《計算機數(shù)據(jù)通信》課件第4章

第4章數(shù)據(jù)傳輸信道4.1恒參信道和隨參信道

4.2有線信道

4.3光纖通信

4.4無線通信4.5微波信道4.6衛(wèi)星信道4.7紅外通信技術(shù)4.8傳輸信道的選擇

信道是用來表示向某一方向傳送信息的媒體。一般來說,一條通信線路應(yīng)包含兩條信道,一條用于發(fā)送信號,另一條用于接收信號。與信號的分類相似,信道也可分為適合傳送模擬信號的模擬信道和適合傳送數(shù)字信號的數(shù)字信道兩大類。計算機數(shù)據(jù)通信通過傳輸信號的方式來達(dá)到傳輸數(shù)據(jù)的目的。這些信號以電磁能量的形式從一臺設(shè)備傳輸?shù)搅硪慌_設(shè)備。電磁信號能夠穿越真空、空氣或者其他傳輸介質(zhì)。

圖4.1電磁波的頻譜功能

電磁能量是一種電場和磁場震蕩的組合形式,它包括各種頻率的能量，其表現(xiàn)形式較多，如：語音、無線電波、紅外線、可見光、紫外線以及X射線、γ射線和宇宙射線等形式。每一種形式都對應(yīng)一部分電磁頻譜,如圖4.1所示。但是并不是所有的頻譜都能用在當(dāng)前的遠(yuǎn)程通信技術(shù)中,目前我們可以用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的頻段和介質(zhì)也只有有限的幾類。語音頻段的信號通常以電流的形式通過諸如雙絞線或同軸電纜傳輸。無線電波可以穿越空氣或者空間,但是需要特殊的傳輸和接收機制。

4.1

恒參信道和隨參信道

4.1.1恒參信道

1.定義恒參信道:通常我們將參數(shù)變化較慢,對數(shù)據(jù)通信影響較小的信道即參數(shù)恒定不變的信道稱為恒參信道。一般的有線信道就屬于恒參信道。由于恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懯枪潭ú蛔兓蛘咦兓瘶O為緩慢的,因而可以認(rèn)為它等效于一個非時變的線性網(wǎng)絡(luò)。所以,在原理上只要得到這個網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性,利用信號通過線性系統(tǒng)的分析方法,就可求得調(diào)制信號通過恒參信道后的變化規(guī)律。

2.傳輸特性通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性通?？捎梅?頻率特性和相位-頻率特性來表征。在理想狀況下,信道對被傳輸信號的所有頻率分量均應(yīng)一視同仁、正常傳輸,但在實際系統(tǒng)中,由于信道性能的影響,被傳送的信號會發(fā)生畸變。歸納起來有幅度-頻率畸變和相位-頻率畸變兩種。

恒參信道通常用幅度-頻率特性及相位-頻率特性來表述。而這兩個特性的不理想是造成傳輸信號失真的重要因素。當(dāng)然,也還存在其他因素會對傳輸信號產(chǎn)生影響,例如非線性畸變、頻率偏移及相位抖動等。非線性畸變主要是由信道中的元器件(如磁芯、電子器件等)的非線性特性引起的,會造成諧波失真或產(chǎn)生寄生頻率等;頻率偏移通常是由于載波電話系統(tǒng)中接收端解調(diào)載波與發(fā)送端調(diào)制載波之間的頻率有偏差,而造成信道傳輸信號的某一分量產(chǎn)生的頻率變化;相位抖動主要是由調(diào)制和解調(diào)載波發(fā)生器的不穩(wěn)定性造成的,這種抖動的結(jié)果相當(dāng)于發(fā)送信號附加了一個小指數(shù)的調(diào)頻。以上的非線性畸變一旦產(chǎn)生,一般均難以消除。這就需要在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時從技術(shù)上加以重視,力爭將非線性畸變減到最小。

4.1.2隨參信道

1.定義隨參信道:通常將參數(shù)變化較快,其變化足以影響信號傳輸?shù)男诺兰磪?shù)隨時變化的信道稱為隨參信道,也叫變參信道。一般的無線信道參量隨時變化,就屬于隨參信道。隨參信道的特性比恒參信道要復(fù)雜得多,對信號的影響也要嚴(yán)重得多。其根本原因在于它使用了一個復(fù)雜的傳輸媒介。雖然隨參信道中也包含著除媒介外的其他轉(zhuǎn)換器,自然也應(yīng)該把它們的特性算作隨參信道特性的組成部分,但是從對信號傳輸影響的程度來看,傳輸媒介的影響是主要的,而轉(zhuǎn)換器特性的影響是次要的,甚至可以忽略不計。2.特點隨參信道具有如下特點：(1)對信號的衰耗隨時變化；(2)傳輸時延隨時變化；(3)具有多徑傳播(多徑效應(yīng))。

3.多徑傳播多徑傳播:由發(fā)射端發(fā)送的信號沿著多條途徑到達(dá)接收端的傳播稱為多徑傳播。屬于隨參的傳輸媒介主要以電離層反射、散射和對流層散射為代表,信號在這些媒介中傳輸?shù)氖疽鈭D如圖4.2所示(圖4.2(a)為電離層反射傳輸示意圖,圖4.2(b)為對流層散射傳輸示意圖)。其特點是:電波可能經(jīng)多條路徑到達(dá)接收端,對每條路徑信號而言,其衰耗和時延都不是固定不變的,而是隨電離層或?qū)α鲗拥臋C理變化而變化的。因此,多徑傳播后的接收信號將是衰減和時延隨時間變化的多路徑信號的合成。

圖4.2多徑傳播示意圖(a)電離層反射傳輸示意圖;(b)對流層散射傳輸示意圖

經(jīng)過分析(具體分析過程已超出本教材范圍,讀者可參考數(shù)字通信原理方面的相關(guān)著作)可知:

(1)多徑傳播使單一載頻信號變成了幅值和相位都變化的窄帶信號;

(2)多徑傳播引起了頻率彌散,即信號頻率由單一頻點變成了一個窄帶頻譜;

(3)多徑傳播會引起選擇性衰落(即某些頻率信號幅值衰落大,某些頻率信號幅值衰落小)。

4.隨參信道性能改善對于平坦性衰落(慢衰落),主要采取加大發(fā)射功率和在接收機內(nèi)采用自動增益控制(AGC)等技術(shù)和方法。對于快衰落,通常可采用多種措施,例如各種抗衰落的調(diào)制/解調(diào)技術(shù)及接收技術(shù)等。其中,較為有效且常用的抗衰落措施是分集接收技術(shù)。按廣義信道的含義,分集接收可看做是隨參信道中的一個組成部分或一種改造隨參信道的有效措施,而改造后的隨參信道,衰落特性將能夠得到明顯的改善。

5.分集接收所謂分集接收就是在接收端,以不同的方式、不同的參量分別接收,再對接收信號進(jìn)行優(yōu)化處理,得到一個受信道噪聲影響最小的信號,這種方法稱為分集接收。快衰落信道中接收的信號是到達(dá)接收端的各路徑分量的合成。如果在接收端同時獲得幾個不同路徑傳來的信號,再將這些信號適當(dāng)優(yōu)化處理后得到的總接收信號,能夠大大減小衰落的影響,這就是分集接收的基本思想。分集的含義就是分散得到幾個信號再集中(合并)這些信號的意思。只要被分集的幾個信號之間是相互獨立的,那么經(jīng)適當(dāng)?shù)暮喜?就能使系統(tǒng)性能大為改善。

1)分集方式互相獨立或基本獨立的一些信號,一般可利用不同路徑、不同頻率、不同角度、不同極化等接收手段來獲取,通常采用的分集接收有以下幾種方式。

(1)空間分集。在接收端架設(shè)幾副天線,天線的相對位置要求有足夠的間距(一般在100個信號波長左右),以保證各天線上獲得的信號彼此基本獨立。通常采用的方法是利用一組天線,在不同位置接收信號,擇其強者而用之。

