《计算机数据通信》课件第4章

第4章数据传输信道4.1恒参信道和随参信道

4.2有线信道

4.3光纤通信

4.4无线通信4.5微波信道4.6卫星信道4.7红外通信技术4.8传输信道的选择

信道是用来表示向某一方向传送信息的媒体。一般来说,一条通信线路应包含两条信道,一条用于发送信号,另一条用于接收信号。与信号的分类相似,信道也可分为适合传送模拟信号的模拟信道和适合传送数字信号的数字信道两大类。计算机数据通信通过传输信号的方式来达到传输数据的目的。这些信号以电磁能量的形式从一台设备传输到另一台设备。电磁信号能够穿越真空、空气或者其他传输介质。

图4.1电磁波的频谱功能

电磁能量是一种电场和磁场震荡的组合形式,它包括各种频率的能量，其表现形式较多，如：语音、无线电波、红外线、可见光、紫外线以及X射线、γ射线和宇宙射线等形式。每一种形式都对应一部分电磁频谱,如图4.1所示。但是并不是所有的频谱都能用在当前的远程通信技术中,目前我们可以用来实现数据通信的频段和介质也只有有限的几类。语音频段的信号通常以电流的形式通过诸如双绞线或同轴电缆传输。无线电波可以穿越空气或者空间,但是需要特殊的传输和接收机制。

4.1

恒参信道和随参信道

4.1.1恒参信道

1.定义恒参信道:通常我们将参数变化较慢,对数据通信影响较小的信道即参数恒定不变的信道称为恒参信道。一般的有线信道就属于恒参信道。由于恒参信道对信号传输的影响是固定不变或者变化极为缓慢的,因而可以认为它等效于一个非时变的线性网络。所以,在原理上只要得到这个网络的传输特性,利用信号通过线性系统的分析方法,就可求得调制信号通过恒参信道后的变化规律。

2.传输特性通信网络的传输特性通常可用幅度-频率特性和相位-频率特性来表征。在理想状况下,信道对被传输信号的所有频率分量均应一视同仁、正常传输,但在实际系统中,由于信道性能的影响,被传送的信号会发生畸变。归纳起来有幅度-频率畸变和相位-频率畸变两种。

恒参信道通常用幅度-频率特性及相位-频率特性来表述。而这两个特性的不理想是造成传输信号失真的重要因素。当然,也还存在其他因素会对传输信号产生影响,例如非线性畸变、频率偏移及相位抖动等。非线性畸变主要是由信道中的元器件(如磁芯、电子器件等)的非线性特性引起的,会造成谐波失真或产生寄生频率等;频率偏移通常是由于载波电话系统中接收端解调载波与发送端调制载波之间的频率有偏差,而造成信道传输信号的某一分量产生的频率变化;相位抖动主要是由调制和解调载波发生器的不稳定性造成的,这种抖动的结果相当于发送信号附加了一个小指数的调频。以上的非线性畸变一旦产生,一般均难以消除。这就需要在进行系统设计时从技术上加以重视,力争将非线性畸变减到最小。

4.1.2随参信道

1.定义随参信道:通常将参数变化较快,其变化足以影响信号传输的信道即参数随时变化的信道称为随参信道,也叫变参信道。一般的无线信道参量随时变化,就属于随参信道。随参信道的特性比恒参信道要复杂得多,对信号的影响也要严重得多。其根本原因在于它使用了一个复杂的传输媒介。虽然随参信道中也包含着除媒介外的其他转换器,自然也应该把它们的特性算作随参信道特性的组成部分,但是从对信号传输影响的程度来看,传输媒介的影响是主要的,而转换器特性的影响是次要的,甚至可以忽略不计。2.特点随参信道具有如下特点：(1)对信号的衰耗随时变化；(2)传输时延随时变化；(3)具有多径传播(多径效应)。

3.多径传播多径传播:由发射端发送的信号沿着多条途径到达接收端的传播称为多径传播。属于随参的传输媒介主要以电离层反射、散射和对流层散射为代表,信号在这些媒介中传输的示意图如图4.2所示(图4.2(a)为电离层反射传输示意图,图4.2(b)为对流层散射传输示意图)。其特点是:电波可能经多条路径到达接收端,对每条路径信号而言,其衰耗和时延都不是固定不变的,而是随电离层或对流层的机理变化而变化的。因此,多径传播后的接收信号将是衰减和时延随时间变化的多路径信号的合成。

图4.2多径传播示意图(a)电离层反射传输示意图;(b)对流层散射传输示意图

经过分析(具体分析过程已超出本教材范围,读者可参考数字通信原理方面的相关著作)可知:

(1)多径传播使单一载频信号变成了幅值和相位都变化的窄带信号;

(2)多径传播引起了频率弥散,即信号频率由单一频点变成了一个窄带频谱;

(3)多径传播会引起选择性衰落(即某些频率信号幅值衰落大,某些频率信号幅值衰落小)。

4.随参信道性能改善对于平坦性衰落(慢衰落),主要采取加大发射功率和在接收机内采用自动增益控制(AGC)等技术和方法。对于快衰落,通常可采用多种措施,例如各种抗衰落的调制/解调技术及接收技术等。其中,较为有效且常用的抗衰落措施是分集接收技术。按广义信道的含义,分集接收可看做是随参信道中的一个组成部分或一种改造随参信道的有效措施,而改造后的随参信道,衰落特性将能够得到明显的改善。

5.分集接收所谓分集接收就是在接收端,以不同的方式、不同的参量分别接收,再对接收信号进行优化处理,得到一个受信道噪声影响最小的信号,这种方法称为分集接收。快衰落信道中接收的信号是到达接收端的各路径分量的合成。如果在接收端同时获得几个不同路径传来的信号,再将这些信号适当优化处理后得到的总接收信号,能够大大减小衰落的影响,这就是分集接收的基本思想。分集的含义就是分散得到几个信号再集中(合并)这些信号的意思。只要被分集的几个信号之间是相互独立的,那么经适当的合并,就能使系统性能大为改善。

1)分集方式互相独立或基本独立的一些信号,一般可利用不同路径、不同频率、不同角度、不同极化等接收手段来获取,通常采用的分集接收有以下几种方式。

(1)空间分集。在接收端架设几副天线,天线的相对位置要求有足够的间距(一般在100个信号波长左右),以保证各天线上获得的信号彼此基本独立。通常采用的方法是利用一组天线,在不同位置接收信号,择其强者而用之。

