2.4 传输介质

传输介质又称为传输媒体或传输媒介，它是网络中连接收发双方的物理通路，是通信中实际传送信息的载体。传输介质可分为导向传输介质和非导向传输介质两大类。在导向传输介质中，信号被导向沿着固定的介质（如铜线或光纤）传播。而非导向传输介质是指向自由空间，通过无线方式传播电磁波，通常称为无线传输。导向传输介质主要包括双绞线、同轴电缆和光纤；非导向传输介质中，常用的无线通信技术有：微波通信、卫星通信、红外通信和激光通信等。

2.4.1 双绞线

双绞线（Twisted Pair）一般是由多对两两扭合在一起的带有绝缘层的铜线组成，被封装在一个绝缘套管中。在每根铜导线的绝缘层上通常涂有不同的颜色，以示区分。通常，双绞线扭合得越密，其抗干扰能力就越强，传输性能也就越高。双绞线是网络布线中使用非常多的一种传输介质，它成本低，制作和使用简便。

双绞线按照是否带有屏蔽层，可分为非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）和屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）两类。

屏蔽双绞线（STP）一般由4对铜线组成，每对铜线都是由两根铜线绞合在一起形成的，而每根铜线都外裹不同颜色的塑料绝缘体。每对铜线包裹在金属箔片（线对绝缘层）里，而整个4对铜线又包在另外一层金属箔片（整体绝缘层）里，最后在屏蔽双绞线的最外面还包有一层塑料外套。

非屏蔽双绞线（UTP）一般也由4对铜线组成，每对铜线也都是由两根铜线绞合在一起形成的，而每根铜线都外裹不同颜色的塑料绝缘体，4对铜线的最外面包有一层塑料外套。非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线结构如图2-20所示，图2-21为非屏蔽双绞线实物。

UTP由于不带屏蔽层，容易受到来自外部环境或邻近双绞线的电磁干扰。但它安装和使用方便，且成本低，因此被广泛地应用于网络布线。STP抗干扰能力强，但成本较高，而且安装相对要复杂一些。

双绞线使用的连接器主要有RJ-11和RJ-45。其中，RJ-11用于电话线接口，而RJ-45用于网线接口。图2-22是一个RJ-45连接器插头的外形图。

双绞线按照性能不同又可分为1类线、2类线、3类线、4类线、5类线、超5类线和6类线等。美国电子工业协会（EIA）的电信工业分会（Telecommunication Industry Association，TIA）定义了EIA/TIA标准的非屏蔽双绞电缆类型如下。

● 1类线：用于电话通信，一般不适合传输数据。

● 2类线：可用于传输数据，最大数据率为4Mbit/s。

● 3类线：用于以太网，最大数据率为10Mbit/s。

● 4类线：用于令牌环网，最大数据率为16Mbit/s。

● 5类线：用于快速以太网，最大数据率为100Mbit/s。

● 超5类线：用于千兆以太网，最大数据率为1000Mbit/s。

● 6类线：用于吉比特以太网，最大数据率为1Gbit/s。

类别越高，传输性能越好，价格也越贵。目前在计算机网络布线中使用最多的是5类线、超5类线和6类线。

2.4.2 同轴电缆

同轴电缆（Coaxial Cable）由中心导体、绝缘层、同轴向放置的外导体屏蔽层和绝缘保护套组成，如图2-23所示。用于传递电信号的一对导体是按照一层圆筒式的外导体套在内导体（中心导体）外面，两个导体之间使用绝缘材料进行隔离而设计的；其外层导体和内层导体在同一个轴心上，所以称其为同轴电缆。理论上，环绕着中心导体同轴放置外导体屏蔽层的方法可以将所有电磁场保持在两个导体之间，如图2-24所示，通过这种同轴结构，可以有效地降低外部电磁干扰对同轴电缆中所传输信号的影响。

同轴电缆是一种使用非常广泛的传输介质，例如，在有线电视系统中，通常采用同轴电缆作为传输电视信号的介质。与双绞线相比，同轴电缆价格较高，其优点是传输距离长，且抗干扰能力强。

同轴电缆存在多种型号，常用同轴电缆的型号和应用范围如下。

● 特性阻抗为50Ω的粗缆RG-8和RG-11，用于粗缆以太网组网。

● 特性阻抗为50Ω的细缆RG-58，用于细缆以太网组网。

● 特性阻抗为75Ω的宽带同轴电缆RG-59，用于有线电视中视频信号的传输。

同轴电缆标准衰减在10MHz下每30m小于1.5dB，10~100MHz每30m小于5dB，由于受信号衰减和信号失真的限制，同轴电缆的可用距离随着频率的提高而减小。粗缆的传输距离长，可靠性高，其最大传输距离可以达到500m。细缆的传输距离短，线缆总长不能超过185m，否则信号会被严重衰减。在计算机网络布线领域，粗缆和细缆已基本被双绞线和光缆所取代。

