2.3 物理层下面的传输媒体
思维导图：
前言：
2.3 物理层下的传输媒体
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**传输媒体概述**：
传输媒体，又称传输介质或传输媒介，它是连接发送器与接收器之间的物理路径，扮演着在这两者之间传递数据的角色。
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**分类**：
传输媒体可以划分为两种主要类型：
1. **导引型传输媒体 (Guided Transmission Media)：** 在这种媒体中，电磁波沿固体媒体（如铜线或光纤）被导向传播。
2. **非导引型传输媒体 (Unguided Transmission Media)：** 这种媒体实际上是指自由空间。在非导引型传输媒体中，电磁波的传播被称为无线传输。
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**电磁波的频谱 (图2-5)**：
电信领域使用的电磁波覆盖了一个非常广阔的频率范围。从图2-5可以看出，电磁波的频谱包括：
- 无线电波段
- 微波
- 红外线
- 可见光
- 紫外线
- X射线
- Y射线
此外，频谱还列出了与特定波段关联的应用和媒体，例如：
- 双绞线
- 同轴电缆
- 地面微波
- 卫星
- 调幅和调频无线电
- 电视
- 光纤
波段则涵盖了从低频 (LF) 到太赫兹波段 (THF') 的范围。
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**总结**：
传输媒体是数据通信的基础。了解不同类型的传输媒体和其特性是选择最适合特定应用的传输媒体的关键。无论是有线还是无线，每种传输媒体都有其优缺点和适用场景。
2.3.1 导引性传输媒体
**2.3.1 导引型传输媒体 - 双绞线**
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**概述**：
- 双绞线，也称双扭线，是最古老并且最常用的传输媒体。
- 它由两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，规则地绞合，用以减少对相邻导线的电磁干扰。
- 主要应用于电话系统，连接用户电话机与交换机，被称为用户线或用户环路(subscriber loop)。
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**类型**：
1. **无屏蔽双绞线 (UTP - Unshielded Twisted Pair)**：
- 外部无额外屏蔽。
- 图2-6(a)展示了其结构。
2. **屏蔽双绞线 (STP - Shielded Twisted Pair)**：
- 外部包裹有金属丝编织的屏蔽层，以提高抗电磁干扰的能力。
- 价格较UTP高。
- 图2-6(b)展示了其结构。
3. **不同的绞合度的双绞线**：
- 例如，5类线与3类线之间的主要区别在于绞合次数。
- 5类线的绞合度比3类线高，如图2-6(c)所示。
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**标准**：
- 1991年，EIA和TIA发布了EIA/TIA-568标准，为商用建筑物电信布线提供指导。该标准后来于1995年更新为EIA/TIA-568-A。
- 这些标准定义了UTP的五个类别，从1类线到5类线。
- 当前最常用的UTP为5类线(Category 5或CAT5)。
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**特性与应用**：
- 表2-1概述了各种绞合线的类别、带宽和典型应用。
- 不同的双绞线适用于不同的应用，从模拟电话到高速数据传输。
- 线缆的衰减随频率的增加而增大，而线缆的最高速率与数字信号的编码方法紧密相关。
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**总结**：
双绞线因其经济性和可靠性而被广泛应用。不同的绞合度和屏蔽层使其适应不同的应用和环境。选择合适的双绞线类别和规格对于满足特定应用的需求至关重要。
**笔记**
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**2. 同轴电缆**
- **组成**：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）和保护塑料外层。
- **特性**：因为外导体屏蔽层，同轴电缆有很好的抗干扰特性，适合高速数据传输。
- **用途**：初期局域网常用同轴电缆。现主要应用在有线电视网的居民小区。
- **带宽**：受电缆质量影响，高质量同轴电缆的带宽已接近1GHz。
