1、Transmission medium and physical layer 計算機以及其他通信設(shè)備用來表示數(shù)據(jù)的信號可以以計算機以及其他通信設(shè)備用來表示數(shù)據(jù)的信號可以以電磁能量電磁能量的形式從一臺設(shè)備傳輸?shù)搅硪慌_通信設(shè)備。的形式從一臺設(shè)備傳輸?shù)搅硪慌_通信設(shè)備。 電磁能量電磁能量是一種電場和磁場震蕩的組合形式，是一種電場和磁場震蕩的組合形式，包括：包括：能量、語音、無線電波、紅外線、可見光、紫外線以能量、語音、無線電波、紅外線、可見光、紫外線以及及X射線、伽瑪射線和宇宙射線，每種形式都對應(yīng)電射線、伽瑪射線和宇宙射線，每種形式都對應(yīng)電磁頻譜的一部分。磁頻譜的一部分。Electromagnetic

2、 Spectrum可以在當(dāng)前的遠程通信領(lǐng)域中應(yīng)用的頻段有：可以在當(dāng)前的遠程通信領(lǐng)域中應(yīng)用的頻段有：語音頻段：語音頻段：通常以電流形式通過雙絞線、同軸電纜通常以電流形式通過雙絞線、同軸電纜等介質(zhì)；等介質(zhì)；無線電波和紅外線：無線電波和紅外線：可以穿過空氣或空間，但需要可以穿過空氣或空間，但需要特殊的發(fā)送和接收裝置；特殊的發(fā)送和接收裝置；可見光：可見光：是最后一個可用的，通過光纜傳輸。是最后一個可用的，通過光纜傳輸。Classes of transmission media傳輸介質(zhì)可以分為兩大類：傳輸介質(zhì)可以分為兩大類：有向的：有向的：沿著介質(zhì)的方向傳播并局限于介質(zhì)內(nèi)；沿著介質(zhì)的方向傳播并局限于介質(zhì)

3、內(nèi)；無向的：無向的：需要一條視線通路，沿直線傳播，適用需要一條視線通路，沿直線傳播，適用于遠距離通信或架設(shè)電纜困難的地方。于遠距離通信或架設(shè)電纜困難的地方。Twisted-Pair CableCoaxial CableFiber-Optic CableTwisted-Pair CableTwisted-Pair Cable一條雙絞線包括兩根導(dǎo)體一條雙絞線包括兩根導(dǎo)體(通常是銅的通常是銅的)，每根有不同顏，每根有不同顏色的塑料外皮。色的塑料外皮。塑料外皮著色塑料外皮著色是為了便于區(qū)別，還用來指示導(dǎo)線屬是為了便于區(qū)別，還用來指示導(dǎo)線屬于哪一對，以及在一捆導(dǎo)線中與其它導(dǎo)線對的關(guān)系于哪一對，以及在一捆

4、導(dǎo)線中與其它導(dǎo)線對的關(guān)系雙絞線的頻率范圍對于傳輸語音和數(shù)字信號都適用。雙絞線的頻率范圍對于傳輸語音和數(shù)字信號都適用。Effect of Noise on Parallel Lines來自其他設(shè)備的電磁干擾會在導(dǎo)線中產(chǎn)生來自其他設(shè)備的電磁干擾會在導(dǎo)線中產(chǎn)生噪聲噪聲。噪聲對于平行導(dǎo)線的干擾程度，根據(jù)距離不同會有噪聲對于平行導(dǎo)線的干擾程度，根據(jù)距離不同會有所不同，從而導(dǎo)致所不同，從而導(dǎo)致負(fù)載不平衡負(fù)載不平衡以及以及信號益損信號益損。Noise on Twisted-Pair Lines通過每隔一定距離交叉一次，兩條導(dǎo)線上總的噪聲影通過每隔一定距離交叉一次，兩條導(dǎo)線上總的噪聲影響就會相同。響就會相同。

