物理层传输介质

课题：传输介质目的要求：导向传输介质、非导向传输介质、宽带接入技术.教学重点：双绞线、xDSL技术教学难点：近端串扰、DLS技术教学课时：2教学方法：讲授、练习本次课涉及的学术前沿：教学内容与步骤：,物理层下面的传输媒体,无线电,微波,红外线,可见光,紫外线,X射线,射线,双绞线,同轴电缆,卫星,地面微波,调幅无线电,调频无线电,海事无线电,光纤,电视,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,THF,波段,1041051061071081091010101110121013101410151016,10010210410610810101012101410161018102010221024,移动无线电,电信领域使用的电磁波的频谱,传输介质及应用,传输介质是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路，可以分有线和无线两大类。在有线介质中，介质自身决定传输的限制。对于无线介质而言，传输特性更多地取决于信号带宽和方向性。传输介质的特性对网络数据通信的质量有很大影响，这些特征是：物理特性：说明传输介质的特性。传输特性：包括是使用模拟信号发送还是使用数字信号发送、调制技术、传输容量及传输频率范围等。连通性：采用点到点连接还是多点连接。地理范围：在不用中间设备并将失真限制在允许范围内的情况下，整个网络所允许的最大距离。抗干扰性：防止噪音、电磁干扰对传输数据影响的能力。相对价格：包括元件、安装和维护等价格。,双绞线,双绞线是目前使用最广、价格相对便宜的一种传输介质。每对双绞线是由两条螺旋状扭在一起相互绝缘的铜导线所组成。目前双绞线电缆广泛应用于电话系统。双绞线一般分为屏蔽双绞线(STP)和非屏蔽双绞线(UTP)，普通的电话线就是非屏蔽双绞线(UTP)中的一种，传输距离一般为100米。UTP由铜线、绝缘层和外保护层组成，如图2-27(b)所示。屏蔽双绞线STP由铜线、绝缘层、外屏蔽层和外保护层组成，它的结构如图2-27(a)所示。屏蔽双绞线抗干扰性能好，性能高，但成本也较高。按双绞线的性能来划分，目前广泛应用的有七个不同的等级，级别越高性能越好。常见的有3类线，5类线和超5类线，以及最新的6类线，前者线径细而后者线径粗。铜质线芯，传导性能良好，可用于传输模拟信号和数字信号。双绞线通常用于传输10Mbps100Mbps的数据，不过传输速率会因传输差错而降低，如数据丢失、数据重复及电磁干扰等。,图2-27双绞线的结构,导向传输媒体,双绞线屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair),双绞线示意图,双绞线由两根绝缘铜导线按螺旋状缠绕在一起,一对双绞线形成一条通信链路。双绞线上可以传输模拟信号和数字信号；带宽：与导线的粗细、长度及螺旋的密度有关；非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）；应用连接电话机和电话端局，传输模拟信号，可以传输几公里；用于住宅因特网接入，如使用普通模拟电话线和拨号调制解调器的住宅接入（56Kbps），使用数字用户线的宽带住宅接入（几个Mbps）。用于组建计算机局域网3类双绞线：支持10Mbps；5类双绞线：支持100Mbps，是目前高速局域网连网的主要方式；超5类双绞线：支持1000Mbps,传输距离100米；.,双绞线制作,近端串扰与衰减,近端串扰：干扰，发送端强信号对接收端弱信号的干扰衰减：信号过程中在传输必然衰减,双绞线,可传输模拟信号和数字信号一般用于点到点链路=100mUTP(UnshieldedTwistedPair)抗干扰性差，STP(ShieldedTwistedPair)抗干扰性好，分3、4、5超5、6类线等。价格相对便宜。,同轴电缆,同轴电缆可以分为基带同轴电缆与宽带同轴电缆两大类。宽带同轴电缆的阻抗为75欧电缆主要用于传输模拟信号，传输最大距离可以达100km。基带同轴电缆即同轴电缆，以硬铜线为芯，外包一层绝缘材料，再外一层为密织的网状导体环绕，最外面为一层保护性材料，如下图所示。单根同轴电缆直径约为1.02-2.54cm，可在较宽频率范围内工作。常用于直接传输数字信号，使用曼彻斯特编码，数据传输速率最高可达10Mbps，阻抗为50，最大距离限制在几公里。最大优点是抗干扰性强，而且支持多点连接。缺点是物理可靠性不好，易出现故障，而且一点发生故障，整段局域网都无法通信。可以用于点到点连接或多点连接。为保持同轴电缆的正确电气特性，电缆必须接地，同时两头要有端接器来削弱信号反射作用。