2.4.3 光纤

光纤是光导纤维（Fiber Optics）的简称。它是一种利用光的全反射原理，在玻璃或塑料制成的非常细的纤维中传输光信号的传输介质。光纤由纤芯和包层构成，纤芯非常细，其直径只有8~200μm。包层包在纤芯的外面，与纤芯相比，它具有较低的折射率。根据折射定律n₁sinθ₁=n₂sinθ₂,其中n₁、n₂分别为纤芯和包层的折射率，θ₁、θ₂分别为入射角和反射角。当n₁>n₂时，其折射角（θ₂）大于入射角（θ₁），随着入射角θ₁增大，折射角θ₂也随之增大，当入射角θ₁足够大（大于等于临界角）时，折射角θ₂超过90°，形成全反射，反射角为θ₃，即光信号碰到包层时将光全部反射回纤芯，如图2-25所示。光纤就是利用全反射原理，使得光信号在包层表面不断地形成全反射，沿着纤芯进行传播，而不会通过包层折射出去。图2-26是光信号在纤芯中传播的示意图。

图2-26中只画了一条光信号，实际通信中，只要从纤芯中射到包层表面的光信号的入射角大于某一个临界角度，就可产生全反射。因此，一条光纤中可以同时有许多条从不同角度入射的光信号在传输，这种光纤就称为多模光纤，如图2-27a所示。若光纤直径小到只有光的波长，则只有轴向角度的光信号能进入光纤，且使光信号一直向前传播，而不会产生多次反射，这种光纤称为单模光纤，如图2-27b所示。

光纤与光缆这两个名词是不同的。通常情况下，光纤在实际应用时都需要被几层保护结构所包覆，以增强其强度和便于铺设。这种包覆后的线缆称为光缆。四纤芯光缆剖面示意图如图2-28 所示。

光纤的主要优点如下。

● 带宽很高，通信容量大。

● 信号衰减小，传输距离远。

● 抗电磁干扰，传输可靠性高。

● 无信号泄露，难于窃听，安全性好。

● 尺寸小且重量轻，易于运输和铺设。

● 抗腐蚀能力强，使用寿命长。

2.4.4 无线传输介质

无线传输介质是非导向传输介质，不使用有线传输介质传输电磁信号，而是利用电磁信号可以在自由空间中传播的特性来传输信息。无线传输介质实际上是一套无线通信系统。在无线通信系统中，为了区分不同的信号，通常以信号的频率作为标志。

1.电磁波频谱

可用于无线通信的电磁波频谱的范围很宽，无线电波使用的无线电频率一般在10kHz~1GHz范围。无线电波的传播特性与频率有关。电磁波频谱如图2-29所示，无线通信用的电磁波频率资源的划分如表2-3所示。

2.无线电波的传播方式

无线电波通信就是利用地面发射的无线电波通过视距或电离层的反射，或电离层与地面的多次反射而到达接收端的一种无线通信方式。无线电波的发送和接收是通过天线进行的。天线一般都具有可逆性，即同一副天线既可以作为发射天线使用，也可以作为接收天线使用。在无线电波的发送端，信号通过馈线输进至天线，由天线以电磁波的形式辐射出去；在无线电波的接收端，天线接收到空中的电磁波信号后，通过馈线传送给后续的接收机单元进行处理。无线电波的传播方式主要有3种：地波传播、天波传播和直线传播，如图2-30所示。

（1）地波传播

地波是指沿地球表面进行传播的无线电波，如图2-30a所示。地球表面上各种起伏不平的障碍物会对地波的传播造成影响。只有无线信号的波长大于障碍物的尺寸或与障碍物的尺寸相当时，电磁波才能经过障碍物继续前进。在电磁波谱中，长波（VLF和LF）和中波（MF）的波长较长，可以采用地波的方式进行传播；而短波（HF）和微波的波长较短，不适合采用地波的方式进行传播。调幅（AM）广播就是采用地波进行通信的例子。

（2）天波传播

天波是指借助于电离层的反射而进行传播的无线电波，如图2-30b所示。在距离地球表面60～900km的大气中，有一部分大气分子在太阳紫外线、X射线和高能粒子的作用下发生了电离，形成了带正电的离子和自由电子，发生电离的大气称为电离层。

电离层对于不同波长的无线电波呈现出不同的特性：波长超过1000m的长波，几乎会被电离层全部吸收；而波长小于10cm的微波，能够穿越电离层进入太空；波长介于两者之间的短波和中波，可以通过电离层发生反射，传播至很远的地方。短波广播和业余无线电通信都是采用天波传播的例子。

（3）直线传播

直线传播是指无任何障碍物的进行直线传播的无线电波，如图2-30c所示。微波采用直线传播，因其波长很短，既不能绕过地面上的障碍物，也不能通过电离层进行反射，因此不能采用地波或天波的方式进行传播，只能采用直线方式进行传播。直线传播也称为视距传播。

