物理层下的传输媒体

在数据通信系统中，传输媒体是发送器与接收器之间的物理通路，其作用至关重要。根据信号传播的方式，传输媒体可分为导引型与非导引型两大类。

1 导引型传输媒体

导引型传输媒体通过固体介质（如铜线或光纤）导引电磁波传播。在这类媒体中，最常见的有以下几种：

1.1 双绞线

①基本概念

双绞线是最古老但仍被广泛使用的传输媒体。它由两根互相绝缘的铜导线以规则的方法绞合而成。

绞合度越高，可用的数据传输率越高。

②分类

双绞线可以分为两大类：

• 无屏蔽双绞线 (UTP)：没有额外的屏蔽层，成本较低，适用于一般的应用场景。

• 屏蔽双绞线 (STP)：具有屏蔽层，可以有效减少电磁干扰，适用于对信号质量要求更高的环境。

③双绞线标准

无论是哪种类别的双绞线，衰减都随频率的升高而增大。

双绞线的最高速率还与数字信号的编码方法有很大的关系。

1.2 同轴电缆

同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是单股的）以及保护塑料外层所组成。

同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。

1.3 光缆

①基本概念

光纤 ：用于传输光信号的细长透明介质，通常由玻璃或塑料制成，可高效传输光信号，具有极低的损耗和高带宽。

光纤的基本构造包括：

• 纤芯：光线在此传输，具有较高的折射率。
• 包层：包围在纤芯外部，具有较低的折射率，帮助光信号通过全反射原理保持在纤芯内。

优点：

• 通信容量非常大。
• 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
• 抗雷电和电磁干扰性能好。
• 无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据。
• 体积小，重量轻。

光缆：由多根光纤组成的集成结构，通常还包含保护材料和其他组件，以确保光纤在各种环境下的安全和稳定运行。光缆的设计通常包括：

• 光纤：多个光纤的集合。
• 护套：保护光纤免受物理损害、湿气和温度变化。
• 增强材料：如钢丝或其他材料，用于增加强度和耐用性。

②光波在纤芯中的传播

光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。如果入射角足够大，就会出现全反射，光也就沿着光纤传输下去。

③分类

光纤可分为多模光纤和单模光纤：

• 多模光纤：
  • 可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。
  • 光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，只适合于近距离传输。
• 单模光纤：
  • 其直径小到只有一个光的波长（几个微米），可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。
  • 制造成本较高，但衰耗较小。
  • 光源要使用昂贵的半导体激光器，不能使用较便宜的发光二极管

④光纤通信系统

基本的光纤通信系统主要由发送端和接收端组成。

• 发送端：要有光源（例如发光二极管、半导体激光器），在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。
• 接收端：要有光检测器，利用光电二极管做成，在检测到光脉冲时还原出电脉冲。

2 非导引型传输媒体

非导引型传输媒体通过无线电波在自由空间中传播，实现多种通信形式。其频段范围从低频到超高频（30 kHz ~ 3000 GHz），涉及多个应用场景。

2.1 无线电微波通信

①基本概念

无线电微波通信是一种利用无线电波进行信息传输的技术，主要应用于远距离通信和数据传输。微波是指频率在300 MHz到300 GHz之间的电磁波，具有较短的波长。无线电微波通信利用这一频段的电磁波进行信号传输，常用于电视广播、卫星通信、移动通信等。

②组成部分

a. 发送端

• 微波发射机：将原始电信号（如语音、视频或数据）转换为微波信号，并通过天线发射出去。
• 调制器：对输入信号进行调制，以便适合微波传播，例如使用幅度调制（AM）、频率调制（FM）或相位调制（PM）。

b. 传输媒介

• 空间传播：微波信号通过空气传播，可以直视传播，也可以反射和折射，适合点对点的长距离传输。
• 微波链路：使用定向天线实现点对点的传输，通常需要在发射和接收端之间保持视距。

c. 接收端

• 微波接收机：接收来自发射端的微波信号，并将其转换回可用的电信号。
• 解调器：对接收到的信号进行解调，恢复原始信息。

③特点与应用

• 高带宽：微波频段提供了较大的带宽，适合高速数据传输。
• 抗干扰性强：微波信号能抵御一定程度的干扰。
• 广泛应用：常用于卫星通信、无线网络、雷达、电视广播、移动通信等领域。

④注意事项

• 视距要求：微波通信通常需要发射和接收装置之间有无遮挡物。
• 天气影响：雨、雪等天气条件可能会对微波信号造成衰减。

2.2 多径效应

①基本概念

多径效应是无线通信中常见的现象，主要是指信号在传播过程中，由于反射、折射和散射等原因，产生多个相同信号的副本，这些副本通过不同的路径到达接收端。这种现象会对信号的质量和通信系统的性能产生影响。