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**3. 光缆**
- **发展**：从20世纪70年代到现在，通信和计算机快速发展。通信领域信息传输速率增长显著，从56 kbit/s增长到100 Gbit/s（光纤通信）。
- **光纤通信原理**：通过光导纤维（简称光纤）传递光脉冲进行通信，有光脉冲为1，无为0。
- **光纤组成**：非常透明的石英玻璃拉成的细丝，包含纤芯和包层。纤芯直径8～100μm。
- **光线传输原理**：光从纤芯射到包层时，由于折射率差异，出现全反射，光沿着光纤传输。
- **多模光纤 vs 单模光纤**：
- 多模光纤：多条不同角度入射的光线在光纤内传输，会造成失真，适合近距离传输。
- 单模光纤：光纤直径小，只允许一种模式的光通过，高成本，适合长距离、高速率传输。
- **光纤通信波段**：常用波段为850nm, 1300nm和1550nm。后两种衰减较小，850nm其他特性好。所有波段带宽25000~30000GHz，显示光纤通信容量巨大。
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**图解**：
- **图2-7**：展示同轴电缆的各个组成部分。
- **图2-8**：描述光线在光纤中如何因折射而传播。
- **图2-9**：说明光波在纤芯中的全反射传播方式。
- **图2-10(a)**：多模光纤的示意图。
- **图2-10(b)**：单模光纤的示意图。
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2.3.2 非导引性传输媒体
### 2.3.2 非导引型传输媒体
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**定义：** 非导引型传输媒体，也称自由空间，指的是不使用导引型传输媒体（如电缆）来实现通信的方式，主要利用无线电波在自由空间的传播。
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#### 1. **背景**
- 在某些地形困难的地方，如高山或岛屿，导引型传输可能不适用。
- 在城市中，打开道路安装电缆也可能会遇到挑战。
- 当通信距离非常远时，铺设电缆不仅昂贵而且费时。
#### 2. **社会发展与无线通信**
- 信息技术的发展加快了社会节奏。
- 人们现在不仅需要在移动中进行电话通信，而且还需要在移动中上网。
- 因此，无线电通信在过去的十年中发展迅速。
#### 3. **无线通信频段**
- 无线传输的频段范围很广，从低频到超高频。
- ITU为各个频段提供了正式名称，如低频、中频和高频。
- 在低频以下还有其他频段，但它们不用于通常的通信。
#### 4. **短波通信与微波通信**
- 短波通信主要依赖于电离层的反射，但由于电离层的不稳定性，通信质量可能受到影响。
- 无线电微波通信在数据通信中很重要。它的传播是直线的，并且不能像短波那样通过电离层反射。
- 微波通信分为地面微波接力通信和卫星通信。
#### 5. **微波接力通信的特点**
- 高频率和宽频带提供了大容量。
- 由于主要的干扰源频率比微波低，因此微波通信具有较高的质量。
- 与电缆相比，微波接力通信的投资较少，建设速度较快。
#### 6. **卫星通信**
- 卫星通信的优势在于其远程通信能力。
- 它的主要缺点是较大的传播时延，但这并不意味着数据传输的总时延也很大。
#### 7. **红外与激光通信**
- 使用非导引型媒体。
- 主要用于近距离通信，例如笔记本电脑之间。
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**总结：** 非导引型传输媒体提供了一种无需物理连线即可实现远程通信的方式。无论是在地面上，还是通过卫星，在许多场合都已证明这种通信方式是非常有效和高效的。
总结：
1. **物理层的基本概念**:
- 物理层定义了与网络中的传输介质相关的机械、电气、功能和规程特性。简单地说，物理层主要关注信号在物理媒体上的传输方式。
2. **传输媒体**:
传输媒体通常分为两类：
- 有导传输媒体（如双绞线、同轴电缆、光纤）
- 无导传输媒体（如无线、微波、红外线）
3. **重点**:
- 了解各种传输媒体的特点和应用场景。
- 对于有导传输媒体，理解其不同的标准和分类，例如双绞线可以分为无屏蔽双绞线(UTP)和屏蔽双绞线(STP)。
- 对于无导传输媒体，了解不同的频率带段和其在通信中的作用。
4. **难点**:
- 理解光纤的工作原理和为何它可以实现高速、长距离的传输。
- 理解无线通信中的多径衰减、干扰和其他相关现象。
5. **易错点**:
- 容易混淆不同类型的传输媒体的优缺点。例如，双绞线相比光纤在传输速度和距离上有所限制，但在某些应用中更为经济。
- 在考虑无线通信时，容易忽视物理环境对信号传播的影响，如建筑物、地形等。