5、UTP and STP非屏蔽雙絞線非屏蔽雙絞線UTPUTP：具有易彎曲、易安裝、重量輕等優(yōu)具有易彎曲、易安裝、重量輕等優(yōu)點，且更加獨立和靈活，適用于綜合布線點，且更加獨立和靈活，適用于綜合布線; ; 屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線STPSTP：具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和較好的耐具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和較好的耐腐蝕能力；但由于費用相對較高，不易彎曲布線，且腐蝕能力；但由于費用相對較高，不易彎曲布線，且需要配有支持屏蔽功能的特殊連接器和相應(yīng)的安裝技需要配有支持屏蔽功能的特殊連接器和相應(yīng)的安裝技術(shù)，所以并未真正得到流行。術(shù)，所以并未真正得到流行。 Unshielded Twisted-Pair Cable1是最

6、低檔的，是最低檔的，5是最高檔的，下圖是一個有五對線是最高檔的，下圖是一個有五對線的非屏蔽雙絞線。的非屏蔽雙絞線。 600 MHz 200 MHz 100 MHz 20 MHz 16 MHz 2 MHzvery lowBandwidthLANsDigital 600 Mbps7 (draft)LANsDigital 200 Mbps6 (draft)LANsDigital 100 Mbps5LANsDigital 20 Mbps4LANsDigital 10 Mbps3T-1 linesAnalog/digital2 Mbps2TelephoneAnalog 100 kbps1UseDigit

7、al/AnalogData RateCategoryUTP ConnectorsUTP performanceShielded Twisted-Pair Cable在每一對導(dǎo)線外都有一層金屬箔或是網(wǎng)在每一對導(dǎo)線外都有一層金屬箔或是網(wǎng)格，使電磁噪聲不能穿透進來，以消除來自另一線路格，使電磁噪聲不能穿透進來，以消除來自另一線路上不期望的串?dāng)_干擾。上不期望的串?dāng)_干擾。串?dāng)_：串?dāng)_：一條線路接收了在另一條線路上傳輸?shù)男盘栆粭l線路接收了在另一條線路上傳輸?shù)男盘枙r就會發(fā)生。時就會發(fā)生。Coaxial cableCoaxial cable由于介質(zhì)的傳導(dǎo)方式不同，同軸電纜能夠傳輸比雙絞由于介質(zhì)的傳導(dǎo)方式不同，同

8、軸電纜能夠傳輸比雙絞線更寬的頻率范圍的信號。線更寬的頻率范圍的信號。外層的外層的金屬包層金屬包層既作為屏蔽層又作為導(dǎo)體的一部分構(gòu)既作為屏蔽層又作為導(dǎo)體的一部分構(gòu)成回路。成回路。50 W W50 W W75 W WImpedanceThick EthernetThin EthernetCable TVUseCategory無線電波控制無線電波控制RG編號：編號：表示了一組唯一的物理特性，表示了一組唯一的物理特性，包括內(nèi)層導(dǎo)體的線路規(guī)格、內(nèi)層絕緣體的厚度和類型、包括內(nèi)層導(dǎo)體的線路規(guī)格、內(nèi)層絕緣體的厚度和類型、屏蔽層的組成，以及外包裝的規(guī)格和類型。屏蔽層的組成，以及外包裝的規(guī)格和類型。RG的每一個級

9、別定義的電纜都適用于一種特定功能。的每一個級別定義的電纜都適用于一種特定功能。BNC connectors卡銷式網(wǎng)絡(luò)連接器卡銷式網(wǎng)絡(luò)連接器BNC：只需推入插口并旋轉(zhuǎn)半圈。只需推入插口并旋轉(zhuǎn)半圈。T型連接器：型連接器：允許在細(xì)纜以太網(wǎng)中使用輔助電纜或從允許在細(xì)纜以太網(wǎng)中使用輔助電纜或從主干上引出分支。主干上引出分支。終結(jié)端子：終結(jié)端子：用于總線型拓?fù)渲?，在主干電纜端頭吸收用于總線型拓?fù)渲校谥鞲呻娎|端頭吸收電磁波并消除回聲反射。電磁波并消除回聲反射。Coaxial cable performanceOptical fiber CableBending of light ray折射：折射：當(dāng)光從一

