算机需要两根光纤软跳线 一根发送数据 一根接收数据 光纤跳线FiberJumperLines 光纤的连接ConnectionofFibers 接头连接将它们接入连接头并插入光纤插座 连接头要损耗10 到20 的光 典型衰减为1dB 但是便于系统重新配置 机械接合将两根小心切割好的光纤的一端放在一个套管中 然后钳起来 其操作需要专业人员进行 光的损耗约为10 熔合连接形成的光纤和单根光纤差不多是相同的 损耗最小 典型衰减0 01 0 03dB 光纤熔接机 光纤系统中使用的光源器件LightSourcesforFiberOptic 有两种类型 皆为施加电压便可发射光束的半导体装置 LED 发光二极管 价廉 工作温度范围较大 工作寿命较长 但只能发射发散的光线 只在短距离内使用 ILD 注入式激光二极管 根据激光原理工作 光线具有高度集中性 高效高数据速率长距离 光纤连接器Fiber opticcableconnectors SC型 推插式ST型 卡式 旋合式 MT RJ型 小型光纤连接器 端口密度比传统的连接器多一倍 适用于高速率数据网络 P131图7 15 光纤性能OpticalFiberPerformance 光纤的衰减曲线比双绞线和同轴电缆平坦得多 所以使用光纤时 只需很少的中继器 目前主要用于楼间布线和长途通信 P131图7 16 3 2无向介质UnguideTransmissionMedia P132图7 17 无线通信电磁频谱ElectromagneticSpectrumforWireless 传播方法Propagationmethods P132图7 18 地表传播GroundWavePropagation 天空传播SkyWavePropagation 视线传播LineofSightPropagation 更多的传播类型 无线传输波WirelessTransmissionWaves P133图7 19 无线电波RadioWave 3MHz 1GHz广播FM 调频 AM 调幅 频段UHF 特高频 VHF 甚高频 电视频段大多具有全向性信号向所有方向传播可以被许多天线所接收可穿透墙体 传输距离很长几乎整个波段受政府机构管制多用于多播通信 如收音机 电视以及寻呼系统 天线Antennas 用来发射或收集电磁波的电导体 系统 发送由发射器生成无线电频率能量转换为电磁波通过天线电磁波发射到周围空间接收电磁波传到天线上将无线电波转换为电能馈送给接收机有些天线既用于发送也用于接收 全向天线OmnidirectionalAntenna P133图7 20 微波Microwave 1 300GHz高方向性波束 单向 点对点视线传播传播方式地面微波卫星微波 Figure7 21 单向天线UnidirectionalAntennas P134图7 21 抛物面碟形天线ParabolicDishAntenna 用于地面微波和卫星微波通信 地面微波TerrestrialMicrowave 为了实现长途传输 需要使用一组微波中继站 而点对点的微波链路连成一线 就可满足所需的传输距离 地面微波TerrestrialMicrowave 天线 抛物面碟状 直径约3米 电磁波被聚焦成波束视距传输用于长途通信高频率带来高数据率天线间的最大间距 式中d 天线间距 千米 h 天线高度 米