3.微波通信

在无线电波中，微波的频率范围是300MHz~300GHz，波长范围是1mm~1m。根据其波长的不同，微波又可划分为分米波、厘米波和毫米波。100MHz以上电磁波频段，电磁波几乎按直线传播，因此，可以将它们聚集成窄窄的一束，通过抛物线形状的天线，将所有能量集中于一小束，从而获得极高的信噪比及较远的传输距离。微波通信常采用2~40GHz的频段，微波的传播方式是直线传播。可通过微波通信传送视频、图像、电话和电报等信息。

微波通信主要有两种形式：地面微波接力通信和卫星通信。

（1）地面微波接力通信

由于微波是直线传播的，而地球表面的形状是球面的，如果两个微波站相距太远，地球本身就会阻挡传输路径，因此，为了利用微波实现地面上的远距离通信，需要在地球表面建立若干个微波中继站，以实现微波接力通信，微波站的塔越高，微波传输的距离就越远，微波中继站之间的距离大致与塔高的平方根成正比，即对于高度为100m的微波塔，两个中继站之间的距离可以为80km。微波接力通信如图2-31所示。

（2）卫星通信

卫星通信也是一种微波通信，它是以卫星作为中继站转发微波信号的无线通信。卫星通信系统由卫星、地面站、用户端三部分组成。卫星在空中起中继站的作用，即把地面站发送的电磁波信号经处理后转发给另一个地面站。地面站则是卫星系统与地面公众网的接口。用户端是指各种用户终端，它可以通过地面站出入卫星系统形成链路，地面站还包括地面卫星控制中心，及其跟踪、遥测和指令站。

卫星通信的主要特点如下。

● 通信范围大，在卫星所覆盖范围下的任意两点之间都可以进行通信。

● 可靠性高，不易受各种陆地灾害的影响。

● 能够方便地实现广播和多址通信。

根据通信卫星与地球表面距离的不同，通信卫星可大致分为3种类型：低地球轨道（Low Earth Orbit，LEO）卫星、中地球轨道（Middle Earth Orbit，MEO）卫星、地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO）卫星。

4.红外通信

红外线的频率范围大致为300GHz~400THz（波长1mm~750nm），分为远红外、中红外和近红外3个波段。远红外的频率范围是300GHz~30THz（波长1mm~10μm），中红外的频率范围是30~120THz（波长10~2.5μm），近红外的频率范围是120~400THz（波长2500~750nm）。红外数据传输一般使用近红外波段。

红外通信就是利用红外技术实现两点之间的通信。红外通信系统可分为两个部分：红外发射单元和红外接收单元。发射单元负责对源信号进行调制，然后以红外线的方式发射出去；接收单元通过光学装置和红外探测器进行红外信号的接收。

红外通信的优点是性能价格比高，实现容易，抗电磁干扰；缺点是只能在直视范围内通信，且无法穿透不透明的障碍物。

红外通信技术可用于室内的点对点通信、无线红外LAN通信和军用红外通信。红外通信技术被广泛应用于移动计算设备、移动通信设备以及对电器设备的控制中，如电脑、PDA、移动电话之间的数据交换，以及对电视机、DVD机和空调等电器设备的遥控等。

5.自由空间的激光通信

红外通信技术属于点对点（Point-to-Point）通信，而激光通信也是一种点对点通信技术。与红外通信相类似，自由空间的激光通信也是在直视范围内进行。与红外光不同的是，激光的波束较窄，通常只有几厘米宽，因此在通信时要求激光发送器和激光接收器精确对准，以确保发送的激光光束能够被接收器的感应设备接收到。点对点的激光发送器和接收器通常都是在固定位置进行安装，并且经过仔细的校准。

与红外通信相比，自由空间的激光通信适合于户外使用，且能够传输较长的距离。可以利用激光通信完成城市中楼宇之间的信息传输。例如，两座邻近的建筑物需要进行通信，但又不允许进行电缆的铺设（如街道的阻隔等原因），这时可通过在建筑物屋顶上架设激光通信设备的方式进行激光通信。

自由空间的激光通信的主要优点如下。

● 通信容量大。理论上讲，激光通信可同时传送1000万路电视节目。

● 保密性好。由于激光具有很强的方向性，不易发生信号泄露。

● 结构轻便，设备成本低。与微波天线相比，激光通信所需的发射和接收天线体积小（直径仅有几十厘米）、重量轻（几千克），便于安装。

自由空间的激光通信的主要缺点如下。

● 受大气和气候的影响较为严重。例如，云雾、雨雪和灰尘等均会阻碍激光的传播，从而减小了其通信距离。

● 发送器和接收器的对准比较困难。由于激光具有很强的方向性，必须保证发送设备和接收设备的精确对准。这不但对设备的稳定性和精度提出了很高的要求，而且安装调试也比较复杂。