传输介质

3.2 传输介质

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传输介质是网络中信息传输的媒体，是网络通信的物质基础之一。传输介质的性能特点对传输速率、通信距离、可连接的网络结点数目和数据传输的可靠性均有很大的影响，根据不同的通信要求，必须合理地选择传输介质。在网络中常用的传输介质有双绞线、同轴电缆、光纤和无线电等。

3.2.1双绞线

双绞线是最常用的传输介质，它是由两根绝缘的铜导线用规则的方法绞合而成，称为一对双绞线，如图3-4所示。通常把若干对双绞线(2对或4对)，捆成一条电缆并以坚韧的护套包裹着，以减小各对导线间的电磁干扰。每根铜导线的绝缘层上分别涂有不同的颜色，即橙白、橙、绿白、绿、蓝白、蓝、棕白和棕色，以便于用户区分不同的线对。双绞线绞合的目的是为了减少信号在传输中的串扰及电磁干扰。双绞线常用于模拟语音信号或数字信号的传输。

1. 双绞线的分类

双绞线是网络中最常用的传输介质，尤其在局域网方面。

⑴根据屏蔽类型，双绞线分为屏蔽双绞线(STP)和非屏蔽双绞线(UTP)两大类。

①非屏蔽双绞线

该类双绞线的外面只有一层绝缘胶皮，因而重量轻、易弯曲，安装、组网灵活，比较适合于结构化布线。在无特殊要求的小型局域网中，尤其在星型网络拓扑结构中，常使用这种双绞线电缆，如图3-5所示。

②屏蔽双绞线

屏蔽双绞线的最大特点在封装在其中的双绞线与外层绝缘皮之间有一层金属材料，如图3-6所示。这种结构能减少辐射，防止信息被窃听，同时还具有较高的数据传输速率。如：5类屏蔽双绞线在100米内传输速率可达到155Mbps ，而同样条件下非屏蔽双绞线的传输速率只能达到100Mbps 。但由于屏蔽双绞线的价格相对较高，安装相对较困难，且必须采用特殊的连接器，技术要求也比非屏蔽双绞线高，因此屏蔽双绞线只使用在大型的局域网环境中。

⑵根据传输数据的特点，双绞线又可分为3类、4类、5类和超5等类别。其特点及用途见表3-1。

表3-1 双绞线性能和用途

类别最高工作频率(MHz) 最高数据传输率(Mbps) 主要用途

3类15 10 10MB网络

4类20 45 10MB网络( 一般不用)

5类100 100 10MB和100MB网络

超5类200 155 10M、100M、1000M网络( 4对线可实现全双工通信)

2. RJ-45连接器

在网络组建过程中，双绞线的接线质量会直接影响到网络的整体性能。双绞线在各种设备之间的接法也非常有讲究，应按规范连接。下面主要介绍8针RJ-45连接器的标准接法及其与各种设备的连接方法，目的是使大家掌握规律，提高工作效率，保证网络正常运行。

⑴8针RJ-45连接器标准接法

由于双绞线一般用于星型网络的布线，每条双绞线通过两端安装的RJ-45接头( 俗称水晶头) 将各种网络设备连接起来。双绞线的标准接法不是随便规定的，必须符合EIA/TIA 568B标准或EIA/TIA 568A标准，如图3-7所示。具体接法如下：

①EIA/TIA 568A线序标准：

1 2 3 4 5 6 7 8

绿白绿橙白蓝蓝白橙棕白棕

②EIA/TIA 568B线序标准：

1 2 3 4 5 6 7 8

橙白橙绿白蓝蓝白绿棕白棕

⑵直通线与交叉线

①直通线：两端都按T568B线序标准连接或两端都按T568A线序标准连接。

②交叉线：一端按T568A线序标准连接，另一端按T568B线序标准连接。

在制作网线时，如果不按标准连接，虽然有时线路也能接通，但是线路内部各线对之间的干扰不能有效消除，从而导致信号传输时误码率增高，最终影响到网络整体性能。只有按规范标准布线，才能保证网络的正常运行，也会给后期的维护工作带来便利。

3.2.2同轴电缆

同轴电缆也是一种常见的网络传输介质。它由一层网状铜导体和一根位于中心轴线位置的铜导线组成，铜导线、网状导体和外界之间分别用绝缘材料隔开，如图3-8所示。

由于同轴电缆具有较强的抗干扰能力，屏蔽性能好等特点，因此在中小型局域网中，常用于总线型网络拓扑结构设备与设备之间的连接中。

1. 同轴电缆的结构

从图3-8可知，同轴电缆的结构分为四部分，各部分的作用如下：

⑴铜质导体：同轴电缆的中心导体应多芯或单芯铜质导线，是信号传输的信道。

⑵绝缘体：隔离铜质导体和网状导线，目的是避免短路。

⑶网状导线：环绕铜质导线的一层金属网，作为接地线用。在网络信息传输过程中，可用作铜质导体的参考电压。

⑷外皮：用于保护网线免受外界干扰，并预防网线在不良环境中受到氧化或其他损坏。

2.同轴电缆的分类

⑴按带宽和用途划分

同轴电缆可分为基带和宽带两种。基带同轴电缆传输的是数字信号，在传输过程中，信号将占用整个信道。即在同一时间内，基带同轴电缆仅能传送一种信号。宽带同轴电缆传送的是不同频率的模拟信号，这些信号需要通过调制技术调制到各自不同的正弦载波频率上。传送时应用频分多路复用技术将信道分成多个传送频道，在同一时间内，如数据、声音和图像等，在不同的频道中被传送。