(2)頻率分集。用多組不同載頻傳送同一個消息,如果各載頻的頻差相隔比較遠(yuǎn),則各分散信號彼此也基本獨立,收端分別接收。若只有一組接收設(shè)備,可通過選擇最優(yōu)的一組頻率使接收端信號最優(yōu)。

(3)角度分集。角度分集是利用天線波束指向不同,傳輸信號衰落也就不同的一種分集方法。通常在接收端天線的指向不同其接收信號的強度就不同,利用一組天線設(shè)置不同的指向,進(jìn)行信號接收測試,擇優(yōu)使用。

(4)極化分集。極化分集是分別接收水平極化波和垂直極化波而構(gòu)成的一種分集方法。一般來說,這兩種波的相關(guān)性極小。當(dāng)然,還有其他分集方法,這里就不詳述了。但要指出的是,分集方法之間并不互相排斥,在實際應(yīng)用時可以組合使用。例如由二重空間分集和二重頻率分集組成四重分集系統(tǒng)等。

2)信號合成信號合成指利用分集接收的信號并對其進(jìn)行優(yōu)化處理,以獲得所需的信號,通常采用以下幾種方式。

(1)最佳選擇。最佳選擇指從幾個分集信號中選擇其中信噪比最高的一個作為接收信號，即擇其強者而用之。

(2)等增益相加。等增益相加指將幾個分集信號以相等的支路增益直接相加,結(jié)果作為接收信號。

(3)最大比值相加。最大比值相加指控制各支路增益,使它們分別與本支路的信噪比成正比,然后再相加獲得接收信號。即信噪比越高,信號越強,對傳輸信號的貢獻(xiàn)就越大,所得信號質(zhì)量就越高。以上幾種合并方式在改善接收信噪比方面都比較有效,但其對信噪比的改善量有所不同。一般來講,最大比值相加方式性能最好,等增益相加方式次之,最佳選擇方式較差。從總的分集效果來說,分集接收除能提高接收信號的電平外,其主要作用是改善衰落特性,使信道的衰落平滑并減小。如無分集時,誤碼率為10-2,若采用四重分集后,誤碼率可降低至10-7左右。由此可見,分集接收法對隨參信道性能的改善是非常有效和必要的。事實上,我們在建立無線信道時,通常都采用了分集接收,如架設(shè)室外天線,就是通過尋找最佳位置和最佳角度來確定安裝方式的,這就是空間分集和角度分集。

4.2

有線信道

傳輸信道按其傳輸介質(zhì)不同可分為有線信道和無線信道。有線信道提供了一種從一個設(shè)備到另一個設(shè)備的信號通道,常用的有線信道有:雙絞線電纜、同軸電纜及光纜等,如圖4.3所示。通過這類媒介傳輸?shù)男盘栄刂诺赖姆较騻鞑ゲ⒈痪窒拊趥鬏斆浇榈奈锢磉吔鐑?nèi)。雙絞線電纜和同軸電纜采用金屬(銅)導(dǎo)體來接收和傳輸電流信號。光纖通信則利用石英

(SiO2)等材料制成的光纜來接收和傳輸光波信號。

圖4.3有線信道分類

4.2.1雙絞線電纜

1.非屏蔽雙絞線電纜非屏蔽雙絞線電纜(UTP,UnshieldedTwistedPair)是當(dāng)今最常用的通信媒介。盡管在電話系統(tǒng)中使用最多,但其頻率范圍為100Hz～5MHz,適用于傳輸數(shù)據(jù)和語音信號。一條雙絞線包括兩根導(dǎo)體(通常是銅質(zhì)的),每根都有不同顏色的塑料外皮。塑料外皮著色是為了便于區(qū)別。顏色不僅用來區(qū)別電纜中的具體導(dǎo)線,還用于對電纜中線對的編號,以及在一大捆導(dǎo)線中區(qū)分它們與其他線對的關(guān)系。

圖4.4噪聲對平行線傳輸?shù)挠绊?/p>

但是,如果兩條導(dǎo)線每隔一定距離交叉一次,則每條導(dǎo)線就都有一半時間靠近噪聲源,而另一半時間遠(yuǎn)離噪聲源。因此,通過交叉,兩條導(dǎo)線上總的噪聲影響基本相同,有利于消除噪聲干擾。假設(shè)導(dǎo)線的一段當(dāng)處于靠近噪聲源時有一個大小為4dB的噪聲,在遠(yuǎn)離噪聲源時為2dB。在某一段線路上,其中一根導(dǎo)線上的噪聲為(4+2+4+2)=12dB,而在接收端,總的噪聲影響為(12-12)=0dB(如圖4.5所示)。總之，交叉并不能消除所有的噪聲,但能明顯減弱噪聲的影響。

圖4.5噪聲對雙絞線傳輸?shù)挠绊?/p>

UTP的優(yōu)點在于價格便宜、使用簡單、連接靈活、安裝容易。在許多局域網(wǎng)絡(luò)(包括以太網(wǎng)和令牌環(huán)網(wǎng))中，都采用了高等級的UTP電纜。美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA,ElectronicIndustriesAssociation)制定了EIA-568標(biāo)準(zhǔn),即一種按質(zhì)量劃分UTP等級的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)電纜的質(zhì)量可將UTP劃分為不同類別,第1類是最低檔的,第5類是最高檔的。每一種EIA定義的電纜類別都有其特定用途。

第1類:最基本的雙絞線,應(yīng)用于電話系統(tǒng)中。這種級別的電纜質(zhì)量只適用于傳輸語音和低速數(shù)據(jù)信號。第2類:比第1類質(zhì)量稍高,適用于語音和最大速率為4Mb/s的數(shù)字通信系統(tǒng)。第3類:要求絞距為7.5～10cm,適用于最大速率為10Mb/s的數(shù)據(jù)信號傳輸,也是現(xiàn)在大多數(shù)電話系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電纜。第4類:同樣要求絞距為7.5～10cm,同時加上其他條件使線路的數(shù)據(jù)傳輸速率最大可達(dá)16Mb/s。

第5類:要求絞距為0.6～0.85cm,是性能最好的一種雙絞線電纜,其頻帶較寬,信道容量大。可作為最大數(shù)據(jù)速率達(dá)100Mb/s的寬帶傳輸電纜。

圖4.6網(wǎng)線(4對雙絞線)

UTP連接器:UTP連接到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的最常用連接方式是通過類似電話插口的咬接式插頭連接。連接器可以是插座也可以是插頭。插頭插入插座并通過一個彈壓式卡簧(稱鍵)固定在一起。電纜中的每根導(dǎo)線都和連接器中的一個傳導(dǎo)頭(或針)相連,如圖4.7所示。

圖4.7

UTP連接器這類插頭中最常用的一類帶有8個傳導(dǎo)頭,每個都與4對雙絞線中的一根導(dǎo)線相連,如圖4.8所示。這也是網(wǎng)卡和寬帶網(wǎng)線的連接頭,通常稱為水晶頭。

圖4.8水晶頭

2.屏蔽雙絞線電纜屏蔽雙絞線電纜(STP,ShieldedTwistedPair)在每一對導(dǎo)線外都有一層金屬箔或金屬網(wǎng)。這層金屬網(wǎng)使電磁噪聲不能穿透進(jìn)來造成干擾,從而起到屏蔽作用,也屏蔽了來自其他線路(或信道)上的串?dāng)_。在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中會因串?dāng)_而產(chǎn)生誤碼,將每一對雙絞線屏蔽起來就能消除大多數(shù)的串?dāng)_。按照所采用的金屬屏蔽層的數(shù)量和繞包方式,屏蔽雙絞線電纜又可分為金屬箔電纜(FTP)、屏蔽金屬箔電纜(SFTP)和屏蔽雙絞電纜(STP)三種,如圖4.9所示。

圖4.9雙絞線電纜(a)UTP;(b)FTP；(c)SFTP；(d)STP

STP的性能和UTP一樣,也使用和UTP一樣的連接器,但是屏蔽層必須接地。由于材料和制造方面的原因,STP比UTP要昂貴些,但是能更好地屏蔽噪聲,從而提高傳輸質(zhì)量。表4.1中列出了無屏蔽電纜和屏蔽電纜的性能比較。表中列出了兩個指標(biāo):衰減和近端串?dāng)_。衰減在前面已經(jīng)作了介紹,近端串?dāng)_是指來自一對導(dǎo)線上的信號在另一對導(dǎo)線上產(chǎn)生的耦合干擾。

