《計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信》課件第4章

第4章數(shù)據(jù)傳輸信道4.1恒參信道和隨參信道

4.2有線信道

4.3光纖通信

4.4無(wú)線通信4.5微波信道4.6衛(wèi)星信道4.7紅外通信技術(shù)4.8傳輸信道的選擇

信道是用來(lái)表示向某一方向傳送信息的媒體。一般來(lái)說(shuō),一條通信線路應(yīng)包含兩條信道,一條用于發(fā)送信號(hào),另一條用于接收信號(hào)。與信號(hào)的分類相似,信道也可分為適合傳送模擬信號(hào)的模擬信道和適合傳送數(shù)字信號(hào)的數(shù)字信道兩大類。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信通過(guò)傳輸信號(hào)的方式來(lái)達(dá)到傳輸數(shù)據(jù)的目的。這些信號(hào)以電磁能量的形式從一臺(tái)設(shè)備傳輸?shù)搅硪慌_(tái)設(shè)備。電磁信號(hào)能夠穿越真空、空氣或者其他傳輸介質(zhì)。

圖4.1電磁波的頻譜功能

電磁能量是一種電場(chǎng)和磁場(chǎng)震蕩的組合形式,它包括各種頻率的能量，其表現(xiàn)形式較多，如：語(yǔ)音、無(wú)線電波、紅外線、可見光、紫外線以及X射線、γ射線和宇宙射線等形式。每一種形式都對(duì)應(yīng)一部分電磁頻譜,如圖4.1所示。但是并不是所有的頻譜都能用在當(dāng)前的遠(yuǎn)程通信技術(shù)中,目前我們可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的頻段和介質(zhì)也只有有限的幾類。語(yǔ)音頻段的信號(hào)通常以電流的形式通過(guò)諸如雙絞線或同軸電纜傳輸。無(wú)線電波可以穿越空氣或者空間,但是需要特殊的傳輸和接收機(jī)制。

4.1

恒參信道和隨參信道

4.1.1恒參信道

1.定義恒參信道:通常我們將參數(shù)變化較慢,對(duì)數(shù)據(jù)通信影響較小的信道即參數(shù)恒定不變的信道稱為恒參信道。一般的有線信道就屬于恒參信道。由于恒參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懯枪潭ú蛔兓蛘咦兓瘶O為緩慢的,因而可以認(rèn)為它等效于一個(gè)非時(shí)變的線性網(wǎng)絡(luò)。所以,在原理上只要得到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性,利用信號(hào)通過(guò)線性系統(tǒng)的分析方法,就可求得調(diào)制信號(hào)通過(guò)恒參信道后的變化規(guī)律。

2.傳輸特性通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性通?？捎梅?頻率特性和相位-頻率特性來(lái)表征。在理想狀況下,信道對(duì)被傳輸信號(hào)的所有頻率分量均應(yīng)一視同仁、正常傳輸,但在實(shí)際系統(tǒng)中,由于信道性能的影響,被傳送的信號(hào)會(huì)發(fā)生畸變。歸納起來(lái)有幅度-頻率畸變和相位-頻率畸變兩種。

恒參信道通常用幅度-頻率特性及相位-頻率特性來(lái)表述。而這兩個(gè)特性的不理想是造成傳輸信號(hào)失真的重要因素。當(dāng)然,也還存在其他因素會(huì)對(duì)傳輸信號(hào)產(chǎn)生影響,例如非線性畸變、頻率偏移及相位抖動(dòng)等。非線性畸變主要是由信道中的元器件(如磁芯、電子器件等)的非線性特性引起的,會(huì)造成諧波失真或產(chǎn)生寄生頻率等;頻率偏移通常是由于載波電話系統(tǒng)中接收端解調(diào)載波與發(fā)送端調(diào)制載波之間的頻率有偏差,而造成信道傳輸信號(hào)的某一分量產(chǎn)生的頻率變化;相位抖動(dòng)主要是由調(diào)制和解調(diào)載波發(fā)生器的不穩(wěn)定性造成的,這種抖動(dòng)的結(jié)果相當(dāng)于發(fā)送信號(hào)附加了一個(gè)小指數(shù)的調(diào)頻。以上的非線性畸變一旦產(chǎn)生,一般均難以消除。這就需要在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)從技術(shù)上加以重視,力爭(zhēng)將非線性畸變減到最小。

4.1.2隨參信道

1.定義隨參信道:通常將參數(shù)變化較快,其變化足以影響信號(hào)傳輸?shù)男诺兰磪?shù)隨時(shí)變化的信道稱為隨參信道,也叫變參信道。一般的無(wú)線信道參量隨時(shí)變化,就屬于隨參信道。隨參信道的特性比恒參信道要復(fù)雜得多,對(duì)信號(hào)的影響也要嚴(yán)重得多。其根本原因在于它使用了一個(gè)復(fù)雜的傳輸媒介。雖然隨參信道中也包含著除媒介外的其他轉(zhuǎn)換器,自然也應(yīng)該把它們的特性算作隨參信道特性的組成部分,但是從對(duì)信號(hào)傳輸影響的程度來(lái)看,傳輸媒介的影響是主要的,而轉(zhuǎn)換器特性的影響是次要的,甚至可以忽略不計(jì)。2.特點(diǎn)隨參信道具有如下特點(diǎn)：(1)對(duì)信號(hào)的衰耗隨時(shí)變化；(2)傳輸時(shí)延隨時(shí)變化；(3)具有多徑傳播(多徑效應(yīng))。

3.多徑傳播多徑傳播:由發(fā)射端發(fā)送的信號(hào)沿著多條途徑到達(dá)接收端的傳播稱為多徑傳播。屬于隨參的傳輸媒介主要以電離層反射、散射和對(duì)流層散射為代表,信號(hào)在這些媒介中傳輸?shù)氖疽鈭D如圖4.2所示(圖4.2(a)為電離層反射傳輸示意圖,圖4.2(b)為對(duì)流層散射傳輸示意圖)。其特點(diǎn)是:電波可能經(jīng)多條路徑到達(dá)接收端,對(duì)每條路徑信號(hào)而言,其衰耗和時(shí)延都不是固定不變的,而是隨電離層或?qū)α鲗拥臋C(jī)理變化而變化的。因此,多徑傳播后的接收信號(hào)將是衰減和時(shí)延隨時(shí)間變化的多路徑信號(hào)的合成。

圖4.2多徑傳播示意圖(a)電離層反射傳輸示意圖;(b)對(duì)流層散射傳輸示意圖

經(jīng)過(guò)分析(具體分析過(guò)程已超出本教材范圍,讀者可參考數(shù)字通信原理方面的相關(guān)著作)可知:

(1)多徑傳播使單一載頻信號(hào)變成了幅值和相位都變化的窄帶信號(hào);

(2)多徑傳播引起了頻率彌散,即信號(hào)頻率由單一頻點(diǎn)變成了一個(gè)窄帶頻譜;

(3)多徑傳播會(huì)引起選擇性衰落(即某些頻率信號(hào)幅值衰落大,某些頻率信號(hào)幅值衰落小)。

4.隨參信道性能改善對(duì)于平坦性衰落(慢衰落),主要采取加大發(fā)射功率和在接收機(jī)內(nèi)采用自動(dòng)增益控制(AGC)等技術(shù)和方法。對(duì)于快衰落,通常可采用多種措施,例如各種抗衰落的調(diào)制/解調(diào)技術(shù)及接收技術(shù)等。其中,較為有效且常用的抗衰落措施是分集接收技術(shù)。按廣義信道的含義,分集接收可看做是隨參信道中的一個(gè)組成部分或一種改造隨參信道的有效措施,而改造后的隨參信道,衰落特性將能夠得到明顯的改善。

5.分集接收所謂分集接收就是在接收端,以不同的方式、不同的參量分別接收,再對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化處理,得到一個(gè)受信道噪聲影響最小的信號(hào),這種方法稱為分集接收?？焖ヂ湫诺乐薪邮盏男盘?hào)是到達(dá)接收端的各路徑分量的合成。如果在接收端同時(shí)獲得幾個(gè)不同路徑傳來(lái)的信號(hào),再將這些信號(hào)適當(dāng)優(yōu)化處理后得到的總接收信號(hào),能夠大大減小衰落的影響,這就是分集接收的基本思想。分集的含義就是分散得到幾個(gè)信號(hào)再集中(合并)這些信號(hào)的意思。只要被分集的幾個(gè)信號(hào)之間是相互獨(dú)立的,那么經(jīng)適當(dāng)?shù)暮喜?就能使系統(tǒng)性能大為改善。

1)分集方式互相獨(dú)立或基本獨(dú)立的一些信號(hào),一般可利用不同路徑、不同頻率、不同角度、不同極化等接收手段來(lái)獲取,通常采用的分集接收有以下幾種方式。

