《现场总线-工业通信与网络技术》课件 第3章 通信基础5

工业通信与网络技术3.9传输介质传输介质是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理通道数据通信的特点和通信质量取决于传输介质的性质以及传输信号特点对于导向介质，传输特性主要取决于介质自身的性质对于非导向介质，传输特性主要取决于发送天线生成的信号带宽设计数据传输系统主要考虑数据率和传输距离数据率越大、传输距离越远越好哈工大网络与电气智能化研究所2设计因素决定数据率和传输距离的许多设计因素都与传输介质及信号有关带宽（Bandwidth）信号的带宽越宽，能够达到的数据率就越高传输损伤（Transmissionimpairments）诸如衰减之类的传输损伤限制了传输的距离不同的导向介质，传输损伤不同干扰（Interference）在频率重叠的区域内，相互竞争的信号之间会互相干扰，可能导致信号的失真或丢失干扰在非导向介质中尤其值得重视接收器数量（Numberofreceivers）导向介质中，可构成点对点或者多个设备（多点）相连的链路多个设备的共享链路中，每个连接的设备都会给这条链路带来不同程度的衰减和失真，故限制了传输距离／数据率哈工大网络与电气智能化研究所33.9传输介质电信用电磁波频谱哈工大网络与电气智能化研究所43.9.1导向传输介质（媒体）哈工大网络与电气智能化研究所5导向传输介质的传输容量，可以用数据率(bps)表示，也可以用带宽(Hz)表示主要取决于传输距离也与介质是点对点的还是多点有关数据传输常用的三种导向介质分别是：双绞线、同轴电缆、光纤3.9.1导向传输介质6比导向传输介质－双绞线4对UTP（非屏蔽双绞线）电缆，24AWG实心裸铜线，聚烯烃绝缘，带撕裂绳，柔性PVC护套。护套每两英尺有一个标志。六类双屏蔽双绞线

符合UL444、TIA/EIA

568B、ETL及3P标准；带宽CAT.5E达100MHz﹔CAT.6可达250MHz；可支持多种布局结构和多种传输信息：话音、数字、电文、图像、视像通信等局域网络环境。因其具有屏蔽层，故一般用于有强电磁干扰场合，电缆能传输更高的数字速率，屏蔽效果好于UTP（非屏蔽双绞线）。五类4对室外阻水非屏蔽双绞线

满足或优于现行的五类传输标准，适用于室外的水平布线或设备端接，连接绝缘一致性，提供非常低的传播延时，外径尺寸小，减少安装中的电缆扭曲。哈工大网络与电气智能化研究所7双绞线－物理性质双绞线由两根彼此绝缘的铜线组成，这两根线按照规则的螺线状绞合在一起一对线作为一个通信链路使用将许多这样的线对捆扎在一起，并用坚硬的、起保护作用的护皮包裹成一根电缆将线对绞合起来是为了减轻同一根电缆内的相邻线对之间的串音干扰同一捆中的相邻线对通常具有不同的绞距，以减少串扰哈工大网络与电气智能化研究所8双绞线－应用双绞线是最常用的传输介质电话网每部住宅电话机都通过双绞线与本地电话交换局（或者称为“端局”）连接，形成“用户环路”在一栋办公楼内连接到室内专用小交换机(PBX)系统或端局的中央设备上局域网(LAN)数据率达到10Mbps–1Gbps，甚至10Gbps（100m）哈工大网络与电气智能化研究所9双绞线－传输特性模拟传输每5km到6km用一个放大器数字传输使用数字或模拟信号每2km到3km用一个中继器传输距离受到限制对点对点模拟信号传输，带宽可达1MHz

对于远距离数字点到点信号传输，数据率可以达到几Mbps100m双绞线缆可实现高达10Gbps的以太网数据率容易受到干扰和噪声的影响哈工大网络与电气智能化研究所10双绞线－传输特性典型导向介质的衰减特性哈工大网络与电气智能化研究所11非屏蔽和屏蔽双绞线双绞线有两种不同的类型：非屏蔽的和屏蔽的非屏蔽双绞线（UnshieldedTwistedPair(UTP)）

