信道传输介质

计算机网络中的传输线路是网络中的物理信道，计算机网络中使用各种传输介质来组成物理信道，通过物理信道实现数据的通信。传输设备在将数据转换成离散的电信号比特流，控制此数据流在传输介质上传输达到目的端，目的端将比特流转换成数据，送给目的端应用程序，达到数据通信的目的。

在网络中，存在多种传输介质，常用的传输介质有双绞线、光缆、同轴电缆等。选择何种传输介质主要从传输距离、传输速率、价格、安装难易程度和抗干扰能力等方面来加以考虑。

2.2.1　双绞线

双绞线由粗约1mm的互相绝缘的一对铜导线扭在一起组成，一共4对封装在一起，如图2-11所示。采用对称均匀绞合起来的结构可以减少线对之间的电磁干扰，双绞线早期主要就用在电话通信中传输模拟信号，现在被广泛用于楼宇中电话模拟信号和网络数字信号的传输。

图2-11 双绞线

双绞线安装容易、价格便宜，是一种简单、经济的物理介质。相对其他传输介质来说，双绞线支持的传输距离较短，一般在百米数量级范围内。双绞线的传输距离与它传输的数据速率有关，传输距离越短，能支持的数据传输速率越高，双绞线的传输速率一般是以100m的传输距离来定义的。

早期的双绞线传输速率不高，在100m的传输距离，仅能支持10Mbps传输速率，最近几年随着网络技术的发展，双绞线的传输速率不断得到提高。在100m的传输距离，双绞线的传输速率已经提升到100Mbps、1000Mbps。

由于100m的传输距离对于楼宇内部的距离已经足够了，加之目前的双绞线已经能支持很高的传输速率，所以双绞线成为楼宇布线的主要线缆，被广泛使用于楼宇综合布线系统中。

随着技术的发展，网络传输速度不断的提高，双绞线支持的传输速度也在不断提高，从而分出了不同类型的双绞线。目前双绞线主要有3类双绞线、4类双绞线、5类双绞线、超5类双绞线以及6类双绞线等。

在100m的传输距离，3类线可以支持10Mbps的传输速率，而5类双绞线、超5类线可以实现100Mbps的传输速率。6类双绞线可以实现1000Mbps的传输速率。

双绞线一般有非屏蔽双绞线UTP和屏蔽双绞线STP之分。非屏蔽双绞线UTP无金属屏蔽材料，只有一层绝缘胶皮包裹，价格相对便宜，组网灵活，在网络楼宇布线中得到广泛的使用。STP外面由一层金属材料包裹，以减小辐射，防止信息被窃听。屏蔽双绞线价格较高，安装也比较复杂，主要用于保密网的布线。

2.2.2　同轴电缆

同轴电缆的芯线为铜质芯线，外包一层绝缘材料，绝缘材料的外面是由细铜丝组成的网状导体，这层由细铜丝组成的网状导体对中心芯线起着屏蔽的作用，再由细铜丝组成的网状导体外面加一层塑料保护膜，如图2-12所示。由于芯线与网状导体同轴，故名同轴电缆。同轴电缆的网状导体的屏蔽作用，使它具有高带宽和极好的抗干扰能力。

同轴电缆又分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆。基带同轴电缆又称为50欧电缆，以它的特性阻抗为50欧而命名，基带电缆用于传输数字信号。通常把表示数字信号的方波所固有的频带称为基带，这正是50欧电缆被称为基带同轴电缆的原因。

由基带同轴电缆构成的基带传输线路的优点是安装简单而且价格便宜，但由于在传输过程中基带信号容易发生畸变和衰减，所以传输距离不能很长，一般在几百米的距离。

50欧同轴电缆，即基带同轴电缆主要用于基带信号传输，传输带宽为1M～20MHz，总线型以太网就是使用50欧同轴电缆，使用50欧同轴电缆的以太网可以实现10Mbps的数据速率。同轴电缆又分为粗缆和细缆，它们的安装也不相同，细缆使用T型接头实现连接；粗缆使用收发器来实现连接。它们的安装都很容易。