(1)空間分集。在接收端架設(shè)幾副天線,天線的相對(duì)位置要求有足夠的間距(一般在100個(gè)信號(hào)波長(zhǎng)左右),以保證各天線上獲得的信號(hào)彼此基本獨(dú)立。通常采用的方法是利用一組天線,在不同位置接收信號(hào),擇其強(qiáng)者而用之。

(2)頻率分集。用多組不同載頻傳送同一個(gè)消息,如果各載頻的頻差相隔比較遠(yuǎn),則各分散信號(hào)彼此也基本獨(dú)立,收端分別接收。若只有一組接收設(shè)備,可通過(guò)選擇最優(yōu)的一組頻率使接收端信號(hào)最優(yōu)。

(3)角度分集。角度分集是利用天線波束指向不同,傳輸信號(hào)衰落也就不同的一種分集方法。通常在接收端天線的指向不同其接收信號(hào)的強(qiáng)度就不同,利用一組天線設(shè)置不同的指向,進(jìn)行信號(hào)接收測(cè)試,擇優(yōu)使用。

(4)極化分集。極化分集是分別接收水平極化波和垂直極化波而構(gòu)成的一種分集方法。一般來(lái)說(shuō),這兩種波的相關(guān)性極小。當(dāng)然,還有其他分集方法,這里就不詳述了。但要指出的是,分集方法之間并不互相排斥,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以組合使用。例如由二重空間分集和二重頻率分集組成四重分集系統(tǒng)等。

2)信號(hào)合成信號(hào)合成指利用分集接收的信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理,以獲得所需的信號(hào),通常采用以下幾種方式。

(1)最佳選擇。最佳選擇指從幾個(gè)分集信號(hào)中選擇其中信噪比最高的一個(gè)作為接收信號(hào)，即擇其強(qiáng)者而用之。

(2)等增益相加。等增益相加指將幾個(gè)分集信號(hào)以相等的支路增益直接相加,結(jié)果作為接收信號(hào)。

(3)最大比值相加。最大比值相加指控制各支路增益,使它們分別與本支路的信噪比成正比,然后再相加獲得接收信號(hào)。即信噪比越高,信號(hào)越強(qiáng),對(duì)傳輸信號(hào)的貢獻(xiàn)就越大,所得信號(hào)質(zhì)量就越高。以上幾種合并方式在改善接收信噪比方面都比較有效,但其對(duì)信噪比的改善量有所不同。一般來(lái)講,最大比值相加方式性能最好,等增益相加方式次之,最佳選擇方式較差。從總的分集效果來(lái)說(shuō),分集接收除能提高接收信號(hào)的電平外,其主要作用是改善衰落特性,使信道的衰落平滑并減小。如無(wú)分集時(shí),誤碼率為10-2,若采用四重分集后,誤碼率可降低至10-7左右。由此可見,分集接收法對(duì)隨參信道性能的改善是非常有效和必要的。事實(shí)上,我們?cè)诮o(wú)線信道時(shí),通常都采用了分集接收,如架設(shè)室外天線,就是通過(guò)尋找最佳位置和最佳角度來(lái)確定安裝方式的,這就是空間分集和角度分集。

4.2

有線信道

傳輸信道按其傳輸介質(zhì)不同可分為有線信道和無(wú)線信道。有線信道提供了一種從一個(gè)設(shè)備到另一個(gè)設(shè)備的信號(hào)通道,常用的有線信道有:雙絞線電纜、同軸電纜及光纜等,如圖4.3所示。通過(guò)這類媒介傳輸?shù)男盘?hào)沿著信道的方向傳播并被局限在傳輸媒介的物理邊界內(nèi)。雙絞線電纜和同軸電纜采用金屬(銅)導(dǎo)體來(lái)接收和傳輸電流信號(hào)。光纖通信則利用石英

(SiO2)等材料制成的光纜來(lái)接收和傳輸光波信號(hào)。

圖4.3有線信道分類

4.2.1雙絞線電纜

1.非屏蔽雙絞線電纜非屏蔽雙絞線電纜(UTP,UnshieldedTwistedPair)是當(dāng)今最常用的通信媒介。盡管在電話系統(tǒng)中使用最多,但其頻率范圍為100Hz～5MHz,適用于傳輸數(shù)據(jù)和語(yǔ)音信號(hào)。一條雙絞線包括兩根導(dǎo)體(通常是銅質(zhì)的),每根都有不同顏色的塑料外皮。塑料外皮著色是為了便于區(qū)別。顏色不僅用來(lái)區(qū)別電纜中的具體導(dǎo)線,還用于對(duì)電纜中線對(duì)的編號(hào),以及在一大捆導(dǎo)線中區(qū)分它們與其他線對(duì)的關(guān)系。

圖4.4噪聲對(duì)平行線傳輸?shù)挠绊?/p>

但是,如果兩條導(dǎo)線每隔一定距離交叉一次,則每條導(dǎo)線就都有一半時(shí)間靠近噪聲源,而另一半時(shí)間遠(yuǎn)離噪聲源。因此,通過(guò)交叉,兩條導(dǎo)線上總的噪聲影響基本相同,有利于消除噪聲干擾。假設(shè)導(dǎo)線的一段當(dāng)處于靠近噪聲源時(shí)有一個(gè)大小為4dB的噪聲,在遠(yuǎn)離噪聲源時(shí)為2dB。在某一段線路上,其中一根導(dǎo)線上的噪聲為(4+2+4+2)=12dB,而在接收端,總的噪聲影響為(12-12)=0dB(如圖4.5所示)?？傊徊娌⒉荒芟械脑肼?但能明顯減弱噪聲的影響。

圖4.5噪聲對(duì)雙絞線傳輸?shù)挠绊?/p>

UTP的優(yōu)點(diǎn)在于價(jià)格便宜、使用簡(jiǎn)單、連接靈活、安裝容易。在許多局域網(wǎng)絡(luò)(包括以太網(wǎng)和令牌環(huán)網(wǎng))中，都采用了高等級(jí)的UTP電纜。美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA,ElectronicIndustriesAssociation)制定了EIA-568標(biāo)準(zhǔn),即一種按質(zhì)量劃分UTP等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)電纜的質(zhì)量可將UTP劃分為不同類別,第1類是最低檔的,第5類是最高檔的。每一種EIA定義的電纜類別都有其特定用途。

第1類:最基本的雙絞線,應(yīng)用于電話系統(tǒng)中。這種級(jí)別的電纜質(zhì)量只適用于傳輸語(yǔ)音和低速數(shù)據(jù)信號(hào)。第2類:比第1類質(zhì)量稍高,適用于語(yǔ)音和最大速率為4Mb/s的數(shù)字通信系統(tǒng)。第3類:要求絞距為7.5～10cm,適用于最大速率為10Mb/s的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸,也是現(xiàn)在大多數(shù)電話系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電纜。第4類:同樣要求絞距為7.5～10cm,同時(shí)加上其他條件使線路的數(shù)據(jù)傳輸速率最大可達(dá)16Mb/s。

第5類:要求絞距為0.6～0.85cm,是性能最好的一種雙絞線電纜,其頻帶較寬,信道容量大。可作為最大數(shù)據(jù)速率達(dá)100Mb/s的寬帶傳輸電纜。

圖4.6網(wǎng)線(4對(duì)雙絞線)

UTP連接器:UTP連接到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的最常用連接方式是通過(guò)類似電話插口的咬接式插頭連接。連接器可以是插座也可以是插頭。插頭插入插座并通過(guò)一個(gè)彈壓式卡簧(稱鍵)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,如圖4.7所示。

圖4.7

UTP連接器這類插頭中最常用的一類帶有8個(gè)傳導(dǎo)頭,每個(gè)都與4對(duì)雙絞線中的一根導(dǎo)線相連,如圖4.8所示。這也是網(wǎng)卡和寬帶網(wǎng)線的連接頭,通常稱為水晶頭。

圖4.8水晶頭

2.屏蔽雙絞線電纜屏蔽雙絞線電纜(STP,ShieldedTwistedPair)在每一對(duì)導(dǎo)線外都有一層金屬箔或金屬網(wǎng)。這層金屬網(wǎng)使電磁噪聲不能穿透進(jìn)來(lái)造成干擾,從而起到屏蔽作用,也屏蔽了來(lái)自其他線路(或信道)上的串?dāng)_。在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中會(huì)因串?dāng)_而產(chǎn)生誤碼,將每一對(duì)雙絞線屏蔽起來(lái)就能消除大多數(shù)的串?dāng)_。按照所采用的金屬屏蔽層的數(shù)量和繞包方式,屏蔽雙絞線電纜又可分為金屬箔電纜(FTP)、屏蔽金屬箔電纜(SFTP)和屏蔽雙絞電纜(STP)三種,如圖4.9所示。