包含一对或多对双绞线缆，通常一起包在一个热塑套管内，没有电磁屏蔽层，容易受外部电磁场干扰

用作数据传输时，UTP可用于从话音级到局域网里甚高速电缆等各种场合用于高速局域网时，在一个套管里UTP通常有4对线，每一对的每厘米缠绞数各不相同，以消除相邻线对之间的干扰。绞距越小，则支持的传输速率越高，每米的造价也越高普通的电话线最便宜、使用方便、安装简单哈工大网络与电气智能化研究所12非屏蔽和屏蔽双绞线屏蔽双绞线（ShieldedTwistedPair(STP)）用金属网罩或护皮将双绞线屏蔽起来，以减少干扰在高数据率的情况下，性能更好价格贵，使用不方便屏蔽双绞线(STP)不同配置

每一对线独立地由金属箔屏蔽，通常被称为金属箔双绞线(FoilTwistedPair，FTP)。

管内有一层金属箔或金属带覆盖所有线对（作为一组），这种配置有时被称为屏蔽的双绞线（ScreenedTwistedPair,F/UTP）。

每一对线有独立的屏蔽，同时整组线缆还有屏蔽，这被称为完全屏蔽双绞线缆或屏蔽的／金属箔双绞线(S/FTP)。哈工大网络与电气智能化研究所13双绞线类型哈工大网络与电气智能化研究所14插入损耗(insertionloss)是指从发送系统到接收系统链路上的衰减(attenuation)。近端串扰（nearendcrosstalk，NEXT）损耗是指从一对导体到另一对导体上的信号耦合。衰耗串扰比(AttenuationtoCrosstalkRatio,ACR)，是接收信号强度与同一线对的串扰比值大小的量度。导向传输介质－同轴电缆同轴电缆也是由两根导线组成的由一根空心的圆柱形外导体和柱体内部的一根内导线组成比双绞线更不容易受到串扰和干扰传输距离更长，数据率更高，比双绞线支持更多的站点共享同一链路直径约为（1-2.5）cm哈工大网络与电气智能化研究所15同轴电缆－应用用途广泛的传输介质电视广播（Televisiondistribution）有线电视－CableTV长途电话传输正在逐渐被光纤代替计算机系统之间的短距离连接局域网哈工大网络与电气智能化研究所16同轴电缆－传输特性模拟信号每隔几千米使用一个放大器频率越高，放大器的间隔越近有效频谱可延伸至500MHz数字信号每千米使用一个中继器数据率越高，中继器间隔越小哈工大网络与电气智能化研究所17导向传输介质－光纤光纤是一种纤细(2~125)

、柔韧并能够传导光线的介质。有多种玻璃和塑料可用于制造光纤。使用超高纯二氧化硅熔丝的光纤可得到最低损耗。哈工大网络与电气智能化研究所18光纤的外形是圆柱体，由三个同轴部分组成：芯、覆层以及防护罩芯是最里层的部分，由一个或多个非常纤细的线（纤维）组成，这些纤维由玻璃或塑料制成，直径在(8~50)

之间每根纤维由自己的覆层包裹：覆层由光特性与芯不同的玻璃或塑料制成，直径为125

。芯和覆层之间的界面作为反射器来限制光线使其不能从芯中逃逸最外层是防护罩，包裹着一个或一束包有覆层的纤维。防护罩由塑料或其他物质构成，它位于最外层用来保护其内部抵挡潮湿、磨损、碰撞和其他外界环境中的危险。光纤－优势容量更大以数百吉比特每秒的数据率传输几十千米的距离体积更小，重量更轻衰减更小隔绝电磁场不怕冲激噪声和串扰之类的干扰更安全，很难被人搭线窃听中继器的间隔更远更低的费用哈工大网络与电气智能化研究所19光纤－应用长途线路电话网：20000–60000个话音信道,平均长度1500km市区中继电路100000个话音信道，平均长度12km农用交换干线电路

