第八章傳輸介質(zhì)

第八章傳輸介質(zhì)第8章傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)是指在通信過程中發(fā)送方和接收方之間的物理通路，數(shù)據(jù)通信中采用的傳輸介質(zhì)可分為有線和無線兩大類。在有線介質(zhì)中信號(hào)被限制在介質(zhì)中，而不離開介質(zhì)（少量泄露除外）。一對(duì)電纜、同軸電纜、波導(dǎo)管或光纜都是常用的有線介質(zhì)；移動(dòng)通信、微波通信、紅外通信以及激光通信的信號(hào)載體都屬于無線傳輸介質(zhì)。8.1有線介質(zhì)8.1.1雙絞線雙絞線是兩根絕緣導(dǎo)線互相絞結(jié)在一起的一種通用傳輸介質(zhì)，它可減少線間的電磁干擾，適用于模擬和數(shù)據(jù)通信。雙絞線有兩種常見類型—屏蔽雙絞線（STP）和非屏蔽雙絞線（UTP）。前者是用細(xì)金屬包裹每個(gè)線對(duì)的一類電纜，可在一定程度上抵抗電磁干擾。在局域網(wǎng)剛剛出現(xiàn)時(shí)，主要采用STP電纜。目前局域網(wǎng)中大多數(shù)使用的是UTP，因?yàn)閁TP電纜的價(jià)格比STP電纜便宜得多。8.1有線介質(zhì)8.1.1雙絞線雙絞線是由一對(duì)或多對(duì)絕緣銅導(dǎo)線組成，為了減少信號(hào)傳輸中串?dāng)_及電磁干擾（EMI）影響的程度，通常將這些線按一定的密度互相纏繞在一起。雙絞線是模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信最普通的傳輸媒體，它的主要應(yīng)用范圍是電話系統(tǒng)中的模擬話音傳輸，最適合于較短距離的信息傳輸，當(dāng)超過幾千米時(shí)信號(hào)因衰減可能會(huì)產(chǎn)生畸變，這時(shí)就要使用中繼器（Repeater）來放大信號(hào)和再生波形。雙絞線的價(jià)格在傳輸媒體中是最便宜的，并且安裝簡單，所以得到廣泛的使用。在局域網(wǎng)中一般也采用雙絞線作為傳輸媒體。雙絞線可分為非屏蔽雙絞線UTP（UnshieldedTwistedPair）和屏蔽雙絞線STP（ShieldedTwistedPair）。8.1有線介質(zhì)8.1.1雙絞線1.UTPUTP電纜是目前最常用的遠(yuǎn)程傳輸介質(zhì)。一對(duì)雙絞線包含兩根導(dǎo)線（通常是銅的），每根導(dǎo)線都包裹有不同顏色的塑料絕緣外皮，以便于區(qū)分。圖8.1所示為一根有4對(duì)雙絞線的電纜。UTP的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉、使用簡單以及易于安裝，但不適于在噪聲大、電磁干擾強(qiáng)的惡劣環(huán)境中使用。8.1有線介質(zhì)8.1.1雙絞線圖8.1一根4對(duì)雙絞線的UTP電纜8.1有線介質(zhì)8.1.1雙絞線1.UTP1991年，美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA和電信工業(yè)協(xié)會(huì)TIA發(fā)布了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)EIA/TIA-568，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用于室內(nèi)傳送數(shù)據(jù)的非屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線的標(biāo)準(zhǔn)。隨著局域網(wǎng)上數(shù)據(jù)傳輸速率的不斷提高，EIA/TIA在1995年將布線標(biāo)準(zhǔn)更新為EIA/TIA-568-A，此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了5個(gè)種類的UTP(從1類線到5類線)，后來又發(fā)展了超過5類線。對(duì)傳送數(shù)據(jù)來說，最常用的UTP是5類線和超5類線，以后還會(huì)不斷更新。8.1有線介質(zhì)8.1.1雙絞線其中：（1）1類線：主要用于傳輸語音（1類標(biāo)準(zhǔn)主要用于20世紀(jì)80年代初之前的電話線纜），不用于數(shù)據(jù)傳輸。（2）2類：傳輸頻率為1MHz，用于語音傳輸和最高傳輸速率4Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸，常見于使用4Mb/s規(guī)范令牌傳遞協(xié)議的舊的令牌網(wǎng)。