数据与计算机通信04 传输媒体

分类:Data Communication, 发布于:2019-04-29 10:12:00, 更新于:2019-04-29 10:45:05。 评论

传输媒体和信号的特点决定了通信质量:

  • 导向媒体:媒体自身
  • 非导向媒体:发射天线的信号特征

通常设计数据传输系统时,主要考虑的是数据率和传输距离。许多设计因素都和传输媒体和信号有关:

  • 带宽
  • 传输损伤
  • 干扰
  • 接收器的数量

4.1 导向传输媒体

4.1.1 双绞线

  • 廉价
  • 方便
  • 数据率低
  • 传输距离短

双绞线是最廉价、使用最广泛的导向媒体;可以传输模拟信号和数字信号,模拟信号约1MHz,数字传输100Mbps或短距离1Gbps。

  • 非屏蔽双绞线:普通电话线。
  • 屏蔽双绞线:每一对线由金属箔屏蔽,价格贵。

双绞线的损耗:

  • 插入损耗(insertion loss):从发送系统到接收系统链路上的衰减;
  • 近端串扰(near and crosstalk, NEXT):从一对导体到另一对导体上的信号耦合

衰耗串扰比$\text{ACR}_{\text{dB}} = \text{NEXT}_{\text{dB}} - A_{\text{dB}}$,必须为正值,即要求$P_r > P_c$,接受功率大于NEXT损耗。

4.1.2 同轴电缆

同轴电缆可以被用于长距离传输和更多的复用

  • 空心的圆柱形外导体和柱形的内导线
  • 可用于模拟和数字信号传输
  • 电视信号,长距离电话传输,局域网

4.1.3 光纤

  • 容量更大 (100M - 10Gbps/km)
  • 体积更小,质量更轻
  • 衰减更小
  • 电磁隔离
  • 转发器间隔更远

光纤通信:

  1. 发送器以数字电信号为输入,电信号通过电子接口被送入LED或激光光源,光源根据输入的电信号对数字数据进行编码,产生一系统的光脉冲;
  2. 接收器包括一个光传感器,用于检测传入的光信号,并将其转换回数字电信号。

按折射率分类:

  • 阶跃型
  • 渐变型

按模式分类:

  • 多模光纤
  • 单模光纤

补充:

物理层接口标准:RS-232、RS-422、RS-485

数据链路层设备:计算机网卡、网桥、交换机

交换机工作在数据链路层,集线器在物理层

4.2 无线传输

  • 30MHz~1GHz:射频(radio),适用于全向通信;
  • 1GHz~40GHz:微波(microwave),高方向性传输,适用于点对点、卫星通信;
  • 3e11~2e14Hz:红外线(infrared ray),点对点、点对多点应用。

天线的定义:

  • 发射电磁能量和接受电磁能量的电导体(系统)
  • 双向通信中,同一个天线能够同时收发(同频)

天线的分类:

  • 各向同性天线(全向天线):由一个点均等地向所有方向发射能量
  • 抛物面反射天线:信号聚集到焦点上

天线增益: $$G = \dfrac{4\pi A_e}{\lambda^2} = \dfrac{4 \pi f^2 A_e}{c^2}$$ 其中$A_e$为天线的有效面积,$\lambda$为波长。

无线传播:

  • 地波(2-MHz):AM广播
  • 天波(2~30MHz):Internel broadcast, e.g. BBC
  • 视距传输(30+MHz):卫星传输、中继传输

视距传播损伤:

  • 折射
  • 自由空间损耗
  • 大气吸收
  • 多径

两个视距传播的天线之间的最大传输距离为 $$d = 3.57 (\sqrt{Kh_1} + \sqrt{Kh_2})$$ 其中$K$是由折射引起的调整系数,经验值为$\dfrac{4}{3}$$h_1, h_2$为两个天线的高度(m);$d$时两个天线之间的最大传输距离(km)。

对于理想化的全向天线来说,自由空间损耗为 $$\dfrac{P_t}{P_r} = \dfrac{(4\pi d)^2}{\lambda^2} = \dfrac{(4 \pi f d)^2}{c^2}$$

分贝表示: $$L_{\text{ dB}} = 10 \lg \left( \dfrac{4\pi d}{\lambda} \right)^2 = 20 \lg \dfrac{4 \pi d}{\lambda} \text{ dB}$$

对于其他类型的天线,必须考虑天线增益: $$\dfrac{P_t}{P_r} = \dfrac{(4 \pi d)^2}{G_r G_t \lambda} = \dfrac{(\lambda d)^2}{A_r A_t} = \dfrac{(cd)^2}{f^2 A_r A_t}$$ 其中$G$为增益,$A$为有效面积。

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