(2)频率分集。用多组不同载频传送同一个消息,如果各载频的频差相隔比较远,则各分散信号彼此也基本独立,收端分别接收。若只有一组接收设备,可通过选择最优的一组频率使接收端信号最优。

(3)角度分集。角度分集是利用天线波束指向不同,传输信号衰落也就不同的一种分集方法。通常在接收端天线的指向不同其接收信号的强度就不同,利用一组天线设置不同的指向,进行信号接收测试,择优使用。

(4)极化分集。极化分集是分别接收水平极化波和垂直极化波而构成的一种分集方法。一般来说,这两种波的相关性极小。当然,还有其他分集方法,这里就不详述了。但要指出的是,分集方法之间并不互相排斥,在实际应用时可以组合使用。例如由二重空间分集和二重频率分集组成四重分集系统等。

2)信号合成信号合成指利用分集接收的信号并对其进行优化处理,以获得所需的信号,通常采用以下几种方式。

(1)最佳选择。最佳选择指从几个分集信号中选择其中信噪比最高的一个作为接收信号，即择其强者而用之。

(2)等增益相加。等增益相加指将几个分集信号以相等的支路增益直接相加,结果作为接收信号。

(3)最大比值相加。最大比值相加指控制各支路增益,使它们分别与本支路的信噪比成正比,然后再相加获得接收信号。即信噪比越高,信号越强,对传输信号的贡献就越大,所得信号质量就越高。以上几种合并方式在改善接收信噪比方面都比较有效,但其对信噪比的改善量有所不同。一般来讲,最大比值相加方式性能最好,等增益相加方式次之,最佳选择方式较差。从总的分集效果来说,分集接收除能提高接收信号的电平外,其主要作用是改善衰落特性,使信道的衰落平滑并减小。如无分集时,误码率为10-2,若采用四重分集后,误码率可降低至10-7左右。由此可见,分集接收法对随参信道性能的改善是非常有效和必要的。事实上,我们在建立无线信道时,通常都采用了分集接收,如架设室外天线,就是通过寻找最佳位置和最佳角度来确定安装方式的,这就是空间分集和角度分集。

4.2

有线信道

传输信道按其传输介质不同可分为有线信道和无线信道。有线信道提供了一种从一个设备到另一个设备的信号通道,常用的有线信道有:双绞线电缆、同轴电缆及光缆等,如图4.3所示。通过这类媒介传输的信号沿着信道的方向传播并被局限在传输媒介的物理边界内。双绞线电缆和同轴电缆采用金属(铜)导体来接收和传输电流信号。光纤通信则利用石英

(SiO2)等材料制成的光缆来接收和传输光波信号。

图4.3有线信道分类

4.2.1双绞线电缆

1.非屏蔽双绞线电缆非屏蔽双绞线电缆(UTP,UnshieldedTwistedPair)是当今最常用的通信媒介。尽管在电话系统中使用最多,但其频率范围为100Hz～5MHz,适用于传输数据和语音信号。一条双绞线包括两根导体(通常是铜质的),每根都有不同颜色的塑料外皮。塑料外皮着色是为了便于区别。颜色不仅用来区别电缆中的具体导线,还用于对电缆中线对的编号,以及在一大捆导线中区分它们与其他线对的关系。

图4.4噪声对平行线传输的影响

但是,如果两条导线每隔一定距离交叉一次,则每条导线就都有一半时间靠近噪声源,而另一半时间远离噪声源。因此,通过交叉,两条导线上总的噪声影响基本相同,有利于消除噪声干扰。假设导线的一段当处于靠近噪声源时有一个大小为4dB的噪声,在远离噪声源时为2dB。在某一段线路上,其中一根导线上的噪声为(4+2+4+2)=12dB,而在接收端,总的噪声影响为(12-12)=0dB(如图4.5所示)。总之，交叉并不能消除所有的噪声,但能明显减弱噪声的影响。

图4.5噪声对双绞线传输的影响

UTP的优点在于价格便宜、使用简单、连接灵活、安装容易。在许多局域网络(包括以太网和令牌环网)中，都采用了高等级的UTP电缆。美国电子工业协会(EIA,ElectronicIndustriesAssociation)制定了EIA-568标准,即一种按质量划分UTP等级的标准。根据电缆的质量可将UTP划分为不同类别,第1类是最低档的,第5类是最高档的。每一种EIA定义的电缆类别都有其特定用途。

第1类:最基本的双绞线,应用于电话系统中。这种级别的电缆质量只适用于传输语音和低速数据信号。第2类:比第1类质量稍高,适用于语音和最大速率为4Mb/s的数字通信系统。第3类:要求绞距为7.5～10cm,适用于最大速率为10Mb/s的数据信号传输,也是现在大多数电话系统的标准电缆。第4类:同样要求绞距为7.5～10cm,同时加上其他条件使线路的数据传输速率最大可达16Mb/s。

第5类:要求绞距为0.6～0.85cm,是性能最好的一种双绞线电缆,其频带较宽,信道容量大。可作为最大数据速率达100Mb/s的宽带传输电缆。

图4.6网线(4对双绞线)

UTP连接器:UTP连接到网络设备的最常用连接方式是通过类似电话插口的咬接式插头连接。连接器可以是插座也可以是插头。插头插入插座并通过一个弹压式卡簧(称键)固定在一起。电缆中的每根导线都和连接器中的一个传导头(或针)相连,如图4.7所示。

图4.7

UTP连接器这类插头中最常用的一类带有8个传导头,每个都与4对双绞线中的一根导线相连,如图4.8所示。这也是网卡和宽带网线的连接头,通常称为水晶头。

图4.8水晶头

2.屏蔽双绞线电缆屏蔽双绞线电缆(STP,ShieldedTwistedPair)在每一对导线外都有一层金属箔或金属网。这层金属网使电磁噪声不能穿透进来造成干扰,从而起到屏蔽作用,也屏蔽了来自其他线路(或信道)上的串扰。在数据通信系统中会因串扰而产生误码,将每一对双绞线屏蔽起来就能消除大多数的串扰。按照所采用的金属屏蔽层的数量和绕包方式,屏蔽双绞线电缆又可分为金属箔电缆(FTP)、屏蔽金属箔电缆(SFTP)和屏蔽双绞电缆(STP)三种,如图4.9所示。

