通信导论第二讲传输介质

2019/12/161通信导论张冬梅([e-mail])北京邮电大学计算机科学与技术学院2019/12/162第二章传输介质2019/12/163主要内容2.1传输介质的基本概念2.2双绞线2.3同轴电缆2.4微波与卫星2.5光纤2019/12/1642.1传输介质的基本概念传输介质提供通信设备之间的物理通道，是信息传输的实际载体传输介质的多样性：源于通信环境和业务的多样性2019/12/165传输介质的基本概念(续)传输介质的分类有线双绞线同轴电缆光纤无线地面微波卫星红外等2019/12/166传输介质的基本概念(续)选择传输介质的标准传输特性：带宽、抗干扰性、距离传播时延和响应时间安全性机械强度物理尺寸成本2019/12/167传输介质的基本概念(续)有线传输介质的特点带宽资源丰富，使用频率不受管制保密性好抗干扰能力强安装工期长2019/12/1682.2双绞线2.2.1双绞线概述2.2.2双绞线的特点2.2.3双绞线的应用2019/12/1692.2.1双绞线概述双绞线的定义：一对带有屏蔽层的铜线以螺旋的方式缠绕在一起，一般由多对这样的双绞线构成电缆。通过螺旋式的布线来消除干扰，每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。2019/12/16102.2.1双绞线概述(续)区分双绞线类型的特征导线直径含铜量单位长度绕数屏蔽措施2019/12/16112.2.1双绞线概述(续)双绞线的类型屏蔽双绞线STP非屏蔽双绞线UTP1类2类3类4类5类超5类等2019/12/16122.2.2双绞线的特点优点成本低，易于安装应用广泛缺点带宽有限信号传输距离短抗干扰能力不强2019/12/16132.2.3双绞线的应用电话传输系统中的用户线用户环路，4KHz（模拟）ISDN（数字）xDSL（数字）数据通信系统中以太网2019/12/16142.3同轴电缆2.3.1概述2.3.2特点2.3.3应用2019/12/16152.3.1同轴电缆概述同轴电缆的结构铜导体绝缘层屏蔽层（返回路径）外套分类基带同轴电缆：50欧姆阻抗，用于数字传输宽带同轴电缆：75欧姆阻抗，用于模拟传输2019/12/16162.3.2同轴电缆的特点可用频带宽：可达数Ghz抗干扰能力强较大的传输距离安装成本高、不容易移动2019/12/16172.3.3同轴电缆的应用长途电话传输，局间中继线路：E1有线电视广播：CATV局域网计算机系统之间的短期连接2019/12/16182.4无线信道2.4.1无线信道的基本概念2.4.2电磁波在无线信道中的传播2019/12/16192.4.1无线信道的基本概念无线信道的定义：无线通信中基站天线与用户天线之间的传播路径无线通信的特点：由于远比有线通信恶劣和多变的无线传播环境，需要深入研究信道的特点以及对信道的使用方式天线：用来发射电磁能量或者接收电磁能量的电导体或电导体系统2019/12/16202.4.2电磁波在无线信道的传播基本传播机制直射反射绕射散射2019/12/1621补充：无线电波的几种传播方式无线电波的几种传播方式表面波传播天波传播空间波传播散射传播外层空间传播2019/12/1622表面波传播表面波传播指电波沿着地球表面传播的情况影响电波传播的因素地面吸收绕射问题电波频率越高，传输损耗越大适合：中、长波和部分短波的传播2019/12/1623天波传播天波传播是指利用电离层的反射传播电波的情况电离层：分布在地球周围的大气层中，从60km以上的电离区域电离层的特性色散性吸收性：电离层吸收电波的能量电波频率越低，传输损耗越大2019/12/1624空间波传播空间波传播指在视线范围内或经过地面反射来传播电波的情况在大气低层传输，有时受低空大气层的影响传输的特性：直达波和反射波的合成适合：移动通信中，电波主要以空间波的形式传播2019/12/1625散射传播散射传播指利用大气层中的不均匀体对电波的散射来传播电波的情况传输的特性传输距离可达300-800km传输损耗大适合：无法建立微波中继站的地区2019/12/1626外层空间传播外层空间传播指电波穿过低空大气层和电离层到达外层空间的传播传输的特性：近似真空传输，特性稳定，传输损耗小适合：卫星、宇宙探测2019/12/1627补充：各个波段的传播特点长波传播（波长1000米以上）以表面波传播为主受电离层影响小，传播稳定对其他信号干扰强，受天电干扰中波传播（波长100-1000米）以表面波或天波形式传播受电离层影响主要用于无线广播2019/12/1