（3）3類：指目前在ANSI和EIA/TIA568標(biāo)準(zhǔn)中指定的電纜。該電纜的傳輸頻率為16MHz，用于語音傳輸及最高傳輸速率為10Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸，主要用于10Base-T,如圖8.2（a）所示。8.1有線介質(zhì)8.1.1雙絞線（4）4類：該類電纜的傳輸頻率為20MHz，用于語音傳輸和最高傳輸速率16Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸，主要用于基于令牌的局域網(wǎng)和10Base-T/100Base-T。（5）5類：該類電纜增加了繞線密度，外套一種高質(zhì)量的絕緣材料，傳輸頻率為100MHz，用于語音傳輸和最高傳輸速率為100Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸，主要用于100Base-T和10Base-T網(wǎng)絡(luò)，是最常用的以太網(wǎng)電纜，如圖8.2（b）所示。8.1有線介質(zhì)8.1.1雙絞線8.1有線介質(zhì)8.1.1雙絞線用UTP連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備最常用的方式是通過類似電話插口的咬接式插頭（UTP連接器）連接。UTP連接器可以是陰性的（插座）或陽性的（插頭）。陽性插頭插入陰性插座并通過一個(gè)壓式彈簧（稱為作鍵）固定在一起。電纜中的每根導(dǎo)線都和連接器中的一個(gè)傳導(dǎo)頭（或針）相連。這類插頭中最常用的是8針的，每個(gè)都與4對(duì)雙絞線中的一根導(dǎo)線相連。8.1有線介質(zhì)8.1.1雙絞線2.STP（屏蔽雙絞線）STP是在每對(duì)導(dǎo)線外都有一層金屬箔或網(wǎng)絡(luò)，這層金屬包裝使電磁噪聲無法進(jìn)入。同時(shí)也可消除來自另一條線路（或信道）的串?dāng)_。串?dāng)_現(xiàn)象有時(shí)會(huì)出現(xiàn)在電話通話中，即在背景音中聽到其他人的聲音。STP也是用和UTP一樣的連接器，但屏蔽層必須接地。在價(jià)格方面，STP比UPT要高，但具有良好的噪聲屏蔽作用。8.1有線介質(zhì)8.1.2同軸電纜為使電話業(yè)務(wù)更經(jīng)濟(jì)，必須將多個(gè)話音信號(hào)放在一條信道上傳送。這一需求促進(jìn)了同軸電纜的發(fā)展。由于金屬線對(duì)的實(shí)際頻率限制在1MHz左右，因此必須利用其他方法實(shí)現(xiàn)。同軸電纜是由內(nèi)導(dǎo)體銅質(zhì)芯線（單股實(shí)心線或多股絞合線）、絕緣層、網(wǎng)狀編織的外導(dǎo)體屏蔽層以及塑料保護(hù)外層組成的，如圖8.3所示。因?yàn)閮蓚€(gè)導(dǎo)體擁有公共的軸心，所以稱為同軸電纜。當(dāng)頻率超過約100kHz時(shí)，自屏蔽層工作良好。但在較低的頻率時(shí)，電流的“表面深度”與外部導(dǎo)體的厚度不相上下，屏蔽開始失效。同軸電纜的抗損耗能力與頻率的平方根成正比，這使得同軸電纜通?？捎糜?000MHz以上的頻率，甚至有線型號(hào)可用于10000MHz以上。8.1有線介質(zhì)8.1.2同軸電纜圖8.3同軸電纜的結(jié)構(gòu)外導(dǎo)體屏蔽層絕緣層絕緣保護(hù)套層內(nèi)導(dǎo)體8.1有線介質(zhì)8.1.2同軸電纜同軸電纜按特性阻抗數(shù)值的不同，可分為兩類：（1）50Ω同軸電纜：這種同軸電纜用于數(shù)字傳輸系統(tǒng)，傳送基帶數(shù)字信號(hào)，所以50Ω同軸電纜又稱為基帶同軸電纜，最高傳輸速率可達(dá)10Mb/s。這種電纜按直徑又可分為細(xì)同軸電纜（直徑為0.5mm，簡稱細(xì)纜）、粗同軸電纜（直徑為10mm，簡稱粗纜）。在傳送基帶數(shù)字信號(hào)時(shí)，可以采用不同的編碼方法，在計(jì)算機(jī)通信中采用曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼。8.1有線介質(zhì)8.1.2同軸電纜（2）75Ω同軸電纜：這種同軸電纜用于模擬傳輸系統(tǒng)，在寬帶局域網(wǎng)中傳輸速率可達(dá)50Mb/s，它是有線電視系統(tǒng)CATV中的標(biāo)準(zhǔn)傳輸電纜。在這種電纜上傳送的信號(hào)采用頻分復(fù)用的寬帶信號(hào)，所以75Ω同軸電纜又稱為寬帶同軸電纜。8.1有線介質(zhì)8.1.3波導(dǎo)管如果傳送頻率足夠高，信號(hào)的電磁成分可以穿越自由空間，而不需要固態(tài)導(dǎo)體。