圖4.9雙絞線電纜(a)UTP;(b)FTP；(c)SFTP；(d)STP

STP的性能和UTP一樣,也使用和UTP一樣的連接器,但是屏蔽層必須接地。由于材料和制造方面的原因,STP比UTP要昂貴些,但是能更好地屏蔽噪聲,從而提高傳輸質(zhì)量。表4.1中列出了無(wú)屏蔽電纜和屏蔽電纜的性能比較。表中列出了兩個(gè)指標(biāo):衰減和近端串?dāng)_。衰減在前面已經(jīng)作了介紹,近端串?dāng)_是指來(lái)自一對(duì)導(dǎo)線上的信號(hào)在另一對(duì)導(dǎo)線上產(chǎn)生的耦合干擾。

表4.1無(wú)屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線性能比較表

3.雙絞線電纜的性能參數(shù)對(duì)于用戶來(lái)講,最關(guān)心雙絞線的性能指標(biāo)有:衰減、近端串?dāng)_、特性阻抗和直流環(huán)路阻抗等。

(1)衰減(Attenuation)。衰減是指電路對(duì)信號(hào)的損失程度。衰減與芯線的粗細(xì)和電纜的長(zhǎng)度有關(guān)。芯線越粗,衰耗越小;長(zhǎng)度越長(zhǎng),衰耗越大。由于衰減隨頻率而變化,因此,測(cè)量時(shí)應(yīng)測(cè)量在整個(gè)應(yīng)用頻段內(nèi)的衰減。

(2)近端串?dāng)_(NEXT)。串?dāng)_分為近端串?dāng)_和遠(yuǎn)端串?dāng)_(FEXT),由于存在線路損耗,遠(yuǎn)端串?dāng)_的影響比較小。近端串?dāng)_是指一條UTP鏈路中一個(gè)線對(duì)的信號(hào)在同一端另一個(gè)線對(duì)上產(chǎn)生的信號(hào)耦合。對(duì)于UTP鏈路,NEXT是一個(gè)重要的性能指標(biāo)。

(3)直流環(huán)路電阻。直流環(huán)路電阻是指一對(duì)導(dǎo)線電阻的和。線路直流電阻會(huì)消耗一部分信號(hào)功率。

(4)特性阻抗。與直流環(huán)路電阻不同,特性阻抗包括電阻、頻率為1～100MHz的電感阻抗以及電容阻抗。它與一對(duì)電線之間的距離及絕緣體的電氣性能有關(guān)。各種電纜有不同的特性阻抗,而雙絞線電纜則有100Ω、120Ω及150Ω幾種。

4.雙絞線電纜的特性

(1)雙絞線電纜的芯線一般為銅質(zhì)的,傳導(dǎo)性能良好。

(2)雙絞線既可以傳輸模擬信號(hào),也可以傳輸數(shù)字信號(hào)。雙絞線的帶寬可達(dá)268kHz,而一條全雙工語(yǔ)音信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)帶寬僅為3.4kHz,因而,可以使用頻分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)語(yǔ)音信號(hào)復(fù)用一對(duì)雙絞線。雙絞線通常也用在局域網(wǎng)中,常用第3類和第5類,均由4對(duì)雙絞線組成。

(3)雙絞線普遍用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接,也可用于多點(diǎn)間的連接。

(4)作為局域網(wǎng)間的連接通路,雙絞線主要用在建筑物內(nèi)或建筑物之間的數(shù)據(jù)通信。

(5)在傳輸?shù)皖l信號(hào)時(shí),雙絞線的抗干擾性能相當(dāng)于或優(yōu)于同軸電纜,但當(dāng)頻率較高(10～100kHz)時(shí),雙絞線的抗干擾能力就遠(yuǎn)不如同軸電纜了。

(6)一般來(lái)講,雙絞線是一種最廉價(jià)的傳輸信道。

4.2.2網(wǎng)線

1.網(wǎng)線制作的標(biāo)準(zhǔn)雙絞線的制作有兩種標(biāo)準(zhǔn),分別是EIA/TIA568A和EIA/TIA568B。其連接方式見表4.2。

表4.2雙絞線的制作有兩種標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上,兩種接法并沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別,只是顏色上的區(qū)別,但在連接時(shí)必須保證:1、2為一組擾對(duì);3、6為一組擾對(duì);4、5為一組擾對(duì);7、8為一組擾對(duì)。雙絞線中,4、5、7、8這四根線未定義,在連接時(shí)要按照標(biāo)準(zhǔn)連接。

2.直連與交叉連接通常連接電纜有兩種方式:直通電纜與交叉連接。

1)直通電纜水晶頭兩端都遵循EIA/TIA568A或EIA/TIA568B標(biāo)準(zhǔn),雙絞線的每組繞線都是一一對(duì)應(yīng)的。這種連接適用于交換機(jī)UPLINK口與交換機(jī)普通端口的連接以及交換機(jī)普通端口與計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡的連接。

2)交叉連接水晶頭一端遵循EIA/TIA568A標(biāo)準(zhǔn),另一端遵循EIA/TIA568B標(biāo)準(zhǔn)。即兩個(gè)水晶頭交叉連接,A水晶頭的1、2對(duì)應(yīng)B水晶頭的3、6,A水晶頭的3、6對(duì)應(yīng)B水晶頭的1、2。這種連接適用于交換機(jī)普通端口與交換機(jī)普通端口的連接以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡與計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡之間的連接。

3.網(wǎng)線的制作方法下面以100Mb/s的EIA/TIA568B作為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格介紹網(wǎng)線的制作要點(diǎn)。

1)直通電纜制作步驟

(1)利用斜口鉗剪下所需要的雙絞線長(zhǎng)度,至少0.6m,網(wǎng)線最長(zhǎng)不超過(guò)100m。然后再利用雙絞線剝線器將雙絞線的外皮除去2～3cm。

(2)將裸露的雙絞線中的橙色線對(duì)剝向自己的前方,棕色線對(duì)剝向自己的方向,綠色線對(duì)剝向左方,藍(lán)色線對(duì)剝向右方。即上:橙;左:綠;下:棕;右:藍(lán)。

(3)小心的剝開每一線對(duì),按照EIA／TIA568B標(biāo)準(zhǔn)將線依序排列,如圖4.10所示。

圖4.10

兩種標(biāo)準(zhǔn)的連線方式

(4)將裸露出的雙絞線用剪刀或斜口鉗剪齊并只留約14mm的長(zhǎng)度,再將雙絞線的每一根線依序放入RJ-45接頭的引腳內(nèi),第一只引腳內(nèi)應(yīng)該放白橙色的線。

(5)確定雙絞線的每根線已經(jīng)正確放置之后,就可以用RJ-45壓線鉗壓接RJ-45接頭。

(6)如法炮制,再制作另一端的RJ-45接頭。因?yàn)楣ぷ髡九c集線器之間是直接對(duì)接的,所以另一端RJ-45接頭的引腳接法完全一樣。完成后，連接線兩端的RJ-45接頭無(wú)論引腳還是顏色都應(yīng)該完全一樣。

2)交叉網(wǎng)線制作制作方法和上面基本相同,只是在線序上不像568B,而是采用了1-3,2-6交換的方式,也就是一頭使用568B制作,另外一頭使用568A制作,見表4.2。

4.2.3同軸電纜

1.同軸電纜的結(jié)構(gòu)同軸電纜(CoaxialCable)是由一對(duì)導(dǎo)體組成的傳輸電纜。與雙絞線電纜相比,其傳輸頻帶寬、工作頻率高,一般工作在100～500kHz之間。同軸電纜和雙絞線電纜是兩種結(jié)構(gòu)完全不同的電纜。同軸電纜按“同軸”形式構(gòu)成線對(duì),最里層有一個(gè)中心的固態(tài)導(dǎo)體或是絞合線(通常是銅質(zhì)的),外包一層絕緣皮,再包上一層金屬箔或是網(wǎng)格,或是兩者的組合體(同樣,通常是銅質(zhì)的)。外層的金屬包層既作為屏蔽層,同時(shí)又作為傳導(dǎo)體的一部分來(lái)形成一個(gè)完整的回路。外層的導(dǎo)體也包裹在一層絕緣體中,并再外加一層塑料皮包裹整根電纜,如圖4.11所示。

圖4.11同軸電纜

2.同軸電纜的分類

1)按照同軸電纜的結(jié)構(gòu)分類

(1)大同軸電纜。將內(nèi)導(dǎo)體直徑為3.7mm,外導(dǎo)體直徑為13.5mm左右的同軸電纜稱為大同軸電纜。

(2)中同軸電纜。將內(nèi)導(dǎo)體直徑為2.6mm,外導(dǎo)體直徑為9.5mm左右的同軸電纜稱為中同軸電纜。中同軸電纜是使用最多的一種同軸電纜,也叫標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜。