表4.1無屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線性能比較表

3.雙絞線電纜的性能參數(shù)對于用戶來講,最關(guān)心雙絞線的性能指標(biāo)有:衰減、近端串?dāng)_、特性阻抗和直流環(huán)路阻抗等。

(1)衰減(Attenuation)。衰減是指電路對信號的損失程度。衰減與芯線的粗細(xì)和電纜的長度有關(guān)。芯線越粗,衰耗越小;長度越長,衰耗越大。由于衰減隨頻率而變化,因此,測量時應(yīng)測量在整個應(yīng)用頻段內(nèi)的衰減。

(2)近端串?dāng)_(NEXT)。串?dāng)_分為近端串?dāng)_和遠(yuǎn)端串?dāng)_(FEXT),由于存在線路損耗,遠(yuǎn)端串?dāng)_的影響比較小。近端串?dāng)_是指一條UTP鏈路中一個線對的信號在同一端另一個線對上產(chǎn)生的信號耦合。對于UTP鏈路,NEXT是一個重要的性能指標(biāo)。

(3)直流環(huán)路電阻。直流環(huán)路電阻是指一對導(dǎo)線電阻的和。線路直流電阻會消耗一部分信號功率。

(4)特性阻抗。與直流環(huán)路電阻不同,特性阻抗包括電阻、頻率為1～100MHz的電感阻抗以及電容阻抗。它與一對電線之間的距離及絕緣體的電氣性能有關(guān)。各種電纜有不同的特性阻抗,而雙絞線電纜則有100Ω、120Ω及150Ω幾種。

4.雙絞線電纜的特性

(1)雙絞線電纜的芯線一般為銅質(zhì)的,傳導(dǎo)性能良好。

(2)雙絞線既可以傳輸模擬信號,也可以傳輸數(shù)字信號。雙絞線的帶寬可達(dá)268kHz,而一條全雙工語音信號的標(biāo)準(zhǔn)帶寬僅為3.4kHz,因而,可以使用頻分復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)多個語音信號復(fù)用一對雙絞線。雙絞線通常也用在局域網(wǎng)中,常用第3類和第5類,均由4對雙絞線組成。

(3)雙絞線普遍用于點對點的連接,也可用于多點間的連接。

(4)作為局域網(wǎng)間的連接通路,雙絞線主要用在建筑物內(nèi)或建筑物之間的數(shù)據(jù)通信。

(5)在傳輸?shù)皖l信號時,雙絞線的抗干擾性能相當(dāng)于或優(yōu)于同軸電纜,但當(dāng)頻率較高(10～100kHz)時,雙絞線的抗干擾能力就遠(yuǎn)不如同軸電纜了。

(6)一般來講,雙絞線是一種最廉價的傳輸信道。

4.2.2網(wǎng)線

1.網(wǎng)線制作的標(biāo)準(zhǔn)雙絞線的制作有兩種標(biāo)準(zhǔn),分別是EIA/TIA568A和EIA/TIA568B。其連接方式見表4.2。

表4.2雙絞線的制作有兩種標(biāo)準(zhǔn)實際上,兩種接法并沒有本質(zhì)的區(qū)別,只是顏色上的區(qū)別,但在連接時必須保證:1、2為一組擾對;3、6為一組擾對;4、5為一組擾對;7、8為一組擾對。雙絞線中,4、5、7、8這四根線未定義,在連接時要按照標(biāo)準(zhǔn)連接。

2.直連與交叉連接通常連接電纜有兩種方式:直通電纜與交叉連接。

1)直通電纜水晶頭兩端都遵循EIA/TIA568A或EIA/TIA568B標(biāo)準(zhǔn),雙絞線的每組繞線都是一一對應(yīng)的。這種連接適用于交換機UPLINK口與交換機普通端口的連接以及交換機普通端口與計算機網(wǎng)卡的連接。

2)交叉連接水晶頭一端遵循EIA/TIA568A標(biāo)準(zhǔn),另一端遵循EIA/TIA568B標(biāo)準(zhǔn)。即兩個水晶頭交叉連接,A水晶頭的1、2對應(yīng)B水晶頭的3、6,A水晶頭的3、6對應(yīng)B水晶頭的1、2。這種連接適用于交換機普通端口與交換機普通端口的連接以及計算機網(wǎng)卡與計算機網(wǎng)卡之間的連接。

3.網(wǎng)線的制作方法下面以100Mb/s的EIA/TIA568B作為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格介紹網(wǎng)線的制作要點。

1)直通電纜制作步驟

(1)利用斜口鉗剪下所需要的雙絞線長度,至少0.6m,網(wǎng)線最長不超過100m。然后再利用雙絞線剝線器將雙絞線的外皮除去2～3cm。

(2)將裸露的雙絞線中的橙色線對剝向自己的前方,棕色線對剝向自己的方向,綠色線對剝向左方,藍(lán)色線對剝向右方。即上:橙;左:綠;下:棕;右:藍(lán)。

(3)小心的剝開每一線對,按照EIA／TIA568B標(biāo)準(zhǔn)將線依序排列,如圖4.10所示。

圖4.10

兩種標(biāo)準(zhǔn)的連線方式

(4)將裸露出的雙絞線用剪刀或斜口鉗剪齊并只留約14mm的長度,再將雙絞線的每一根線依序放入RJ-45接頭的引腳內(nèi),第一只引腳內(nèi)應(yīng)該放白橙色的線。

(5)確定雙絞線的每根線已經(jīng)正確放置之后,就可以用RJ-45壓線鉗壓接RJ-45接頭。

(6)如法炮制,再制作另一端的RJ-45接頭。因為工作站與集線器之間是直接對接的,所以另一端RJ-45接頭的引腳接法完全一樣。完成后，連接線兩端的RJ-45接頭無論引腳還是顏色都應(yīng)該完全一樣。

2)交叉網(wǎng)線制作制作方法和上面基本相同,只是在線序上不像568B,而是采用了1-3,2-6交換的方式,也就是一頭使用568B制作,另外一頭使用568A制作,見表4.2。

4.2.3同軸電纜

1.同軸電纜的結(jié)構(gòu)同軸電纜(CoaxialCable)是由一對導(dǎo)體組成的傳輸電纜。與雙絞線電纜相比,其傳輸頻帶寬、工作頻率高,一般工作在100～500kHz之間。同軸電纜和雙絞線電纜是兩種結(jié)構(gòu)完全不同的電纜。同軸電纜按“同軸”形式構(gòu)成線對,最里層有一個中心的固態(tài)導(dǎo)體或是絞合線(通常是銅質(zhì)的),外包一層絕緣皮,再包上一層金屬箔或是網(wǎng)格,或是兩者的組合體(同樣,通常是銅質(zhì)的)。外層的金屬包層既作為屏蔽層,同時又作為傳導(dǎo)體的一部分來形成一個完整的回路。外層的導(dǎo)體也包裹在一層絕緣體中,并再外加一層塑料皮包裹整根電纜,如圖4.11所示。

圖4.11同軸電纜

2.同軸電纜的分類

1)按照同軸電纜的結(jié)構(gòu)分類

(1)大同軸電纜。將內(nèi)導(dǎo)體直徑為3.7mm,外導(dǎo)體直徑為13.5mm左右的同軸電纜稱為大同軸電纜。

(2)中同軸電纜。將內(nèi)導(dǎo)體直徑為2.6mm,外導(dǎo)體直徑為9.5mm左右的同軸電纜稱為中同軸電纜。中同軸電纜是使用最多的一種同軸電纜,也叫標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜。