但是，為避免干擾以及信號(hào)散射所造成的損耗，并且能夠按照要求的路線傳送信號(hào)，有時(shí)需要將這種電磁波封閉在一種稱為波導(dǎo)管的受限介質(zhì)中。通常，波導(dǎo)管用在2000MHz到110000MHz的頻率間，用于將微波發(fā)送器和接收器與其無線相連。波導(dǎo)管被干燥的空氣或氮?dú)饷芊?，以排除波?dǎo)管內(nèi)的濕氣，因?yàn)闈駳鈺?huì)消弱微波。老式的波導(dǎo)管由矩形的交叉部件組成，但現(xiàn)在實(shí)際上采用的方法是把波導(dǎo)管制成環(huán)狀。波導(dǎo)管仍用作高能、高頻信號(hào)的導(dǎo)體，但在新型系統(tǒng)中則采用光纜。8.1有線介質(zhì)

8.1.4光纖到目前為止，我們討論的都是以電流形式傳送信號(hào)的導(dǎo)體電纜。光纖是由玻璃或塑料制成的并以光波形式傳輸信號(hào)的。為了便于理解光纖，首先介紹一下光的自然屬性。1.光的自然屬性光是一種電磁能量，它在真空中傳輸最快，可達(dá)到300000km/s。光速依賴于它所穿越的傳輸介質(zhì)的密度，密度越高，速度越低。（1）折射：在均勻物質(zhì)中光以直線形式傳播，當(dāng)在一種物質(zhì)中傳播的光纖突然進(jìn)入到另一種物質(zhì)（具有更高或更低密度）時(shí)，其速度會(huì)發(fā)生突然的改變，光線改變了方向，這一變化稱為折射。8.1有線介質(zhì)8.1.4光纖折射光線發(fā)生的角度變化取決于介質(zhì)密度的變化。當(dāng)一束光線從低密度介質(zhì)傳播到高密度介質(zhì)中時(shí)，入射角I比折射角R大，如圖8.4（a）所示；當(dāng)光線從高密度介質(zhì)傳播到低密度介質(zhì)時(shí)，入射角I比折射角R小，如圖8.4（b）所示。光纖技術(shù)正是利用了圖8.4（b）所示的特性控制光線在光纖信道中的傳播。8.1有線介質(zhì)8.1.4光纖圖8.4光的折射8.1有線介質(zhì)8.1.4光纖（2）全角反射：當(dāng)一束光線從高密度介質(zhì)傳播到低密度介質(zhì)時(shí)，逐漸增加入射角的角度，隨著入射角的增大，折射角也隨之增大。當(dāng)?shù)竭_(dá)某一點(diǎn)時(shí)，入射角的變化將使折射角增加至90°，即此時(shí)的折射光線變成了完全的水平光線了。這一點(diǎn)的入射角稱為全角反射，如圖8.5所示。8.1有線介質(zhì)8.1.4光纖圖8.5光的全角發(fā)射8.1有線介質(zhì)8.1.4光纖（3）反射：當(dāng)入射角大于全反射角時(shí)，將出現(xiàn)一種新的現(xiàn)象，稱為反射（也可稱為全反射，因?yàn)樵谡凵涞耐瑫r(shí)也總有一部分光線發(fā)生了反射），如圖8.6所示。當(dāng)發(fā)生反射時(shí)，光線不會(huì)再進(jìn)入低密度的介質(zhì)中了。此時(shí)，入射角等于反射角。光纖利用全反射原理使光線在信道內(nèi)定向傳輸，光纖中心是玻璃或塑料的芯材，外面填充著密度相對(duì)較小的玻璃或塑料材料。兩種材料的密度差異必須使芯材中的光線只能反射回來而不是折射入填充材料。8.1有線介質(zhì)8.1.4光纖圖8.6光的反射8.1有線介質(zhì)8.1.4光纖2.光纜的組成光纜的3個(gè)主要部分是核心（芯材和填充材料）、保護(hù)層和外套，如圖8.7所示。其中芯材由純凈的玻璃或塑料材料制成，并且在大小和形狀上完全符合規(guī)格。材料中的化學(xué)雜質(zhì)，甚至信道大小和形狀上的微小差異，都會(huì)改變反射角度從而導(dǎo)致信號(hào)的扭曲。填充材料包裹著芯材，它也是玻璃或材料的，但其密度要比芯材部分的密度低。在大多數(shù)情況下，光纖外有一層保護(hù)層以防潮。最后，整根光纖用一個(gè)外套包裹起來。外套可以采用多種材料，包括特富龍涂層、塑料涂層、纖維涂層、金屬管和金屬網(wǎng)格。每種材料都有其自身的特點(diǎn)。例如，塑料材料輕便且價(jià)格低廉，但是強(qiáng)度不夠。金屬材料強(qiáng)度大但成本高。材料的選擇取決于光纖的安裝地點(diǎn)。8.1有線介質(zhì)8.1.4光纖圖8.7光纜的組成8.1有線介質(zhì)3.光纖的光源光線如何進(jìn)入光纖呢？必須在光纖的一端放置一個(gè)光源，例如發(fā)光二極管（LED）或是激光。兩者都是電荷響應(yīng)裝置，能夠產(chǎn)生光波脈沖，通常接近于紅外線的頻率1014THz。激光能夠產(chǎn)生非常純凈的狹窄光束。同時(shí)，又有更高的電能輸出，因此它的光將比LED產(chǎn)生的光波傳播得更遠(yuǎn)。LED產(chǎn)生的是包含許多波長的集中性較差的光，但它的價(jià)格比較便宜，而且通常使用壽命較長。