PLC网络系统配置指南：网络通信媒体

通信媒体也称通信介质，是网络站点间连接及传递信号的介质，是网络的基本构件。在PLC网络中，使用有多种介质。

通信信号在通信介质上传输，一般都存在两个问题。一是信号在传输过程中衰减，二是信号在传输过程中受干扰。衰减将使得接收端得到的信号太弱，以至于无法识别。同时从傅里叶分析可知，任何波形的周期信号总是由不同阶次的谐波组成，而信号传送速率高时，高阶次谐波的衰减是很快的。加上受介质分布参数的影响，不同阶次谐波的传输滞后又不同，所以即使信号不受干扰，传输后合成的波形也会有所失真。而如果传输过程还受有干扰，则将加重信号失真。信号失真则可能造成接收端即使收到了信号，也无法正确识别。

出现这两个问题都与网络传输信号的速率、距离，以及选用什么通信媒体有关。所以了解各种通信媒体特性，并依据网络传输信号的速率、距离，去合理选用媒体，是配置PLC网络的重要工作之一。

在PLC网络中，通信媒体分有线的与无线两大类。有线的有电缆与光缆。电缆，如铜、铝等金属导体，通过电流实现信号传输。光缆，是透明玻璃或塑胶绳，通过光波实现信号传输。无线媒体，通过电波、光波在自由空间传播进行信号传输。以下分别对电缆、光缆及无线介质进行介绍。

1.电缆

有双绞线及同轴电缆。

（1）双绞线

双绞线（TwistedPair，TP）是两根绝缘导线按一定规则相互缠绕而成。通常将一对或多对放在一个绝缘套管中，并在其外面包上护套，以成为双绞线电缆，如图1-1所示。

双绞线通常用于传输平衡信号。也就是说，每条导线都带有电流，但相位相差180°。外界电磁干扰给两个电流带来的影响将相互抵消，从而可减缓信号衰减。单位长度螺旋的数目越多，减缓的效果也越好。

双绞线按其是否有屏蔽，可分为非屏蔽双绞线（UnshieldedTwisted-Pair，UTP，见图1-1a）和屏蔽双绞线（ShieldedTwisted-Pair，STP，见图1-1b）。

屏蔽双绞线是在一对双绞线外面有金属筒缠绕，有的还在几对双绞线的外层用铜编织网包上，以用作屏蔽。此外，还在最外层，再包上一层具有保护性的聚乙烯塑料。屏蔽双绞线可降低外界的电磁干扰。然而，如果屏蔽层不连续或者屏蔽层电流不对称，反而会降低甚至完全失去屏蔽效果。STP一般用在易于受电磁干扰和无线频率干扰的环境中。

无屏蔽双绞线除少了屏蔽层外，其余均与屏蔽双绞线相同。抗干扰能力较差，但它无屏蔽外套，直径小，可节省所占用的空间；重量轻、易弯曲、易安装；价格也便宜。所以，它已是目前PLC网络中使用频率最高的一种网线。

国际电工委员会和国际电信委员会EIA/TIA（Electronic Industry Association/Telecommu-nication Industry Association）已经建立了UTP网线的国际标准并根据使用的领域分为多个类别（Categories或者简称CAT），这些类别线缆标准为

•Cat1：适用于电话和低速数据通信；

•Cat2：适用于ISDN及T1/E1，支持高达16MHz的数据通信；

•Cat3：适用于10Base-T或100Mbit/s的100Base-T4，支持高达20MHz的数据通信；

•Cat5：适用于100Mbit/s的100Base-TX和100Base-T4，支持高达100MHz的数据通信。

•Cat5e：既适用于100Mbit/s的100Base-TX、100Base-T4，支持高达100MHz的数据通信；又适用于1000Mbit/s的1000Base-TX，支持高达1000MHz的数据通信。

•Cat6：适用于1000Mbit/s的1000Base-TX，支持高达1000MHz的数据通信。

双绞线电缆中的每一根绝缘导线都用不同颜色加以区分，因此，很容易识别。每对有两根导线。其中一根导线的颜色为对应线的颜色，再加一个白色条纹。表1-1所示为4对非屏蔽双绞线电缆的电线颜色编码。

图1-1 双绞线

表1-14 对非屏蔽双绞线电缆的电线颜色编码

（2）同轴电缆（Coaxial Cable）

同轴电缆是指有两个同心导体，而导体和屏蔽层又共用同一轴心的电缆。如图1-2所示，它由4个部分构成。1是里层的传导物，一根铜质或铝质裸线。其直径相对较大（0.4in^[1]）。2是一层绝缘体，它包围着裸线，以防金属导体碰到第三层材料。3是第三层材料，通常是一层紧密缠绕的网状导线。这种编织导线起着屏蔽层的作用，保护里层的传导物免受电磁干扰。4是最外一层，为聚氯乙烯（PVC）或特氟纶（Teflon）外皮，起保护作用。

