工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教案第1頁課程題目第8講現(xiàn)場總線通信基礎(chǔ)（4）通信的傳輸介質(zhì)、無線傳輸?shù)念愋团c特征課時2學(xué)時教學(xué)目的：1．了解通信介質(zhì)的概念、類型、特性、優(yōu)缺點、應(yīng)用等；2．掌握各通信介質(zhì)的應(yīng)用場合以及無線傳輸?shù)膬?yōu)缺點和應(yīng)用場合。教學(xué)重點與難點：重點：各種通信介質(zhì)的特點和應(yīng)用場合；難點：通信介質(zhì)以及無線傳輸?shù)膬?yōu)缺點。教學(xué)方法與手段：方法：講授法；手段：課堂教學(xué)。教學(xué)內(nèi)容與課時分配：1．通信的傳輸介質(zhì)的概念、特點、優(yōu)缺點對比；1.5學(xué)時2．無線傳輸種類、特點、應(yīng)用。0.5學(xué)時教具：作業(yè)與思考：教學(xué)后記：備注教學(xué)內(nèi)容工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教案第2頁備注教學(xué)內(nèi)容第8講現(xiàn)場總線通信基礎(chǔ)（4）一、傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中發(fā)送器和接收器之間的物理通道。數(shù)據(jù)通信的特點和通信質(zhì)量取決于傳輸介質(zhì)的性質(zhì)以及傳輸信號特點。對于導(dǎo)向介質(zhì)，傳輸特性主要取決于介質(zhì)自身的性質(zhì)。對于非導(dǎo)向介質(zhì)，傳輸特性主要取決于發(fā)送天線生成的信號帶寬。設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要考慮數(shù)據(jù)率和傳輸距離。數(shù)據(jù)率越大、傳輸距離越遠越好。1、設(shè)計因素決定數(shù)據(jù)率和傳輸距離的設(shè)計因素都與傳輸介質(zhì)及信號有關(guān)。帶寬（Bandwidth）；信號的帶寬越寬，能夠達到的數(shù)據(jù)率就越高。傳輸損傷（Transmissionimpairments）；諸如衰減之類的傳輸損傷限制了傳輸?shù)木嚯x；不同導(dǎo)向介質(zhì)，傳輸損傷不同。干擾（Interference）；在頻率重疊的區(qū)域內(nèi)，相互競爭的信號之間會互相干擾，可能導(dǎo)致信號的失真或丟失；干擾在非導(dǎo)向介質(zhì)中尤其值得注意。接收器數(shù)量（Numberofreceivers）。導(dǎo)向介質(zhì)中，可構(gòu)成點對點或者多個設(shè)備相連的鏈路；多個設(shè)備的共享鏈路中，每個連接的設(shè)備都會給這條鏈路帶來不同程度的衰減和失真，故限制了傳輸距離／數(shù)據(jù)率。圖3-60電信用電磁波頻譜2、導(dǎo)向傳輸介質(zhì)（媒體）導(dǎo)向傳輸介質(zhì)的傳輸容量，可以用數(shù)據(jù)率(bps)表示，也可以用帶寬(Hz)表示。主要取決于傳輸距離；也與介質(zhì)是點對點的還是多點有關(guān)；數(shù)據(jù)傳輸常用的三種導(dǎo)向介質(zhì)分別是：3）雙絞線、同軸電纜、光纖。表3-2導(dǎo)向媒體的點對點傳輸特性圖3-61導(dǎo)向傳輸介質(zhì)3、導(dǎo)向傳輸介質(zhì)－雙絞線4、雙絞線－物理性質(zhì)雙絞線由兩根彼此絕緣的銅線組成，這兩根線按照規(guī)則的螺線狀絞合在一起；一對線作為一個通信鏈路使用；將許多這樣的線對捆扎在一起，并用堅硬的、起保護作用的護皮包裹成一根電纜；將線對絞合起來是為了減輕同一根電纜內(nèi)的相鄰線對之間的串音干擾；同一捆中的相鄰線對通常具有不同的絞距，以減少串?dāng)_。5、雙絞線－應(yīng)用雙絞線是最常用的傳輸介質(zhì)；電話網(wǎng)；每部住宅電話機都通過雙絞線與本地電話交換局（或者稱為“端局”）連接，形成“用戶環(huán)路”。在一棟辦公樓內(nèi)；連接到室內(nèi)專用小交換機(PBX)系統(tǒng)或端局的中央設(shè)備上。局域網(wǎng)(LAN)。數(shù)據(jù)率達到10Mbps–1Gbps，甚至10Gbps（100m）。6、雙絞線－傳輸特性模擬傳輸；每5千米到6千米用一個放大器；數(shù)字傳輸；使用數(shù)字或模擬信號；每2千米到3千米用一個轉(zhuǎn)發(fā)器。