激光一般用于長途通信中需要高數(shù)據(jù)速率的場(chǎng)合，例如在長途電話線中。光源發(fā)射出短而快速脈沖的光波，以各種不同的角度進(jìn)入核心介質(zhì)。以小于臨界角的角度撞擊在芯材和填充材料的邊界面上的光線被全部地反射回來。因?yàn)榉瓷涞慕嵌炔蛔?，所以光線將再次被全部反射回芯材中。結(jié)果光線在邊界面之間不斷反彈而沿著芯材介質(zhì)不斷向前傳播。最后，光線穿過芯材介質(zhì)，并被一個(gè)傳感器檢測(cè)到。以大于臨界角的角度撞擊邊界面的光線將部分地折射進(jìn)入填充材料，并被保護(hù)層吸收，這就防止了光線由于外泄而被其他鄰近的光纖所吸收。8.1有線介質(zhì)4.光纖的類型光線沿著核心介質(zhì)傳播還存在另一個(gè)潛在的問題。如果核心介質(zhì)相當(dāng)厚（與光的波長相比而言），那么光就可以從許多位置，以各種不同的角度進(jìn)入介質(zhì)。有些光基本上是沿著核心介質(zhì)的中線傳播的，但有些光線將以不同的角度撞擊邊界面。電磁波的理論（特別是麥克斯韋爾等式）告訴我們：某些反射光將互相干擾。因此，光將以有線的角度再光纖中不斷反射并向前傳播。每一個(gè)角度都定義了一條路徑或一種模式。以這種方式傳輸光波的光纖稱為步率多模光纖（StepIndexMultimodeFiber），如圖8.8所示。8.1有線介質(zhì)4.光纖的類型圖8.8步率（階躍）多模光纖8.1有線介質(zhì)4.光纖的類型角度（與水平線的夾角）大的光來回反射的頻率比角度小的光高，經(jīng)過的距離也較長。因此，它們到達(dá)光纖另一端就需要多一點(diǎn)的時(shí)間，這種現(xiàn)象稱為模式散布（ModalDispersion）。這就好像許多人沿著走廊賽跑，有些人沿中線跑，而那些蒙著眼睛的人則在墻壁間來回亂撞。不用想也能知道誰將

贏得比賽。8.1有線介質(zhì)4.光纖的類型如果光纖太長的話，模式散布將成為一個(gè)問題。從一個(gè)脈沖產(chǎn)生出來的光波（反射角度較?。⒂锌赡茏罱K追上前一個(gè)脈沖所產(chǎn)生的光波（反射角度較大），從而消除兩者的時(shí)間間隔。傳感器檢測(cè)到的將不再是光波的脈沖，而是一個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的光流。這樣，脈沖中的所有編碼信息都將丟失。解決模式散布問題的辦法之一是使用級(jí)率多模光纖（Graded-IndexMultimodeFiber），如圖8.9所示。它利用了與光的速度決定它經(jīng)過的介質(zhì)這一事實(shí)有關(guān)的另一個(gè)現(xiàn)象：經(jīng)過媒體的光密度越小，光的速度肯定越快。級(jí)率多模光纖同樣由核心、保護(hù)層和外套構(gòu)成。區(qū)別在于芯材和填充材料間的邊界面沒有明確定義。8.1有線介質(zhì)4.光纖的類型圖8.9級(jí)率（漸變型）多模光纖8.1有線介質(zhì)4.光纖的類型也就是說，從芯材放射狀地向外移動(dòng)，材料的光密度逐漸變小。因此，當(dāng)光線放射狀地向外傳播時(shí)，它將逐漸向中心彎曲，最后被反射回來。因?yàn)榻?jīng)過的介質(zhì)具有較小的光密度，所以光的速度也較快。最后的結(jié)果就是盡管有些光線的傳播距離較長，但它們的傳播速度較快，這樣模式散布的現(xiàn)象就減少了。處理模式散布的另一種辦法就是消除它。怎么消除呢？剛才已經(jīng)提到光波以有線的模式向前傳播。模式的具體數(shù)目取決于核心介質(zhì)的直徑以及光的波長。特別需要指出的是，減少核心直徑將降低光線撞擊邊界面的角度數(shù)目。因此模式的數(shù)目也就減少了。如果把直徑減小到一定程度，光纖內(nèi)將只有以唯一一種模式傳播的光速，這就是所謂的單模光纖（Single-ModeFiber），如圖8.10所示。8.1有線介質(zhì)4.光纖的類型圖8.10單模光纖8.1有線介質(zhì)5.光纖的優(yōu)點(diǎn)光纖的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）與金屬線對(duì)和同軸電纜相比，光纖的低傳輸損耗使中繼器之間的距離大大增加。一個(gè)沒有中繼器的光纖系統(tǒng)能夠在75英里（121km）范圍內(nèi)每秒傳輸數(shù)吉比特（Gb/s），而錯(cuò)誤率只有高質(zhì)量同軸電纜的幾分之一。（2）由于光纖的傳輸?shù)氖枪饫w，因而其工作頻率是光的頻率。目前，用于單模光纖的傳輸波長是1.2μm，相當(dāng)于頻率約為800THz（800萬億赫茲）。