当它被用来传输数据时，其数据传输率可达每秒几百兆位。,50同轴电缆75同轴电缆,同轴电缆,同轴电缆示意图,同轴电缆由一对导体按照“同轴”的形式构成。两类同轴电缆：基带同轴电缆：阻抗为50，一般传输数字信号。传输距离较短，数据速率较低。曾被广泛用作电话系统的长途干线和用于传统局域网的组网，但现在基本上已被光纤和双绞线所替代。宽带同轴电缆：阻抗为75，一般传输模拟信号。传输距离长，速率高，最常用做有线电视电缆。采用有线电视网络提供因特网接入，是宽带住宅接入的另一种可选方式。,同轴电缆,可传输模拟信号和数字信号用于点到点链路和多点链路=185m细缆，=500m粗缆抗干扰性较好。价格相对居中。,光纤（结构和分类）,光从一种物质传输到另一种物质将发生折射，当入射角度大于临界值时，光将被完全反射回来，这就是光纤传输信号的原理。一个光脉冲表示比特1，而无光脉冲表示比特0。光纤也是圆筒形的，光纤由能够传导光波的石英玻璃纤维组成的芯线、包层和外保护层三部分构成，如图2-29所示。按使用波长的不同，光纤可以分为单模光纤和多模光纤两种。对于多模光纤，芯的直径为50um，对于单模光纤，芯的直径为8-10um。按波长区的范围不同，光纤可以分为三种，它们分别为0.85um波长(0.8-0.9um)、1.3um波长(1.25-1.35um)和1.55um波长区(1.53-1.58um)。,图2-29光纤的结构,光纤的信号传送过程,多模光纤采用发光二极管产生可见光作为光源，定向性较差。当光纤芯线的直径比光波波长大很多时，由于光束进入芯线中的角度不同传播路径也不同，这时光束是以多种模式在芯线内不断反射而向前传播。多模光纤的传输距离一般在2km以内。单模光纤采用注入式激光二极管作为光源，激光的定向性强。单模光纤的芯线直径一般为几个光波的波长，当激光束进人玻璃芯中的角度差别很小时，能以单一的模式无反射地沿轴向传播。在计算机网络中均采用两根光纤(一来一去)组成传输系统，采用点到点连接或者多点连接方式。光传输系统由三部分组成：光源(光发送机)、传输介质和检测器(光接收机)，其传输的具体过程如图2-30所示。在发信端，有两种不同类型的光源被用于光纤系统：发光二极管(LED)和激光发射管(ILD)，信息被转换成便于传输的电信号，电信号控制一个光源，使发出的光信号具有所要传输的信号的特点，从而实现信号的电光转换，发信端发出的光信号通过光纤传输到远方的收信端，经光电二极管等光检测器和放大器转换成电信号，从而实现信号的光电转换。电信号再经过处理和转换恢复为与原发信端相同的信息。,图2-30光纤的电信号传送过程,光导纤维示意图,光纤的工作原理,高折射率(纤芯),低折射率(包层),光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射,光线在光纤中的折射,折射角,入射角,包层（低折射率的媒体）,包层（低折射率的媒体）,纤芯（高折射率的媒体）,包层,纤芯,光纤的工作原理,高折射率(纤芯),低折射率(包层),光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射,多模光纤与单模光纤,多模光纤,光纤传输系统由3个部分组成：光源，光纤和光检测器。光源：发光二极管，激光。光检测器：光电二极管，将光信号转换成电信号。光纤：由两种折射系数不同的石英玻璃纤维组成，光线在光纤中全反射地向前传播。单模光纤和多模光纤：纤芯直径分别为8-10m和50m。光纤的最大优点是大容量、长距离、抗干扰，缺点是光设备成本高。光纤的3种连接方式：光接头，机械方法，融合。光纤网络较常使用环形拓扑和星形拓扑。,光导纤维,仅传输数字信号用于点到点链路，传输速率高几公里到几十公里，分单模和多模光纤。抗干扰性相当好。价格贵。,Example,GigabitEthernetcabling.,非导向传输媒体,无线传输所使用的频段很广。短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。微波在空间主要是直线传播。地面微波接力通信卫星通信,无线传输的频率范围大致从无线电到可见光（1041015Hz）频率越高，每赫兹编码的比特数越多，相同波带下所获得的带宽也越高（f=c/2），所以高速数据传输通常发生在高频区域。与计算机网络关系较密切的无线通信介质包括：陆地无线电信道：覆盖局部区域，通常跨越数十到几百米，应用在无线局域网中，如802.11；运行在广域网，跨越几万米，应用在广域无线接入网中，如3G等；卫星无线电信道短距离内可使用红外线、蓝牙无线电等，距离在10米以内，数据为1Mbps。