(3)小同軸電纜。將內(nèi)導(dǎo)體直徑為1.2mm,外導(dǎo)體直徑為4.4mm左右的同軸電纜稱為小同軸電纜。

(4)微同軸電纜。將內(nèi)導(dǎo)體直徑為0.6～0.8mm,外導(dǎo)體直徑為2.8～3mm左右的同軸電纜稱為微同軸電纜。

2)按照傳輸信號(hào)類型分類同軸電纜分為基帶同軸電纜(阻抗為50Ω)和寬帶同軸電纜(阻抗為75Ω)?；鶐S電纜用于直接傳輸基帶數(shù)字信號(hào)。在局域網(wǎng)中使用這種基帶同軸電纜,可以在2500m范圍內(nèi)(需要另加中繼器),以10Mb/s傳輸基帶數(shù)字信號(hào)。寬帶同軸電纜用于頻分復(fù)用的模擬信號(hào)傳輸,閉路電視所使用的就是這類同軸電纜,也可用于高速數(shù)字信號(hào)傳輸和模擬信號(hào)傳輸。

3.同軸電纜連接器

多年來(lái),人們?cè)O(shè)計(jì)了多種同軸電纜的連接器,通常是生產(chǎn)廠商在為一個(gè)具體的產(chǎn)品需求尋求特定的解決方案時(shí)提出來(lái)的。在多種同軸電纜連接器中,有一部分最常用的連接器已被標(biāo)準(zhǔn)化了。其中最常見的就是根據(jù)其形狀被稱為套筒式的連接器。在這類連接器中,最常用的是卡銷式網(wǎng)絡(luò)連接器。這種連接器只需推入插口并旋轉(zhuǎn)半圈即可(如示波器輸入信號(hào)電纜插頭),如圖4.12所示。其他類型的套筒式連接器要么需要旋在一起,從而導(dǎo)致安裝麻煩;要么是插上后沒(méi)有鎖定功能,不太可靠。但由于比較經(jīng)濟(jì),因此在有線電視和錄像機(jī)連接中常用旋入式或插入式同軸電纜連接器。

圖4.12同軸電纜連接插頭

另外兩類常用的連接器是T型連接器和終結(jié)端子。T型連接器(在細(xì)纜以太網(wǎng)中使用)允許使用輔助電纜或是從主線路上引出分支,如圖4.13所示。例如,從一臺(tái)計(jì)算機(jī)引出的一根電纜可以分支連接若干臺(tái)終端。在總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,一根電纜作為主干,其他設(shè)備連接在許多分支上,而主干本身并沒(méi)有在某個(gè)設(shè)備上終止,此時(shí)必須有終結(jié)端子。否則,如果主電纜是開放的,線路上傳輸?shù)娜魏涡盘?hào)都會(huì)反射回來(lái)對(duì)原始信號(hào)產(chǎn)生干擾。一個(gè)終結(jié)端子在電纜端頭吸收了電磁波并消除了回聲反射。同軸電纜終結(jié)端子如圖4.14所示。

圖4.13同軸電纜連接器

圖4.14同軸電纜終結(jié)端子

4.同軸電纜的主要特性

(1)物理特性。同軸電纜可以工作在頻率較高、頻帶較寬的頻率范圍內(nèi)。

(2)傳輸特性?；鶐S電纜僅用于數(shù)字信號(hào)傳輸,使用曼徹斯特編碼,數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10Mb/s。寬帶同軸電纜既可以傳輸模擬信號(hào),又可以傳輸數(shù)字信號(hào)。

(3)連通性。同軸電纜適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接,也可以用于多點(diǎn)之間的連接。

(4)地域范圍。傳輸距離取決于傳輸信號(hào)形式和傳輸速率,如果傳輸速率相同,則粗纜的傳輸距離比細(xì)纜長(zhǎng)。通?；鶐щ娎|的最大傳輸距離限制在幾公里范圍內(nèi),寬帶電纜的傳輸距離可達(dá)幾十千米。

(5)抗干擾性能。同軸電纜的抗干擾性能優(yōu)于雙絞線電纜。

(6)價(jià)格。同軸電纜的單價(jià)比雙絞線電纜貴,但比光纜便宜。

5.同軸電纜的制作首先根據(jù)需要剪裁一定長(zhǎng)度的同軸電纜,使用剝線鉗剝?nèi)ミm當(dāng)長(zhǎng)度的外皮、屏蔽層以及絕緣層等部分,并將BNC連接器裝在同軸電纜的端口,然后插在T型頭上,利用固定螺母鎖緊即可。設(shè)備連接完成后,一定要在同軸電纜的兩端加上端接匹配器。

4.3

光纖通信

4.3.1光纖通信的概念

1.光通信所謂光通信就是利用光信號(hào)進(jìn)行的信息傳輸過(guò)程或方式。由于光具有無(wú)線傳輸?shù)奶匦?因此光通信也分為無(wú)線光通信和有線光通信。比如,水運(yùn)和航海中經(jīng)常使用的燈語(yǔ)、手語(yǔ)就是無(wú)線光通信的應(yīng)用實(shí)例,從烽火臺(tái)上的狼煙到激光無(wú)線通信的發(fā)展歷程也就是無(wú)線光通信的發(fā)展史。我們目前常說(shuō)的光通信主要指利用光纖做傳輸介質(zhì)的光纖通信(有線通信),它是我們?cè)跀?shù)據(jù)通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中采用的主要傳輸信道之一,所以在此我們主要介紹光纖通信系統(tǒng)。

簡(jiǎn)而言之,光纖通信就是以光波為載波,以光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)的信息傳輸過(guò)程。光纖通信首先要在信源將欲傳送的電話、電報(bào)、圖像和數(shù)據(jù)等信號(hào)經(jīng)過(guò)電/光轉(zhuǎn)換,即把電信號(hào)先變成光信號(hào),再經(jīng)由光纖(包括在本地進(jìn)行光交換和光中繼)傳輸?shù)浇邮斩?接收端必須將接收到的光信號(hào)作一與發(fā)信端相反的變換,即進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換變成電信號(hào),從而完成光纖通信。由于目前只有電子計(jì)算機(jī),沒(méi)有光計(jì)算機(jī),所以信道傳輸?shù)墓庑盘?hào)必須轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，計(jì)算機(jī)才能識(shí)別。

2.光的自然特性

光也是一種電磁能量形式。它在真空中傳播最快，可以達(dá)到300000km/s。光的速度依賴于它所穿越的傳輸介質(zhì)的密度(密度越大,速度越低)。為了理解光纖,首先需要研究光的自然屬性。

(1)直射。光線在均勻物質(zhì)中以直線形式傳播,直射是光傳播的基礎(chǔ)。

(2)折射。當(dāng)在一種物質(zhì)中傳播的光線突然進(jìn)入另一種物質(zhì)(物質(zhì)密度不同)時(shí),它的速度發(fā)生了突然的改變,導(dǎo)致光線改變了方向，這種變化稱為折射。從一杯水中伸出來(lái)的一根筷子看起來(lái)像彎曲的,甚至像折斷的,就是因?yàn)槲覀兛匆娍曜拥墓饩€在從水里傳播到空氣中時(shí)方向發(fā)生了變化,即光線發(fā)生了折射。光纖技術(shù)就是利用光的折射特性來(lái)控制光線在光纖信道中的傳播的。

(3)反射。當(dāng)入射角大于全反射角時(shí),就會(huì)發(fā)生一種新的現(xiàn)象,稱為反射。光纖利用全反射將光線在信道內(nèi)定向傳輸。光纖的中心是用石英(SiO2)制成的導(dǎo)光體,外面填充著密度相對(duì)較小的其他材料。兩種材料的密度差異必須達(dá)到能夠使芯線中的光線只能反射回來(lái)而不能折射入填充材料的程度。

3.光纖的基本結(jié)構(gòu)

單根光纖的基本結(jié)構(gòu)如圖4.15和圖4.16所示，由內(nèi)導(dǎo)體、絕緣子、電介質(zhì)和外導(dǎo)體組成。

圖4.15單根光纖基本結(jié)構(gòu)(a)以空氣為介質(zhì)的同軸管；(b)可彎曲的同軸電纜

圖4.16單根光纖組成

4.傳播模式光線在光纖信道中以兩種模式傳播,即多模傳播和單模傳播。每一種模式都需要不同物理特性的光纖。多模傳播可以進(jìn)一步分成兩種類型:突變模式和漸變模式,如圖4.17所示。