這一頻率從使短距離的數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到20000Mb/s。8.1有線介質(zhì)5.光纖的優(yōu)點(diǎn)光纖的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（3）光纜不輻射能量，也不導(dǎo)電，也沒有電感。光纜中不存在串?dāng)_以及光干擾的影響，也不會(huì)有線路在“接頭處”感應(yīng)耦合導(dǎo)致的安全問題，（4）因?yàn)楣饫|是傳輸光能量的，因而可以再大多數(shù)危險(xiǎn)的地方通過。例如煉油廠、谷物升降機(jī)以及類似的地點(diǎn)，這些地方不允許使用電纜，可能存在潛在的危險(xiǎn)。（5）光纜比相同容量的金屬電纜體積小、重量輕且價(jià)格便宜。在光纜中提供幾根未用的光纖作為備用或?yàn)閷淼臉I(yè)務(wù)量增長做準(zhǔn)備，既經(jīng)濟(jì)又靈活。8.1有線介質(zhì)5.光纖的優(yōu)點(diǎn)當(dāng)前正使用的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光纖系統(tǒng)是美國電話電報(bào)公司的FT3光波系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠同時(shí)支持80000路雙向語音通話。該系統(tǒng)采用的光纜直徑為1/2英寸，包含144根光纖。每對(duì)光纖的工作速率為90Mb/s，因而總的數(shù)據(jù)率大約為6000Mb/s。系統(tǒng)為每一根主用光纖提供一路備用光纖，且在主用光纖中的信號(hào)無效時(shí)能自動(dòng)切換到備用光纖。8.2無線介質(zhì)無線介質(zhì)是指不使用物理導(dǎo)體傳輸電磁波，而是將信號(hào)通過空氣（在較少情況下是水）廣播出去，從而使任何一個(gè)具有接收能力的設(shè)備都可以接收到。8.2.1無線電波段分配磁波中用于無線電通信的部分被分成8個(gè)波段，每個(gè)波段都由政府機(jī)構(gòu)管理。這些波段級(jí)別從甚低頻（VLF）到極高頻（EHF），如圖8.11所示。8.2無線介質(zhì)8.2.1無線電波段分配圖8.11電磁波譜8.2無線介質(zhì)8.2.2無線電的傳播無線電波通過5種不同的傳播方式進(jìn)行傳輸：地表傳播、對(duì)流層傳播、電離層傳播、視線傳播和空間傳播。無線電技術(shù)將大氣層分為兩層：對(duì)流層和電離層。對(duì)流層是離地面大約30英里（48km）的大氣層并充滿空氣。云、風(fēng)、氣溫變化以及天氣現(xiàn)象通常都發(fā)生在對(duì)流層，噴氣機(jī)也飛行在這一層；電離層是在對(duì)流層之上而在太空以下的大氣層。它高于平時(shí)我們所說的大氣層，并充滿電離子。8.2無線介質(zhì)8.2.2無線電的傳播1）地表傳播無線電的傳播通過大氣的最低層進(jìn)行，緊靠地球表面。由于信號(hào)位于最低頻段，因此信號(hào)從發(fā)射天線向各個(gè)方向發(fā)出后，就會(huì)沿著地球表面呈曲線傳播。傳播距離取決于信號(hào)的能量。能量越大，傳播越遠(yuǎn)。地表傳播可在海水中發(fā)生，如圖8.12（a）所示。8.2無線介質(zhì)8.2.2無線電的傳播1）地表傳播圖8.12地表傳播和電離層傳播8.2無線介質(zhì)8.2.2無線電的傳播2）對(duì)流層傳播對(duì)流層傳播分為兩種方式。信號(hào)以直線方式從一根天線發(fā)送到另一根天線，也可以一定角度向?qū)α鲗拥妮^高層廣播，然后反射回地面。第一種方式要求接收方和發(fā)送方在視線所及的范圍內(nèi)，并受到地球表面曲度和天然高度的限制。第二種方式可以傳播更遠(yuǎn)的距離。3）電離層傳播高頻無線電波向上發(fā)射到電離層并由該層反射回地面。對(duì)流層和電離層間的密度差異使所有電波都先折射在反射回地面，因此可以較低的能量傳播較遠(yuǎn)的距離，如圖8.12(b)。8.2無線介質(zhì)8.2.2無線電的傳播4）視線傳播甚高頻無線電波直接從一根天線直接傳播到另一根天線，天線必須是有向的且是相向的。天線之間要么距離足夠短，要么高度足夠高，才能避免地表曲面影響直線傳播。視線傳播實(shí)際上并不可能，因?yàn)闊o線電波的傳輸并不能完全聚焦。電波不僅會(huì)前后傳播，同時(shí)也會(huì)上下傳播，并且能與地面或大氣層發(fā)生反射。反射波到達(dá)接收天線總是比直接傳播到達(dá)得慢，因此可能導(dǎo)致接收信號(hào)遭到破壞。8.2無線介質(zhì)8.2.2無線電的傳播5）空間傳播空間傳播采用衛(wèi)星中繼代替大氣折射。