在以太网中，一段50欧细同轴电缆的最大传输距离为185m，粗同轴电缆可达500m。计算机网络中基带电缆传输的数字信号编码多为曼彻斯特码和差分曼彻斯特码。

宽带同轴电缆频带较宽，一般可以达到几百兆，宽带同轴电缆主要用于模拟信号的传输。电视网络使用的电缆就是宽带电缆，由于电视电缆的特性阻抗为75欧，又称为75欧电缆。

图2-12 同轴电缆

宽带同轴电缆由于频带较宽，一般采用频分复用技术将多路模拟信号经频率迁移后通过一根宽带电缆传输，实现一根线缆上传输多路模拟信号的目的。

75欧同轴电缆的带宽一般可达1GHz，目前常用电视电缆就是宽带电缆，也称为CATV电缆，CATV电缆的传输带宽为750MHz。

闭路电视就是使用宽带电缆采用多路复用技术进行传输的典型例子。在闭路电视中，每一路（频道）电视节目的带宽为6MHz，闭路电视传输系统将CATV电缆750MH的带宽分成若干子信道，每一个子信道带宽为6MHz，每一个子信道传输一路电视信号，通过这样的方式，实现了一根CATV电缆能传输多路频道的节目的目的。

网络中使用宽带同轴电缆往往是把计算机产生的数字信号转换成模拟信号在宽带同轴电缆上传输，在两端要分别加入调制器和解调器。CATV电缆也可以采用频分多路技术（FDM），把整个带宽划分为多个独立的信道，分别传输数字、声音和视频信号。

宽带系统与基带系统的主要不同点是基带系统用基带电缆直接传输数字信号，传输没有方向性，可以双向传输。宽带系统用宽带电缆传送模拟信号，由于模拟信号经放大器后只能单向传输，所以宽带系统在不加处理时只能单向传输。在网络中使用宽带电缆进行数据传输时，由于网络需要双向的传输，所以需要进行技术处理，处理的方法是把整个750MHz的带宽划分为两个频段，分别在两个方向上传送信号。有时干脆用两根电缆，一根电缆负责一个方向的传输。虽然两根电缆比单根电缆费用要增加，但信道容量却提高一倍多。

宽带系统的优点是传输距离远，可达几十千米，而且可同时提供多个信道。然而和基带系统相比，它的技术更复杂，宽带系统的接口设备也更昂贵。

2.2.3　光　纤

随着网络的普及，各种网络业务广泛开展，各种网络业务对网络的传输速度也提出了更高的要求，传统的同轴电缆、双绞线都难于满足网络对高速、大容量的要求，在这种背景下，光纤传输技术迅速发展起来。

光纤外形如图2-13所示。由于光纤具有传输频带宽、传输速率高、传输损耗小、中继距离远、传输可靠性高、误码率低、不受电磁干扰、保密性好等一系列优点，近年来光纤通信技术得到迅速的发展，成为通信技术中的一个十分重要的领域。

图2-13 光纤

数字信号是由0、1组成的数字系列，光纤在传送数字信号的信号表示时，传输1就是有光脉冲信号送入光纤，传输0就没有光脉冲送入光纤，由于可见光的频率非常高，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他传输介质的带宽，使用光纤能实现高速数据传输。

光纤由能传送光波的超细玻璃纤维制成，外包一层比玻璃折射率低的材料，称为包层。光通过纤芯进行传输，因光在不同物质中的传播速度是不同的，所以光从一种物质射向另一种物质时，在两种物质的交界面处会产生折射和反射。当入射光的角度达到或超过某一角度时，折射光会消失，入射光全部被反射回来，这就是光的全反射。光纤通信就是利用光在纤芯中传输射向包层被全反射回来，通过不断的反射使光向前传输实现的。