圖4.17傳播模式

1)多模傳播

(1)突變模式。在突變光纖中,芯線的密度從中心到邊緣都是一致的。光線在芯線中以直線方式傳播,直至遇到芯線與填充材料的界面為止。在邊界上,密度突然變低,從而改變了光線的方向。圖4.18顯示了在多模突變光纖中傳播的多道光線的情形。位于中心的那部分光線直線傳播到終點(diǎn)而沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何反射或折射。部分光線以比全反射角小的入射角進(jìn)入芯線和填充材料的邊界,并穿越邊界,損失掉了,還有部分光線則進(jìn)入芯線和填充材料的邊界并在芯線的內(nèi)邊界上反復(fù)反射,直到到達(dá)終點(diǎn)。

圖4.18多模突變光纖

每一束從邊界上反射回來(lái)的光線其反射角都等于它的入射角。入射角越大,反射角就越大。入射角較小的光線將比入射角較大的光線經(jīng)歷更多的反射次數(shù)才能通過(guò)相同的距離。因此,入射角較小的光線將傳播更長(zhǎng)的距離才能到達(dá)終點(diǎn)。這種在傳播路徑上的差異使得不同的光線在不同的時(shí)刻到達(dá)終點(diǎn)。在接收端重新組合這些光線時(shí),會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與原始信號(hào)不完全相同的信號(hào)。這種信號(hào)被傳播延遲而失真,也就限制了數(shù)據(jù)傳輸速率,并使突變模式不適用于一些要求較高的應(yīng)用場(chǎng)所。

(2)漸變模式。即多模漸變光纖,減少了信號(hào)通過(guò)纜線后的失真。因此,多模漸變光纖是具有變化密度的光纖。在芯線的中心密度最大,并向外逐漸變小,到邊界時(shí)最小。這種可變密度對(duì)光線傳播的影響如圖4.19所示。

圖4.19多模漸變光纖

2)單模傳播單模光纖采用階躍材質(zhì)和高度集中的光源,使得發(fā)出的光線限制在非常接近水平的很小范圍內(nèi)。制造單模光纖時(shí),采用比多模光纖細(xì)得多的直徑和極低的密度。密度的降低使得全反射角接近90°,從而使得傳播的光線基本是水平的。在這種情況下,不同光線的傳播幾乎是相同的,從而可以忽略傳播延遲。所有光線幾乎同時(shí)抵達(dá)接收端并且可以方便地恢復(fù)為完整的信號(hào),如圖4.20所示。

圖4.20單模光纖

4.3.2光纖的分類光纖的種類很多,分類的方法各異,名稱也較多,各種名稱即可表明其含義,因此在此不作詳細(xì)解釋。簡(jiǎn)單歸納有如下幾種常用的分類方法。

1.按制作材料分類

按制作材料分類,光纖可分為石英光纖、多組玻璃光纖、塑料光纖和氟化物光纖。

2.按傳輸模式分類按傳輸模式分類，光纖可分為單模光纖和多模光纖。

3.按折射率分類

按折射率分類，光纖可分為突變型光纖、漸變型光纖、三角型光纖和W型光纖。

4.按工作波段分類

按工作波段分類，光纖可分為短波長(zhǎng)光纖(波長(zhǎng)為0.8～0.9μm)、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖(波長(zhǎng)為1.1～1.6μm)、超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖(波長(zhǎng)在２μm以上)。雖然名稱較多,但目前光纖通信中使用較多的仍是:突變光纖、漸變光纖和單模光纖。

表4.3三種實(shí)用光纖的主要性能

4.3.3光纖通信的主要特性

1.光纖通信的優(yōu)點(diǎn)

1)通信容量大因?yàn)槟壳笆褂玫墓獠l率比微波頻率高成千上萬(wàn)倍,所以理論上光通信的通信容量與微波通信相比，大約可增加103～104倍。雖然在實(shí)際應(yīng)用中由于受到了光電器件特性的限制,傳輸帶寬比理論帶寬要窄得多,但在目前投入運(yùn)營(yíng)的光纖通信系統(tǒng)中,一對(duì)光纖仍可傳輸3萬(wàn)路電話信號(hào),是目前通信容量最大的一種通信方式。

2)損耗低、中繼距離長(zhǎng)實(shí)用的光纖芯線材料均為石英(SiO2)制成。若要減少光纖的損耗,主要依靠提高石英的純度來(lái)達(dá)到目的。由于目前制造的石英的純凈度極高,因此光纖的損耗極低,其中繼距離可以很長(zhǎng),這樣在通信線路中就可減少中繼站的數(shù)量,以降低信道成本。例如,對(duì)于400Mb/s速率的信號(hào),光纖通信系統(tǒng)可達(dá)到100km以上的無(wú)中繼傳輸,然而,同樣速率若采用同軸電纜,無(wú)中繼傳輸距離僅為1.6km左右。如將來(lái)采用非石英系的超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖,傳輸損耗會(huì)更小,有可能實(shí)現(xiàn)1000km以上的無(wú)中繼傳輸。這一點(diǎn)對(duì)于海底光纜通信等長(zhǎng)途干線業(yè)務(wù)具有非常重大的意義。

3)抗電磁干擾由于光纖是石英制成的,它不導(dǎo)電、無(wú)電感,因此不受電磁干擾,同時(shí)也不會(huì)干擾其他通信設(shè)備或測(cè)試設(shè)備。

4)無(wú)串音、保密性強(qiáng)光在光纖中傳播時(shí),幾乎不向外輻射。因?yàn)樵谕还饫|中,數(shù)根光纖之間不會(huì)相互干擾,即不會(huì)產(chǎn)生串音干擾,也難以竊聽,所以光纖通信和其他通信方式相比具有更好的保密性。

5)線徑細(xì)、重量輕由于光纖的直徑很小,只有0.125mm左右,因此制成光纜后,直徑要比相同容量的電纜細(xì)得多,而且重量很輕。在長(zhǎng)途干線或市內(nèi)干線上,空間利用率高,便于鋪設(shè)。

6)資源豐富、節(jié)約有色金屬和原材料光纖的原材料是石英,石英是地球上儲(chǔ)藏非常豐富的一種資源,而且用很少的原材料就可以拉制很長(zhǎng)的光纖。隨著光纖通信技術(shù)的推廣應(yīng)用,將會(huì)節(jié)約大量的銅、鋁等金屬材料,對(duì)合理使用地球資源有一定的戰(zhàn)略意義。

7)容易均衡在電信號(hào)通信中,信號(hào)的各頻率成分的幅度變化不相等,會(huì)造成幅度-頻率畸變,因此必須采用幅度均衡技術(shù)。在光纖通信系統(tǒng)中,光纖在其工作頻帶內(nèi),對(duì)每一頻率的損耗幾乎都是相等的,故一般情況下,不需要在中繼站和接收端采取幅度均衡措施。

8)光纖接頭不放電、不會(huì)產(chǎn)生電火花與電信號(hào)通信不同,光纖通信中,光纖接頭不放電,不會(huì)產(chǎn)生火花。這一優(yōu)勢(shì)使得光纖通信在礦井、石油化工、軍火倉(cāng)庫(kù)等易燃易爆環(huán)境中能夠發(fā)揮更重要的作用。

9)抗化學(xué)腐蝕由于光纖取材于石英,因此具有一定的抗化學(xué)腐蝕能力。正因?yàn)楣饫w通信具有的上述優(yōu)點(diǎn)使之已成為當(dāng)今世界上的主要通信手段之一。

2.光纖的缺點(diǎn)1)費(fèi)用高2)安裝、維護(hù)難3)結(jié)構(gòu)脆弱4.3.4光纖通信系統(tǒng)的組成

要實(shí)現(xiàn)光纖通信,首先必須在信源就對(duì)作為信息載體的光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,也就是說(shuō)必須讓光信號(hào)隨著電信號(hào)的變化而變化。調(diào)制后的光波經(jīng)過(guò)光纖信道傳送到接收端,由相關(guān)設(shè)備鑒別出它的變化,然后再現(xiàn)原始信息。根據(jù)調(diào)制與光源的關(guān)系,光調(diào)制可分為直接調(diào)制和間接調(diào)制兩大類。直接調(diào)制僅適用于半導(dǎo)體光源(激光LD和發(fā)光二極管LED),即把要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)輸入LD或LED,從而獲得相應(yīng)的光信號(hào)。直接調(diào)制后的光波電場(chǎng)其振幅的平方正比于調(diào)制信號(hào),因此直接調(diào)制是一種光強(qiáng)度調(diào)制方法。間接調(diào)制利用晶體的光電效應(yīng)、光磁效應(yīng)、光聲效應(yīng)等性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光輻射的調(diào)制。這種調(diào)制方式既適應(yīng)于半導(dǎo)體激光器,也適應(yīng)于其他類型的激光器。

