网络传输中几种物理介质的比较与选择

2022-09-10

传输介质是数据传输系统中发送装置与接收装置之间的物理媒体。随着计算机功能发展的突飞猛进, 使它在各行各业产生了深刻影响和变革。人们越来越强调综合利用多媒体, 网络通迅等新技术, 而任何信息的传输都离不开传输的介质。现有多种网络传输介质, 各自都有着其独特的物理特性。下面对几种常用的有线传输介质的性能加以比较, 并对它们的选择与应用范围加于说明。

1 光纤

1.1 结构与特点

光纤的芯由导光性较好的玻璃纤维或塑料制成, 芯的外面是涂覆层, 最外层是塑料保护层, 如图1所示。通常在保护外层和涂覆层之间还有空隙, 其中可以填充细线或泡沫, 也可以用环状物隔离并充以油料等。光纤的核心在于其中心由玻璃纤维或塑料制成的纤芯, 它是光波的通道。涂覆层的折射率与纤芯的不同, 从而将光线反射回纤芯内部, 同时也避免来自其它光源的干扰。根据光线在纤芯中的传输方式, 可以把光纤分为两类:单模光纤和多模光纤。

单模 (Single mode) 光纤:光线在其中以直线方式前进, 频率单一。其芯径小于10um, 只传输一种颜色的光。

多模 (Multi mode) 光纤:光线以波浪式传输, 多种频率共存。其芯径多在50um以上, 涂覆层直径则在100um~600um之间, 可同时传输几种颜色的光。

光纤中传输的是光波而非电磁波, 因此在发送端首先要将电信号转换成光信号再送入光纤中, 在接收端将光信号检测出来, 重新将其转换为电信号。在发送端和接收端都有相应的电~光或光~电转换设备, 发送端的称为传送单元, 完成将电信号 (数字的或模拟的) 转换为光信号的任务;接收端的称为接收单元, 完成将光信号变成电信号 (数字的或模拟的) 的任务。

对于单模和多模光纤, 由于其中传输的光波形式不同, 所以它们的发光设备也不同。单模光纤使用激光二极管 (Laser Di ode) 作为注入光源, 多模光纤则使用发光二极管 (Light Emitting Diode) 作为注入光源, 两者特性如下:发光二极管传输率低;功率输出低;寿命长;温度敏感性低。激光二极管传输率高;功率输出高;寿命短;温度敏感性高。

1.2 光纤的性能

光纤用全内反射来传输信号, 即已编码的光束。全内反射可出现在折射率大于周围媒体的折射率的任意透明媒体中。事实上, 光纤在1014Hz~1015Hz频率范围内起一波导作用, 这一频率范围覆盖了可见光谱和部分红外光谱。来自光源的光进入圆柱形的玻璃或塑料纤芯, 其中较小角度的入射光线被反射并沿光纤传播, 其余光线被周围媒体吸收, 这种传播方式叫做多模 (系指多个反射角) 方式。当纤芯半径降低到波长的量级时, 只有单个角度或单个模, 即只有轴向光束能通过。由于下面的原因, 单模方式较多模方式有更优越的性能。多模传输时光存在多个传播路径, 由于每一路径的长度不同, 因此光通过光纤所使用的时间亦不同, 这使信号码元到达接受端的时刻不一致, 就产生所谓的“模间色散”, 而模间色散会限制能准确接收数据的速率。而单模方式只存在单个传输途径, 因此不会出现模间色散。通过改变纤芯的折射率, 就可形成第三种传输方式, 即所谓的“梯度折射率多模”方式。这种方式的特性介于其它两种之间, 使光束聚焦的作用比普通多模 (阶跃折射率多模) 方式更有效。如三类光纤的区别:阶跃折射率多模光源LED或激光器;带宽宽 (高达200mHz/km) ;拼接困难;典型应用计算机数据链路;成本最低;纤芯直径50um~125um;包层直径125um~140um。梯度折射率多模光源LED或激光器;带宽很宽 (200mHz~3GHz/km) ;拼接困难;典型应用中等长度电话线路;成本较贵;纤芯直径50um~125um;包层直径125um~140um。单模光源激光器;带宽极宽 (3 G H z/k m~50GHz/km) ;拼接困难;典型应用远程通信长途线路;成本最贵;纤芯直径2um~8um;包层直径15um~60um。由此可以看出光纤的传输能力远远超过同轴电缆或双绞线的传输能力。