用光纤来传输电信号时，在要将电信号转变成光信号，通过光纤进行传输，达到后。又要将光信号还原成电信号，将电信号转变成光信号由发光二极管LED（Light Emitting Diode）或注入激光二极管ILD（Injection Laser Diode）完成。这两种器件在有电流脉冲通过时都能发出光脉冲，将电信号转变成光脉冲信号。光脉冲信号在光纤中传输到达，用光电二极管作光检测器，它将光脉冲信号还原成相应的电脉冲信号。

在实际光传输系统中，完成将电信号转换成光信号和将光信号转换成电信号都是由收发器来完成的。收发器内部有发光二极管和光电管等器件，在发送端，收发器完成发送功能，将电信号转变成光脉冲信号送入光纤线路，在接收端，收发器完成接收功能，将光信号恢复成电信号交给。光纤传输系统的原理示意图如图2-14所示。

图2-14 光纤传输系统的原理示意

光纤按传输模式又分为单模光纤和多模光纤。当光纤芯径很小，只允许进入光纤的光线是与轴线平行的，即只有一种角度，这样的光纤就称为单模光纤。当光纤的芯径较大时，可以允许光波以多个特定的角度射入光纤进行传输，这种光纤就称为多模光纤。单模光纤、多模光纤传输模式如图2-15所示。

图2-15 单模、多模光纤传输模式

单模光纤的收发器主要使用昂贵的半导体激光器，不能使用普通的发光二极管，因而价格相对较贵，但由于它的传输衰减较小，可以传输较远的距离。而多模光纤的收发器使用普通发光二极管产生光源，因而价格相对较便宜，但由于它主要是反射传输，每次反射都将产生一定的衰减，相对单模光纤，多模光纤的传输衰减较大，传输距离不能太远。一般多模光纤的传输距离在500m左右，而单模光纤可以达到几千米、几十千米，甚至上百千米。1992年3月，横跨大西洋的光纤系统已投入使用，使用的就是单模光纤，当时的传输速率已经可达5Gbps。

2.2.4　无线信道

前面提到的由双绞线、同轴电缆和光纤等传输介质组成的信道可统称为有线信道，但网络数据的传输也可通过空间电磁波传播实现，这对于当通信距离很远，又是高山、岛屿地形时，空间传输就具有它的优越性。空间的传输信道我们称之为无线信道，无线信道包括微波、激光、红外和短波信道。

微波通信的价格较高，安装也更难，传输速率一般在lMbps到10Mbps范围。微波通信系统又可分为地面微波系统和卫星微波系统，两者的功能相似，但通信能力有很大差别。地面微波系统由视野范围内的两个互相对准的发送天线和接收天线组成，长距离通信则需要多个中继站组成微波中继链路，微波通信示意如图2-16所示。

图2-16

图2-17

通信卫星可看作是悬在太空中的微波中继站。卫星上的转发器把它的波束对准地球上的一定区域，在此区域中的卫星地面站之间可互相通信。地面站以一定的频率段向卫星发送信息（这个称为上行频段）。卫星上的转发器将接收到的信号放大并变换到另一个频段上（这个称为下行频段），发回地面上的接收站。这样的卫星通信系统可以在一定的区域内组成广播式通信网络。微波通信的频率段为吉兆段的低端，一般是1G～300GHz。地面微波一般采用G赫兹范围，而卫星传输的频率范围则更高一些。微波具有宽带宽，容量大的优点，不过微波信号容易受到电磁干扰，地面微波通信也会造成相互之间的干扰；大气层中的雨、雪会大量吸收微波信号，当长距离传输时会使得信号衰减至无法接收；另外通信卫星为了保持与地球自转的同步，一般停留在36000km的高空。这样长的距离会造成大约270ms的时延，在利用卫星信道组网时，这样长的时延是必须考虑的重要因素，卫星通信的示意如图2-17所示。