一個(gè)光纖通信系統(tǒng)必須包括信源端的光發(fā)射機(jī)(光調(diào)制設(shè)備)、接收端的光接收機(jī)(光解調(diào)設(shè)備)和連接它們的光纖介質(zhì),如圖4.21所示。信源端的光發(fā)射機(jī)(實(shí)質(zhì)上就是電/光調(diào)制器)用電端機(jī)送來(lái)的電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制。原則上可以使用振幅、頻率和相位調(diào)制,但由于目前實(shí)用激光器的光源頻譜不純,頻率也不穩(wěn)定,使調(diào)頻或調(diào)相方式難以實(shí)現(xiàn),因此,通常采取調(diào)幅方式,即直接調(diào)制。

調(diào)制后的光功率信號(hào)耦合入光纖,經(jīng)光纖傳輸后,光接收機(jī)的光電檢測(cè)器(一般為半導(dǎo)體光電管或雪崩管)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),再經(jīng)放大、整形送至接收端的電端機(jī)。如果進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸,則需在通信線路中間插入中繼器。實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)一般都是雙向的,因此其系統(tǒng)的組成包含了正、反兩個(gè)方向的基本系統(tǒng),并且將發(fā)信機(jī)和接收機(jī)做在一起,稱為光端機(jī)。當(dāng)然,中繼器也有正反兩個(gè)方向。

圖4.21光纖通信系統(tǒng)的組成

4.3.5光纖的連接

1.永久性連接永久性連接(又叫熱熔)指使用放電的方法將兩根光纖的連接點(diǎn)熔化并連接在一起。其主要特點(diǎn)是連接衰減最低,但連接時(shí)需要專用設(shè)備(熔接機(jī))和專業(yè)人員進(jìn)行操作,而且連接點(diǎn)也需要專用容器保護(hù)起來(lái)。

2.應(yīng)急連接應(yīng)急連接(又叫冷熔)指將兩根光纖固定并粘接在一起。其主要特點(diǎn)是連接迅速、可靠,但連接點(diǎn)長(zhǎng)期使用會(huì)不穩(wěn)定,衰減大幅度增加,所以只能短時(shí)間內(nèi)應(yīng)急使用。

3.活動(dòng)連接活動(dòng)連接指利用各種光纖連接器件(插頭和插座),將站點(diǎn)與站點(diǎn)或站點(diǎn)與光纜連接起來(lái)的一種方法。這種方法靈活、簡(jiǎn)單、方便、可靠。在實(shí)際使用光纖連接設(shè)備時(shí),應(yīng)注意其連接器的型號(hào)。

4.3.6光纖通信的發(fā)展趨勢(shì)光纖通信以它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)被人們認(rèn)為是通信史上一次革命性的變革。光纖通信網(wǎng)將在長(zhǎng)途通信與市話通信中代替現(xiàn)有的電纜通信網(wǎng),這已為各國(guó)所公認(rèn)。在信息社會(huì)中,交換大量信息的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)其信道主要也是由光纖通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的。因此,有人說(shuō),如果20世紀(jì)的通信是電網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代,那么21世紀(jì)的信息傳輸將會(huì)是全新的光網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。

隨著光電技術(shù)的進(jìn)步,光纖通信技術(shù)會(huì)朝以下幾個(gè)方向發(fā)展。

(1)積極發(fā)展與研制低損耗單模光纖。

(2)為提高光頻帶的利用率,將致力于波分復(fù)用技術(shù)和相干光通信體制的研究和實(shí)用化。

(3)為了進(jìn)一步提高通信速率,將發(fā)展光電混合集成電路,提高光電轉(zhuǎn)換的速度,增強(qiáng)現(xiàn)有光系統(tǒng)的傳輸能力,積極研制光學(xué)集成器件,使更多的信號(hào)處理功能在光頻上完成,從而為發(fā)展光子計(jì)算機(jī)打好基礎(chǔ)。

(4)為了提高光纖通信系統(tǒng)的有效性和可靠性,許多國(guó)家還在進(jìn)行光放大器、相干光通信、多波道光纖通信及光孤子通信等新技術(shù)的研究。

(5)積極研發(fā)光信號(hào)處理設(shè)備?？傊?全光網(wǎng)絡(luò)是未來(lái)信息傳送網(wǎng)的發(fā)展方向,它可以直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行處理,不僅大大簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),降低了成本,而且極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與可靠性。隨著科學(xué)家及廣大科技人員的不斷努力,光子計(jì)算機(jī)、全光通信系統(tǒng)必定會(huì)實(shí)現(xiàn)。

4.4無(wú)線通信

4.4.1無(wú)線電頻段的分配電磁波頻譜中用于無(wú)線電通信的部分被分成8個(gè)波段,由國(guó)家無(wú)線電管理委員會(huì)統(tǒng)一管理和分配。這些波段從甚低頻(VLF)到極高頻(EHF),各個(gè)頻段的簡(jiǎn)稱如下:VLF 甚低頻 VHE 甚高頻LF 低頻 UHF 超高頻MF 中頻 SHF 特高頻HF

高頻EHF

極高頻表4.4

各頻段對(duì)應(yīng)頻率

圖4.22無(wú)線通信波段

4.4.2無(wú)線電波的傳播方式無(wú)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:離地面大約60km的大氣層,該層內(nèi)電子密度較低,不滿足反射條件,僅產(chǎn)生吸收損耗,隨氣象變化較大,對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生的衰落會(huì)隨時(shí)變化。電離層:在太陽(yáng)輻射的紫外線和X射線的作用下,大氣層中離地面高度60～450km范圍內(nèi)存在著一個(gè)由離子、自由電子、中性分子和原子等帶電粒子組成的區(qū)域,該區(qū)域?qū)侔雽?dǎo)體媒介,能對(duì)某些頻段的電磁波產(chǎn)生反射,通常將這一區(qū)域稱為電離層。

圖4.23傳播方式示意圖

1.地表傳播

地表傳播指無(wú)線電波通過(guò)大氣的最低層進(jìn)行的傳播,緊靠地球表面。由于信號(hào)位于最低的頻段,因此信號(hào)從發(fā)送天線向各個(gè)方向發(fā)射后就會(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)。地表傳播也可在海水中傳播。

2.對(duì)流層傳播

對(duì)流層傳播有兩種方式。信號(hào)可以以直線形式從一個(gè)天線發(fā)送到另一個(gè)天線,也可以以一定角度向?qū)α鲗拥妮^高層發(fā)射,經(jīng)電離層反射回地面。第一種方式要求接收端和發(fā)送端在視線所及的范圍內(nèi)(收、發(fā)端之間沒(méi)有遮擋物),傳播過(guò)程會(huì)受到地球表面曲度和天線高度的限制。第二種方式可以覆蓋更遠(yuǎn)的距離。

3.電離層傳播電離層傳播指更高頻的無(wú)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經(jīng)歷了一個(gè)先加速折射再反射回地面的過(guò)程。這種傳播方式可以以較低的能量傳播到更遠(yuǎn)的距離。短波通信就是電離層傳播,其通信距離可達(dá)上千千米甚至上萬(wàn)千米。

4.視距傳播

視距傳播時(shí),收發(fā)天線之間不能有任何遮擋物,甚高頻信號(hào)可以直接從一天線直線傳輸?shù)搅硪惶炀€。天線必須是單向的,并且兩天線要相對(duì),天線之間要么距離夠短,要么高度夠高,才能克服地球表曲面的影響,實(shí)現(xiàn)直線傳播。

5.空間傳播

空間傳播采用衛(wèi)星中繼來(lái)代替大氣折射。一個(gè)廣播信號(hào)傳送到同步衛(wèi)星,然后衛(wèi)星重新將信號(hào)發(fā)送回地面接收站。衛(wèi)星傳輸基本上可以說(shuō)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)傳輸?shù)姆秶?/p>

4.4.3信號(hào)的傳播

1.甚低頻甚低頻(VLF)電波采用表面波方式傳播,通過(guò)空氣傳播,有時(shí)也通過(guò)海水傳播。VLF波在傳播過(guò)程中衰減不大,但是對(duì)在近地表高度活躍的大氣噪聲(熱量和電子)很敏感。VLF常用于長(zhǎng)距離的無(wú)線電導(dǎo)航和海底通信。

2.低頻

與甚低頻相似,低頻(LF)電波也是以表面波形式傳播的。低頻波常用于無(wú)線電導(dǎo)航和無(wú)線電航標(biāo)或信標(biāo)等方面。白天,由于吸收電波的自然微粒增多,電波衰減程度較大。夜間電離層的密度比白天降低一個(gè)數(shù)量級(jí),信號(hào)的衰耗也就減小,這也是短波夜間比白天通信效果好的原因。