低于5000个话音信道,长度范围（40–160）

km光纤用户环路

直接从交换中心连接到用户的电路话音、数据、图像和视频LANs容量100Mbps–10Gbps哈工大网络与电气智能化研究所20光纤－传输特性

通过完全内部反射（totalinternalreflection）来传输编码信号的光束，光纤系统的频率操作范围在1014到1015Hz之间这个范围覆盖了红外线区和可见光区的频谱多模突变多个角度发射多条传播路径，每条路径的长度不同，通过纤维的时间也不同短距离传输单模一个角度，一条传播路径，长距离传输多模渐变芯内的光束因为渐变的折射率呈现螺旋状沿着覆层前进常用于LAN哈工大网络与电气智能化研究所21光纤传输模式哈工大网络与电气智能化研究所22光纤－传输特性光源-发光二极管（LightEmittingDiode(LED)）比较便宜工作温度范围较宽寿命长注入激光二极管（InjectionLaserDiode(ILD)）效率更高支持较高的数据率哈工大网络与电气智能化研究所23光纤－传输特性哈工大网络与电气智能化研究所243.9.2无线传输频率范围微波频率1GHz到40GHz，高方向性，点对点传输无线电波区（广播无线电）30MHz-1GHz，全向应用红外线频谱3×1011

Hz到2×1014

Hz，在特定区域完成点对点及多点应用非导向介质通过天线发送和接收实现天线中的概念各向同性天线，抛物面反射天线，天线增益哈工大网络与电气智能化研究所25地面微波抛物面“碟状”天线最常见微波天线电磁波聚集成细波束应用长途电信服务：话音和电视视距内传输，所需放大器或中继器比同轴电缆少点对点建筑物间用于闭路电视和局域网蜂窝系统频谱范围在（1–40）

GHz:频率越高，带宽越宽，数据率越高哈工大网络与电气智能化研究所26卫星微波微波接力站卫星从一个频段接收信号，放大或再生，再从另一个频段发送信号卫星要求相对于地球的位置是恒定的高度（距赤道）35863km应用电视广播，长途电话传输，专用商业网络，全球定位最佳频率范围为（1-10）GHz

从一个地球站发送到另一个地球站接收，大约有0.25s的传播时延天生就是广播工具哈工大网络与电气智能化研究所27广播无线电全方向性的（Omnidirectional）应用广播FM频段UHF（特高频）频段和

VHF（甚高频）频段，电视广播数据网络应用30MHz到1GHz广播通信的有效频段高于30MHz的传输范围局限于视距范围无线电损伤的主要来源是多径干扰地面、水域或自然界或人造物体的反射哈工大网络与电气智能化研究所28红外线和无线传播红外线使用发送器／接收器（收发器）调制出不相干的红外线光即可实现红外线通信视距范围直接传输或反射无法穿透墙体，比较安全，不受干扰不存在频率分配问题无线传播从天线发射出去的信号沿以下三条路径之一传播：地波、天波或视距(lineofsight，LOS)地波传播:调幅无线电广播（AMradio）天波传播：BBC和美国之音视距传播哈工大网络与电气智能化研究所29视距传输无线视距传输的损伤自由空间损耗离发送天线越远，接收到的信号功率越弱大气吸收主要来自水蒸气和氧气雨和雾引起的散射导致衰减多径信号被障碍物反射沿多条路径传播，如通过水域时，风使水的反射面运动，导致多径传播折射大气层的折射，海拔高度变化或其他大气层状态变化哈工大网络与电气智能化研究所3031第3章现场总线通信基础3.1概念和术语3.2模拟数据和数字数据传输3.3传输损伤3.4模拟信号和数字信号编码技术3.5同步和异步传输3.6单工、半双工传输和全双工传输3.7差错类型、差错检测和差错纠正3.8差错控制、流量控制和高级数据链路控制3.9传输介质（媒体）哈工大网络与电气智能化研究所32第2章现场总线网络基础2.1现场总线网络概观2.2网络分类2.3网络软件2.4OSI和TCP/IP参考模型2.5网络体系结构内的标准化2.6网络拓扑结构2.7介质访问控制方式哈工大网络与电气智能