②产生原因

• 反射：信号遇到建筑物、地面或其他障碍物时，会反射回去。
• 折射：信号在穿越不同介质（如空气与水）时，其传播速度和方向发生变化。
• 散射：信号碰到小障碍物或粗糙表面时，会向多个方向散射。

③影响

• 信号衰减：由于多条路径传播，信号的强度可能会因为相位差而相互抵消，导致接收到的信号变弱。
• 延迟扩展：不同路径的信号到达接收端的时间不同，造成信号波形的展宽。
• 失真：由于不同路径信号的相位和幅度差异，可能会导致接收到的信号失真，影响数据的解码和传输质量。

④应对措施

• 均衡技术：在接收端使用均衡器来补偿多径引起的信号失真。
• MIMO技术：多输入多输出技术通过使用多个发射和接收天线，增强信号的可靠性和带宽。
• OFDM技术：正交频分复用技术将信号分散在多个频率上，可以有效抵御多径干扰。

2.3 卫星通信

①基本概念

卫星通信是利用人造卫星作为中继站，进行信息传输的通信方式。它在全球范围内提供了广泛的通信服务，包括电视广播、互联网接入、电话通信和数据传输等。

②工作原理

• 信号发射：地面站通过天线将信号发射到轨道上的卫星。
• 信号转发：卫星接收到信号后，将其处理并转发回地面，通常通过不同频率的信号频道。
• 地面接收：另一地面站或用户终端接收从卫星转发回来的信号。

③卫星类型

• 静止卫星（GEO）：位于赤道上空约35,786公里的轨道，卫星与地面站保持相对静止，适合电视广播和宽带服务。
• 中轨卫星（MEO）：通常在2000到35,786公里之间，常用于导航系统（如GPS）。
• 低轨卫星（LEO）：位于2000公里以下，具有较低的延迟，适合实时通信和宽带服务，近年来被用于星链等项目。

④卫星通信系统组成

• 地面站：包括发射设备和接收设备，用于发送和接收信号。
• 卫星：搭载转发器和其他通信设备，负责信号的接收、处理和转发。
• 终端用户设备：如卫星电话、卫星宽带调制解调器等，用于最终用户的通信。

⑤优势

• 全球覆盖：卫星通信可以覆盖偏远地区和海洋，提供普遍的服务。
• 高容量：能够支持大量用户同时进行通信。
• 灵活性：可以快速部署和扩展，适应不同的通信需求。

⑥挑战

• 信号延迟：尤其是静止卫星，由于其高度，信号传输延迟较大。
• 气候影响：恶劣天气可能会影响信号质量，如雨衰现象。
• 成本高：卫星的发射和维护成本较高。

七应用领域

• 广播电视：卫星广播是主要的电视节目分发方式之一。
• 互联网接入：为偏远地区提供宽带服务。
• 军事通信：用于增强军事指挥和控制能力。
• 紧急通信：灾害恢复期间提供临时通信支持。

2.4 无线局域网

①基本概念

无线局域网（Wireless Local Area Network，简称WLAN）是一种使用无线技术连接设备的局域网，广泛应用于家庭、办公室和公共场所。

②工作原理

• 无线信号：WLAN通过无线电波传输数据，设备通过无线路由器或接入点（AP）进行通信。
• 协议：常用的无线通信协议包括802.11系列（如802.11a/b/g/n/ac/ax），这些协议定义了不同的频率、速度和覆盖范围。

③组成部分

• 无线路由器：负责管理网络流量，连接互联网并将信号发送到各个无线设备。
• 接入点（AP）：扩展网络覆盖范围，通常用于大型场所。
• 终端设备：如智能手机、笔记本电脑、平板电脑等，可以连接到WLAN进行上网。

④优势

• 灵活性：用户可以在覆盖区域内自由移动，无需物理连接。
• 易于部署：相较于有线网络，设置和维护更为简单。
• 成本效益：减少了布线和相关基础设施的成本。

⑤挑战

• 信号干扰：其他无线设备或物理障碍物可能会影响信号质量。
• 安全性：无线网络容易受到未经授权的访问，需要采取加密措施（如WPA3）来保护数据安全。
• 带宽限制：无线网络的带宽通常低于有线网络，可能会受到用户数量和使用情况的影响。

⑥安全措施

• 加密协议：使用WPA3或WPA2等加密协议保护数据传输。
• SSID隐藏：隐藏网络名称以增加安全性，减少被陌生设备扫描到的风险。
• MAC地址过滤：限制可以连接到网络的设备，增强安全性。

⑦应用领域

• 家庭网络：连接个人设备，提供互联网接入。
• 企业环境：支持员工在办公区域内的灵活工作。
• 公共热点：如咖啡店、机场等地提供无线网络服务。