过去, 光纤传输使用单一的载波频率。现在采用FDM系统成为可能, 这种系统也称为波分割多路复用系统。

1.3 光纤的适用范围与选择

现今光纤通信中使用的单模光纤主要有G653, G654, G655及色散补偿光纤等。在光纤通信工程中应综合光纤特点, 传输速率, 使用场合, 经济成本及发展趋势等因素, 合理选择好光纤。为此我们提出以下几条有关光纤选用的原则。

1.3.1 工作波长

光纤通信系统的设计存在两种情况:新建系统和系统扩容。对于新建系统, 既可选择光纤的种类, 又可选择工作波长;而对于扩容系统 (一般多为G652光纤系统) 只能选择工作波长。G652光纤工作在1550nm窗口时衰减少且具有EDFA供选用, 但在1550nm窗口, 其色散大, 不利于高速系统的长距离传输。G653光纤工作在1550nm窗口时其色散为零, 但它在波分复用时会出现四波混频效应, 故其被限用于单信道高速系统。G655光纤工作在1550nm窗口时衰减小且色散小, 大大减小了四波混频效应, 故可用于远距离波分复用高速系统。

鉴于上述, 新建系统在传输速率和价格允许的条件下, 应优先选用G655光纤。G653光纤在1550nm窗口色散为零, 但它在波分复用时会出现四波混频效应, 故其只适用长距离单信道系统, 一般新建系统不推荐选用G653光纤。扩容系统应将原系统的G652光纤的工作波长选择到1550nm波长, 可用色散补偿方法来解决其色散问题。

1.3.2 衰减和非线性

衰减是限制系统中继距离的主要因素, 特别是高速系统, 由于接收灵敏度大大降低, 使得光功率预算更紧张。对于采用波分复用和光纤放大器的高速系统, 应优先选用G655光纤和G652光纤, 在选用光纤工作波长时, 应尽量选在零色散波长上, 例如G652光纤应选1310nm, 但其衰减系数略大。要想利用1550nm窗口衰减和色散小的特点, 则可选用G653光纤。当利用密集波分复用时, 则可选用G655光纤。

由光纤高分子材料、复合材料及金属材料共同构成的光缆, 除了能传输的信息容量大、传输性能好外, 还有以下几个优点及缺点: (1) 频带较宽、电磁绝缘性能好。光纤电缆中传输的是光束, 由于光束不但不受外界电磁干扰的影响, 而且本身也不向外辐射信号, 因此它适用于信息的长距离传输以及要求高度安全的场合。当然, 抽头拼接困难是它固有的缺点。 (2) 衰减较小, 在较长距离和范围内信号的幅值几乎不变。 (3) 中继器的间隔较大, 因此可以减少整个通道中继器的数目, 可降低成本。根据贝尔实验室的测试, 当数据的传输速率为420Mbps, 且距离为119公里无中继器时, 其误码率约为10~8, 可见其传输质量很好, 而同轴电缆和双绞线每隔几千米就需要接一个中继器。

在使用光缆互联多个小型机的应用中, 必须考虑光纤的单向特性, 若要进行双向通信那就应使用双股光纤。

2 同轴电缆

2.1 结构

同轴电缆 (Coaxial cable) 是由两个同心的导体组成, 中心为一导体, 其外有一与之同心的金属丝网, 在两者之间有绝缘材料的填充, 最外层是橡胶或塑料增强层, 如图2所示。

