通信传输介质概述

3.1.1 通信系统的网络组成概述

现代通信系统的“硬件层”，是由通信传输媒介（“通信线缆”或“无线信道”）系统和通信机房设备系统两部分，有机地组合而成的。如图3.1所示。

图3.1 通信系统的硬件组成示意图

其各部分组成，如表3.1所述。

通信传媒系统：是由“通信有线系统（通信光缆、电缆等）”、“通信无线信道（移动通信信道、卫星通信信道等）系统和“线缆专用路由系统”组成。

通信机房设备系统：由“机房配线架与路由系统”、“机房通信业务设备系统”、“机房通信电源系统”、“机房监控与防护系统”以及“机房房屋”五个部分，有机地组合而成的。表3.1是各个系统的组成内容和简要说明。

表3.1 通信硬件系统组成简介表

通信网络，主要是由通信传媒组成的各类“信道”，将用户的信息，传输到通信机房内的设备中，再传输到对端的用户终端设备。

按照通信业务的种类，特别是“2011年以来的”通信技术的发展情况，主要是“电话业务”和宽带互联网“宽带上网业务”两大类，所使用的传媒主要是“电话线电缆”——传递有线电话业务和开展ADSL模式的宽带上网业务；“900Mb/s频带的无线通道”——传递移动电话和短信、低速上网等“移动套餐通信”业务；“宽带四对双绞线（三类、五类双绞线）”——传递互联网高速上网业务，以光纤到大楼（FTTB）等模式实现；“单模光纤光缆”——传递电话和互联网高速上网“综合”业务，以光纤到用户（FTTH）的模式实现。

为学习上的直观性，列出各种常用传媒及其业务和作用表3.2如下。

表3.2 当前常用通信传输媒介及其业务、作用一览表

续表

3.1.2 通信传输的介质

1．信息的传输

任何信息（话音、数据信号）的传输，都是将其转换为电信号或光信号的形式在传输介质中进行；所谓传输介质，是指传输信号的物理通信线路。信息能否成功传输依赖于两个因素：被传输信号本身的质量和传输介质（信道）的特性。1865年，英国物理学家麦克斯韦 (James Clerk Maxwell) 首次预言电子在运动时会以电磁波的形式沿导体或自由空间传播。1887年，德国物理学家赫兹通过实验证明了麦克斯韦电磁场理论的正确性，该理论奠定了现代通信的理论基础。

就信号而言，无论是电信号还是光信号，本质都是电磁波。实际中用来传输信息的信号都由多个频率成分组成。信号包含的频率成分的范围称为频谱，而信号的带宽就是频谱的绝对宽度。由于信号所携带的能量并不是在其频谱上均匀分布的，因此又引入了有效带宽的概念，它指包含信号主要能量的那一部分带宽。现代通信系统中，数字信号的形式以其优良的传输性能在传输和处理系统中得到广泛的使用，而单模光纤传输系统以其远距离、大容量和低成本等诸多优点，已成为通信系统最主要的传输系统。

2．信号与传输介质

通信信号是在“通信介质”组成的“通信信道”上传输的，所以，要求通信介质，对信号的传递，要做到下列几个特征:

①信息容量大：指同时传递的信息速度快，容纳的通信用户数量多。

②信息传播的距离远。

③受到周围环境的干扰尽量小。

④通信介质制作的原材料丰富，制作工艺简单。

最早使用的通信介质是“空气”——无线通信传输的方式，随着通信传输技术和业务种类的不断发展，通信介质的种类，也在不断地创新和发展——成长为现在的“有线和无线通信方式的共存”状态。

无线通信介质，特点是使用方便，但技术复杂些，使用成本高些，适合于不固定环境中的通信，如带在身上的手机、小型笔记本电脑、新一代“苹果公司上网产品”等便携式通信终端。(www.xing528.com)

有线通信介质——指“使用通信电缆和光纤光缆，传输各类通信信号”的方式——特点是传输质量稳定，传输容量大，上网速度快，传输距离远。适合于“固定场所”的工作和休闲使用。从1970年开始发展起来的“光纤光缆”，作为有线通信介质的优秀代表，正越来越占据“通信介质”主导地位——当前的“有线通信介质”发展趋势是：逐渐推广光纤到用户（FTTH）的通信传播方式。

3．有线通信传输介质

有线通信介质，目前常用的有双绞线电缆、同轴电缆和光纤光缆；本章主要介绍双绞线电缆和单模光缆的特性，这里仅简单介绍“同轴电缆”和“通信光纤光缆”的概况。

（1）同轴电缆

同轴电缆的结构图如图3.2所示，是贝尔实验室于1934年发明的，最初用于电视信号的传输，它由内、外导体和中间的绝缘层组成。内导体是比双绞线更粗的铜导线，外导体外部还有一层护套，它们组成一种“同轴结构”，因而称为“同轴电缆”。由于具有特殊的同轴结构和外屏蔽层，同轴电缆抗干扰能力强于“通信双绞线”，适合于高频信号的宽带传输。