(3)小同軸電纜。將內(nèi)導(dǎo)體直徑為1.2mm,外導(dǎo)體直徑為4.4mm左右的同軸電纜稱為小同軸電纜。

(4)微同軸電纜。將內(nèi)導(dǎo)體直徑為0.6～0.8mm,外導(dǎo)體直徑為2.8～3mm左右的同軸電纜稱為微同軸電纜。

2)按照傳輸信號類型分類同軸電纜分為基帶同軸電纜(阻抗為50Ω)和寬帶同軸電纜(阻抗為75Ω)。基帶同軸電纜用于直接傳輸基帶數(shù)字信號。在局域網(wǎng)中使用這種基帶同軸電纜,可以在2500m范圍內(nèi)(需要另加中繼器),以10Mb/s傳輸基帶數(shù)字信號。寬帶同軸電纜用于頻分復(fù)用的模擬信號傳輸,閉路電視所使用的就是這類同軸電纜,也可用于高速數(shù)字信號傳輸和模擬信號傳輸。

3.同軸電纜連接器

多年來,人們設(shè)計了多種同軸電纜的連接器,通常是生產(chǎn)廠商在為一個具體的產(chǎn)品需求尋求特定的解決方案時提出來的。在多種同軸電纜連接器中,有一部分最常用的連接器已被標(biāo)準(zhǔn)化了。其中最常見的就是根據(jù)其形狀被稱為套筒式的連接器。在這類連接器中,最常用的是卡銷式網(wǎng)絡(luò)連接器。這種連接器只需推入插口并旋轉(zhuǎn)半圈即可(如示波器輸入信號電纜插頭),如圖4.12所示。其他類型的套筒式連接器要么需要旋在一起,從而導(dǎo)致安裝麻煩;要么是插上后沒有鎖定功能,不太可靠。但由于比較經(jīng)濟,因此在有線電視和錄像機連接中常用旋入式或插入式同軸電纜連接器。

圖4.12同軸電纜連接插頭

另外兩類常用的連接器是T型連接器和終結(jié)端子。T型連接器(在細(xì)纜以太網(wǎng)中使用)允許使用輔助電纜或是從主線路上引出分支,如圖4.13所示。例如,從一臺計算機引出的一根電纜可以分支連接若干臺終端。在總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,一根電纜作為主干,其他設(shè)備連接在許多分支上,而主干本身并沒有在某個設(shè)備上終止,此時必須有終結(jié)端子。否則,如果主電纜是開放的,線路上傳輸?shù)娜魏涡盘柖紩瓷浠貋韺υ夹盘柈a(chǎn)生干擾。一個終結(jié)端子在電纜端頭吸收了電磁波并消除了回聲反射。同軸電纜終結(jié)端子如圖4.14所示。

圖4.13同軸電纜連接器

圖4.14同軸電纜終結(jié)端子

4.同軸電纜的主要特性

(1)物理特性。同軸電纜可以工作在頻率較高、頻帶較寬的頻率范圍內(nèi)。

(2)傳輸特性?；鶐S電纜僅用于數(shù)字信號傳輸,使用曼徹斯特編碼,數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10Mb/s。寬帶同軸電纜既可以傳輸模擬信號,又可以傳輸數(shù)字信號。

(3)連通性。同軸電纜適用于點對點的連接,也可以用于多點之間的連接。

(4)地域范圍。傳輸距離取決于傳輸信號形式和傳輸速率,如果傳輸速率相同,則粗纜的傳輸距離比細(xì)纜長。通常基帶電纜的最大傳輸距離限制在幾公里范圍內(nèi),寬帶電纜的傳輸距離可達(dá)幾十千米。

(5)抗干擾性能。同軸電纜的抗干擾性能優(yōu)于雙絞線電纜。

(6)價格。同軸電纜的單價比雙絞線電纜貴,但比光纜便宜。

5.同軸電纜的制作首先根據(jù)需要剪裁一定長度的同軸電纜,使用剝線鉗剝?nèi)ミm當(dāng)長度的外皮、屏蔽層以及絕緣層等部分,并將BNC連接器裝在同軸電纜的端口,然后插在T型頭上,利用固定螺母鎖緊即可。設(shè)備連接完成后,一定要在同軸電纜的兩端加上端接匹配器。

4.3

光纖通信

4.3.1光纖通信的概念

1.光通信所謂光通信就是利用光信號進(jìn)行的信息傳輸過程或方式。由于光具有無線傳輸?shù)奶匦?因此光通信也分為無線光通信和有線光通信。比如,水運和航海中經(jīng)常使用的燈語、手語就是無線光通信的應(yīng)用實例,從烽火臺上的狼煙到激光無線通信的發(fā)展歷程也就是無線光通信的發(fā)展史。我們目前常說的光通信主要指利用光纖做傳輸介質(zhì)的光纖通信(有線通信),它是我們在數(shù)據(jù)通信和計算機網(wǎng)絡(luò)中采用的主要傳輸信道之一,所以在此我們主要介紹光纖通信系統(tǒng)。

簡而言之,光纖通信就是以光波為載波,以光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)的信息傳輸過程。光纖通信首先要在信源將欲傳送的電話、電報、圖像和數(shù)據(jù)等信號經(jīng)過電/光轉(zhuǎn)換,即把電信號先變成光信號,再經(jīng)由光纖(包括在本地進(jìn)行光交換和光中繼)傳輸?shù)浇邮斩?接收端必須將接收到的光信號作一與發(fā)信端相反的變換,即進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換變成電信號,從而完成光纖通信。由于目前只有電子計算機,沒有光計算機,所以信道傳輸?shù)墓庑盘柋仨氜D(zhuǎn)換成電信號，計算機才能識別。

2.光的自然特性

光也是一種電磁能量形式。它在真空中傳播最快，可以達(dá)到300000km/s。光的速度依賴于它所穿越的傳輸介質(zhì)的密度(密度越大,速度越低)。為了理解光纖,首先需要研究光的自然屬性。

(1)直射。光線在均勻物質(zhì)中以直線形式傳播,直射是光傳播的基礎(chǔ)。

(2)折射。當(dāng)在一種物質(zhì)中傳播的光線突然進(jìn)入另一種物質(zhì)(物質(zhì)密度不同)時,它的速度發(fā)生了突然的改變,導(dǎo)致光線改變了方向，這種變化稱為折射。從一杯水中伸出來的一根筷子看起來像彎曲的,甚至像折斷的,就是因為我們看見筷子的光線在從水里傳播到空氣中時方向發(fā)生了變化,即光線發(fā)生了折射。光纖技術(shù)就是利用光的折射特性來控制光線在光纖信道中的傳播的。

(3)反射。當(dāng)入射角大于全反射角時,就會發(fā)生一種新的現(xiàn)象,稱為反射。光纖利用全反射將光線在信道內(nèi)定向傳輸。光纖的中心是用石英(SiO2)制成的導(dǎo)光體,外面填充著密度相對較小的其他材料。兩種材料的密度差異必須達(dá)到能夠使芯線中的光線只能反射回來而不能折射入填充材料的程度。

3.光纖的基本結(jié)構(gòu)

單根光纖的基本結(jié)構(gòu)如圖4.15和圖4.16所示，由內(nèi)導(dǎo)體、絕緣子、電介質(zhì)和外導(dǎo)體組成。

圖4.15單根光纖基本結(jié)構(gòu)(a)以空氣為介質(zhì)的同軸管；(b)可彎曲的同軸電纜

圖4.16單根光纖組成

4.傳播模式光線在光纖信道中以兩種模式傳播,即多模傳播和單模傳播。每一種模式都需要不同物理特性的光纖。多模傳播可以進(jìn)一步分成兩種類型:突變模式和漸變模式,如圖4.17所示。

圖4.17傳播模式

1)多模傳播

(1)突變模式。在突變光纖中,芯線的密度從中心到邊緣都是一致的。光線在芯線中以直線方式傳播,直至遇到芯線與填充材料的界面為止。在邊界上,密度突然變低,從而改變了光線的方向。圖4.18顯示了在多模突變光纖中傳播的多道光線的情形。位于中心的那部分光線直線傳播到終點而沒有經(jīng)過任何反射或折射。部分光線以比全反射角小的入射角進(jìn)入芯線和填充材料的邊界,并穿越邊界,損失掉了,還有部分光線則進(jìn)入芯線和填充材料的邊界并在芯線的內(nèi)邊界上反復(fù)反射,直到到達(dá)終點。