图4.9双绞线电缆(a)UTP;(b)FTP；(c)SFTP；(d)STP

STP的性能和UTP一样,也使用和UTP一样的连接器,但是屏蔽层必须接地。由于材料和制造方面的原因,STP比UTP要昂贵些,但是能更好地屏蔽噪声,从而提高传输质量。表4.1中列出了无屏蔽电缆和屏蔽电缆的性能比较。表中列出了两个指标:衰减和近端串扰。衰减在前面已经作了介绍,近端串扰是指来自一对导线上的信号在另一对导线上产生的耦合干扰。

表4.1无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线性能比较表

3.双绞线电缆的性能参数对于用户来讲,最关心双绞线的性能指标有:衰减、近端串扰、特性阻抗和直流环路阻抗等。

(1)衰减(Attenuation)。衰减是指电路对信号的损失程度。衰减与芯线的粗细和电缆的长度有关。芯线越粗,衰耗越小;长度越长,衰耗越大。由于衰减随频率而变化,因此,测量时应测量在整个应用频段内的衰减。

(2)近端串扰(NEXT)。串扰分为近端串扰和远端串扰(FEXT),由于存在线路损耗,远端串扰的影响比较小。近端串扰是指一条UTP链路中一个线对的信号在同一端另一个线对上产生的信号耦合。对于UTP链路,NEXT是一个重要的性能指标。

(3)直流环路电阻。直流环路电阻是指一对导线电阻的和。线路直流电阻会消耗一部分信号功率。

(4)特性阻抗。与直流环路电阻不同,特性阻抗包括电阻、频率为1～100MHz的电感阻抗以及电容阻抗。它与一对电线之间的距离及绝缘体的电气性能有关。各种电缆有不同的特性阻抗,而双绞线电缆则有100Ω、120Ω及150Ω几种。

4.双绞线电缆的特性

(1)双绞线电缆的芯线一般为铜质的,传导性能良好。

(2)双绞线既可以传输模拟信号,也可以传输数字信号。双绞线的带宽可达268kHz,而一条全双工语音信号的标准带宽仅为3.4kHz,因而,可以使用频分复用技术实现多个语音信号复用一对双绞线。双绞线通常也用在局域网中,常用第3类和第5类,均由4对双绞线组成。

(3)双绞线普遍用于点对点的连接,也可用于多点间的连接。

(4)作为局域网间的连接通路,双绞线主要用在建筑物内或建筑物之间的数据通信。

(5)在传输低频信号时,双绞线的抗干扰性能相当于或优于同轴电缆,但当频率较高(10～100kHz)时,双绞线的抗干扰能力就远不如同轴电缆了。

(6)一般来讲,双绞线是一种最廉价的传输信道。

4.2.2网线

1.网线制作的标准双绞线的制作有两种标准,分别是EIA/TIA568A和EIA/TIA568B。其连接方式见表4.2。

表4.2双绞线的制作有两种标准实际上,两种接法并没有本质的区别,只是颜色上的区别,但在连接时必须保证:1、2为一组扰对;3、6为一组扰对;4、5为一组扰对;7、8为一组扰对。双绞线中,4、5、7、8这四根线未定义,在连接时要按照标准连接。

2.直连与交叉连接通常连接电缆有两种方式:直通电缆与交叉连接。

1)直通电缆水晶头两端都遵循EIA/TIA568A或EIA/TIA568B标准,双绞线的每组绕线都是一一对应的。这种连接适用于交换机UPLINK口与交换机普通端口的连接以及交换机普通端口与计算机网卡的连接。

2)交叉连接水晶头一端遵循EIA/TIA568A标准,另一端遵循EIA/TIA568B标准。即两个水晶头交叉连接,A水晶头的1、2对应B水晶头的3、6,A水晶头的3、6对应B水晶头的1、2。这种连接适用于交换机普通端口与交换机普通端口的连接以及计算机网卡与计算机网卡之间的连接。

3.网线的制作方法下面以100Mb/s的EIA/TIA568B作为标准规格介绍网线的制作要点。

1)直通电缆制作步骤

(1)利用斜口钳剪下所需要的双绞线长度,至少0.6m,网线最长不超过100m。然后再利用双绞线剥线器将双绞线的外皮除去2～3cm。

(2)将裸露的双绞线中的橙色线对剥向自己的前方,棕色线对剥向自己的方向,绿色线对剥向左方,蓝色线对剥向右方。即上:橙;左:绿;下:棕;右:蓝。

(3)小心的剥开每一线对,按照EIA／TIA568B标准将线依序排列,如图4.10所示。

图4.10

两种标准的连线方式

(4)将裸露出的双绞线用剪刀或斜口钳剪齐并只留约14mm的长度,再将双绞线的每一根线依序放入RJ-45接头的引脚内,第一只引脚内应该放白橙色的线。

(5)确定双绞线的每根线已经正确放置之后,就可以用RJ-45压线钳压接RJ-45接头。

(6)如法炮制,再制作另一端的RJ-45接头。因为工作站与集线器之间是直接对接的,所以另一端RJ-45接头的引脚接法完全一样。完成后，连接线两端的RJ-45接头无论引脚还是颜色都应该完全一样。

2)交叉网线制作制作方法和上面基本相同,只是在线序上不像568B,而是采用了1-3,2-6交换的方式,也就是一头使用568B制作,另外一头使用568A制作,见表4.2。

4.2.3同轴电缆

1.同轴电缆的结构同轴电缆(CoaxialCable)是由一对导体组成的传输电缆。与双绞线电缆相比,其传输频带宽、工作频率高,一般工作在100～500kHz之间。同轴电缆和双绞线电缆是两种结构完全不同的电缆。同轴电缆按“同轴”形式构成线对,最里层有一个中心的固态导体或是绞合线(通常是铜质的),外包一层绝缘皮,再包上一层金属箔或是网格,或是两者的组合体(同样,通常是铜质的)。外层的金属包层既作为屏蔽层,同时又作为传导体的一部分来形成一个完整的回路。外层的导体也包裹在一层绝缘体中,并再外加一层塑料皮包裹整根电缆,如图4.11所示。