傳輸距離受到限制；對點對點模擬信號傳輸，帶寬可達1MHz；對于遠距離數(shù)字點到點信號傳輸，數(shù)據(jù)率可以達到幾Mbps；100m雙絞線纜可實現(xiàn)高達10Gbps的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)率；容易受到干擾和噪聲的影響。圖3-62典型導(dǎo)向介質(zhì)的衰減特性7、無屏蔽和屏蔽雙絞線雙絞線有兩種不同的類型：無屏蔽的和屏蔽的。無屏蔽雙絞線（UnshieldedTwistedPair(UTP)）；包含一根或多根雙絞線纜，通常一起包在一個熱塑套管內(nèi)，沒有電磁屏蔽層，容易受外部電磁場干擾；用作數(shù)據(jù)傳輸時，UTP可用于從話音級到局域網(wǎng)里甚高速電纜等各種場合；用于高速局域網(wǎng)時，在一個套管里UTP通常有四對線，每一對的每厘米纏絞數(shù)各不相同，以消除相鄰線對之間的干擾。絞距越小，則支持的傳輸速率越高，每米的造價也越高；普通的電話線；最便宜、使用方便、安裝簡單。屏蔽雙絞線（ShieldedTwistedPair(STP)）；用金屬網(wǎng)罩或護皮將雙絞線屏蔽起來，以減少干擾；在高數(shù)據(jù)率的情況下，性能更好；價格貴，使用不方便。屏蔽雙絞線(STP)不同配置。每一對線獨立地由金屬箔屏蔽，通常被稱為金屬箔雙絞線(FoilTwistedPair，F(xiàn)TP)；管內(nèi)有一層金屬箔或金屬帶覆蓋所有線對（作為一組），這種配置有時被稱為屏蔽的雙絞線（ScreenedTwistedPair,F/UTP）；每一對線有獨立的屏蔽，同時整組線纜還有屏蔽，這被稱為完全屏蔽雙絞線纜或屏蔽的／金屬箔雙絞線(S/FTP)。表3-3雙絞線對的類別和類插入損耗(insertionloss)是指從發(fā)送系統(tǒng)到接收系統(tǒng)鏈路上的衰減(attenuation)。近端串?dāng)_（nearendcrosstalk，NEXT）損耗是指從一對導(dǎo)體到另一對導(dǎo)體上的信號耦合。衰耗串?dāng)_比(AttenuationtoCrosstalkRatio,ACR)，是衡量接收信號強度與同一線對的串?dāng)_比值大小的量度。8、導(dǎo)向傳輸介質(zhì)－同軸電纜同軸電纜也是由兩根導(dǎo)線組成的；由一根空心的圓柱形外導(dǎo)體和柱體內(nèi)部的一根內(nèi)導(dǎo)線組成比雙絞線更不容易受到串?dāng)_和干擾；傳輸距離更長，數(shù)據(jù)率更高，比雙絞線支持更多的站點共享同一鏈路；直徑約為1-2.5cm。圖3-63雙層屏蔽帶懸掛線圖3-64四層屏蔽帶懸掛線9、同軸電纜－應(yīng)用用途廣泛的傳輸介質(zhì)；電視廣播（Televisiondistribution）；有線電視－CableTV。長途電話傳輸；正在逐漸被光纖代替。計算機系統(tǒng)之間的短距離連接；局域網(wǎng)。10、同軸電纜－傳輸特性模擬信號；每隔幾千米使用一個放大器；頻率越高，放大器的間隔越近；有效頻譜可延伸至500MHz。數(shù)字信號。每千米使用一個轉(zhuǎn)發(fā)器；數(shù)據(jù)率越高，轉(zhuǎn)發(fā)器間隔越密。11、導(dǎo)向傳輸介質(zhì)－光纖光纖的外形是圓柱體，由三個同軸部分組成：芯、覆層以及防護罩；芯是最里層的部分，由一個或多個非常纖細的線（纖維）組成，這些纖維由玻璃或塑料制成，直徑在(8~50)之間。每根纖維由自己的覆層包裹：覆層由光特性與芯不同的玻璃或塑料制成，直徑為125。芯和覆層之間的界面作為反射器來限制光線使其不能從芯中逃逸。最外層是防護罩，包裹著一個或一束包有覆層的纖維。防護罩由塑料或其他物質(zhì)構(gòu)成，它位于最外層用來保護其內(nèi)部抵擋潮濕、磨損、碰撞和其他外界環(huán)境中的危險。光纖是一種纖細(2~125)、柔韌并能夠傳導(dǎo)光線的介質(zhì)。有多種玻璃和塑料可用于制造光纖。使用超高純二氧化硅熔絲的光纖可得到最低損耗。12、光纖－優(yōu)勢容量更大；以數(shù)百吉比特每秒的數(shù)據(jù)率傳輸幾十千米的距離。體積更小，重量更輕；衰減更??；隔絕電磁場；不怕沖激噪聲和串?dāng)_之類的干擾；更安全，很難被人搭線竊聽。轉(zhuǎn)發(fā)器的間隔更遠。更低的費用。13、光纖－應(yīng)用長途線路；電話網(wǎng)：20000–60000個話音信道，平均長度1500km。市區(qū)中繼電路；100000個話音信道，平均長度12km。農(nóng)用交換干線電路；低于5000個話音信道，長度范圍（40–160）km。