圖4.18多模突變光纖

每一束從邊界上反射回來的光線其反射角都等于它的入射角。入射角越大,反射角就越大。入射角較小的光線將比入射角較大的光線經(jīng)歷更多的反射次數(shù)才能通過相同的距離。因此,入射角較小的光線將傳播更長的距離才能到達(dá)終點。這種在傳播路徑上的差異使得不同的光線在不同的時刻到達(dá)終點。在接收端重新組合這些光線時,會產(chǎn)生一個與原始信號不完全相同的信號。這種信號被傳播延遲而失真,也就限制了數(shù)據(jù)傳輸速率,并使突變模式不適用于一些要求較高的應(yīng)用場所。

(2)漸變模式。即多模漸變光纖,減少了信號通過纜線后的失真。因此,多模漸變光纖是具有變化密度的光纖。在芯線的中心密度最大,并向外逐漸變小,到邊界時最小。這種可變密度對光線傳播的影響如圖4.19所示。

圖4.19多模漸變光纖

2)單模傳播單模光纖采用階躍材質(zhì)和高度集中的光源,使得發(fā)出的光線限制在非常接近水平的很小范圍內(nèi)。制造單模光纖時,采用比多模光纖細(xì)得多的直徑和極低的密度。密度的降低使得全反射角接近90°,從而使得傳播的光線基本是水平的。在這種情況下,不同光線的傳播幾乎是相同的,從而可以忽略傳播延遲。所有光線幾乎同時抵達(dá)接收端并且可以方便地恢復(fù)為完整的信號,如圖4.20所示。

圖4.20單模光纖

4.3.2光纖的分類光纖的種類很多,分類的方法各異,名稱也較多,各種名稱即可表明其含義,因此在此不作詳細(xì)解釋。簡單歸納有如下幾種常用的分類方法。

1.按制作材料分類

按制作材料分類,光纖可分為石英光纖、多組玻璃光纖、塑料光纖和氟化物光纖。

2.按傳輸模式分類按傳輸模式分類，光纖可分為單模光纖和多模光纖。

3.按折射率分類

按折射率分類，光纖可分為突變型光纖、漸變型光纖、三角型光纖和W型光纖。

4.按工作波段分類

按工作波段分類，光纖可分為短波長光纖(波長為0.8～0.9μm)、長波長光纖(波長為1.1～1.6μm)、超長波長光纖(波長在２μm以上)。雖然名稱較多,但目前光纖通信中使用較多的仍是:突變光纖、漸變光纖和單模光纖。

表4.3三種實用光纖的主要性能

4.3.3光纖通信的主要特性

1.光纖通信的優(yōu)點

1)通信容量大因為目前使用的光波頻率比微波頻率高成千上萬倍,所以理論上光通信的通信容量與微波通信相比，大約可增加103～104倍。雖然在實際應(yīng)用中由于受到了光電器件特性的限制,傳輸帶寬比理論帶寬要窄得多,但在目前投入運營的光纖通信系統(tǒng)中,一對光纖仍可傳輸3萬路電話信號,是目前通信容量最大的一種通信方式。

2)損耗低、中繼距離長實用的光纖芯線材料均為石英(SiO2)制成。若要減少光纖的損耗,主要依靠提高石英的純度來達(dá)到目的。由于目前制造的石英的純凈度極高,因此光纖的損耗極低,其中繼距離可以很長,這樣在通信線路中就可減少中繼站的數(shù)量,以降低信道成本。例如,對于400Mb/s速率的信號,光纖通信系統(tǒng)可達(dá)到100km以上的無中繼傳輸,然而,同樣速率若采用同軸電纜,無中繼傳輸距離僅為1.6km左右。如將來采用非石英系的超長波長光纖,傳輸損耗會更小,有可能實現(xiàn)1000km以上的無中繼傳輸。這一點對于海底光纜通信等長途干線業(yè)務(wù)具有非常重大的意義。

3)抗電磁干擾由于光纖是石英制成的,它不導(dǎo)電、無電感,因此不受電磁干擾,同時也不會干擾其他通信設(shè)備或測試設(shè)備。

4)無串音、保密性強光在光纖中傳播時,幾乎不向外輻射。因為在同一光纜中,數(shù)根光纖之間不會相互干擾,即不會產(chǎn)生串音干擾,也難以竊聽,所以光纖通信和其他通信方式相比具有更好的保密性。

5)線徑細(xì)、重量輕由于光纖的直徑很小,只有0.125mm左右,因此制成光纜后,直徑要比相同容量的電纜細(xì)得多,而且重量很輕。在長途干線或市內(nèi)干線上,空間利用率高,便于鋪設(shè)。

6)資源豐富、節(jié)約有色金屬和原材料光纖的原材料是石英,石英是地球上儲藏非常豐富的一種資源,而且用很少的原材料就可以拉制很長的光纖。隨著光纖通信技術(shù)的推廣應(yīng)用,將會節(jié)約大量的銅、鋁等金屬材料,對合理使用地球資源有一定的戰(zhàn)略意義。

7)容易均衡在電信號通信中,信號的各頻率成分的幅度變化不相等,會造成幅度-頻率畸變,因此必須采用幅度均衡技術(shù)。在光纖通信系統(tǒng)中,光纖在其工作頻帶內(nèi),對每一頻率的損耗幾乎都是相等的,故一般情況下,不需要在中繼站和接收端采取幅度均衡措施。

8)光纖接頭不放電、不會產(chǎn)生電火花與電信號通信不同,光纖通信中,光纖接頭不放電,不會產(chǎn)生火花。這一優(yōu)勢使得光纖通信在礦井、石油化工、軍火倉庫等易燃易爆環(huán)境中能夠發(fā)揮更重要的作用。

9)抗化學(xué)腐蝕由于光纖取材于石英,因此具有一定的抗化學(xué)腐蝕能力。正因為光纖通信具有的上述優(yōu)點使之已成為當(dāng)今世界上的主要通信手段之一。

2.光纖的缺點1)費用高2)安裝、維護(hù)難3)結(jié)構(gòu)脆弱4.3.4光纖通信系統(tǒng)的組成

要實現(xiàn)光纖通信,首先必須在信源就對作為信息載體的光信號進(jìn)行調(diào)制,也就是說必須讓光信號隨著電信號的變化而變化。調(diào)制后的光波經(jīng)過光纖信道傳送到接收端,由相關(guān)設(shè)備鑒別出它的變化,然后再現(xiàn)原始信息。根據(jù)調(diào)制與光源的關(guān)系,光調(diào)制可分為直接調(diào)制和間接調(diào)制兩大類。直接調(diào)制僅適用于半導(dǎo)體光源(激光LD和發(fā)光二極管LED),即把要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘栞斎隠D或LED,從而獲得相應(yīng)的光信號。直接調(diào)制后的光波電場其振幅的平方正比于調(diào)制信號,因此直接調(diào)制是一種光強度調(diào)制方法。間接調(diào)制利用晶體的光電效應(yīng)、光磁效應(yīng)、光聲效應(yīng)等性質(zhì)來實現(xiàn)對激光輻射的調(diào)制。這種調(diào)制方式既適應(yīng)于半導(dǎo)體激光器,也適應(yīng)于其他類型的激光器。

一個光纖通信系統(tǒng)必須包括信源端的光發(fā)射機(光調(diào)制設(shè)備)、接收端的光接收機(光解調(diào)設(shè)備)和連接它們的光纖介質(zhì),如圖4.21所示。信源端的光發(fā)射機(實質(zhì)上就是電/光調(diào)制器)用電端機送來的電信號對光源進(jìn)行調(diào)制。原則上可以使用振幅、頻率和相位調(diào)制,但由于目前實用激光器的光源頻譜不純,頻率也不穩(wěn)定,使調(diào)頻或調(diào)相方式難以實現(xiàn),因此,通常采取調(diào)幅方式,即直接調(diào)制。