图4.11同轴电缆

2.同轴电缆的分类

1)按照同轴电缆的结构分类

(1)大同轴电缆。将内导体直径为3.7mm,外导体直径为13.5mm左右的同轴电缆称为大同轴电缆。

(2)中同轴电缆。将内导体直径为2.6mm,外导体直径为9.5mm左右的同轴电缆称为中同轴电缆。中同轴电缆是使用最多的一种同轴电缆,也叫标准同轴电缆。

(3)小同轴电缆。将内导体直径为1.2mm,外导体直径为4.4mm左右的同轴电缆称为小同轴电缆。

(4)微同轴电缆。将内导体直径为0.6～0.8mm,外导体直径为2.8～3mm左右的同轴电缆称为微同轴电缆。

2)按照传输信号类型分类同轴电缆分为基带同轴电缆(阻抗为50Ω)和宽带同轴电缆(阻抗为75Ω)。基带同轴电缆用于直接传输基带数字信号。在局域网中使用这种基带同轴电缆,可以在2500m范围内(需要另加中继器),以10Mb/s传输基带数字信号。宽带同轴电缆用于频分复用的模拟信号传输,闭路电视所使用的就是这类同轴电缆,也可用于高速数字信号传输和模拟信号传输。

3.同轴电缆连接器

多年来,人们设计了多种同轴电缆的连接器,通常是生产厂商在为一个具体的产品需求寻求特定的解决方案时提出来的。在多种同轴电缆连接器中,有一部分最常用的连接器已被标准化了。其中最常见的就是根据其形状被称为套筒式的连接器。在这类连接器中,最常用的是卡销式网络连接器。这种连接器只需推入插口并旋转半圈即可(如示波器输入信号电缆插头),如图4.12所示。其他类型的套筒式连接器要么需要旋在一起,从而导致安装麻烦;要么是插上后没有锁定功能,不太可靠。但由于比较经济,因此在有线电视和录像机连接中常用旋入式或插入式同轴电缆连接器。

图4.12同轴电缆连接插头

另外两类常用的连接器是T型连接器和终结端子。T型连接器(在细缆以太网中使用)允许使用辅助电缆或是从主线路上引出分支,如图4.13所示。例如,从一台计算机引出的一根电缆可以分支连接若干台终端。在总线拓扑结构中,一根电缆作为主干,其他设备连接在许多分支上,而主干本身并没有在某个设备上终止,此时必须有终结端子。否则,如果主电缆是开放的,线路上传输的任何信号都会反射回来对原始信号产生干扰。一个终结端子在电缆端头吸收了电磁波并消除了回声反射。同轴电缆终结端子如图4.14所示。

图4.13同轴电缆连接器

图4.14同轴电缆终结端子

4.同轴电缆的主要特性

(1)物理特性。同轴电缆可以工作在频率较高、频带较宽的频率范围内。

(2)传输特性。基带同轴电缆仅用于数字信号传输,使用曼彻斯特编码,数据传输速率可达10Mb/s。宽带同轴电缆既可以传输模拟信号,又可以传输数字信号。

(3)连通性。同轴电缆适用于点对点的连接,也可以用于多点之间的连接。

(4)地域范围。传输距离取决于传输信号形式和传输速率,如果传输速率相同,则粗缆的传输距离比细缆长。通常基带电缆的最大传输距离限制在几公里范围内,宽带电缆的传输距离可达几十千米。

(5)抗干扰性能。同轴电缆的抗干扰性能优于双绞线电缆。

(6)价格。同轴电缆的单价比双绞线电缆贵,但比光缆便宜。

5.同轴电缆的制作首先根据需要剪裁一定长度的同轴电缆,使用剥线钳剥去适当长度的外皮、屏蔽层以及绝缘层等部分,并将BNC连接器装在同轴电缆的端口,然后插在T型头上,利用固定螺母锁紧即可。设备连接完成后,一定要在同轴电缆的两端加上端接匹配器。

4.3

光纤通信

4.3.1光纤通信的概念

1.光通信所谓光通信就是利用光信号进行的信息传输过程或方式。由于光具有无线传输的特性,因此光通信也分为无线光通信和有线光通信。比如,水运和航海中经常使用的灯语、手语就是无线光通信的应用实例,从烽火台上的狼烟到激光无线通信的发展历程也就是无线光通信的发展史。我们目前常说的光通信主要指利用光纤做传输介质的光纤通信(有线通信),它是我们在数据通信和计算机网络中采用的主要传输信道之一,所以在此我们主要介绍光纤通信系统。

简而言之,光纤通信就是以光波为载波,以光导纤维为传输介质的信息传输过程。光纤通信首先要在信源将欲传送的电话、电报、图像和数据等信号经过电/光转换,即把电信号先变成光信号,再经由光纤(包括在本地进行光交换和光中继)传输到接收端,接收端必须将接收到的光信号作一与发信端相反的变换,即进行光/电转换变成电信号,从而完成光纤通信。由于目前只有电子计算机,没有光计算机,所以信道传输的光信号必须转换成电信号，计算机才能识别。

2.光的自然特性

光也是一种电磁能量形式。它在真空中传播最快，可以达到300000km/s。光的速度依赖于它所穿越的传输介质的密度(密度越大,速度越低)。为了理解光纤,首先需要研究光的自然属性。

(1)直射。光线在均匀物质中以直线形式传播,直射是光传播的基础。

(2)折射。当在一种物质中传播的光线突然进入另一种物质(物质密度不同)时,它的速度发生了突然的改变,导致光线改变了方向，这种变化称为折射。从一杯水中伸出来的一根筷子看起来像弯曲的,甚至像折断的,就是因为我们看见筷子的光线在从水里传播到空气中时方向发生了变化,即光线发生了折射。光纤技术就是利用光的折射特性来控制光线在光纤信道中的传播的。

(3)反射。当入射角大于全反射角时,就会发生一种新的现象,称为反射。光纤利用全反射将光线在信道内定向传输。光纤的中心是用石英(SiO2)制成的导光体,外面填充着密度相对较小的其他材料。两种材料的密度差异必须达到能够使芯线中的光线只能反射回来而不能折射入填充材料的程度。

3.光纤的基本结构

单根光纤的基本结构如图4.15和图4.16所示，由内导体、绝缘子、电介质和外导体组成。

图4.15单根光纤基本结构(a)以空气为介质的同轴管；(b)可弯曲的同轴电缆

图4.16单根光纤组成

4.传播模式光线在光纤信道中以两种模式传播,即多模传播和单模传播。每一种模式都需要不同物理特性的光纤。多模传播可以进一步分成两种类型:突变模式和渐变模式,如图4.17所示。

