计算机网络——物理层（​ 物理层下面的传输媒体）

目录

物理层下面的传输媒体

电信领域使用的电磁波的频谱

导引型传输媒体

双绞线（Twisted Pair）

 双绞线标准

同轴电缆

光纤

光纤的工作原理

 多模光纤与单模光纤

光纤的优点

非导引型传输媒体

微波

 地面微波接力通信

卫星通信

无线局域网使用的 ISM 频段

其他无线电波

 红外线与可见光

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物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接受器之间的物理通路。

传输媒体可以分为两大类，即导引型传输媒体和非导型传输媒体。
 

在引导型传输媒体中，电磁波被引导沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。

非导引型传输媒体就是指自由空间。在非导引型传输媒体中，电磁波
的传输常称为无线传输。

电信领域使用的电磁波的频谱

导引型传输媒体

双绞线（Twisted Pair）

最常用的传输媒体。模拟传输和数字传输都可以使用
双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。

绞合可减小对相邻导线的电磁干扰。

通常多根双绞线再绞合成双绞线电缆

– 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)

对于 STP，根据是对整个双绞线电缆进行屏蔽，还是对每一对双绞线进行屏蔽，以及是用铝箔屏蔽层还是铜编织层，又可分为多种类型。

– 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)

 双绞线标准

1991 年，美国电子工业协会 EIA 和电信行业协会联合发布了一个用于室内传送数据的无
屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的标准 EIA/TIA-568 ，并且每隔数年就会更新一次标准。

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）及保护塑料外层所组成。

有比双绞线高得多的带宽和更好的抗干扰特性，可以达到1 GHz的带宽。

同轴电缆曾广泛用于电话系统的长途线路和局域网中，目前同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区中。

光纤

 

光纤是光纤通信的传输媒体。光纤通信就是利用光导纤维（简称为光纤）传递光脉冲来进行通信。

可见光的频率非常高，约为 10 5 GHz 的量级。

光纤非常细，连包层一起的直径也不到0.2 mm。因此必须将光纤做成很结实的光缆。一根光缆少则只有一根光纤，多则可包括数十至数百根光纤，再加上加强芯和填充物就可以大大提高其机械强度。

光纤的工作原理

 多模光纤与单模光纤

 

单模光纤制造成本较高，光源要使用昂贵的半导体激光器，而不能使用较便宜的发光二极管。

单模光纤的衰耗较小，在 2.5 Gbit/s或 10 Gbit/s的高速率下可传输数十公里而不必采用中继器。

光纤的优点

通信容量非常大

传输损耗小，在远距离传输时更加经济。

抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。

无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。

体积小，重量轻。例如，1 km长的1000对双绞线电缆约重8000 kg，而同样长度但容量大得多的一对两芯光缆仅重100 kg。

非导引型传输媒体

使用导引型传输媒体，当通信距离很远时，敷设缆线既昂贵又费时。

无线传输使用非导引型传输媒体，无需敷设缆线，简单便捷，但容易被干扰，保密性差。

无线传输可使用的频段很广，例如短波、超短波、微波、红外线、可见光等等。

 不同频段电磁波进行无线通信时穿越障碍物、传输距离和传输带宽的能力有所不同。

微波

微波是无线数据通信最主要使用的频段，其频率范围为300 MHz ~ 300GHz（波长1 mm~ 1 m），但目前使用最多的在2 ~ 40 GHz的频率范围。

 微波波段频率很高，其频率范围也很宽，因此其通信信道的容量很大。

微波在空间主要是直线传播。

远距离微波通信主要有两种主要的方式，即地面微波接力通信和卫星通信。

 地面微波接力通信

微波在空间直线传播，在地面上的传播距离受到限制，一般只有50 km左右。

为实现远距离通信必须在通信终端之间建立若干个中继站。中继站把前一
站送来的信号经过放大后再发送到下一站，故称为“接力”。

相邻中继站之间必须直视，不能有障碍物。微波的传播会受恶劣气候影响。

卫星通信

卫星通信利用人造地球卫星作为中继站，转发或反射无线电波，在两个或多个地球
站之间进行的通信。

使用同步地球卫星时，只要在地球赤道上空的同步轨道上，等距离地放置3颗相隔
120°的卫星，就能基本实现全球通信。

最大特点是通信距离远，通信费用与通信距离无关，传播时延大。

低轨卫星相对于地球不是静止的，为了提供对一个区域的连续覆盖，低轨道卫星通信系统需要在轨道上放置多颗卫星。

低轨道卫星离地球很近，轻便的手持通信设备都能够利用卫星进行通信。

无线局域网使用的 ISM 频段

无线局域网和蜂窝网主要使用的也是微波频段。

无线蜂窝网使用的频段，通常必须得到有关无线电频谱管理机构的许可证。

无线局域网使用无需许可证的ISM频段。ISM是Industrial, Scientific, and Medical（工业、科学与医药）的缩写，即所谓的 “工、科、医频段”。

 

其他无线电波

无线电波通常指频率低于300 GHz的电磁波，除了微波外，主要还包括频率比微波更低的长波（LF）、 中波（MF）、短波（HF）和超短波（VHF）。

长波和中波有较强的绕射能力，主要沿着地球表面传播，并且不容易被建筑物遮挡，但通信带宽太低，用于特殊通信场景。

短波主要靠电离层反射进行通信。短波信道频带窄，传输速率不高，通信质量较差。由于通信距离远，电台机动性高，在军事通信领域中具有重要的应用价值。

超短波主要依靠空间直射波传播（只有有限的绕射能力）。超短波电台与短波电台相比，具有通信频带宽大、信号稳定等优点，是军队近距离无线电通信的主要装备。

 红外线与可见光

红外线与可见光由于不能绕过或穿透障碍物，利用直线传播进行通信。具有不受电磁干扰、传输带宽高的特点，无需向频谱管理机构申请。

红外线通信广泛应用于家电遥控器、手机、笔记本电脑等短距离通信领域。

可见光通信已开始在新一代无线局域网、第五代蜂窝移动通信（5G）以及物联网中得到应用。

大气激光通信具有通信容量大、保密性强的优点，限于视距，易受天气影响。

空间激光通信，传输损耗小，传输距离远，通信质量高，用于卫星间通信。