調(diào)制后的光功率信號耦合入光纖,經(jīng)光纖傳輸后,光接收機的光電檢測器(一般為半導(dǎo)體光電管或雪崩管)把光信號轉(zhuǎn)換成電信號,再經(jīng)放大、整形送至接收端的電端機。如果進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸,則需在通信線路中間插入中繼器。實用的光纖通信系統(tǒng)一般都是雙向的,因此其系統(tǒng)的組成包含了正、反兩個方向的基本系統(tǒng),并且將發(fā)信機和接收機做在一起,稱為光端機。當(dāng)然,中繼器也有正反兩個方向。

圖4.21光纖通信系統(tǒng)的組成

4.3.5光纖的連接

1.永久性連接永久性連接(又叫熱熔)指使用放電的方法將兩根光纖的連接點熔化并連接在一起。其主要特點是連接衰減最低,但連接時需要專用設(shè)備(熔接機)和專業(yè)人員進(jìn)行操作,而且連接點也需要專用容器保護(hù)起來。

2.應(yīng)急連接應(yīng)急連接(又叫冷熔)指將兩根光纖固定并粘接在一起。其主要特點是連接迅速、可靠,但連接點長期使用會不穩(wěn)定,衰減大幅度增加,所以只能短時間內(nèi)應(yīng)急使用。

3.活動連接活動連接指利用各種光纖連接器件(插頭和插座),將站點與站點或站點與光纜連接起來的一種方法。這種方法靈活、簡單、方便、可靠。在實際使用光纖連接設(shè)備時,應(yīng)注意其連接器的型號。

4.3.6光纖通信的發(fā)展趨勢光纖通信以它獨特的優(yōu)點被人們認(rèn)為是通信史上一次革命性的變革。光纖通信網(wǎng)將在長途通信與市話通信中代替現(xiàn)有的電纜通信網(wǎng),這已為各國所公認(rèn)。在信息社會中,交換大量信息的計算機網(wǎng)絡(luò)其信道主要也是由光纖通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的。因此,有人說,如果20世紀(jì)的通信是電網(wǎng)絡(luò)的時代,那么21世紀(jì)的信息傳輸將會是全新的光網(wǎng)絡(luò)時代。

隨著光電技術(shù)的進(jìn)步,光纖通信技術(shù)會朝以下幾個方向發(fā)展。

(1)積極發(fā)展與研制低損耗單模光纖。

(2)為提高光頻帶的利用率,將致力于波分復(fù)用技術(shù)和相干光通信體制的研究和實用化。

(3)為了進(jìn)一步提高通信速率,將發(fā)展光電混合集成電路,提高光電轉(zhuǎn)換的速度,增強現(xiàn)有光系統(tǒng)的傳輸能力,積極研制光學(xué)集成器件,使更多的信號處理功能在光頻上完成,從而為發(fā)展光子計算機打好基礎(chǔ)。

(4)為了提高光纖通信系統(tǒng)的有效性和可靠性,許多國家還在進(jìn)行光放大器、相干光通信、多波道光纖通信及光孤子通信等新技術(shù)的研究。

(5)積極研發(fā)光信號處理設(shè)備?？傊?全光網(wǎng)絡(luò)是未來信息傳送網(wǎng)的發(fā)展方向,它可以直接對光信號進(jìn)行處理,不僅大大簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),降低了成本,而且極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與可靠性。隨著科學(xué)家及廣大科技人員的不斷努力,光子計算機、全光通信系統(tǒng)必定會實現(xiàn)。

4.4無線通信

4.4.1無線電頻段的分配電磁波頻譜中用于無線電通信的部分被分成8個波段,由國家無線電管理委員會統(tǒng)一管理和分配。這些波段從甚低頻(VLF)到極高頻(EHF),各個頻段的簡稱如下:VLF 甚低頻 VHE 甚高頻LF 低頻 UHF 超高頻MF 中頻 SHF 特高頻HF

高頻EHF

極高頻表4.4

各頻段對應(yīng)頻率

圖4.22無線通信波段

4.4.2無線電波的傳播方式無線電技術(shù)將大氣層分為兩層:對流層和電離層。對流層:離地面大約60km的大氣層,該層內(nèi)電子密度較低,不滿足反射條件,僅產(chǎn)生吸收損耗,隨氣象變化較大,對信號傳輸產(chǎn)生的衰落會隨時變化。電離層:在太陽輻射的紫外線和X射線的作用下,大氣層中離地面高度60～450km范圍內(nèi)存在著一個由離子、自由電子、中性分子和原子等帶電粒子組成的區(qū)域,該區(qū)域?qū)侔雽?dǎo)體媒介,能對某些頻段的電磁波產(chǎn)生反射,通常將這一區(qū)域稱為電離層。

圖4.23傳播方式示意圖

1.地表傳播

地表傳播指無線電波通過大氣的最低層進(jìn)行的傳播,緊靠地球表面。由于信號位于最低的頻段,因此信號從發(fā)送天線向各個方向發(fā)射后就會沿著地球表面呈曲線傳播。傳播距離取決于信號的能量，能量越大,傳播越遠(yuǎn)。地表傳播也可在海水中傳播。

2.對流層傳播

對流層傳播有兩種方式。信號可以以直線形式從一個天線發(fā)送到另一個天線,也可以以一定角度向?qū)α鲗拥妮^高層發(fā)射,經(jīng)電離層反射回地面。第一種方式要求接收端和發(fā)送端在視線所及的范圍內(nèi)(收、發(fā)端之間沒有遮擋物),傳播過程會受到地球表面曲度和天線高度的限制。第二種方式可以覆蓋更遠(yuǎn)的距離。

3.電離層傳播電離層傳播指更高頻的無線電波向上發(fā)射到電離層并由該層反射回地面。對流層和電離層間的密度差異使所有電波都經(jīng)歷了一個先加速折射再反射回地面的過程。這種傳播方式可以以較低的能量傳播到更遠(yuǎn)的距離。短波通信就是電離層傳播,其通信距離可達(dá)上千千米甚至上萬千米。

4.視距傳播

視距傳播時,收發(fā)天線之間不能有任何遮擋物,甚高頻信號可以直接從一天線直線傳輸?shù)搅硪惶炀€。天線必須是單向的,并且兩天線要相對,天線之間要么距離夠短,要么高度夠高,才能克服地球表曲面的影響,實現(xiàn)直線傳播。

5.空間傳播

空間傳播采用衛(wèi)星中繼來代替大氣折射。一個廣播信號傳送到同步衛(wèi)星,然后衛(wèi)星重新將信號發(fā)送回地面接收站。衛(wèi)星傳輸基本上可以說是有中繼站(衛(wèi)星)的視線傳播。衛(wèi)星離地面的距離使它能像一臺非常高的天線一樣工作,從而極大地拓展了信號傳輸?shù)姆秶?/p>

4.4.3信號的傳播

1.甚低頻甚低頻(VLF)電波采用表面波方式傳播,通過空氣傳播,有時也通過海水傳播。VLF波在傳播過程中衰減不大,但是對在近地表高度活躍的大氣噪聲(熱量和電子)很敏感。VLF常用于長距離的無線電導(dǎo)航和海底通信。

2.低頻

與甚低頻相似,低頻(LF)電波也是以表面波形式傳播的。低頻波常用于無線電導(dǎo)航和無線電航標(biāo)或信標(biāo)等方面。白天,由于吸收電波的自然微粒增多,電波衰減程度較大。夜間電離層的密度比白天降低一個數(shù)量級,信號的衰耗也就減小,這也是短波夜間比白天通信效果好的原因。

3.中頻中頻(MF)信號通過對流層傳播。這些電波將被電離層吸收。因此,電波所能覆蓋的范圍就受到要保證信號能從對流層反射回來而不致進(jìn)入電離層的發(fā)射角度的限制。在白天吸收效應(yīng)增強,但大多數(shù)中頻傳輸采用定向天線來增強對信號的控制,從而避免了吸收問題。采用MF傳輸?shù)挠姓{(diào)幅無線電、海事無線電、無線導(dǎo)向搜尋(RDF)以及緊急頻道等。