軌道衛(wèi)星接收一個(gè)廣播信號(hào)，然后重新將信號(hào)廣播給地面接收者。本質(zhì)上，衛(wèi)星傳輸是有中繼站（衛(wèi)星）的視線傳播。衛(wèi)星離地面的距離使它能像一臺(tái)非常高的天線一樣工作，從而極大地拓展了信號(hào)的可達(dá)范圍。8.2無線介質(zhì)8.2.3微波通信微波傳輸一般發(fā)生在兩個(gè)地面站之間。微波傳輸?shù)膬蓚€(gè)特性限制了它的使用范圍。首先，微波是直線傳播的，它無法像某些低頻波那樣沿著地球的曲面?zhèn)鞑?。其次，大氣條件和固體物將妨礙微波的傳播。信號(hào)的覆蓋范圍在很大程度上依賴于天線的高度，天線越高，信號(hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)。例如，微波無法穿越建筑物。典型的做法是將天線安裝在塔頂，而塔建立在山頂上。8.2無線介質(zhì)8.2.3微波通信微波通信一次只能向一個(gè)方向傳播，因此對(duì)于類似電話這種雙向傳輸而言則需要兩個(gè)頻率才能實(shí)現(xiàn)。每個(gè)頻率用于一個(gè)方向上的微波傳輸。每種頻率的信號(hào)都需要有獨(dú)立的發(fā)送器和接收器。通常，將兩種設(shè)備集成到一個(gè)收發(fā)器中，從而使單根天線可以處理兩種頻率和功能。（雙工器）8.2無線介質(zhì)8.2.3微波通信1.轉(zhuǎn)發(fā)器為了延長微波傳輸?shù)木嚯x，可以在每個(gè)天線上安裝一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，負(fù)責(zé)將天線接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)天線，如圖8.13所示。根據(jù)信號(hào)頻率和天線安裝環(huán)境的不同，對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)器之間的距離的要求也有所不同。轉(zhuǎn)發(fā)器可以原來的頻率轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)（同頻轉(zhuǎn)發(fā)），也可以一個(gè)新的頻率轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)（異頻轉(zhuǎn)發(fā)）。8.2無線介質(zhì)8.2.3微波通信1.轉(zhuǎn)發(fā)器地球地面站之間的直視線路微波傳送塔8.2無線介質(zhì)8.2.3微波通信1.轉(zhuǎn)發(fā)器圖8.13微波傳輸8.2無線介質(zhì)8.2.3微波通信2.天線在微波通信中，經(jīng)常使用拋物柱面碟狀天線和角狀天線兩種。拋物柱面碟狀天線應(yīng)用了幾何教學(xué)中一個(gè)眾所周知的事實(shí)。假設(shè)有一條拋物線，作一直線垂直于其頂點(diǎn)的切線，這就是對(duì)稱線。所有平行于對(duì)稱線的直線從曲線上反射回來之后，將相交于一個(gè)公共點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)稱為焦點(diǎn)，如圖8.14所示。拋物柱面碟狀天線實(shí)際上并不是一個(gè)接收器，它只是一個(gè)反射器。因?yàn)樗幸粋€(gè)拋物面的外形，所以接收的信號(hào)被反射后將聚于焦點(diǎn)上。把真正的接收器安裝在焦點(diǎn)的位置，就可以接收到精確的信號(hào)。通過這種方式，可以比單點(diǎn)形天線恢復(fù)更多的信號(hào)。8.2無線介質(zhì)8.2.3微波通信2.天線圖8.14拋物面蝶狀天線圖8.15角狀天線8.2無線介質(zhì)8.2.3微波通信2.天線角狀天線包含一根稱為波導(dǎo)（Waveguide）的圓柱形管，負(fù)責(zé)引導(dǎo)微波，并把它們直接傳送到一個(gè)凹面反射器中，如圖8.15所示。反射器的外形設(shè)計(jì)使得微波經(jīng)過反射后成為一條狹窄的波束。波束穿越一段沒有障礙物的區(qū)域，最后由另一天線接收。8.2無線介質(zhì)8.2.4衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信可以看作是微波通信的一種，基本原理和微波通信的一樣，只不過它的中繼站是繞地球軌道運(yùn)行的衛(wèi)星，如圖8.16所示。因?yàn)橐孕l(wèi)星作為超高天線和轉(zhuǎn)發(fā)器，雖然在衛(wèi)星傳輸中信號(hào)仍然是沿直線傳播的，但地球曲面引起的距離限制被大大地削弱，使信號(hào)只需一次反射就可以跨越陸地與海洋。