光纖用戶環(huán)路；直接從交換中心連接到用戶的電路；話音、數(shù)據(jù)、圖像和視頻。LANs。容量100Mbps–10Gbps。14、光纖－傳輸特性通過完全內(nèi)部反射（totalinternalreflection）來傳輸編碼信號的光束，光纖系統(tǒng)的頻率操作范圍1014到1015Hz之間；這個范圍覆蓋了紅外線區(qū)和可見光區(qū)的頻譜。多模突變；多個角度發(fā)射；多條傳播路徑，每條路徑的長度不同，通過纖維的時間也不同；短距離傳輸。單模；一個角度，一條傳播路徑，長距離傳輸。多模漸變。芯內(nèi)的光束因為漸變的折射率呈現(xiàn)螺旋狀沿著覆層前進，常用于LAN。圖3-65光纖傳輸模式15、光纖－傳輸特性光源-發(fā)光二極管（LightEmittingDiode(LED)）；比較便宜；工作溫度范圍較寬；壽命長。注入激光二極管（InjectionLaserDiode(ILD)）。效率更高；支持較高的數(shù)據(jù)率；表3-4光纖應(yīng)用的有效頻率二、無線傳輸頻率范圍；微波頻率：1GHz到40GHz，高方向性，點對點傳輸；無線電波區(qū)（廣播無線電）：30MHz-1GHz，全向應(yīng)用；紅外線頻譜：3x1011Hz到2x1014Hz，在特定區(qū)域完成點對點及多點應(yīng)用。非導(dǎo)向介質(zhì)通過天線發(fā)送和接收實現(xiàn)；天線中的概念；各向同性天線，拋物面反射天線，天線增益。1、地面微波拋物面“碟狀”天線；最常見微波天線；電磁波聚集成細波束。應(yīng)用；長途電信服務(wù)：話音和電視；視距內(nèi)傳輸，所需放大器或轉(zhuǎn)發(fā)器比同軸電纜少；點對點建筑物間用于閉路電視和局域網(wǎng)；蜂窩系統(tǒng)。頻譜范圍在（1–40）GHz:頻率越高，帶寬越寬，數(shù)據(jù)率越高。2、衛(wèi)星微波微波接力站；衛(wèi)星從一個頻段接收信號，放大或再生，再從另一個頻段發(fā)送信號；衛(wèi)星要求相對于地球的位置是恒定的；高度（距赤道）為35863km。應(yīng)用；電視廣播，長途電話傳輸，專用商業(yè)網(wǎng)絡(luò)，全球定位。最佳頻率范圍為（1-10）GHz；從一個地球站發(fā)送到另一個地球站接收，大約有0.25s的傳輸時延；天生就是廣播工具。3、廣播無線電全方向性的（Omnidirectional）；應(yīng)用；廣播FM頻段；UHF（特高頻）頻段和VHF（甚高頻）頻段，電視廣播；數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。30MHz到1GHz廣播通信的有效頻段；高于30MHz的傳輸范圍局限于視距范圍；無線電損傷的主要來源是多徑干擾。地面、水域或自然界或人造物體的反射。4、紅外線和無線傳播紅外線；使用發(fā)送器／接收器（收發(fā)器）調(diào)制出不相干的紅外線光即可實現(xiàn)紅外線通信；視距范圍直接傳輸或反射；無法穿透墻體，比較安全，不受干擾；不存在頻率分配問題。無線傳播；從天線發(fā)射出去的信號沿以下三條路徑之一傳播：地波、天波或視距(lineofsight，LOS)。地波傳播:調(diào)幅無線電廣播（AMradio）；天波傳播：BBC和美國之音；視距傳播。5、無線視距傳輸?shù)膿p傷：自由空間損耗；離發(fā)送天線越遠，接收到的信號功率越弱。大氣吸收；主要來自水蒸氣和氧氣；雨和霧引起的散射導(dǎo)致衰減。多徑；信號被障礙物反射沿多條路徑傳播，如通過水域時，風(fēng)使水的反射面運動，導(dǎo)致多徑傳播。折射。大氣層的折射，海拔高度變化或其他大氣層狀態(tài)變化。三、完成工業(yè)通信需考慮/解決的問題：通信設(shè)備/裝置——節(jié)點/站點；通信線——網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)；通信的快慢——通信速率；通信距離——總線長度；網(wǎng)絡(luò)能連多少個節(jié)點；節(jié)點識別——尋址方式；節(jié)點地址有重復(fù)的怎么辦？——重復(fù)MACID檢測；節(jié)點之間連接形式——網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；節(jié)點優(yōu)先級，沖突如何解決——介質(zhì)訪問控制方式；允許數(shù)據(jù)傳輸方向——通信方式；數(shù)據(jù)如何用信號描述——信號編碼；每位數(shù)據(jù)時間的長短——位時間；不