,无线传输,卫星通信,卫星通信是利用地球同步卫星作为中继来转发微波信号的一种特殊微波通信形式。卫星通信可以克服地面微波通信距离的限制，三个同步卫星可以覆盖地球上全部通信区域。卫星传输是微波传输中的一种，只不过它的一个站点是绕地球轨道运行的卫星。卫星传输是当今一种更为普遍的通信手段，其应用包括电话、电视、新闻服务、天气预报以及军事用途等。应用广泛的是地球同步卫星，如图2-31所示。从技术角度上讲，只要在地球赤道上空的同步轨道上，等距离地放置三颗相隔120度的卫星，就能基本上实现全球的通信。为了避免产生干扰，卫星之间的相隔不能小于2度，因此，整个赤道上空只能放置180个同步卫星。一个典型的卫星通常拥有1220个转发器，每个转发器的频带宽度为36或72MHz。,图2-31地球同步卫星,卫星通信方式每颗卫星连接两个或多个位于地球的微波发射/接收站；卫星上携带转发器，监听频段中的一部分，放大输入的信号，并且以另一频率重新广播出去。根据卫星所处的高度不同，有三类卫星：地球同步卫星：目前远距离通信基本上依靠这一类卫星，缺点是传输延迟长；中轨道卫星：目前这一类卫星没有用于电信通信，GPS卫星属于这一类低轨道卫星：铱系统，Globalstar，Teledesic等，希望全面替代地面通信系统，提供世界范围内的电信服务；传输延迟短。,通信卫星,传输介质的选择,在通信世界里，每一种传输介质都有它自己的位置，表2-1对几种介质作了比较。在实际网络应用中，通信介质的选择取决于实际需要，主要考虑网络的拓扑结构、实际需要的通信容量、可靠性要求以及价格等因素。在设计局域网和广域网传输系统时，一般主要关心的是数据速率与距离两个指标，传输速度越快、传输距离越远就越好。一些传输介质和信号设计方面的因素决定着速率和距离，主要表现在以下几个指标：带宽：若其他特性保持不变，信号的带宽越宽，则可以达到的数据速率就越高。传输损耗：对于有线介质而言，双绞线比电缆的损耗大，而电缆比光缆的损耗大。干扰：来自于重叠频率的竞争信号会扰乱甚至清除一个信号。接收者个数：一种有线介质可以用于构造点到点连接或提供多个实体间的共享连接率。,常用传输介质的比较,宽带接入技术1xDSL技术,xDSL技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。虽然标准模拟电话信号的频带被限制在3003400kHz的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1MHz。xDSL技术就把04kHz低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。DSL就是数字用户线(DigitalSubscriberLine)的缩写。而DSL的前缀x则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。,xDSL的几种类型,ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)：非对称数字用户线HDSL(HighspeedDSL)：高速数字用户线SDSL(Single-lineDSL)：1对线的数字用户线VDSL(VeryhighspeedDSL)：甚高速数字用户线DSL：ISDN用户线。RADSL(Rate-AdaptiveDSL)：速率自适应DSL，是ADSL的一个子集，可自动调节线路速率）。,ADSL的特点,上行和下行带宽做成不对称的。上行指从用户到ISP，而下行指从ISP到用户。ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL调制解调器。我国目前采用的方案是离散多音调DMT(DiscreteMulti-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。,DMT技术,DMT调制技术采用频分复用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分为许多的子信道，其中25个子信道用于上行信道，而249个子信道用于下行信道。每个子信道占据4kHz带宽（严格讲是4.3125kHz），并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。,ADSL的数据率,由于用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同），因此ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。