8.2無線介質(zhì)8.2.4衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信提供了地球上任何地點(diǎn)間的通信能力，這一優(yōu)勢(shì)可以為世界上不發(fā)達(dá)地區(qū)在不需投入巨資敷設(shè)地面基礎(chǔ)設(shè)施的條件下提供高質(zhì)量的通信服務(wù)。當(dāng)然衛(wèi)星本身的造價(jià)十分昂貴，但租用衛(wèi)星的一些時(shí)段或頻率則相對(duì)便宜。衛(wèi)星通信的應(yīng)用十分廣泛，包括電話、電視、新聞服務(wù)、天氣預(yù)報(bào)以及軍事用途等。8.2無線介質(zhì)8.2.4衛(wèi)星通信1.地球同步衛(wèi)星視線傳播要求發(fā)送和接收天線在任何時(shí)刻都可以互相鎖定對(duì)方的位置，因此軌道運(yùn)行速度大于或小于地球自轉(zhuǎn)速度的衛(wèi)星只在一小段時(shí)間內(nèi)滿足上述要求。為保證通信的持續(xù)性，衛(wèi)星必須與地球同步運(yùn)行，使得在地面上看衛(wèi)星就如同固定在天空中的某一點(diǎn)一樣，這種衛(wèi)星稱為地球同步衛(wèi)星。8.2無線介質(zhì)8.2.4衛(wèi)星通信1.地球同步衛(wèi)星因?yàn)檐壍赖倪\(yùn)行速度由軌道距離地面的高度決定，所以只有一條軌道與地球同步，這條軌道位于赤道平面，大約距離地面22000英里（35406km）。但是一顆同步衛(wèi)星不可能覆蓋整個(gè)地球。在同步軌道上至少需要三顆等距離的同步衛(wèi)星才能提供全球通信服務(wù)，其中的每一顆都在赤道上方的同步軌道上并且與其他兩顆呈角，如圖8.17所示。8.2無線介質(zhì)8.2.4衛(wèi)星通信1.地球同步衛(wèi)星圖8.17位于赤道上的地球同步軌道衛(wèi)星地球地面站地面站8.2無線介質(zhì)8.2.4衛(wèi)星通信2.衛(wèi)星通信的頻帶衛(wèi)星通信所占據(jù)的是千兆赫頻段。每顆衛(wèi)星使用兩個(gè)波段，分別用于發(fā)送和接收。從地面向衛(wèi)星的傳輸稱為上行，從衛(wèi)星到地面的傳輸稱為下行。表8.1所示為衛(wèi)星常用波段和頻率。8.2無線介質(zhì)8.2.4衛(wèi)星通信2.衛(wèi)星通信的頻帶表8.1衛(wèi)星波段和頻率8.2無線介質(zhì)8.2.4衛(wèi)星通信3.低軌人造衛(wèi)星

地球同步衛(wèi)星特別適用于廣播類型的傳輸。蝶形衛(wèi)星天線可以瞄準(zhǔn)空中某個(gè)固定點(diǎn)，按照需要收發(fā)信號(hào)。但低軌道人造衛(wèi)星（LowEarthOrbitSatellite）確實(shí)具備某些地球同步衛(wèi)星所沒有的優(yōu)點(diǎn)。諸如軍事偵察等應(yīng)用要求衛(wèi)星不保持固定的位置。較低的軌道也允許衛(wèi)星相對(duì)于地球表面移動(dòng)，從而掃描地表上的不同區(qū)域。LEO衛(wèi)星對(duì)火箭動(dòng)力的要求也比較低，而且在NASA的預(yù)先安排下，也可以由航天飛機(jī)將衛(wèi)星發(fā)射到軌道上。由于信號(hào)需要傳送的距離縮小了，衛(wèi)星的能量需求也就減少了。然而，在全球通信領(lǐng)域，LEO衛(wèi)星仍沒有得到廣泛的應(yīng)用，因?yàn)樾l(wèi)星并不總是位于地面發(fā)射機(jī)和接收器的信號(hào)范圍內(nèi)。不過，這種情況正在改變。理論上，只要軌道上有足夠數(shù)量的LEO衛(wèi)星，就能夠?qū)崿F(xiàn)通信。8.2無線介質(zhì)8.2.4衛(wèi)星通信3.低軌人造衛(wèi)星

圖8.18對(duì)此做了說明。如果一個(gè)低軌道上存在足夠的衛(wèi)星，它們都將相對(duì)于地面運(yùn)動(dòng)。例如，在圖8.18（a）中，一個(gè)地面站和衛(wèi)星A建立了通信。因?yàn)樾l(wèi)星A位于低軌道上，所以它必須一邊移動(dòng)，一邊和地面站保持聯(lián)系。同樣地，最終衛(wèi)星將落下地平線，這使得它在繞地球旋轉(zhuǎn)并出現(xiàn)在相反方向的地平線上以前不可能和地面站直接進(jìn)行通信。然而，不必等待衛(wèi)星Ａ，低軌道上還有另一顆衛(wèi)星（Ｂ）。兩顆衛(wèi)星的相對(duì)位置必須保證當(dāng)A落下地平線時(shí)，B剛好從另一條地平線上升起。它能夠恢復(fù)A和地面站中斷了的通信。當(dāng)B最后落下地平線時(shí)，將會(huì)有另一顆衛(wèi)星接替它的工作。8.2無線介質(zhì)8.2.4衛(wèi)星通信3.低軌人造衛(wèi)星圖8.18地面站與LEO衛(wèi)星之間的通信8.2無線介質(zhì)8.2.4衛(wèi)星通信3.低軌人造衛(wèi)星