10、種密度的介質(zhì)進入另一種密度的介質(zhì)當(dāng)光從一種密度的介質(zhì)進入另一種密度的介質(zhì)時，由于光的速度發(fā)生了變化導(dǎo)致光線改變了方向。時，由于光的速度發(fā)生了變化導(dǎo)致光線改變了方向。全反射角：全反射角：使折射角達到使折射角達到90的入射角。的入射角。反射：反射：入射角大于全反射角時發(fā)生的現(xiàn)象。入射角大于全反射角時發(fā)生的現(xiàn)象。Optical fiber光纖的光纖的中心中心是玻璃或塑料的芯材，是玻璃或塑料的芯材，外面外面填充著密度相填充著密度相對較小的玻璃或塑料材料。對較小的玻璃或塑料材料。兩種材料的密度差異兩種材料的密度差異必須達到能夠使芯材中的光線只必須達到能夠使芯材中的光線只能反射回來而不能折射入填充材料的程

11、度。能反射回來而不能折射入填充材料的程度。信息信息被編碼成一束以一系列開關(guān)狀態(tài)來代表被編碼成一束以一系列開關(guān)狀態(tài)來代表0和和1的光的光線形式。線形式。Propagation modes多模光纖：多模光纖：多束光線從光源經(jīng)由芯材通過不同的光路多束光線從光源經(jīng)由芯材通過不同的光路傳播，光線在光纜中的傳播模式依賴于芯材的結(jié)構(gòu)。傳播，光線在光纜中的傳播模式依賴于芯材的結(jié)構(gòu)。又可以進一步分為又可以進一步分為階躍模式階躍模式和和漸變模式漸變模式。單模光纖：單模光纖：光線沿水平方向傳播。光線沿水平方向傳播。Multimode Step-Index芯材的密度從中心到邊緣都是一致的。芯材的密度從中心到邊緣都是一

12、致的。階躍：階躍：芯材與邊界處填充材料密度的突然變化。芯材與邊界處填充材料密度的突然變化。在傳播路徑上的差異使得不同的光線在不同的時刻到在傳播路徑上的差異使得不同的光線在不同的時刻到達終點，導(dǎo)致傳輸?shù)男盘柋粋鞑パ舆t達終點，導(dǎo)致傳輸?shù)男盘柋粋鞑パ舆t扭曲扭曲，從而限制，從而限制了數(shù)據(jù)速率并使階躍模式在某些要求精確性的應(yīng)用中了數(shù)據(jù)速率并使階躍模式在某些要求精確性的應(yīng)用中不適用。不適用。Multimode Graded-Index芯材的密度從中心到邊緣是變化的，中心密度最大，芯材的密度從中心到邊緣是變化的，中心密度最大，向外逐漸變小，到達邊界時最小，向外逐漸變小，到達邊界時最小，密度的不斷變化使密度的

13、不斷變化使得光線逐漸彎曲成一條曲線得光線逐漸彎曲成一條曲線。減少了信號通過纜線后的扭曲。減少了信號通過纜線后的扭曲。變化的折射過程使每束光線在一定時間內(nèi)傳播的距離變化的折射過程使每束光線在一定時間內(nèi)傳播的距離不斷變化，導(dǎo)致每隔一定距離不同的光線會相交，將不斷變化，導(dǎo)致每隔一定距離不同的光線會相交，將接收器放到相交段可獲得精確度好得多的重建信號。接收器放到相交段可獲得精確度好得多的重建信號。Type 7100 62.5 50CoreSingle-mode125Multimode, graded-index125Multimode, graded-index125Multimode, graded

14、-index125ModeCladdingFiber ConstructionFiber Light Source傳輸特性：傳輸特性：利用光導(dǎo)纖維傳遞光脈沖來進行的利用光導(dǎo)纖維傳遞光脈沖來進行的, ,有光信有光信號為號為1 1，無光信號為，無光信號為0 0，光信號在光纖中進行，光信號在光纖中進行全反射全反射。光傳輸系統(tǒng)光傳輸系統(tǒng)一般由光源、光纖線路和光探測器組成。一般由光源、光纖線路和光探測器組成。光源：光源：采用采用發(fā)光二極管發(fā)光二極管( (適用于多模光纖適用于多模光纖) )或或半導(dǎo)體半導(dǎo)體激光器激光器( (適用于單模光纖適用于單模光纖) )，在電信號脈沖作用下產(chǎn)，在電信號脈沖作用下產(chǎn)生出光