3.中頻中頻(MF)信號(hào)通過(guò)對(duì)流層傳播。這些電波將被電離層吸收。因此,電波所能覆蓋的范圍就受到要保證信號(hào)能從對(duì)流層反射回來(lái)而不致進(jìn)入電離層的發(fā)射角度的限制。在白天吸收效應(yīng)增強(qiáng),但大多數(shù)中頻傳輸采用定向天線來(lái)增強(qiáng)對(duì)信號(hào)的控制,從而避免了吸收問(wèn)題。采用MF傳輸?shù)挠姓{(diào)幅無(wú)線電、海事無(wú)線電、無(wú)線導(dǎo)向搜尋(RDF)以及緊急頻道等。

4.高頻高頻(HF)波采用電離層傳播。這些頻率的信號(hào)到達(dá)電離層后,由于粒子密度的差異而使它們反射回地球。采用高頻信號(hào)的有:無(wú)線電業(yè)余愛(ài)好者(業(yè)余無(wú)線報(bào)務(wù))、民用波段(CB)無(wú)線電、國(guó)際廣播、軍事通信及遠(yuǎn)距離飛機(jī)船舶通信等。

5.甚高頻

甚高頻(VHF)電波采用視線傳播方式。采用VHF信號(hào)的有VHF電視、調(diào)頻無(wú)線電、飛機(jī)調(diào)幅無(wú)線電以及飛機(jī)導(dǎo)航輔助等。其頻段分配如圖4.24所示。

圖4.24甚高頻頻段分配

6.超高頻超高頻(UHF)電波采用視線傳播方式。采用超高頻信號(hào)的有超高頻電視、移動(dòng)電話、蜂窩無(wú)線電、頁(yè)面調(diào)度以及微波鏈路等。注意:微波通信從超高頻段的1GHz開始一直延伸到特高頻和極高頻波段。

7.特高頻

特高頻(SHF)電波大多也采用視線傳播,也有些采用空間傳播方式。使用SHF信號(hào)的有地面微波、衛(wèi)星微波以及雷達(dá)通信等。

8.極高頻極高頻(EHF)電波采用空間傳播方式。使用極高頻信號(hào)的主要是科技領(lǐng)域,包括雷達(dá)、衛(wèi)星以及實(shí)驗(yàn)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戰(zhàn)后期,由美國(guó)貝爾研究所研究使用的一種無(wú)線電通信技術(shù)。經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展,目前已獲得廣泛的應(yīng)用。微波是指頻率范圍為300MHz～300GHz,波長(zhǎng)范圍為1m～1mm的無(wú)線電波。微波頻段可細(xì)分為特高頻(UHF)頻段/分米波頻段、超高頻(SHF)頻段／厘米波頻段和極高頻(EHF)頻段/毫米波頻段。

由于微波采用的是視距傳播方式,因此,當(dāng)微波通信用于地面上的長(zhǎng)途通信時(shí),需要采用中繼(接力)傳輸方式,才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)從信源到信宿的傳輸。所謂微波通信就是指利用微波作為載波并采用中繼(接力)方式在地面上進(jìn)行無(wú)線通信的方式。衛(wèi)星通信實(shí)際上就是在微波頻段采用中繼(接力)方式進(jìn)行的通信,只是其中繼站設(shè)在衛(wèi)星上而已,因此,為了與衛(wèi)星通信相區(qū)別,通常所說(shuō)的微波通信是指限定在地面上的通信,有時(shí)也叫地面微波通信。如圖4.25所示為遠(yuǎn)距離地面微波通信系統(tǒng)的示意圖。

圖4.25微波通信示意圖

2.微波通信系統(tǒng)的組成總的來(lái)說(shuō),微波通信系統(tǒng)主要有發(fā)送端、微波中繼信道和接收端組成。發(fā)送端和接收端由微波發(fā)射機(jī)和微波接收機(jī)及天線等組成。微波中繼信道中間每隔一定距離設(shè)置若干微波中繼站和微波分路站。微波通信系統(tǒng)的組成如圖4.26所示。

圖4.26微波通信系統(tǒng)組成框圖

1)用戶終端用戶終端是邏輯上最靠近用戶的輸入／輸出設(shè)備,如電話機(jī)、電傳機(jī)、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集終端等。用戶終端主要通過(guò)交換機(jī)集中在微波終端站或微波分路終端站。

2)交換機(jī)交換機(jī)既可實(shí)現(xiàn)本地用戶終端之間的業(yè)務(wù)互通(如實(shí)現(xiàn)本地話音用戶之間的通話),又可通過(guò)微波通信線路實(shí)現(xiàn)本地用戶終端與遠(yuǎn)地(對(duì)方交換機(jī)所轄范圍)用戶終端之間的業(yè)務(wù)互通。交換機(jī)一般配置在微波終端站或微波分路終端站。

3)終端復(fù)用設(shè)備終端復(fù)用設(shè)備是將交換機(jī)送來(lái)的多路信號(hào)或群路信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)變換,然后送到微波終端站或微波分路站;將微波終端站或微波分路站的收信機(jī)送來(lái)的多路信號(hào)或群路信號(hào)適當(dāng)變換后送到相應(yīng)的交換機(jī)。模擬微波通信系統(tǒng)的終端復(fù)用設(shè)備是頻分多路載波機(jī);數(shù)字微波通信系統(tǒng)的終端復(fù)用設(shè)備是時(shí)分多路數(shù)字終端機(jī)。終端復(fù)用設(shè)備同樣也配置在微波終端站或微波分路站上。

4)微波站微波站的基本功能是傳輸和轉(zhuǎn)接來(lái)自終端復(fù)用設(shè)備的群路信號(hào)。按其與終端復(fù)用設(shè)備的連接關(guān)系,微波站分為終端站、分路站和中繼站。當(dāng)兩條以上的微波通信線路在某一微波站交匯時(shí),該微波站就稱為樞紐站,它具有通信樞紐功能。微波分路站和樞紐站稱為微波主站,微波中繼站和分路站稱為微波中間站。微波站的主要設(shè)備包括發(fā)信設(shè)備、收信設(shè)備、天線系統(tǒng)、電源以及保障通信線路正常運(yùn)行和無(wú)人維護(hù)所需的監(jiān)測(cè)控制設(shè)備等。

4.5.2數(shù)字微波通信的特點(diǎn)

1.工作頻帶寬,信道容量大

2.受外界干擾小

3.機(jī)動(dòng)靈活

4.天線增益高、方向性強(qiáng)

5.投資少、見效快4.5.3轉(zhuǎn)接方式

1.微波轉(zhuǎn)接方式微波轉(zhuǎn)接與中頻轉(zhuǎn)接相類似,但其轉(zhuǎn)接端口是微波接口,且為了使同一中間站的轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)不干擾接收信號(hào),轉(zhuǎn)信載頻f2相對(duì)于收信載頻f1需要有一定的頻移,即移頻振蕩器的頻率等于f2與f1之差,如圖4.27所示。另外,為了克服傳播衰落引起的電子波動(dòng),還需在微波放大時(shí)采取自動(dòng)增益控制(AGC)措施。微波轉(zhuǎn)接電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)比中頻轉(zhuǎn)接困難,但微波轉(zhuǎn)接方案簡(jiǎn)單,設(shè)備體積小,功耗低,適用于一些高山無(wú)人值守的中間站。圖4.27微波轉(zhuǎn)接方式

2.中頻轉(zhuǎn)接方式

中頻轉(zhuǎn)接方式是信號(hào)由中繼機(jī)的接收天線輸入,中繼機(jī)對(duì)該微波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)使之變換為中頻信號(hào),經(jīng)中頻放大和功率放大后再次調(diào)制到另一載波頻率上,形成另一微波信號(hào)再發(fā)送出去,如圖4.28所示。

圖4.28中頻轉(zhuǎn)接方式

3.基帶轉(zhuǎn)接方式

中間站把來(lái)自某一通信方向載頻為f1的信號(hào)經(jīng)對(duì)應(yīng)中繼機(jī)(微波收發(fā)信機(jī))的天線饋線系統(tǒng)傳送到接收機(jī),經(jīng)微波放大器后,與該中繼站的接收機(jī)本振信號(hào)混頻,混頻輸出信號(hào)經(jīng)中放后送到解調(diào)器解調(diào)成為基帶信號(hào),對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行判決再生,再生后的信碼序列可以進(jìn)入數(shù)字處理設(shè)備,完成檢錯(cuò)、糾錯(cuò)和信號(hào)轉(zhuǎn)換,然后再進(jìn)行中頻數(shù)字調(diào)制。已調(diào)信號(hào)經(jīng)過(guò)變頻后輸出載頻為f2的微波信號(hào),該信號(hào)經(jīng)微波功放、天線發(fā)向中間站的另一個(gè)通信方向。這種轉(zhuǎn)接方式采用數(shù)字接口,可以消除噪聲積累,是目前微波通信最常見的一種轉(zhuǎn)接方式?；鶐мD(zhuǎn)接方式可以直接上、下電話話路并指提供數(shù)據(jù)通路，微波分路站和樞紐站必須采用基帶轉(zhuǎn)接方式?；鶐мD(zhuǎn)接方式組成框圖如圖4.29所示。圖4.29基帶轉(zhuǎn)接方式