图3.2 同轴电缆结构示意图

其主要的缺点是成本高，不易安装埋设。同轴电缆通常能提供500～750MHz的带宽，目前主要应用于有线电视（CATV）和光纤同轴混合接入网（HFC）模式的通信传输中，电信系统中，主要是应用在“局内数字信号短距离传输中继线”——即机房内部电话通信“交换系统至光传输系统之间”的数字传输线路；在室外局域网和局间中继线路中，已不再使用。

（2）光纤光缆

近年来，通信领域最重要的技术突破之一，就是光纤通信系统的大发展。光纤是一种很细的可传送光信号的有线介质，其物理结构如图3.3所示。它可以用玻璃、塑料或高纯度的合成硅制成。目前使用的光纤多为石英光纤，它以“二氧化硅（砂子）”材料为主，为改变折射率，中间掺有锗、磷、硼、氟等。光纤也是一种同轴性结构，由纤芯、包层和外套三个同轴部分组成，其中纤芯、包层由两种折射率不同的玻璃材料制成。

图3.3 通信光缆结构示意图

利用光的全反射性能，可以使光信号在纤芯中传输, 包层的折射率略小于纤芯，以形成光波导效应，防止光信号外溢。外套一般由塑料制成，用于防止湿气、磨损和其他环境破坏。其特点如下：

①大容量。光纤系统的工作频率分布在1014～1015Hz范围内，属于近红外区，其潜在带宽是巨大的。目前10 Tb/s/100 km的实验系统已试验成功，通过密集波分复用(DWDM)在一根光纤上实现40 Gb/s/200 km传输的实际系统已经在电信网上广泛使用，相对于同轴电缆和双绞线的传输容量而言，光纤比铜导线介质要优越得多。

②体积小、重量轻。与铜导线相比，在相同的传输能力下，无论体积还是重量，光纤都小得多，这在布线时有很大的优势。

③低衰减、抗干扰能力强。光纤传输信号比铜导线衰减小得多。目前，在1310 nm波长处光纤每千米衰减小于0.35 d B，在1550 nm波长处光纤每千米衰减小于0.25 d B。并且由于光纤系统不受外部电磁场的干扰，它本身也不向外部辐射能量，因此信号传输很稳定，同时安全保密性也很好。

4．无线通信介质

无限通信传输介质，按照其传输频率范围和使用途径，可分为无线电广播频率（段）、微波频率（段）和红外线频率（段）三个频率段，如图3.4所示。下面，分别简述其频率段组成，和基本作用。

（1）无线电广播频率（段）

无线电又称广播频率(RF： Radio Frequency)，其工作频率范围在几十兆赫兹到200兆赫兹左右。其优点是无线电波易于产生，能够长距离传输，能轻易地穿越建筑物，并且其传播是全向的，非常适合于广播通信。无线电波的缺点是其传输特性与频率相关：低频信号穿越障碍能力强，但传输衰耗大；高频信号趋向于沿直线传输，但容易在障碍物处形成反射，并且天气对高频信号的影响大于低频信号。所有的无线电波易受外界电磁场的干扰。由于其传播距离远，不同用户之间的干扰也是一个问题，因此，各国政府对无线频段的使用都由相关的管理机构进行频段使用的分配管理。

（2）微波频率（段）

微波指频段范围在300 MHz～30 GHz的电磁波，因为其波长在毫米范围内，所以产生了“微波”这一术语。微波信号的主要特征是：在空间沿直线传播，因而它只能在视距范围内实现点对点通信，通常微波中继距离应在80 km范围内，具体由地理条件、气候等外部环境决定。微波的主要缺点是信号易受环境的影响(如降雨、薄雾、烟雾、灰尘等)，频率越高影响越大，另外高频信号也很容易衰减。微波通信适合于地形复杂和特殊应用需求的环境，目前主要的应用有专用网络、应急通信系统、无线接入网、陆地蜂窝移动通信系统，卫星通信也可归入为微波通信的一种特殊形式。

（3）红外线频率（段）

指1012～1014Hz范围的电磁波信号。与微波相比，红外线最大的缺点是不能穿越固体物质，因而它主要用于短距离、小范围内的设备之间的通信。由于红外线无法穿越障碍物，也不会产生微波通信中的干扰和安全性等问题，因此使用红外传输，无需向专门机构进行频率分配申请。红外线通信目前主要用于家电产品的远程遥控，便携式计算机通信接口等。

图3.4 电磁波频谱及其在通信中的应用示意图