4.高頻高頻(HF)波采用電離層傳播。這些頻率的信號到達(dá)電離層后,由于粒子密度的差異而使它們反射回地球。采用高頻信號的有:無線電業(yè)余愛好者(業(yè)余無線報務(wù))、民用波段(CB)無線電、國際廣播、軍事通信及遠(yuǎn)距離飛機船舶通信等。

5.甚高頻

甚高頻(VHF)電波采用視線傳播方式。采用VHF信號的有VHF電視、調(diào)頻無線電、飛機調(diào)幅無線電以及飛機導(dǎo)航輔助等。其頻段分配如圖4.24所示。

圖4.24甚高頻頻段分配

6.超高頻超高頻(UHF)電波采用視線傳播方式。采用超高頻信號的有超高頻電視、移動電話、蜂窩無線電、頁面調(diào)度以及微波鏈路等。注意:微波通信從超高頻段的1GHz開始一直延伸到特高頻和極高頻波段。

7.特高頻

特高頻(SHF)電波大多也采用視線傳播,也有些采用空間傳播方式。使用SHF信號的有地面微波、衛(wèi)星微波以及雷達(dá)通信等。

8.極高頻極高頻(EHF)電波采用空間傳播方式。使用極高頻信號的主要是科技領(lǐng)域,包括雷達(dá)、衛(wèi)星以及實驗等。

4.5微波信道

4.5.1微波通信的概念

1.微波微波通信是在第二次世界大戰(zhàn)后期,由美國貝爾研究所研究使用的一種無線電通信技術(shù)。經(jīng)過50多年的發(fā)展,目前已獲得廣泛的應(yīng)用。微波是指頻率范圍為300MHz～300GHz,波長范圍為1m～1mm的無線電波。微波頻段可細(xì)分為特高頻(UHF)頻段/分米波頻段、超高頻(SHF)頻段／厘米波頻段和極高頻(EHF)頻段/毫米波頻段。

由于微波采用的是視距傳播方式,因此,當(dāng)微波通信用于地面上的長途通信時,需要采用中繼(接力)傳輸方式,才能實現(xiàn)信號從信源到信宿的傳輸。所謂微波通信就是指利用微波作為載波并采用中繼(接力)方式在地面上進(jìn)行無線通信的方式。衛(wèi)星通信實際上就是在微波頻段采用中繼(接力)方式進(jìn)行的通信,只是其中繼站設(shè)在衛(wèi)星上而已,因此,為了與衛(wèi)星通信相區(qū)別,通常所說的微波通信是指限定在地面上的通信,有時也叫地面微波通信。如圖4.25所示為遠(yuǎn)距離地面微波通信系統(tǒng)的示意圖。

圖4.25微波通信示意圖

2.微波通信系統(tǒng)的組成總的來說,微波通信系統(tǒng)主要有發(fā)送端、微波中繼信道和接收端組成。發(fā)送端和接收端由微波發(fā)射機和微波接收機及天線等組成。微波中繼信道中間每隔一定距離設(shè)置若干微波中繼站和微波分路站。微波通信系統(tǒng)的組成如圖4.26所示。

圖4.26微波通信系統(tǒng)組成框圖

1)用戶終端用戶終端是邏輯上最靠近用戶的輸入／輸出設(shè)備,如電話機、電傳機、計算機、數(shù)據(jù)采集終端等。用戶終端主要通過交換機集中在微波終端站或微波分路終端站。

2)交換機交換機既可實現(xiàn)本地用戶終端之間的業(yè)務(wù)互通(如實現(xiàn)本地話音用戶之間的通話),又可通過微波通信線路實現(xiàn)本地用戶終端與遠(yuǎn)地(對方交換機所轄范圍)用戶終端之間的業(yè)務(wù)互通。交換機一般配置在微波終端站或微波分路終端站。

3)終端復(fù)用設(shè)備終端復(fù)用設(shè)備是將交換機送來的多路信號或群路信號進(jìn)行適當(dāng)變換,然后送到微波終端站或微波分路站;將微波終端站或微波分路站的收信機送來的多路信號或群路信號適當(dāng)變換后送到相應(yīng)的交換機。模擬微波通信系統(tǒng)的終端復(fù)用設(shè)備是頻分多路載波機;數(shù)字微波通信系統(tǒng)的終端復(fù)用設(shè)備是時分多路數(shù)字終端機。終端復(fù)用設(shè)備同樣也配置在微波終端站或微波分路站上。

4)微波站微波站的基本功能是傳輸和轉(zhuǎn)接來自終端復(fù)用設(shè)備的群路信號。按其與終端復(fù)用設(shè)備的連接關(guān)系,微波站分為終端站、分路站和中繼站。當(dāng)兩條以上的微波通信線路在某一微波站交匯時,該微波站就稱為樞紐站,它具有通信樞紐功能。微波分路站和樞紐站稱為微波主站,微波中繼站和分路站稱為微波中間站。微波站的主要設(shè)備包括發(fā)信設(shè)備、收信設(shè)備、天線系統(tǒng)、電源以及保障通信線路正常運行和無人維護(hù)所需的監(jiān)測控制設(shè)備等。

4.5.2數(shù)字微波通信的特點

1.工作頻帶寬,信道容量大

2.受外界干擾小

3.機動靈活

4.天線增益高、方向性強

5.投資少、見效快4.5.3轉(zhuǎn)接方式

1.微波轉(zhuǎn)接方式微波轉(zhuǎn)接與中頻轉(zhuǎn)接相類似,但其轉(zhuǎn)接端口是微波接口,且為了使同一中間站的轉(zhuǎn)發(fā)信號不干擾接收信號,轉(zhuǎn)信載頻f2相對于收信載頻f1需要有一定的頻移,即移頻振蕩器的頻率等于f2與f1之差,如圖4.27所示。另外,為了克服傳播衰落引起的電子波動,還需在微波放大時采取自動增益控制(AGC)措施。微波轉(zhuǎn)接電路技術(shù)實現(xiàn)起來比中頻轉(zhuǎn)接困難,但微波轉(zhuǎn)接方案簡單,設(shè)備體積小,功耗低,適用于一些高山無人值守的中間站。圖4.27微波轉(zhuǎn)接方式

2.中頻轉(zhuǎn)接方式

中頻轉(zhuǎn)接方式是信號由中繼機的接收天線輸入,中繼機對該微波信號進(jìn)行解調(diào)使之變換為中頻信號,經(jīng)中頻放大和功率放大后再次調(diào)制到另一載波頻率上,形成另一微波信號再發(fā)送出去,如圖4.28所示。

圖4.28中頻轉(zhuǎn)接方式

3.基帶轉(zhuǎn)接方式

中間站把來自某一通信方向載頻為f1的信號經(jīng)對應(yīng)中繼機(微波收發(fā)信機)的天線饋線系統(tǒng)傳送到接收機,經(jīng)微波放大器后,與該中繼站的接收機本振信號混頻,混頻輸出信號經(jīng)中放后送到解調(diào)器解調(diào)成為基帶信號,對基帶信號進(jìn)行判決再生,再生后的信碼序列可以進(jìn)入數(shù)字處理設(shè)備,完成檢錯、糾錯和信號轉(zhuǎn)換,然后再進(jìn)行中頻數(shù)字調(diào)制。已調(diào)信號經(jīng)過變頻后輸出載頻為f2的微波信號,該信號經(jīng)微波功放、天線發(fā)向中間站的另一個通信方向。這種轉(zhuǎn)接方式采用數(shù)字接口,可以消除噪聲積累,是目前微波通信最常見的一種轉(zhuǎn)接方式?；鶐мD(zhuǎn)接方式可以直接上、下電話話路并指提供數(shù)據(jù)通路，微波分路站和樞紐站必須采用基帶轉(zhuǎn)接方式?；鶐мD(zhuǎn)接方式組成框圖如圖4.29所示。圖4.29基帶轉(zhuǎn)接方式

