现场总线-工业通信与网络技术 教案 第8讲-通信基础4

工业通信与网络技术教案第1页课程题目第8讲现场总线通信基础（4）通信的传输介质、无线传输的类型与特征课时2学时教学目的：1．了解通信介质的概念、类型、特性、优缺点、应用等；2．掌握各通信介质的应用场合以及无线传输的优缺点和应用场合。教学重点与难点：重点：各种通信介质的特点和应用场合；难点：通信介质以及无线传输的优缺点。教学方法与手段：方法：讲授法；手段：课堂教学。教学内容与课时分配：1．通信的传输介质的概念、特点、优缺点对比；1.5学时2．无线传输种类、特点、应用。0.5学时教具：作业与思考：教学后记：备注教学内容工业通信与网络技术教案第2页备注教学内容第8讲现场总线通信基础（4）一、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。1、设计因素决定数据率和传输距离的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注意。接收器数量（Numberofreceivers）。导向介质中，可构成点对点或者多个设备相连的链路；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。图3-60电信用电磁波频谱2、导向传输介质（媒体）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：3）双绞线、同轴电缆、光纤。表3-2导向媒体的点对点传输特性图3-61导向传输介质3、导向传输介质－双绞线4、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。5、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）。6、双绞线－传输特性模拟传输；每5千米到6千米用一个放大器；数字传输；使用数字或模拟信号；每2千米到3千米用一个转发器。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Mbps；100m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。图3-62典型导向介质的衰减特性7、无屏蔽和屏蔽双绞线双绞线有两种不同的类型：无屏蔽的和屏蔽的。无屏蔽双绞线（UnshieldedTwistedPair(UTP)）；包含一根或多根双绞线缆，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通常有四对线，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。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)。表3-3双绞线对的类别和类插入损耗(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)，是衡量接收信号强度与同一线对的串扰比值大小的量度。8、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1-2.5cm。图3-63双层屏蔽带悬挂线图3-64四层屏蔽带悬挂线9、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。10、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。每千米使用一个转发器；数据率越高，转发器间隔越密。11、导向传输介质－光纤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。12、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。转发器的间隔更远。更低的费用。13、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。14、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。图3-65光纤传输模式15、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；表3-4光纤应用的有效频率二、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：3x1011Hz到2x1014Hz，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。1、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，所需放大器或转发器比同轴电缆少；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。2、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）为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的传输时延；天生就是广播工具。3、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。4、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。5、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。三、完成工业通信需考虑/解决的问题：通信设备/装置——节点/站点；通信线——网络的传输介质；通信的快慢——通信速率；通信距离——总线长度；网络能连多少个节点；节点识别——寻址方式；节点地址有重复的怎么办？——重复MACID检测；节点之间连接形式——网络拓扑结构；节点优先级，冲突如何解决——介质访问控制方式；允许数据传输方向——通信方式；数据如何用信号描述——信号编码；每位数据时间的长短——位时间；不