2.2 性能

同轴电缆性能指标中有一项是特性阻抗, 其单位为欧姆 (Ω) 。若两段电缆的特性阻抗不匹配, 信号传输时会在接头处产生反射和折射, 形成很强的噪声, 所以必须使用特性阻抗相同的电缆互相连接。在网络两端也必须接上匹配的终端电阻吸收电信号, 否则由于电缆与空气特性阻抗的不同也会产生反射和折射, 使网络不能使用。与空间无线电和电视广播一样, 在C A T V电缆上可以传送模拟视频和音频信号, 每个电视信道需要分配6MHz的带宽, 每个无线电信道需要的带宽大大低于这个带宽, 因此, 使用FDM可在一条电缆上荷载大量的信道, 电缆的频带被划分成信道, 每条信道均可传送模拟信号。除传送上面提到的模拟信号外, 也可用于传送数字信号。对于数字信号, 有多种调制方法, 包括ASK、FSK、和P S K。调制解调器的效率决定了给定数据速率下所需要的带宽。

2.3 适用范围

同轴电缆多用于设备到设备的连接, 它总是成一线配置, 有时称为主干电缆。50Ω电缆专用于数字信号传输, 一般使用曼期特编码, 数据速率可达到10Mb/s。CATV电缆可用于模拟和数字信号, 对于模拟信号, 频率高达300~400MH是可能的。一种好的经验是:对于5Mb/s和更高的传输速率, 可设定为1Hz/ps;对较低速率则可设定为2Hz/ps。同轴电缆按其直径可分为粗缆和细缆两种。粗缆直径为10mm, 细缆直径为5mm。除了按直径分类外, 同轴电缆还有多种规格, 常用的有以下几种。

RG~11:用于粗以太网中, 阻抗为50Ω, 适用于传输数字信号。

RG~58:用于细以太网中, 阻抗为50Ω。

RG~59:这是一种宽带传输电缆, 常用于有线电视网中, 数字或模拟信号都可以传输, 带宽50MHZ, 常称为CATV电缆, 阻抗为75Ω。

3 双绞线

3.1 结构及其特点

双绞线是由有规则的螺旋状缠绕的两根绝缘导线组成的, 导线是铜线或镀铜的钢线, 铜提供良好的导电性, 钢可以用来增加机械强度。一对线对起单条通信链路的作用, 一般将很多对线对一起装在一个坚硬的保护外套内, 以构成一条多芯电缆。单个线对绞在一起可减少线对之间的电磁干扰。双绞线可分为无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线两种。

无屏蔽双绞线:无屏蔽双绞线是将多对双绞线集中起来, 并在外面包上一层塑料增强层而形成的, 如图3所示。

屏蔽双绞线:与无屏蔽双绞线相比, 屏蔽双绞线在双绞线束外面还包上一层金属丝网, 如图4所示。这层丝网的主要作用是为了增强其抗干扰性, 同时可以在一定程度上改善带宽特性。

3.2 双绞线的特性

双绞线能较容易地实现点到点的信号传输, 线对可用来传输模拟信号和数据信号。对于模拟信号约每5km~6km要有一个放大器;对于低频数字信号, 每2km~3km需用一个转发器。线对最普通的用途是用于话音模拟信号的传输, 虽然话音的频率分辨率为20Hz, 但是再现可理解的话音仅要求一个非常窄的频带。全双工话音信道的标准带宽为300MHz~400MHz, 在单个线对上, 使用频分复用 (FDM) 时, 可复用多条话音通道。每条信道占用4KHz的带宽, 以提供信道之间的间隔。使用带宽高达268KHz的双绞线, 可提供高达24路的话音信道。使用调制解调器可在模拟话音信道上传输数据, 现在调制解调器可达到56Kbps的速率。

3.3 双绞线的选用

双绞线在选用时应该注意:越粗的导线则线路上信号的衰减越小。传输高速率信号时, 双绞线不如光纤, 但它有布线容易、接口便宜等优点, 因此在短距离传输的场合 (在楼宇内部) 特别适合, 直接传输距离一般控制在100m以内, 速率低的传得远一点, 速率高的传得近一些。当然可以经过集线器或交换机的中继后, 再多传几百米的距离, 所以双绞线一般是用于室内局域网络的布线中。

摘要：文章介绍了几种常用的有线传输介质的基本结构、性能和特点, 并进行比较及选择, 还对它们适用范围提供一些见解。

关键词：网络传输,光纤,同轴电缆,比较,选择