同轴电缆的这种结构，使它具有高带宽和极好的抗干扰特性。同轴电缆的带宽取决于电缆长度。1km的电缆可以达到1～2Gb/s的数据传输速率。

同轴电缆分为细缆RG-58和粗缆RG-11两种。

细缆的直径为0.26cm，适合架设终端设备较为集中的小型以太网络。最大传输距离185m，超过185m，信号将严重衰减。

粗缆的直径为1.27cm，最大传输距离达到500m。由于直径较粗，强度高，可靠性高，但弹性较差，不适合在室内狭窄的环境内架设，而且RG-11连接头的制作方式也相对要复杂些。粗缆适用于网络干线，连接数个由细缆所连接成的网络。

细缆安装则比较简单，造价也较低。由于安装过程要切断电缆，两头必须装上基本网络连接头（BNC），然后接在T型连接器两端。

同轴电缆的缺点：一是体积大，细缆的直径就有3/8in粗，要占用电缆管道的大量空间；二是不能承受缠结、压力和严重的弯曲；三是成本高。而所有这些缺点正是双绞线所没有的。因此，在现在的局域网环境中，同轴电缆基本已被双绞线所取代。

2.光纤

光缆通过其中光纤（FiberOpticCable）传输光脉冲信号。其数据传输系统由3个部分组成：光源、光纤和检测器，如图1-3所示。

图1-2 同轴电缆

1—铜质或铝质导体 2—绝缘体 3—网状导线 4—外皮

图1-3 光纤传输系统组成

光源，也即发送器，用发光二极管（LightEmittingDiode，LED）或激光二极管，通电时会发出光脉冲。光纤传输介质是透光的材质，可传输光脉冲。检测器，也即接收器，是光敏二极管，遇光时会产生电脉冲。因此如果在光纤的一端安装一个LED或激光二极管，另一端安装一个光敏二极管，一端的电脉冲信号转换为光脉冲后通过光纤可传输到另一端。而另一端经检测则可得到这个电脉冲信号。这样，如果假设出现光脉冲表示“1”，不出现表示“0”，那么，这不就是一个的数据传输系统吗？

这里的关键是，怎样使光传输系统在光纤中传输而不漏光，而这是利用光线从一种介质穿过另一种介质时会发生折射而得到保证的。

图1-4 光折射原理

如图1-4a所示为光线以不同角度从玻璃入射空气时产生折射的情况。当光线在玻璃上的入射角为α₁时，则在空气中的折射角为β₁。为α₂时，为β₂。这里的α₁与β₁、α₂与β₂是不等的。这就是光通过不同介质时产生的折射。折射时入射角与折射角之间的关系与两种介质折射率有关。具体是

n₁sinα=n₂sinβ(www.xing528.com)

式中，n₁为第一介质的折射率，光在真空中的传播速度c与第一介质中的传播速度v₁之比；n₂为第二介质的折射率，光在真空中的传播速度c与第二介质中的传播速度v₂之比；α为入射角；β为折射角。

折射率与介质的电磁性质及所通过光的波长有关。气体介质的折射率还与温度和压强有关。对各种波长的光，空气折射率都非常接近于1。如在20℃、760mmHg^[2]高时的折射率为1.00027。在工程光学中常把空气折射率当做1，而其他介质的折射率就是对空气的相对折射率。

当光线在玻璃上的入射角α继续增大时，折射角β也继续加大。当大于某一临界值时，如图1-4a中的α₃，光线将完全反射回玻璃，被完全限制在光纤中。可几乎无损耗地传播，如图1-4b所示。

在图1-4b中仅给出了一束光线在玻璃内部全反射传播的情况。实际上，任何以大于临界角入射的光线，都将按全反射的方式在介质内传播。

如果纤芯的直径较粗，则光纤中可能有许多种光束沿不同途径同时传播，这种光纤也称为多模光纤（Multi-mode Fiber）；如果将光纤的纤芯直径减小到光波波长大小的时候，则光纤光在光纤中的传播将没有反射，而沿直线传播，这样的光纤称为单模光纤（Single-mode Fiber）。

光纤的主要传播特性为损耗和色散。损耗是光信号在光纤中传输时单位长度的衰减，其单位为dB/km。色散是到达接收端的时延差，即脉冲宽度，其单位是μs/km。光纤的损耗会影响传输的中继距离，色散会影响数据传输率，两者都很重要。自1976年以来，人们发现1.3μm和1.55μm波长的光纤可以获得0.5～0.2dB/km的衰减率，0.85μm波长的光纤的衰减为3dB/km，多模光纤能使0.85μm波长的光纤的色散从400μm/km减至10μm/km以下。在1.3μm的波长中，单模光纤的色散近于零，所以单模光纤在使用时，可以同时兼得低损耗和低色散两项优点，无中继的距离可达50～100km，数据传输率可达2Gbit/s以上。

目前在实际中用到的光纤系统能以2.4Gbit/s的速率传输100km，而且不需要中继。多模光纤传播距离要短些，数据传输率也小于单模光纤；但多模光纤价格便宜，并且可以用发光二极管作为光源。单模光纤与多模光纤的比较见表1-2所示。