如果存在足夠數(shù)量的LEO衛(wèi)星，那么總會(huì)有一顆衛(wèi)星能夠和該地面站實(shí)現(xiàn)通信；而且，地球上的任意一點(diǎn)，包括最荒涼的地方，都將位于某一顆LEO衛(wèi)星的信號(hào)接收范圍之內(nèi)。因此，地球上的任意兩點(diǎn)就能夠像圖8.19所示那樣連接起來。其中的一個(gè)站點(diǎn)（圖8.19中的站點(diǎn)X）與距離最近的可用LEO衛(wèi)星通信。繞軌道運(yùn)轉(zhuǎn)的LEO衛(wèi)星彼此遵循著一個(gè)相互交換信息的協(xié)議。該協(xié)議允許A的信息被轉(zhuǎn)播到離站點(diǎn)y最近的LEO衛(wèi)星上，然后再由下行鏈路到達(dá)站點(diǎn)y。8.2無線介質(zhì)8.2.4衛(wèi)星通信3.低軌人造衛(wèi)星圖8.19任意兩個(gè)站點(diǎn)之間使用LEO實(shí)現(xiàn)通信8.2無線介質(zhì)8.2.5蜂窩電話蜂窩式移動(dòng)電話（CellularTelephone）也稱為車載電話（CarTelephone）或蜂窩式無繩電話（CellularRadio），是在兩個(gè)移動(dòng)設(shè)備之間或者在一個(gè)移動(dòng)單元和固定單元之間建立的穩(wěn)定的通信。服務(wù)提供者必須對(duì)呼叫方從一條信道的有效區(qū)域移動(dòng)到另一條信道的有效區(qū)域，而把信號(hào)從原來的信道轉(zhuǎn)發(fā)到另一條信道。術(shù)語蜂窩是指一個(gè)地理區(qū)域?yàn)榱藢?shí)現(xiàn)通信被劃分的方式，所劃分的每個(gè)單元都有一根由基站控制的天線。每個(gè)基站由移動(dòng)電話交換局（MTSO）控制，并負(fù)責(zé)連接到電話系統(tǒng)。8.2無線介質(zhì)8.2.5蜂窩電話蜂窩單元之間的分界線并不像圖8.20所示的那么明確。當(dāng)靠近蜂窩單元的邊界線時(shí)，移動(dòng)電話潛在地位于多個(gè)單元范圍內(nèi)。每個(gè)基站都會(huì)持續(xù)地發(fā)送信號(hào)，因此移動(dòng)電話可以通過檢測(cè)哪一個(gè)信號(hào)最強(qiáng)來確定最近的基站。當(dāng)移動(dòng)電話打出一個(gè)電話時(shí)，它與最近的基站進(jìn)行通信，如圖8.21所示。接著該基站與MTSO聯(lián)系，后者能夠與常規(guī)的電話系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。8.2無線介質(zhì)8.2.5蜂窩電話圖8.20蜂窩式網(wǎng)絡(luò)8.2無線介質(zhì)8.2.5蜂窩電話圖8.21蜂窩式電話通信8.2無線介質(zhì)8.2.5蜂窩電話蜂窩單元的大小并不是固定的，可以根據(jù)區(qū)域內(nèi)人口的增加而縮小。典型蜂窩單元的半徑是1英里到12英里（1.6km到19km）。人口密度小的區(qū)域需要更多數(shù)量的蜂窩單元以滿足流量的需求。每個(gè)蜂窩單元的傳輸能量都保持在低水平以免干擾其他單元。8.3傳輸衰減信號(hào)在通過傳輸介質(zhì)的過程中將出現(xiàn)減損，即信號(hào)在介質(zhì)的始端與終端不一致，發(fā)送與接收的內(nèi)容不一致。通常，減損包括衰減、失真和噪聲3種類型。8.3傳輸衰減8.3.1衰減衰減是指能量的損失。當(dāng)一個(gè)簡單信號(hào)或復(fù)合信號(hào)通過傳輸介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)電阻導(dǎo)致信號(hào)能量損失，引起攜帶電信號(hào)的導(dǎo)線發(fā)熱，信號(hào)的部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，為了補(bǔ)償能量損失，可利用放大器放大信號(hào)，如圖8.22所示。度量兩個(gè)信號(hào)相當(dāng)強(qiáng)度或一個(gè)信號(hào)在兩個(gè)不同點(diǎn)強(qiáng)度變化的單位是分貝（dB）。注意，若一個(gè)信號(hào)衰減，則分貝是負(fù)值；若一個(gè)信號(hào)放大，則分貝是正值。8.3傳輸衰減8.3.1衰減圖8.22衰減8.3傳輸衰減8.3.2失真失真是指信號(hào)變形。對(duì)于由多種頻率合成的復(fù)合信號(hào)，由于每個(gè)信號(hào)分量通過傳輸介