15、脈沖；生出光脈沖；光纖線路：光纖線路：光脈沖在光纖線路上傳送；光脈沖在光纖線路上傳送；光探測器：光探測器：利用利用光電二極管光電二極管做成光探測器，將檢測做成光探測器，將檢測出的光脈沖還原成電脈沖信號。出的光脈沖還原成電脈沖信號。Fiber-optic cable connectors任何一段芯材未能與另一段光纖或是光敏二極管對齊任何一段芯材未能與另一段光纖或是光敏二極管對齊就會導(dǎo)致信號重新反射回發(fā)送方，而且兩個相連信道就會導(dǎo)致信號重新反射回發(fā)送方，而且兩個相連信道在大小上的任何差異都會導(dǎo)致信號傳播角度的變化。在大小上的任何差異都會導(dǎo)致信號傳播角度的變化。Optical fiber perfo

16、rmanceFiber Light Source噪聲抑制噪聲抑制更小的信號衰減更小的信號衰減更高的帶寬更高的帶寬光纖的缺點：光纖的缺點：費用費用安裝安裝/ /維護維護脆弱性脆弱性Radio WavesMicrowavesInfraredWireless transmission waves無線電波、微波、紅外線無線電波、微波、紅外線Radio Communication Band無線通信波段無線通信波段VHF TV, FM radioSky andline-of-sight30300 MHzUHF TV, cellular phones, paging, satelliteLine-of-si

17、ght300 MHz3 GHzSatellite communicationLine-of-sight330 GHzLong-range radio navigationLine-of-sight30300 GHz330 MHz300 KHz3 MHz30300 KHz330 KHzCitizens band (CB),ship/aircraft communicationSkyAM radioSkyRadio beacons andnavigational locatorsGroundLong-range radio navigationGroundPropagation Types地表傳播

18、、對流層傳播、電地表傳播、對流層傳播、電離層傳播、視線傳播、空間傳播。離層傳播、視線傳播、空間傳播。對流層：對流層：是離地面大約是離地面大約3030英里的大氣層，充滿空氣；英里的大氣層，充滿空氣；電離層：電離層：在對流層之上而在太空之下的大氣層，充滿在對流層之上而在太空之下的大氣層，充滿電離的離子。電離的離子。無線電波的傳播通無線電波的傳播通過大氣的最低層進行，緊靠地過大氣的最低層進行，緊靠地球表面，信號從發(fā)送天線向各球表面，信號從發(fā)送天線向各個方向發(fā)出后就會沿著地球表個方向發(fā)出后就會沿著地球表面呈曲線傳播。面呈曲線傳播。傳播距離取決于信號能量。傳播距離取決于信號能量。Propagation

19、Types信號以直線形式從一根天線發(fā)送到另一根天線了；信號以直線形式從一根天線發(fā)送到另一根天線了；要求接收方和發(fā)送方在視線所及的范圍內(nèi)。要求接收方和發(fā)送方在視線所及的范圍內(nèi)。信號以一定角度向?qū)α鲗拥妮^高層次廣播，然后反信號以一定角度向?qū)α鲗拥妮^高層次廣播，然后反射回地面。射回地面?？梢愿采w更遠的距離?？梢愿采w更遠的距離。更高更高頻的無線電波向上頻的無線電波向上發(fā)射到電離層并由發(fā)射到電離層并由該層反射回地面。該層反射回地面?？梢暂^低的能量可以較低的能量傳播更遠的距離傳播更遠的距離Propagation methods甚高頻信號直接從一根天線直線傳輸?shù)搅砩醺哳l信號直接從一根天線直線傳輸?shù)搅硪桓炀€