4.直放轉(zhuǎn)接方式

近年來產(chǎn)生了一種新的技術(shù),即微波直放轉(zhuǎn)接方式。微波直放轉(zhuǎn)接方式以微波寬帶低噪聲放大器、微波寬帶線性功率放大器和微波分路濾波器等器件為基礎(chǔ),進(jìn)行有源、雙向、無頻率變換的微波信號直接放大。采用該方式的微波直放中間站不進(jìn)行變頻,其結(jié)構(gòu)簡單、體積小,可以直接安裝在天線支梁上,且其功耗低,可利用太陽能供電,可靠性高,一般不需維護(hù)。微波直放轉(zhuǎn)接可用于延長通信距離,改善衰落儲備或克服某些地形障礙,且不需新建機房,節(jié)省了基建費用。但由于其轉(zhuǎn)信和收信在同一載頻上,因此必須采用增益高、方向性強、性能高、具有低噪聲放大器的天線,而且要加大天線之間的垂直間距,以避免本站收發(fā)信號之間的相互干擾。

5.無源轉(zhuǎn)接方式無源轉(zhuǎn)接方式是利用金屬反射板改變微波波束的方向以起到轉(zhuǎn)接作用。這種轉(zhuǎn)接方式維護(hù)簡單,主要用于克服山河等地形障礙,但對反射板的抗風(fēng)能力要求高且昂貴。

4.6衛(wèi)星信道

4.6.1基本概念

1.空間通信空間通信是以空間飛行體或通信轉(zhuǎn)發(fā)體作為對象的無線電通信。它可分為三種形式:

(1)地球站與空間站之間的通信。

(2)空間站之間的通信。

(3)通過空間站的轉(zhuǎn)發(fā)或反射進(jìn)行的地球站之間的通信。

圖4.30衛(wèi)星通信示意圖

2.同步衛(wèi)星同步衛(wèi)星運行軌道在赤道平面上,離地球高度為35860km,運行周期恰好與地球自轉(zhuǎn)的周期相同,因此稱為同步衛(wèi)星。對于任一地球站而言,衛(wèi)星是靜止不動的,也叫靜止衛(wèi)星。在衛(wèi)星通信中,主要使用同步衛(wèi)星,其原因有以下兩點。

(1)同步衛(wèi)星距地面遠(yuǎn),一顆衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域(從衛(wèi)星上能“看到”的地球區(qū)域)可達(dá)地球總面積的40%左右,地面最大跨距可達(dá)18000km。理論上只需三顆衛(wèi)星適當(dāng)配置,就可建立除兩極地區(qū)(南極和北極)以外的全球通信,如圖4.31所示。

圖4.31全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)示意圖

(2)由于同步衛(wèi)星相對于地球是靜止的,因此地面站天線容易保持對準(zhǔn)衛(wèi)星的姿態(tài),不需要復(fù)雜的跟蹤系統(tǒng)。當(dāng)然,同步衛(wèi)星也有一些缺點,主要表現(xiàn)在:兩極地區(qū)為通信盲區(qū);衛(wèi)星離地球較遠(yuǎn),故傳輸損耗和傳輸時延都較大;同步軌道只有一條,能容納衛(wèi)星的數(shù)量有限;同步衛(wèi)星的發(fā)射和在軌測控技術(shù)比較復(fù)雜。此外,在春分和秋分前后,還存在著星蝕(衛(wèi)星進(jìn)入地球的陰影區(qū))和日凌中斷(衛(wèi)星處于太陽和地球之間,受強大的太陽噪聲影響而使通信中斷)等現(xiàn)象。

3.使用頻段由于衛(wèi)星處于電離層之外,地面上發(fā)射的電磁波必須能夠穿透電離層才能到達(dá)衛(wèi)星,同樣,從衛(wèi)星返回地面的電磁波也必須穿透電離層才能到達(dá)地面,而在無線電頻段中只有微波頻段滿足這一條件,因此衛(wèi)星通信使用了微波頻段。衛(wèi)星通信是雙工通信,為了避免同頻干擾,將信號頻率分為上行頻率(指地面站發(fā)向衛(wèi)星的信號頻率)和下行頻率(指衛(wèi)星返回地面站的信號頻率)。

目前大多數(shù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)選擇在下列頻段工作:(1)UHF波段(400/200MHz);(2)L波段(1.6/1.5GHz);(3)C波段(6.0/4.0GHz);(4)X波段(8.0/7.0GHz);(5)K波段(14.0/12.0GHz,14.0/11.0GHz,30/20GHz)。

由于C波段的頻段較寬,又便于利用成熟的微波通信技術(shù),且天線尺寸較小,因此,衛(wèi)星通信最常用的是C波段。

4.6.2通信衛(wèi)星

1.按衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)分類按衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)可將通信衛(wèi)星分為無源衛(wèi)星和有源衛(wèi)星。

(1)無源衛(wèi)星是指運行在特定軌道上的球形或其他形狀的反射體,沒有任何電子設(shè)備,它是靠其金屬表面對無線電波的反射來完成信號中繼的。在20世紀(jì)50～60年代進(jìn)行衛(wèi)星通信試驗時,曾利用過這種衛(wèi)星。

(2)有源衛(wèi)星是指本身具有電子設(shè)備,能對信號進(jìn)行簡單處理,需要有能源支持的衛(wèi)星。目前,幾乎所有的通信衛(wèi)星都是有源衛(wèi)星,大多數(shù)利用太陽能電池和化學(xué)能電池作為能源。這種衛(wèi)星裝有收、發(fā)信機等電子設(shè)備,能對地面站發(fā)來的信號進(jìn)行接收、放大、變換等處理,再發(fā)回地球。這種衛(wèi)星可以部分地補償信號在空間傳輸過程中所造成的損耗。

2.按通信衛(wèi)星的運行軌道分類按通信衛(wèi)星的運行軌道，通信衛(wèi)星可分為：(1)赤道軌道衛(wèi)星(指軌道平面與赤道平面夾角￠=0°);(2)極軌道衛(wèi)星(￠=90°);(3)傾斜軌道衛(wèi)星(0°<￠<90°)。

3.按衛(wèi)星離地面的高度分類按衛(wèi)星離地面最大高度h的不同，可將通信衛(wèi)星分為：(1)低高度衛(wèi)星h<5000km;(2)中高度衛(wèi)星5000km<h<20000km;(3)高高度衛(wèi)星h>20000km。

4.按相對位置分類按衛(wèi)星與地球上任一點的相對位置，可將通信衛(wèi)星分為:

(1)同步衛(wèi)星是指在赤道上空約35860km高的圓形軌道上與地球自轉(zhuǎn)的運行方向和周期均相同的衛(wèi)星。同步衛(wèi)星的運行軌道稱為同步軌道。

(2)異步衛(wèi)星的運行周期不等于(通常小于)地球自轉(zhuǎn)周期,其軌道傾角、軌道高度、軌道形狀(圓形或橢圓形)可因需要而不同。從地球上看,這種衛(wèi)星以一定的速度在運動,故又稱為移動衛(wèi)星或異步衛(wèi)星。

4.6.3衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類

目前全球正在運行的衛(wèi)星通信系統(tǒng)數(shù)以百計,歸結(jié)起來可分為如下幾類。

(1)按衛(wèi)星制式分為靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)、隨機軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)和低軌道衛(wèi)星(移動)通信系統(tǒng)。

(2)按通信覆蓋區(qū)域的范圍分為國際衛(wèi)星通信系統(tǒng)、國內(nèi)衛(wèi)星通信系統(tǒng)和區(qū)域衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

(3)按用戶性質(zhì)分為公用(商用)衛(wèi)星通信系統(tǒng)、專用衛(wèi)星通信系統(tǒng)和軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

(4)按業(yè)務(wù)范圍分為固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)、移動業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)、廣播業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)和科學(xué)實驗衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

(5)按基帶信號體制分為模擬衛(wèi)星通信系統(tǒng)和數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

(6)按多址方式分為頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)、空分多址(SDMA)和碼分多址(CDMA)衛(wèi)星通信系