628补充：各个波段的传播特点（续）短波传播（波长10-100米）以表面波和天波传播利用电离层的反射可以进行远距离无线通信超短波和微波传播（波长10米以下）以空间波、散射波和外层空间波传播频带宽，应用广主要用于无线广播2019/12/1629多径传播多径传播指在接收端收到的信号是经过多次反射、经过多个不同路径传送的信号组成的多径衰落经过多径传播的信号若同相则相加，若反相则抵消，由此造成接收端信号幅度变化的现象称为多径衰落或瑞利衰落阴影衰落移动台接收信号的场强中值随着地区位置改变出现较慢的变化，这种变化称为慢衰落或阴影衰落2019/12/1630信道衰落信道衰落随时间的推移，接收信号强度的起伏称为信道衰落信道衰落的原因接收机的移动周围环境的变化信道衰落的种类快衰落：多径衰落慢衰落：阴影衰落2019/12/1631多普勒效应背景1842年ChristianDoppler首先提出这一理论内容：声波频率在声源移向观察着时变高，在声源远离观察着时变低多普勒效应适用于所有类型的波对移动通信系统的影响：移动过程中频率偏移当移动台移向基站时，频率变高；当移动台远离基站时，频率变低2019/12/1632距离损耗时延扩展：多径传播造成信号时延扩展多径衰落：移动台移动造成接收信号的瞬时值出现快速衰落阴影衰落：移动台接收信号的场强值随着地区位置改变出现较慢的变化多普勒效应：移动台的移动性造成频率偏移2019/12/1633无线信道的特点频谱资源有限传播环境复杂存在多种干扰网络拓扑多变2019/12/16342.4.4微波微波频段：1Ghz到100Ghz微波中继放大器之间的距离取决于传输的频率微波在视线范围内传播2019/12/1635微波的优点足够的带宽波长短受天电干扰小2019/12/1636微波的缺点视线范围传播对环境因素敏感需要频带使用许可潜在的环境限制2019/12/1637微波的应用微波中继通信多点分配业务MDS（LMDS）无线局域网第四代移动通信系统2019/12/16382.4.5卫星通信的概念卫星通信是利用卫星作为中继站，转发微波信号，实现两个或多个地球站间的通信2019/12/1639卫星的频带卫星频率分配涉及的两个频带上行链路：地面站到卫星下行链路：卫星到地面站卫星通信使用的频谱资源C波段Ku波段Ka波段L波段2019/12/1640卫星通信的优、缺点卫星的优点远程接入覆盖范围广对地球拓扑不敏感成本和距离关系小高带宽2019/12/1641卫星的缺点初装成本高GEO系统传输时延较大环境干扰问题需要许可证某些区域内分配受限制自然现象造成影响2019/12/16422.4.6无线电波与红外线无线电波一般为全向性的3kHz-300GHz红外线视距范围传播与微波区别：无法穿透墙体，不存在频率分配问题2019/12/16432.5光纤2.5.1概述2.5.2光纤部件2.5.3光纤的优点和缺点2.5.4光纤的应用2019/12/16442.5.1概述1950—1960年，CharlesKao提出制造光纤的设想,1966年7月高锟发表文章指明了光纤的研究方向1970年,美国康宁公司首次研制成达到实用水平的光纤2019/12/16452.5.2光纤的工作窗口工作窗口的定义光纤对特定波长的光波的传输损耗明显要小于其他波长的光波，这些特定的波长就是光纤的工作窗口三个工作窗口0.8-0.9μm1.31μm1.55μm2019/12/16462.5.3光纤的相关概念光缆的工作原理光在空气中沿直线传播；光从一种介质进入另一种介质会发生折射；如果入射角大于临界值会发生全发射；因此，在玻璃纤维外包裹一定的材料，利用全反射保证光波只在玻璃纤维中传播2019/12/16472.5.3光纤的相关概念(续)光纤的结构玻璃纤维(信号的传输)包层(将光信号封闭在纤芯中)涂覆层光缆：将多条光纤固定在一起构成2019/12/16482.5.3光纤的相关概念(续)光纤的分类单模光纤和多模光纤模式：光纤中的一个特定的入射角对应一个模式光纤的损耗光波通过光纤后，光的强度会被衰减，这就形成了光纤的传输损耗。损耗是影响光纤传输距离的重要因素。2019/12/16492.5.3光纤的相关概念(续)光纤的色散光信号经光纤传输，到达输出端时会发生时间上的展宽，这种现象称为色散2019/12/16502.5.4光纤的优点和缺点(1)光纤的优点高带宽节省有色金属资源抗干扰能力强安全性高易于安装2019/12/1651光纤的缺点需要经过额外的光/电转换过程2019/12/16522.5.5光纤的应用基本应用骨干网本地环路LAN2019/12/1653谢谢！