20、，天線必須是一根天線，天線必須是有方向的有方向的，并且是，并且是相向的相向的。由于無線電波的傳輸并不能完全聚焦，因此視線傳由于無線電波的傳輸并不能完全聚焦，因此視線傳播實質(zhì)是不可能的。播實質(zhì)是不可能的。Radio waves are used for multicast communications, such as radio and television, and paging systems.Terrestrial Microwave微波需要視線傳播的發(fā)送和接收設(shè)備，信號傳輸?shù)母参⒉ㄐ枰暰€傳播的發(fā)送和接收設(shè)備，信號傳輸?shù)母采w范圍主要依賴于天線的高度蓋范圍主要依賴于天線的高度( (將塔建

21、在山上將塔建在山上) )。微波一次只能沿一個方向傳輸，因此需要兩種頻率來微波一次只能沿一個方向傳輸，因此需要兩種頻率來支持雙向傳輸，每種頻率都有自己的發(fā)送和接收器。支持雙向傳輸，每種頻率都有自己的發(fā)送和接收器。將天線接收的信息重新轉(zhuǎn)化成可以發(fā)送的形將天線接收的信息重新轉(zhuǎn)化成可以發(fā)送的形式式( (使用使用新頻率新頻率或或老頻率老頻率) )，并轉(zhuǎn)發(fā)到下一個天線。，并轉(zhuǎn)發(fā)到下一個天線。為大多數(shù)當(dāng)代的全球電話系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。為大多數(shù)當(dāng)代的全球電話系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。Parabolic Dish Antenna按照拋物面的幾何按照拋物面的幾何形狀制造的，每一形狀制造的，每一條和對稱軸平行的條和對稱軸平行的直

22、線直線( (視線視線) )在經(jīng)過在經(jīng)過拋物面反射后都聚拋物面反射后都聚焦在一個叫做焦點焦在一個叫做焦點的共同點上。的共同點上。像一個像一個漏斗漏斗，把大范圍內(nèi)的電波，把大范圍內(nèi)的電波集中起來并將它們定向到一點上。集中起來并將它們定向到一點上。通過這種方式能比采用單點形的天線對信號恢復(fù)的通過這種方式能比采用單點形的天線對信號恢復(fù)的更多。更多。信號的發(fā)出是通過指向碟形面的喇叭天線的。信號的發(fā)出是通過指向碟形面的喇叭天線的。Horn Antenna像一個巨大的像一個巨大的勺子勺子，向外傳輸從桿，向外傳輸從桿部廣播上來，并經(jīng)曲面形頭部偏轉(zhuǎn)后形成一系列緊密部廣播上來，并經(jīng)曲面形頭部偏轉(zhuǎn)后形成一系列緊密的

23、平行波束向外發(fā)送；接收的傳輸信號經(jīng)過勺狀頭部的平行波束向外發(fā)送；接收的傳輸信號經(jīng)過勺狀頭部的聚焦后向下偏轉(zhuǎn)到桿部。的聚焦后向下偏轉(zhuǎn)到桿部。Microwaves are used for unicast communication such as cellular telephones, satellite networks, and wireless LANs.Satellite Communication像有一個軌道衛(wèi)星作為一個中繼站的視線像有一個軌道衛(wèi)星作為一個中繼站的視線微波傳播，基本原理和地面微波一樣，只是用衛(wèi)星作微波傳播，基本原理和地面微波一樣，只是用衛(wèi)星作為超高天線和轉(zhuǎn)發(fā)器，提供遠

24、距離通信的能力。為超高天線和轉(zhuǎn)發(fā)器，提供遠距離通信的能力。Geosynchronous Orbit為保正持續(xù)為保正持續(xù)通信通信, ,衛(wèi)星必須與地球同步運衛(wèi)星必須與地球同步運行行, ,這種衛(wèi)星稱為地球同步衛(wèi)這種衛(wèi)星稱為地球同步衛(wèi)星。星。軌道運行速度由衛(wèi)星離地面軌道運行速度由衛(wèi)星離地面的距離決定，所以只有一條位的距離決定，所以只有一條位于距離地面于距離地面2200022000英里的位于英里的位于赤道平面的赤道平面的同步軌道同步軌道。為衛(wèi)星保留的頻帶在千兆赫區(qū)域內(nèi)，為衛(wèi)星保留的頻帶在千兆赫區(qū)域內(nèi)，每一顆衛(wèi)星使用兩個波段，分別用于發(fā)送和接收。每一顆衛(wèi)星使用兩個波段，分別用于發(fā)送和接收。衛(wèi)星頻帶的分配情