图4.17传播模式

1)多模传播

(1)突变模式。在突变光纤中,芯线的密度从中心到边缘都是一致的。光线在芯线中以直线方式传播,直至遇到芯线与填充材料的界面为止。在边界上,密度突然变低,从而改变了光线的方向。图4.18显示了在多模突变光纤中传播的多道光线的情形。位于中心的那部分光线直线传播到终点而没有经过任何反射或折射。部分光线以比全反射角小的入射角进入芯线和填充材料的边界,并穿越边界,损失掉了,还有部分光线则进入芯线和填充材料的边界并在芯线的内边界上反复反射,直到到达终点。

图4.18多模突变光纤

每一束从边界上反射回来的光线其反射角都等于它的入射角。入射角越大,反射角就越大。入射角较小的光线将比入射角较大的光线经历更多的反射次数才能通过相同的距离。因此,入射角较小的光线将传播更长的距离才能到达终点。这种在传播路径上的差异使得不同的光线在不同的时刻到达终点。在接收端重新组合这些光线时,会产生一个与原始信号不完全相同的信号。这种信号被传播延迟而失真,也就限制了数据传输速率,并使突变模式不适用于一些要求较高的应用场所。

(2)渐变模式。即多模渐变光纤,减少了信号通过缆线后的失真。因此,多模渐变光纤是具有变化密度的光纤。在芯线的中心密度最大,并向外逐渐变小,到边界时最小。这种可变密度对光线传播的影响如图4.19所示。

图4.19多模渐变光纤

2)单模传播单模光纤采用阶跃材质和高度集中的光源,使得发出的光线限制在非常接近水平的很小范围内。制造单模光纤时,采用比多模光纤细得多的直径和极低的密度。密度的降低使得全反射角接近90°,从而使得传播的光线基本是水平的。在这种情况下,不同光线的传播几乎是相同的,从而可以忽略传播延迟。所有光线几乎同时抵达接收端并且可以方便地恢复为完整的信号,如图4.20所示。

图4.20单模光纤

4.3.2光纤的分类光纤的种类很多,分类的方法各异,名称也较多,各种名称即可表明其含义,因此在此不作详细解释。简单归纳有如下几种常用的分类方法。

1.按制作材料分类

按制作材料分类,光纤可分为石英光纤、多组玻璃光纤、塑料光纤和氟化物光纤。

2.按传输模式分类按传输模式分类，光纤可分为单模光纤和多模光纤。

3.按折射率分类

按折射率分类，光纤可分为突变型光纤、渐变型光纤、三角型光纤和W型光纤。

4.按工作波段分类

按工作波段分类，光纤可分为短波长光纤(波长为0.8～0.9μm)、长波长光纤(波长为1.1～1.6μm)、超长波长光纤(波长在２μm以上)。虽然名称较多,但目前光纤通信中使用较多的仍是:突变光纤、渐变光纤和单模光纤。

表4.3三种实用光纤的主要性能

4.3.3光纤通信的主要特性

1.光纤通信的优点

1)通信容量大因为目前使用的光波频率比微波频率高成千上万倍,所以理论上光通信的通信容量与微波通信相比，大约可增加103～104倍。虽然在实际应用中由于受到了光电器件特性的限制,传输带宽比理论带宽要窄得多,但在目前投入运营的光纤通信系统中,一对光纤仍可传输3万路电话信号,是目前通信容量最大的一种通信方式。

2)损耗低、中继距离长实用的光纤芯线材料均为石英(SiO2)制成。若要减少光纤的损耗,主要依靠提高石英的纯度来达到目的。由于目前制造的石英的纯净度极高,因此光纤的损耗极低,其中继距离可以很长,这样在通信线路中就可减少中继站的数量,以降低信道成本。例如,对于400Mb/s速率的信号,光纤通信系统可达到100km以上的无中继传输,然而,同样速率若采用同轴电缆,无中继传输距离仅为1.6km左右。如将来采用非石英系的超长波长光纤,传输损耗会更小,有可能实现1000km以上的无中继传输。这一点对于海底光缆通信等长途干线业务具有非常重大的意义。

3)抗电磁干扰由于光纤是石英制成的,它不导电、无电感,因此不受电磁干扰,同时也不会干扰其他通信设备或测试设备。

4)无串音、保密性强光在光纤中传播时,几乎不向外辐射。因为在同一光缆中,数根光纤之间不会相互干扰,即不会产生串音干扰,也难以窃听,所以光纤通信和其他通信方式相比具有更好的保密性。

5)线径细、重量轻由于光纤的直径很小,只有0.125mm左右,因此制成光缆后,直径要比相同容量的电缆细得多,而且重量很轻。在长途干线或市内干线上,空间利用率高,便于铺设。

6)资源丰富、节约有色金属和原材料光纤的原材料是石英,石英是地球上储藏非常丰富的一种资源,而且用很少的原材料就可以拉制很长的光纤。随着光纤通信技术的推广应用,将会节约大量的铜、铝等金属材料,对合理使用地球资源有一定的战略意义。

7)容易均衡在电信号通信中,信号的各频率成分的幅度变化不相等,会造成幅度-频率畸变,因此必须采用幅度均衡技术。在光纤通信系统中,光纤在其工作频带内,对每一频率的损耗几乎都是相等的,故一般情况下,不需要在中继站和接收端采取幅度均衡措施。

8)光纤接头不放电、不会产生电火花与电信号通信不同,光纤通信中,光纤接头不放电,不会产生火花。这一优势使得光纤通信在矿井、石油化工、军火仓库等易燃易爆环境中能够发挥更重要的作用。

9)抗化学腐蚀由于光纤取材于石英,因此具有一定的抗化学腐蚀能力。正因为光纤通信具有的上述优点使之已成为当今世界上的主要通信手段之一。

2.光纤的缺点1)费用高2)安装、维护难3)结构脆弱4.3.4光纤通信系统的组成

要实现光纤通信,首先必须在信源就对作为信息载体的光信号进行调制,也就是说必须让光信号随着电信号的变化而变化。调制后的光波经过光纤信道传送到接收端,由相关设备鉴别出它的变化,然后再现原始信息。根据调制与光源的关系,光调制可分为直接调制和间接调制两大类。直接调制仅适用于半导体光源(激光LD和发光二极管LED),即把要传送的信息转变为电流信号输入LD或LED,从而获得相应的光信号。直接调制后的光波电场其振幅的平方正比于调制信号,因此直接调制是一种光强度调制方法。间接调制利用晶体的光电效应、光磁效应、光声效应等性质来实现对激光辐射的调制。这种调制方式既适应于半导体激光器,也适应于其他类型的激光器。