表1-2 单模光纤与多模光纤的比较

光纤结构如图1-5所示。它由包在玻璃管子中的一根或者多根玻璃或者塑料光纤芯线构成，外面的玻璃管子叫做包层。纤芯直径约5～75μm，包层的外直径约为100～150μm。

图1-5 光纤结构

纤芯材料是二氧化硅掺以锗和磷，包层材料是纯二氧化硅。纤芯的折射率比包层的折射率高，以使得光局限在纤芯与包层的界面以内向前传播。

包层之外为涂覆层，由一层或几层聚合物构成，厚度约为250μm，在光纤的制造过程中就已经涂覆到光纤上。它也是光纤的第一层保护（PrimaryBuffer），目的就是增强光纤的机械强度及保护光纤更好地工作，同时又可以隔离外界水汽的侵蚀。

在涂覆层外面还有一层缓冲保护层。它给光纤提供附加保护。在光缆中这层保护分为紧套管缓冲和松套管缓冲两类。

（1）紧套管缓冲

紧套管是直接在涂覆层外加的一层塑料缓冲材料，约650μm，与涂覆层合在一起，构成一个900μm的缓冲保护层。

紧套管缓冲光纤主要用于室内布线。由于它的尺寸较小，所以使用灵活，并在安装过程中允许有大的弯曲半径，使得安装起来比较容易。

（2）松套管缓冲

松套管缓冲光纤使用塑料套管作为缓冲保护层，套管直径是光纤直径的几倍，在这个大的塑料套管的内部有一根或多根已经有涂覆层保护的光纤。光纤在套管内可以自由活动。这种结构可以防止因缓冲层收缩或扩张而引起破坏，并且可以充当承载元件。

光缆由若干条光纤组成。为增大机械强度和刚性，所组成的光缆还包含有一个或几个加强元件。在光缆被牵引的时侯，加强元件使得光缆有一定的抗拉强度，同时还对光缆有一定的支持保护作用。

光缆加强元件有芳纶砂、钢丝和纤维玻璃棒等3种。

此外，光缆护套是光缆的外围部件，它是非金属元件，作用是将其他的光缆部件加固在一起，保护光纤和其他的光缆部件免受损害。

光纤采用光导纤维作传输介质。其优点是频带宽、传输容量大、重量轻、尺寸小、不受电磁干扰和静电干扰、无串音干扰、保密性强、原料丰富，因而已成为当前主要发展的传输介质。但目前的生产成本还较高，且需要高水平的安装技术。所以，其使用还是有所受限制的。

3.无线传输介质

在自由空间，含地球上的大气层，利用电磁波发送和接收信号用的就是无线传输介质。电磁波以频率划分，图1-6所示为各种电磁波与频率的对应关系。

图1-6 各种电磁波与频率对应关系

从实用角度上讲，可用于通信的电磁波只有无线电波、微波及红外线。利用无线传输介质也还可通过移动通信这样的公用资源连网。

（1）无线电波

网络信号可以通过无线电波进行传输。但网络所使用的信号频率要与无线电台使用频率错开。所以，PLC网络用得多只是波长短、强度低的短程视线（line-of-sight）传输。但这样传输，信号会被高的物体阻断，因而其传输距离多受限制。

当铺设电缆成本很高且很困难时，使用无线电通信可以大大节省费用，而且易于安装。无线电通信的缺陷是：网络的传输速率低；使用的频率难以控制，易受到其他无线电信号干扰；自然的障碍物（如山峰）也会减弱或干扰信号的传输。

（2）微波

微波系统的工作方式有两种。其一为地面微波，是在两个定向天线间传输信号。这种传输信号的频率为4～6GHz和21～23GHz。卫星微波是在3个定向天线间传输信号，3个天线之一是空间的一颗卫星。这类传输的频率范围为11～14GHz。

在城市中，采用地面微波进行两个大建筑物之间通信是很好的解决方案。而跨国或在两个洲之间连网，使用卫星通信是较方便的。

这两种类型的微波介质传输速度可达1～10Mbit/s。再高的网络速度是受限制的。微波通信安装和维护的成本也很高。微波传输还极易受到大气环境、恶劣的天气和电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）。

（3）红外线

如同电视机用的遥控设备，红外光也可以用作网络通信的介质。红外线可以沿单方向，也可以沿全方位传播。红外线用LED是Light Emitting Diode（发光二极管）产生的，用光敏二极管来接收。传输频率为光的频率——100GHz～1000THz。

与无线电波相同，在电缆连接比较困难或者在移动用户的情况下，红外线技术是一个成本不高的解决方案。但是，它在定向的通信中，数据传输速率仅能达到16Mbit/s，而在全方位传输时，速率更低，最大仅1Mbit/s。红外线还不能穿越墙壁，而且强光源也会对红外线通信造成干扰。

表1-3为3种无线传输的优缺点比较。而表1-4为几种传输媒体的特性及其应用，是对本节介绍通信媒体的简要总结。

表1-33 种无线传输的优缺点比较

表1-4 几种传输媒体的特性及其应用