25、況見書表衛(wèi)星頻帶的分配情況見書表7 72 2。Cellular System蜂窩電話是為在蜂窩電話是為在兩個移動設(shè)備之間兩個移動設(shè)備之間、或在、或在一個移動單一個移動單元和固定單元之間元和固定單元之間建立穩(wěn)定的通信連接而設(shè)計的。建立穩(wěn)定的通信連接而設(shè)計的。Cellular Bands移動電話和基站間的模擬通信采用調(diào)頻技術(shù)移動電話和基站間的模擬通信采用調(diào)頻技術(shù). .824824849MHz849MHz波段：波段：用于移動電話發(fā)起的通信。用于移動電話發(fā)起的通信。869869894MHz894MHz波段：波段：用于固定電話發(fā)起的通信。用于固定電話發(fā)起的通信。載波頻率之間間隔載波頻率之間間隔30KHz

26、30KHz，每個波段可支持，每個波段可支持833833個載波，個載波，但全雙工通信需要兩個載波頻率，因此每個波段有但全雙工通信需要兩個載波頻率，因此每個波段有416416個信道可用個信道可用。為防止干擾，每個蜂窩單元分配的信道與臨近單元分為防止干擾，每個蜂窩單元分配的信道與臨近單元分配的信道不同，則每個蜂窩單元只能使用配的信道不同，則每個蜂窩單元只能使用4040個信道個信道。蜂窩單元的大小可以根據(jù)區(qū)域內(nèi)的人口增大或減小。蜂窩單元的大小可以根據(jù)區(qū)域內(nèi)的人口增大或減小。蜂窩單元的傳輸能量保持在低水平以免干擾其他單元。蜂窩單元的傳輸能量保持在低水平以免干擾其他單元。Cellular為了從移動電話發(fā)出

27、一次呼叫為了從移動電話發(fā)出一次呼叫呼叫方輸入呼叫方輸入7 7位或位或1010位數(shù)字位數(shù)字( (電話號碼電話號碼) )，并按下發(fā)送，并按下發(fā)送移動電話機掃描波段尋找具有最強信號的連接建立通道移動電話機掃描波段尋找具有最強信號的連接建立通道把數(shù)據(jù)發(fā)送到使用這個連接建立信道的最近基站把數(shù)據(jù)發(fā)送到使用這個連接建立信道的最近基站基站將數(shù)據(jù)發(fā)到移動電話交換局基站將數(shù)據(jù)發(fā)到移動電話交換局MTSOMTSOMTSO將數(shù)據(jù)發(fā)送到中央電話站，如果被叫方允許呼叫就將數(shù)據(jù)發(fā)送到中央電話站，如果被叫方允許呼叫就建立一條連接并將結(jié)果返回給建立一條連接并將結(jié)果返回給MTSOMTSO為這次呼叫分配一個空閑信道并建立這個連接為這

28、次呼叫分配一個空閑信道并建立這個連接移動電話自動調(diào)整到新的信道并開始語音通信移動電話自動調(diào)整到新的信道并開始語音通信Cellular固定電話撥打移動電話時固定電話撥打移動電話時中央電話站把號碼發(fā)送給中央電話站把號碼發(fā)送給MTSOMTSOMTSOMTSO通過一個叫做通過一個叫做頁面調(diào)整頁面調(diào)整的過程，向每個蜂窩單元發(fā)的過程，向每個蜂窩單元發(fā)送查詢信號，來尋找移動電話的位置送查詢信號，來尋找移動電話的位置一旦移動電話被找到，一旦移動電話被找到，MTSOMTSO就向該移動電話發(fā)送一個震就向該移動電話發(fā)送一個震鈴信號鈴信號當(dāng)移動電話應(yīng)答時，當(dāng)移動電話應(yīng)答時，MTSOMTSO就為本次呼叫分配一個信道，就為本次呼叫分配一個信道，允許開始語音通信允許開始語音通信Cellular談話過程中移動電話從一個蜂窩單元