⑵按直径划分

按直径划分同轴电缆可为粗缆和细缆两种。粗缆适合于较大的局域网的布线，它的布线距离较长，具有较好可靠性和较强的网络抗干扰能力，安装时需要采用特殊的装置( 收发器) ，不用切断电缆，两端头装有终端器，故网络安装、维护和扩展比较困难，并且造价较高。细缆常在总线型网络中出现。常采用BNC/T型接头。这样由于线缆直径较小、易弯曲，安装较易、造价较低且具有较强的抗干扰能力。但由于网络中电缆系统的断点太多，如果一个用户出现故障，常常会影响其他用户的正常工作，从而影响了网络系统的可靠性。

⑶按特性电阻值划分

按特性电阻值划分，可将同轴电缆分为50Ω和75Ω两种。50Ω同轴电缆常用于网络中，主要用来传输数字信号；而75Ω同轴电缆常用于CA TV系统中的标准传输电缆，主要传输模拟信号。

3.2.3光纤

从20世纪70年代到现在，通信和计算机都得以飞速发展。20多年来，计算机的运行速度大约每10年提高10倍。但在通信领域里，信息的传输速率则提高得更快，从70年代的56kbps 到现在的1Gbps或几百Gbps( 光纤通信) 。相当于每10年提高100倍乃至1000倍。因此光纤通信就成为现代通信技术中的一个十分重要的领域。

光导纤维是一种细小柔软并能传导光线的介质。它由纤芯、包层和护套层组成。其中纤芯是由玻璃制成，包层由玻璃制成，护套由塑料制成，其结构参照图3-9。

1.光纤通信的工作原理

光纤通信的主要组成部件有光收发器和光纤，如果用于长距离传输信号还需要中继器。光纤通信实际上是应用光学原理，由光收发器的发送部分产生光束，将表示数字代码的电信号转变成光信号后导入光纤传播，在光缆的另一端由光收发器的接收部分接收光纤上传输的光信号，再将其还原成为发送前的电信号，经解码后再处理。光纤通信系统中起主导作用的是光源、光纤和光收发器。从原理上讲，一条光缆不能进行信息的双向传输，如需进行双向通信时，须使用两条或多股光纤，一条用于发送信息，另一条则用于接收信息。为了防止长距离传输而引起的光能衰减，在大容量、远距离的光纤通信中每隔一定距离需设置一个中继器，图3-10为光纤通信原理示意图。

2. 光纤的分类

光纤主要分为多模光纤和单模光纤两种类型，如图3-11所示。

⑴多模光纤

采用发光二极管LED为光源，这样只要射到光纤表面的光线的入射角大于某一个临界角，就可产生全反射。由于其芯线粗，就可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。多模光纤的特点是传输速度低、容量小、传输距离短。但这种线缆成本较低，一般用于建筑物内或地理位置相邻的环境中。

⑵单模光纤

采用激光二极管LD作为光源。由于其芯线较细，当光纤的直径减小到只有一个光的波长时，光纤就像一根波导一样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。单模光纤的衰耗较小，在2.5Gbps的高速率下可传输数十公里而不必采用中继器。

单模光纤的特点是传输频带宽、信息容量大，传输距离长( 最长可达10km) ，需要激光源。由于成本高，所以常在建筑物之间或地域分散的环境中使用。

3. 光纤的优点与缺点：

⑴优点

与铜质电缆相比，光纤具有以下优点：

①传输信号的频带较宽，通信容量大，信号衰减小(可以说在较长距离和范围内信号是一个常数)，应用范围广等。

②电磁绝缘性能好，保密性好，不易被截取数据。

③中继器的间隔较大，因此可以减少整个通道中继器的数目，可降低成本。

④抗化学腐蚀能力强，可用于一些特殊环境下的布线。

⑤传输速率高，目前实际可达到的传输速率为几十Mbps至几千Mbps。

⑵缺点

光纤也有缺点，主要表现在以下几方面：

①光纤通信多用于作为计算机网络的主干线，光纤的最大问题是与其他传输介质相比，价格昂贵。

②光纤连接和光纤分支均较困难，而且在分支时，信号能量损失很大，故光纤的安装与维护需要专业人员才能完成。

3.2.4无线传输

前面介绍了三种有线传输媒体。但是，若通信线路要通过一些高山或岛屿，有时布线很难施工。即使是在城市中，挖开马路敷设电缆也不是一件很容易的事。当通信距离很远时，敷设电缆既昂贵又费时。这时可利用无线电波在自由空间的传播来实现多种通信。无线传输所使用的频段很广。人们现在已经利用了无线电、微波、红外线及可见光这几个波段来进行通信。紫外线和更高的波段目前还不能通信。