一个光纤通信系统必须包括信源端的光发射机(光调制设备)、接收端的光接收机(光解调设备)和连接它们的光纤介质,如图4.21所示。信源端的光发射机(实质上就是电/光调制器)用电端机送来的电信号对光源进行调制。原则上可以使用振幅、频率和相位调制,但由于目前实用激光器的光源频谱不纯,频率也不稳定,使调频或调相方式难以实现,因此,通常采取调幅方式,即直接调制。

调制后的光功率信号耦合入光纤,经光纤传输后,光接收机的光电检测器(一般为半导体光电管或雪崩管)把光信号转换成电信号,再经放大、整形送至接收端的电端机。如果进行远距离传输,则需在通信线路中间插入中继器。实用的光纤通信系统一般都是双向的,因此其系统的组成包含了正、反两个方向的基本系统,并且将发信机和接收机做在一起,称为光端机。当然,中继器也有正反两个方向。

图4.21光纤通信系统的组成

4.3.5光纤的连接

1.永久性连接永久性连接(又叫热熔)指使用放电的方法将两根光纤的连接点熔化并连接在一起。其主要特点是连接衰减最低,但连接时需要专用设备(熔接机)和专业人员进行操作,而且连接点也需要专用容器保护起来。

2.应急连接应急连接(又叫冷熔)指将两根光纤固定并粘接在一起。其主要特点是连接迅速、可靠,但连接点长期使用会不稳定,衰减大幅度增加,所以只能短时间内应急使用。

3.活动连接活动连接指利用各种光纤连接器件(插头和插座),将站点与站点或站点与光缆连接起来的一种方法。这种方法灵活、简单、方便、可靠。在实际使用光纤连接设备时,应注意其连接器的型号。

4.3.6光纤通信的发展趋势光纤通信以它独特的优点被人们认为是通信史上一次革命性的变革。光纤通信网将在长途通信与市话通信中代替现有的电缆通信网,这已为各国所公认。在信息社会中,交换大量信息的计算机网络其信道主要也是由光纤通信网络构成的。因此,有人说,如果20世纪的通信是电网络的时代,那么21世纪的信息传输将会是全新的光网络时代。

随着光电技术的进步,光纤通信技术会朝以下几个方向发展。

(1)积极发展与研制低损耗单模光纤。

(2)为提高光频带的利用率,将致力于波分复用技术和相干光通信体制的研究和实用化。

(3)为了进一步提高通信速率,将发展光电混合集成电路,提高光电转换的速度,增强现有光系统的传输能力,积极研制光学集成器件,使更多的信号处理功能在光频上完成,从而为发展光子计算机打好基础。

(4)为了提高光纤通信系统的有效性和可靠性,许多国家还在进行光放大器、相干光通信、多波道光纤通信及光孤子通信等新技术的研究。

(5)积极研发光信号处理设备。总之,全光网络是未来信息传送网的发展方向,它可以直接对光信号进行处理,不仅大大简化了网络结构,降低了成本,而且极大地提高了网络的稳定性与可靠性。随着科学家及广大科技人员的不断努力,光子计算机、全光通信系统必定会实现。

4.4无线通信

4.4.1无线电频段的分配电磁波频谱中用于无线电通信的部分被分成8个波段,由国家无线电管理委员会统一管理和分配。这些波段从甚低频(VLF)到极高频(EHF),各个频段的简称如下:VLF 甚低频 VHE 甚高频LF 低频 UHF 超高频MF 中频 SHF 特高频HF

高频EHF

极高频表4.4

各频段对应频率

图4.22无线通信波段

4.4.2无线电波的传播方式无线电技术将大气层分为两层:对流层和电离层。对流层:离地面大约60km的大气层,该层内电子密度较低,不满足反射条件,仅产生吸收损耗,随气象变化较大,对信号传输产生的衰落会随时变化。电离层:在太阳辐射的紫外线和X射线的作用下,大气层中离地面高度60～450km范围内存在着一个由离子、自由电子、中性分子和原子等带电粒子组成的区域,该区域属半导体媒介,能对某些频段的电磁波产生反射,通常将这一区域称为电离层。

图4.23传播方式示意图

1.地表传播

地表传播指无线电波通过大气的最低层进行的传播,紧靠地球表面。由于信号位于最低的频段,因此信号从发送天线向各个方向发射后就会沿着地球表面呈曲线传播。传播距离取决于信号的能量，能量越大,传播越远。地表传播也可在海水中传播。

2.对流层传播

对流层传播有两种方式。信号可以以直线形式从一个天线发送到另一个天线,也可以以一定角度向对流层的较高层发射,经电离层反射回地面。第一种方式要求接收端和发送端在视线所及的范围内(收、发端之间没有遮挡物),传播过程会受到地球表面曲度和天线高度的限制。第二种方式可以覆盖更远的距离。

3.电离层传播电离层传播指更高频的无线电波向上发射到电离层并由该层反射回地面。对流层和电离层间的密度差异使所有电波都经历了一个先加速折射再反射回地面的过程。这种传播方式可以以较低的能量传播到更远的距离。短波通信就是电离层传播,其通信距离可达上千千米甚至上万千米。

4.视距传播

视距传播时,收发天线之间不能有任何遮挡物,甚高频信号可以直接从一天线直线传输到另一天线。天线必须是单向的,并且两天线要相对,天线之间要么距离够短,要么高度够高,才能克服地球表曲面的影响,实现直线传播。

5.空间传播

空间传播采用卫星中继来代替大气折射。一个广播信号传送到同步卫星,然后卫星重新将信号发送回地面接收站。卫星传输基本上可以说是有中继站(卫星)的视线传播。卫星离地面的距离使它能像一台非常高的天线一样工作,从而极大地拓展了信号传输的范围。

4.4.3信号的传播

1.甚低频甚低频(VLF)电波采用表面波方式传播,通过空气传播,有时也通过海水传播。VLF波在传播过程中衰减不大,但是对在近地表高度活跃的大气噪声(热量和电子)很敏感。VLF常用于长距离的无线电导航和海底通信。