4.直放轉(zhuǎn)接方式

近年來(lái)產(chǎn)生了一種新的技術(shù),即微波直放轉(zhuǎn)接方式。微波直放轉(zhuǎn)接方式以微波寬帶低噪聲放大器、微波寬帶線性功率放大器和微波分路濾波器等器件為基礎(chǔ),進(jìn)行有源、雙向、無(wú)頻率變換的微波信號(hào)直接放大。采用該方式的微波直放中間站不進(jìn)行變頻,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小,可以直接安裝在天線支梁上,且其功耗低,可利用太陽(yáng)能供電,可靠性高,一般不需維護(hù)。微波直放轉(zhuǎn)接可用于延長(zhǎng)通信距離,改善衰落儲(chǔ)備或克服某些地形障礙,且不需新建機(jī)房,節(jié)省了基建費(fèi)用。但由于其轉(zhuǎn)信和收信在同一載頻上,因此必須采用增益高、方向性強(qiáng)、性能高、具有低噪聲放大器的天線,而且要加大天線之間的垂直間距,以避免本站收發(fā)信號(hào)之間的相互干擾。

5.無(wú)源轉(zhuǎn)接方式無(wú)源轉(zhuǎn)接方式是利用金屬反射板改變微波波束的方向以起到轉(zhuǎn)接作用。這種轉(zhuǎn)接方式維護(hù)簡(jiǎn)單,主要用于克服山河等地形障礙,但對(duì)反射板的抗風(fēng)能力要求高且昂貴。

4.6衛(wèi)星信道

4.6.1基本概念

1.空間通信空間通信是以空間飛行體或通信轉(zhuǎn)發(fā)體作為對(duì)象的無(wú)線電通信。它可分為三種形式:

(1)地球站與空間站之間的通信。

(2)空間站之間的通信。

(3)通過(guò)空間站的轉(zhuǎn)發(fā)或反射進(jìn)行的地球站之間的通信。

圖4.30衛(wèi)星通信示意圖

2.同步衛(wèi)星同步衛(wèi)星運(yùn)行軌道在赤道平面上,離地球高度為35860km,運(yùn)行周期恰好與地球自轉(zhuǎn)的周期相同,因此稱為同步衛(wèi)星。對(duì)于任一地球站而言,衛(wèi)星是靜止不動(dòng)的,也叫靜止衛(wèi)星。在衛(wèi)星通信中,主要使用同步衛(wèi)星,其原因有以下兩點(diǎn)。

(1)同步衛(wèi)星距地面遠(yuǎn),一顆衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域(從衛(wèi)星上能“看到”的地球區(qū)域)可達(dá)地球總面積的40%左右,地面最大跨距可達(dá)18000km。理論上只需三顆衛(wèi)星適當(dāng)配置,就可建立除兩極地區(qū)(南極和北極)以外的全球通信,如圖4.31所示。

圖4.31全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)示意圖

(2)由于同步衛(wèi)星相對(duì)于地球是靜止的,因此地面站天線容易保持對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的姿態(tài),不需要復(fù)雜的跟蹤系統(tǒng)。當(dāng)然,同步衛(wèi)星也有一些缺點(diǎn),主要表現(xiàn)在:兩極地區(qū)為通信盲區(qū);衛(wèi)星離地球較遠(yuǎn),故傳輸損耗和傳輸時(shí)延都較大;同步軌道只有一條,能容納衛(wèi)星的數(shù)量有限;同步衛(wèi)星的發(fā)射和在軌測(cè)控技術(shù)比較復(fù)雜。此外,在春分和秋分前后,還存在著星蝕(衛(wèi)星進(jìn)入地球的陰影區(qū))和日凌中斷(衛(wèi)星處于太陽(yáng)和地球之間,受強(qiáng)大的太陽(yáng)噪聲影響而使通信中斷)等現(xiàn)象。

3.使用頻段由于衛(wèi)星處于電離層之外,地面上發(fā)射的電磁波必須能夠穿透電離層才能到達(dá)衛(wèi)星,同樣,從衛(wèi)星返回地面的電磁波也必須穿透電離層才能到達(dá)地面,而在無(wú)線電頻段中只有微波頻段滿足這一條件,因此衛(wèi)星通信使用了微波頻段。衛(wèi)星通信是雙工通信,為了避免同頻干擾,將信號(hào)頻率分為上行頻率(指地面站發(fā)向衛(wèi)星的信號(hào)頻率)和下行頻率(指衛(wèi)星返回地面站的信號(hào)頻率)。

目前大多數(shù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)選擇在下列頻段工作:(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波段的頻段較寬,又便于利用成熟的微波通信技術(shù),且天線尺寸較小,因此,衛(wèi)星通信最常用的是C波段。

4.6.2通信衛(wèi)星

1.按衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)分類按衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)可將通信衛(wèi)星分為無(wú)源衛(wèi)星和有源衛(wèi)星。

(1)無(wú)源衛(wèi)星是指運(yùn)行在特定軌道上的球形或其他形狀的反射體,沒(méi)有任何電子設(shè)備,它是靠其金屬表面對(duì)無(wú)線電波的反射來(lái)完成信號(hào)中繼的。在20世紀(jì)50～60年代進(jìn)行衛(wèi)星通信試驗(yàn)時(shí),曾利用過(guò)這種衛(wèi)星。

(2)有源衛(wèi)星是指本身具有電子設(shè)備,能對(duì)信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理,需要有能源支持的衛(wèi)星。目前,幾乎所有的通信衛(wèi)星都是有源衛(wèi)星,大多數(shù)利用太陽(yáng)能電池和化學(xué)能電池作為能源。這種衛(wèi)星裝有收、發(fā)信機(jī)等電子設(shè)備,能對(duì)地面站發(fā)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行接收、放大、變換等處理,再發(fā)回地球。這種衛(wèi)星可以部分地補(bǔ)償信號(hào)在空間傳輸過(guò)程中所造成的損耗。

2.按通信衛(wèi)星的運(yùn)行軌道分類按通信衛(wèi)星的運(yùn)行軌道，通信衛(wèi)星可分為：(1)赤道軌道衛(wèi)星(指軌道平面與赤道平面夾角￠=0°);(2)極軌道衛(wèi)星(￠=90°);(3)傾斜軌道衛(wèi)星(0°<￠<90°)。

3.按衛(wèi)星離地面的高度分類按衛(wèi)星離地面最大高度h的不同，可將通信衛(wèi)星分為：(1)低高度衛(wèi)星h<5000km;(2)中高度衛(wèi)星5000km<h<20000km;(3)高高度衛(wèi)星h>20000km。

4.按相對(duì)位置分類按衛(wèi)星與地球上任一點(diǎn)的相對(duì)位置，可將通信衛(wèi)星分為:

(1)同步衛(wèi)星是指在赤道上空約35860km高的圓形軌道上與地球自轉(zhuǎn)的運(yùn)行方向和周期均相同的衛(wèi)星。同步衛(wèi)星的運(yùn)行軌道稱為同步軌道。

(2)異步衛(wèi)星的運(yùn)行周期不等于(通常小于)地球自轉(zhuǎn)周期,其軌道傾角、軌道高度、軌道形狀(圓形或橢圓形)可因需要而不同。從地球上看,這種衛(wèi)星以一定的速度在運(yùn)動(dòng),故又稱為移動(dòng)衛(wèi)星或異步衛(wèi)星。

4.6.3衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類

目前全球正在運(yùn)行的衛(wèi)星通信系統(tǒng)數(shù)以百計(jì),歸結(jié)起來(lái)可分為如下幾類。

(1)按衛(wèi)星制式分為靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)、隨機(jī)軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)和低軌道衛(wèi)星(移動(dòng))通信系統(tǒng)。

(2)按通信覆蓋區(qū)域的范圍分為國(guó)際衛(wèi)星通信系統(tǒng)、國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信系統(tǒng)和區(qū)域衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

(3)按用戶性質(zhì)分為公用(商用)衛(wèi)星通信系統(tǒng)、專用衛(wèi)星通信系統(tǒng)和軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

(4)按業(yè)務(wù)范圍分為固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)、移動(dòng)業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)、廣播業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

(5)按基帶信號(hào)體制分為模擬衛(wèi)星通信系統(tǒng)和數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

(6)按多址方式分為頻分多址(FDMA)、時(shí)分多址(TDMA)、空分多址(SDMA)和碼分多址(CDMA)衛(wèi)星通信系