1. 电磁波

电磁波是发射天线感应电流而产生的电磁振荡辐射。这些电磁波在空中传播，最后被接收天线所感应。免费的无线电广播和电视就是以这种方式传输信号的。

⑴电磁波的频谱图

如图3-12所示。无线电波用于无线电广播和电视的传输。例如，电视频道中的VHF(甚高频)的播送频率为30MHz～300MHz ，UHF(超高频)的播送频率为300MHz～3GHz。无线电波也用于AM和PM广播、业余无线电、蜂窝电话和短波广播。每一种通信都必须在无线电管理委员会申请一个频率波段。

⑵说明

①物理学的知识告诉我们：地面广播的低频波将以较少的损耗从高层大气中反射回来。通过来回地反弹于大气和地表之间，这些信号可以沿着地球的曲面传播得很远。比如说，短波(3～30MHz之间)设备可以接收到地球背面传来的信号，而频率较高的信号趋向于以较大的损耗进行反射，它们通常无法传播得那么远，这样无线电微波通信在数据通信中占有重要地位。

②低频波需要很长的接收天线。

2.地面微波接力通信

由于微波在空间是直线传播，而地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制，一般只有50km左右。但若采用100米高的天线塔，则传播距离可增大到100km。为实现远距离通信必须在一条无线电通信信道的两个终端之间建立若干个中继站。如图3-13所示。中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，故称“地面微波接力通信”。在该通信系统中，要求通信双方各安装一台微波收发机与微波天线，可实现点对点或点对多点间的数据传输。

⑴特点

地面微波接力通信可传输电话、电报、图像、数据等信息。其主要特点是：

①信道容量大。微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大。

②传输质量高。因为工业干扰和天气干扰的主要频谱成分比微波频率低很多，对微波通信的危害比对短波和米波通信小得多，因而微波传输质量比较高。

③不受地域限制。与相同容量和长度的电缆载波通信相比，微波接力通信建设投资小见效快，此外，微波通信不受地域限制，不受一般自然灾害的影响，易于安装调试，可靠性高。

⑵缺点

地面微波接力通信存在如下缺点：

①相邻站之间必须直视，不能有障碍物。有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达天线，因而造成失真。

②受气候影响大。微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。

③保密性较差。与电缆通信系统相比，地面微波接力通信的隐蔽性和保密性较差。

④对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力。

3. 卫星通信

通信卫星提供商业服务是1965年开始的，当时价格相当昂贵，不可能普遍使用。20世纪80年代中期随着技术水平的不断提高，卫星功率增大，卫星地面接收站设备费用下降了几十倍，通信卫星用于计算机联网时才得到广泛应用。

卫星通信的联网方式如图3-14所示。常用的卫星通信方法是在地球站之间利用位于3万6千公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。通信卫星就是在太空的无人值守的微波通信中继站，它对地面站进行广播，所有地面站都能通过天线收到卫星发来的报文，接收站点可根据阅读报文地址段决定是否需要接收。这种方式与地面广播电台相同，只是传输时间长得多。

卫星通信具有如下特点：

⑴通信距离远，通信费用与通信距离无关。同步卫星发射出的电磁波能辐射到地球上的通信覆盖区的跨度达1万8千多公里。只要在地球赤道上空的同步轨道上，等距离地放置3颗120度的卫星，就能基本上实现全球的通信。

⑵具有较大的传播时延。由于各地球站的天线仰角并不相同，因此不管两个地球站之间的地面距离是多少，从一个地球站经卫星到另一个地球站的传播时延在250～300ms之间。一般可取为270ms。这和其他的通信有较大的区别。例如：地面微波接力通信链路的传播时延约为3μs/km，而对同轴电缆链路，由于电磁波在电缆中传播比空气中慢，因此传播时延一般可按5μs/km计算。

⑶覆盖面很广。卫星通信非常适合于广播通信，因为它覆盖面很广。

⑷保密性较差。但从安全方面考虑，卫星通信系统的保密性是较差的。

小型卫星地面站目前应用广泛的小型卫星地面站天线直径只有1.2米，便于安装，价格数万元人民币。当两地距离超过800千米时，使用卫星联网有较多的经济性。如果距离较近，不如使用其他联网方式。此外，这种小型卫星站不能用于高速传输，一般其传输速度只能达到模拟电话线的速度。如果需要提高传输速率，须采用大型天线和贵重的收发设备，不仅成本高昂，还会受城市规划和无线电管理部门的限制。

4. 几种传输介质的比较

双绞线、同轴电缆、光纤、微波、通信卫星之间的比较见表3-2。