2.低频

与甚低频相似,低频(LF)电波也是以表面波形式传播的。低频波常用于无线电导航和无线电航标或信标等方面。白天,由于吸收电波的自然微粒增多,电波衰减程度较大。夜间电离层的密度比白天降低一个数量级,信号的衰耗也就减小,这也是短波夜间比白天通信效果好的原因。

3.中频中频(MF)信号通过对流层传播。这些电波将被电离层吸收。因此,电波所能覆盖的范围就受到要保证信号能从对流层反射回来而不致进入电离层的发射角度的限制。在白天吸收效应增强,但大多数中频传输采用定向天线来增强对信号的控制,从而避免了吸收问题。采用MF传输的有调幅无线电、海事无线电、无线导向搜寻(RDF)以及紧急频道等。

4.高频高频(HF)波采用电离层传播。这些频率的信号到达电离层后,由于粒子密度的差异而使它们反射回地球。采用高频信号的有:无线电业余爱好者(业余无线报务)、民用波段(CB)无线电、国际广播、军事通信及远距离飞机船舶通信等。

5.甚高频

甚高频(VHF)电波采用视线传播方式。采用VHF信号的有VHF电视、调频无线电、飞机调幅无线电以及飞机导航辅助等。其频段分配如图4.24所示。

图4.24甚高频频段分配

6.超高频超高频(UHF)电波采用视线传播方式。采用超高频信号的有超高频电视、移动电话、蜂窝无线电、页面调度以及微波链路等。注意:微波通信从超高频段的1GHz开始一直延伸到特高频和极高频波段。

7.特高频

特高频(SHF)电波大多也采用视线传播,也有些采用空间传播方式。使用SHF信号的有地面微波、卫星微波以及雷达通信等。

8.极高频极高频(EHF)电波采用空间传播方式。使用极高频信号的主要是科技领域,包括雷达、卫星以及实验等。

4.5微波信道

4.5.1微波通信的概念

1.微波微波通信是在第二次世界大战后期,由美国贝尔研究所研究使用的一种无线电通信技术。经过50多年的发展,目前已获得广泛的应用。微波是指频率范围为300MHz～300GHz,波长范围为1m～1mm的无线电波。微波频段可细分为特高频(UHF)频段/分米波频段、超高频(SHF)频段／厘米波频段和极高频(EHF)频段/毫米波频段。

由于微波采用的是视距传播方式,因此,当微波通信用于地面上的长途通信时,需要采用中继(接力)传输方式,才能实现信号从信源到信宿的传输。所谓微波通信就是指利用微波作为载波并采用中继(接力)方式在地面上进行无线通信的方式。卫星通信实际上就是在微波频段采用中继(接力)方式进行的通信,只是其中继站设在卫星上而已,因此,为了与卫星通信相区别,通常所说的微波通信是指限定在地面上的通信,有时也叫地面微波通信。如图4.25所示为远距离地面微波通信系统的示意图。

图4.25微波通信示意图

2.微波通信系统的组成总的来说,微波通信系统主要有发送端、微波中继信道和接收端组成。发送端和接收端由微波发射机和微波接收机及天线等组成。微波中继信道中间每隔一定距离设置若干微波中继站和微波分路站。微波通信系统的组成如图4.26所示。

图4.26微波通信系统组成框图

1)用户终端用户终端是逻辑上最靠近用户的输入／输出设备,如电话机、电传机、计算机、数据采集终端等。用户终端主要通过交换机集中在微波终端站或微波分路终端站。

2)交换机交换机既可实现本地用户终端之间的业务互通(如实现本地话音用户之间的通话),又可通过微波通信线路实现本地用户终端与远地(对方交换机所辖范围)用户终端之间的业务互通。交换机一般配置在微波终端站或微波分路终端站。

3)终端复用设备终端复用设备是将交换机送来的多路信号或群路信号进行适当变换,然后送到微波终端站或微波分路站;将微波终端站或微波分路站的收信机送来的多路信号或群路信号适当变换后送到相应的交换机。模拟微波通信系统的终端复用设备是频分多路载波机;数字微波通信系统的终端复用设备是时分多路数字终端机。终端复用设备同样也配置在微波终端站或微波分路站上。

4)微波站微波站的基本功能是传输和转接来自终端复用设备的群路信号。按其与终端复用设备的连接关系,微波站分为终端站、分路站和中继站。当两条以上的微波通信线路在某一微波站交汇时,该微波站就称为枢纽站,它具有通信枢纽功能。微波分路站和枢纽站称为微波主站,微波中继站和分路站称为微波中间站。微波站的主要设备包括发信设备、收信设备、天线系统、电源以及保障通信线路正常运行和无人维护所需的监测控制设备等。

4.5.2数字微波通信的特点

1.工作频带宽,信道容量大

2.受外界干扰小

3.机动灵活

4.天线增益高、方向性强

5.投资少、见效快4.5.3转接方式

1.微波转接方式微波转接与中频转接相类似,但其转接端口是微波接口,且为了使同一中间站的转发信号不干扰接收信号,转信载频f2相对于收信载频f1需要有一定的频移,即移频振荡器的频率等于f2与f1之差,如图4.27所示。另外,为了克服传播衰落引起的电子波动,还需在微波放大时采取自动增益控制(AGC)措施。微波转接电路技术实现起来比中频转接困难,但微波转接方案简单,设备体积小,功耗低,适用于一些高山无人值守的中间站。图4.27微波转接方式

2.中频转接方式

中频转接方式是信号由中继机的接收天线输入,中继机对该微波信号进行解调使之变换为中频信号,经中频放大和功率放大后再次调制到另一载波频率上,形成另一微波信号再发送出去,如图4.28所示。

图4.28中频转接方式

3.基带转接方式

中间站把来自某一通信方向载频为f1的信号经对应中继机(微波收发信机)的天线馈线系统传送到接收机,经微波放大器后,与该中继站的接收机本振信号混频,混频输出信号经中放后送到解调器解调成为基带信号,对基带信号进行判决再生,再生后的信码序列可以进入数字处理设备,完成检错、纠错和信号转换,然后再进行中频数字调制。已调信号经过变频后输出载频为f2的微波信号,该信号经微波功放、天线发向中间站的另一个通信方向。这种转接方式采用数字接口,可以消除噪声积累,是目前微波通信最常见的一种转接方式。基带转接方式可以直接上、下电话话路并指提供数据通路，微波分路站和枢纽站必须采用基带转接方式。基带转接方式组成框图如图4.29所示。图4.29基带转接方式