当ADSL启动时，用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。ADSL不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL。通常下行数据率在32kb/s到6.4Mb/s之间，而上行数据率在32kb/s到640kb/s之间。,ADSL的组成,ATU-C,ATU-C,ATU-R,ATU-C,用户线,电话分离器,区域宽带网,至ISP,居民家庭,基于ADSL的接入网,端局或远端站,DSLAM,至本地电话局,PS,PS,数字用户线接入复用器DSLAM(DSLAccessMultiplexer)接入端接单元ATU(AccessTerminationUnit)ATU-C（C代表端局CentralOffice）ATU-R（R代表远端Remote）电话分离器PS(POTSSplitter),2光纤同轴混合网HFC(HybridFiberCoax),HFC网是在目前覆盖面很广的有线电视网CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网。HFC网除可传送CATV外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。现有的CATV网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而HFC网则需要对CATV网进行改造，,HFC的主要特点,(1)HFC网的主干线路采用光纤HFC网将原CATV网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术。在模拟光纤中采用光的振幅调制AM，这比使用数字光纤更为经济。模拟光纤从头端连接到光纤结点(fibernode)，即光分配结点ODN(OpticalDistributionNode)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。,(2)HFC网采用结点体系结构,同轴电缆,头端,模拟光纤,放大器,引入线,分路器,光纤结点,服务区,服务区,服务区,(3)HFC网具有比CATV网更宽的频谱，且具有双向传输功能,下行信道,上行信道,540505507501000,原有模拟电视,数字信号,频率(MHz),保留,(4)每个家庭要安装一个用户接口盒,用户接口盒UIB(UserInterfaceBox)要提供三种连接，即：使用同轴电缆连接到机顶盒(set-topbox)，然后再连接到用户的电视机。使用双绞线连接到用户的电话机。使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。,电缆调制解调器(cablemodem),电缆调制解调器是为HFC网而使用的调制解调器。电缆调制解调器最大的特点就是传输速率高。其下行速率一般在310Mb/s之间，最高可达30Mb/s，而上行速率一般为0.22Mb/s，最高可达10Mb/s。电缆调制解调器比在普通电话线上使用的调制解调器要复杂得多，并且不是成对使用，而是只安装在用户端。,HFC网的最大优点,具有很宽的频带，并且能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网。要将现有的450MHz单向传输的有线电视网络改造为750MHz双向传输的HFC网（还要将所有的用户服务区互连起来而不是一个个HFC网的孤岛），也需要相当的资金和时间。在电信政策方面也有一些需要协调解决的问题。,3FTTx技术,FTTx（光纤到）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母x可代表不同意思。光纤到家FTTH(FiberToTheHome)：光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法。光纤到大楼FTTB(FiberToTheBuilding)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。光纤到路边FTTC(FiberToTheCurb)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。,基本服务高质量话音传输，消息传递，多媒体，Internet访问；数据速率2Mbps（静止）384Kbps（慢速移动）144Kbps（快速移动）2.5G