4.直放转接方式

近年来产生了一种新的技术,即微波直放转接方式。微波直放转接方式以微波宽带低噪声放大器、微波宽带线性功率放大器和微波分路滤波器等器件为基础,进行有源、双向、无频率变换的微波信号直接放大。采用该方式的微波直放中间站不进行变频,其结构简单、体积小,可以直接安装在天线支梁上,且其功耗低,可利用太阳能供电,可靠性高,一般不需维护。微波直放转接可用于延长通信距离,改善衰落储备或克服某些地形障碍,且不需新建机房,节省了基建费用。但由于其转信和收信在同一载频上,因此必须采用增益高、方向性强、性能高、具有低噪声放大器的天线,而且要加大天线之间的垂直间距,以避免本站收发信号之间的相互干扰。

5.无源转接方式无源转接方式是利用金属反射板改变微波波束的方向以起到转接作用。这种转接方式维护简单,主要用于克服山河等地形障碍,但对反射板的抗风能力要求高且昂贵。

4.6卫星信道

4.6.1基本概念

1.空间通信空间通信是以空间飞行体或通信转发体作为对象的无线电通信。它可分为三种形式:

(1)地球站与空间站之间的通信。

(2)空间站之间的通信。

(3)通过空间站的转发或反射进行的地球站之间的通信。

图4.30卫星通信示意图

2.同步卫星同步卫星运行轨道在赤道平面上,离地球高度为35860km,运行周期恰好与地球自转的周期相同,因此称为同步卫星。对于任一地球站而言,卫星是静止不动的,也叫静止卫星。在卫星通信中,主要使用同步卫星,其原因有以下两点。

(1)同步卫星距地面远,一颗卫星的覆盖区域(从卫星上能“看到”的地球区域)可达地球总面积的40%左右,地面最大跨距可达18000km。理论上只需三颗卫星适当配置,就可建立除两极地区(南极和北极)以外的全球通信,如图4.31所示。

图4.31全球卫星通信系统示意图

(2)由于同步卫星相对于地球是静止的,因此地面站天线容易保持对准卫星的姿态,不需要复杂的跟踪系统。当然,同步卫星也有一些缺点,主要表现在:两极地区为通信盲区;卫星离地球较远,故传输损耗和传输时延都较大;同步轨道只有一条,能容纳卫星的数量有限;同步卫星的发射和在轨测控技术比较复杂。此外,在春分和秋分前后,还存在着星蚀(卫星进入地球的阴影区)和日凌中断(卫星处于太阳和地球之间,受强大的太阳噪声影响而使通信中断)等现象。

3.使用频段由于卫星处于电离层之外,地面上发射的电磁波必须能够穿透电离层才能到达卫星,同样,从卫星返回地面的电磁波也必须穿透电离层才能到达地面,而在无线电频段中只有微波频段满足这一条件,因此卫星通信使用了微波频段。卫星通信是双工通信,为了避免同频干扰,将信号频率分为上行频率(指地面站发向卫星的信号频率)和下行频率(指卫星返回地面站的信号频率)。

目前大多数卫星通信系统选择在下列频段工作:(1)UHF波段(400/200MHz);(2)L波段(1.6/1.5GHz);(3)C波段(6.0/4.0GHz);(4)X波段(8.0/7.0GHz);(5)K波段(14.0/12.0GHz,14.0/11.0GHz,30/20GHz)。

由于C波段的频段较宽,又便于利用成熟的微波通信技术,且天线尺寸较小,因此,卫星通信最常用的是C波段。

4.6.2通信卫星

1.按卫星的结构分类按卫星的结构可将通信卫星分为无源卫星和有源卫星。

(1)无源卫星是指运行在特定轨道上的球形或其他形状的反射体,没有任何电子设备,它是靠其金属表面对无线电波的反射来完成信号中继的。在20世纪50～60年代进行卫星通信试验时,曾利用过这种卫星。

(2)有源卫星是指本身具有电子设备,能对信号进行简单处理,需要有能源支持的卫星。目前,几乎所有的通信卫星都是有源卫星,大多数利用太阳能电池和化学能电池作为能源。这种卫星装有收、发信机等电子设备,能对地面站发来的信号进行接收、放大、变换等处理,再发回地球。这种卫星可以部分地补偿信号在空间传输过程中所造成的损耗。

2.按通信卫星的运行轨道分类按通信卫星的运行轨道，通信卫星可分为：(1)赤道轨道卫星(指轨道平面与赤道平面夹角￠=0°);(2)极轨道卫星(￠=90°);(3)倾斜轨道卫星(0°<￠<90°)。

3.按卫星离地面的高度分类按卫星离地面最大高度h的不同，可将通信卫星分为：(1)低高度卫星h<5000km;(2)中高度卫星5000km<h<20000km;(3)高高度卫星h>20000km。

4.按相对位置分类按卫星与地球上任一点的相对位置，可将通信卫星分为:

(1)同步卫星是指在赤道上空约35860km高的圆形轨道上与地球自转的运行方向和周期均相同的卫星。同步卫星的运行轨道称为同步轨道。

(2)异步卫星的运行周期不等于(通常小于)地球自转周期,其轨道倾角、轨道高度、轨道形状(圆形或椭圆形)可因需要而不同。从地球上看,这种卫星以一定的速度在运动,故又称为移动卫星或异步卫星。

4.6.3卫星通信系统的分类

目前全球正在运行的卫星通信系统数以百计,归结起来可分为如下几类。

(1)按卫星制式分为静止卫星通信系统、随机轨道卫星通信系统和低轨道卫星(移动)通信系统。

(2)按通信覆盖区域的范围分为国际卫星通信系统、国内卫星通信系统和区域卫星通信系统。

(3)按用户性质分为公用(商用)卫星通信系统、专用卫星通信系统和军用卫星通信系统。

(4)按业务范围分为固定业务卫星通信系统、移动业务卫星通信系统、广播业务卫星通信系统和科学实验卫星通信系统。

(5)按基带信号体制分为模拟卫星通信系统和数字卫星通信系统。

(6)按多址方式分为频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、空分多址(SDMA)和码分多址(CDMA)卫星通信系