1.3 网络传输介质的应用
计算机网络传输介质分为有线介质和无线介质，其中有线介质有双绞线、同轴电缆、光纤等，无线介质有无线电波、微波或红外线等。下面分别介绍它们的特点和应用。
1.3.1 双绞线
双绞线（Twisted Pair）是由一对或多对绝缘铜导线组成，如图1.15所示，为了减少信号传输中串扰及电磁干扰（EMI）影响的程度，通常将这些线按一定的密度互相缠绕在一起。
图1.15 非屏蔽双绞线（UTP）
双绞线是模拟和数字数据通信最普通的传输媒体，适用于较短距离的信息传输，当超过一定距离（UTP-5类线的有效距离为100m）时，信号因衰减可能会产生畸变，这时就要使用放大器或中继器（Repeater）来放大或整形信号和再生波形。一般导线越粗，其通信距离就越远，导线的价格就越高。双绞线因其价格便宜且安装简单而得到广泛的使用。在局域网中，一般采用双绞线作为传输介质。
为了提高双绞线的抗电磁干扰能力，在双绞线的外面加上一层用金属丝编织的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair, STP），它的价格要高于非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair, UTP）。双绞线按性能分为不同的等级，级别越高，性能越好。由于UTP的成本低于STP，所以使用得更广泛些。双绞线共分为7类，对于传输数据现在最常用的是五类UTP。五类线在线对间的绞合度和线对内两根导线的绞合度上都经过了精心设计，再辅以严格的生产工艺，使干扰在一定程度上得以抵消，从而提高了传输效率。双绞线的类别、带宽及典型应用如下。
①一类UTP：主要用于电话连接，通常不用于数据传输。
②二类UTP：通常用在程控交换机和告警系统。ISDN和T1/E1数据传输也可以采用二类电缆，二类线的最高带宽为1MHz。
③三类UTP：又称为声音级电缆，是一类广泛安装的双绞线。三类UTP的阻抗为100W，最高带宽为16MHz，适合于10Mb/s的双绞线以太网和4Mb/s令牌环网的安装，也能运行16Mb/s的令牌环网。
④四类UTP：最大带宽为20MHz，其他特性与三类UTP一样，能更稳定地运行16Mb/s的令牌环网。
⑤五类UTP：又称为数据级电缆，质量最好。它的带宽为100MHz，能够运行100Mb/s以太网和FDDI，五类UTP的阻抗为100W。五类UTP目前已被广泛应用。
⑥超五类UTP：与五类UTP相比衰减更小，适用于传输速率不超过1Gb/s的应用。
⑦六类UTP：最大带宽250MHz，与五类UTP相比改善了串扰等性能，适用于传输速率高于1Gb/s的应用。
⑧七类STP：是最新的一种双绞线，它不再是非屏蔽双绞线，而是屏蔽双绞线，能提供至少600MHz的整体带宽，适用于传输速率高于10Gb/s的应用。
1.3.2 同轴电缆
同轴电缆（Coaxial Cable）是由绕同一轴线的两个导体组成，即内导体（铜芯导线）和外导体（屏蔽层），外导体的作用是屏蔽电磁干扰和辐射，两导体之间用绝缘材料隔离，如图1.16所示。同轴电缆具有较高的带宽和极好的抗干扰特性。
图1.16 同轴电缆
同轴电缆的规格是指电缆粗细程度的衡量，按射频级测量单位（RG）来衡量，RG越高铜芯导线越细，RG越低铜芯导线越粗。
常用同轴电缆的型号和应用如下。
①阻抗为50W的粗缆RG-8或RG-11，用于粗缆以太网。
②阻抗为50W的细缆RG-58A/U或C/U，用于细缆以太网。
③阻抗为75W的电缆RG-59，用于有线电视（CATV）。
同轴电缆在局域网发展早期应用较为广泛，目前同轴电缆主要用在有线电视网络中。同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。目前高质量的同轴电缆带宽已接近1GHz。
1.3.3 光导纤维
从20世纪70年代至今，计算机和通信都发展迅速。据统计，计算机的运行速度每10年大约提高10倍，而信息的传输速率则提高得更快，从20世纪70年代的56Kb/s提高到现在的100Gb/s（使用光纤通信技术），并且这个速率还在继续提高。因此，光纤通信是现代通信技术的一个重要领域。
光纤通信是利用光导纤维（Fiber Optics，简称光纤）传递光脉冲来进行通信。用光脉冲的有无来表示0和1。由于可见光的频率非常高，为108MHz的量级，因此一个光纤通信系统的带宽远远大于其他各种传输媒体的带宽。
光纤是一种由石英玻璃纤维或塑料制成的，直径很小，能传输光脉冲信号的介质，如图1.17所示。光纤由一束玻璃芯组成，它的外面包了一层折射率较低的反光材料，称为覆层。由于覆层的作用，在玻璃芯中传输的光信号几乎不会从覆层中折射出去。这样当光束进入光纤中的芯线后，可以减少光通过光缆时的损耗，并且在芯线边缘产生全反射，使光束曲折前进。
图1.17 光导纤维
由于光纤传送的是光脉冲信号，而终端发送和接收的是电信号，因此在光纤通信系统的两端都要有一个装置来完成光／电信号的转换。在发送端有光源，可以采用发光二极管（LED）或注入式激光二极管（ILD），它们在电脉冲的作用下产生光脉冲。在接收端有由光电二极管制成的光检测器，它可将检测到的光脉冲还原成电脉冲。
光纤的优点是信号损耗小、频带宽、传输率高，传输速率为100～1000Mb/s，甚至更高，且不受外界电磁干扰。另外，由于它本身没有电磁辐射，所以它传输的信号不易被窃听，保密性能好。但是它的成本高并且连接技术比较复杂。
光纤主要用于长距离的数据传输和网络的主干线。
根据使用的光源和传输模式的不同，光纤可分为多模光纤和单模光纤。
多模光纤采用发光二极管产生可见光作为光源，定向性较差。当光纤芯线的直径比光波波长大很多时，由于光束进入芯线中的角度不同传播路径也不同，这时光束是以多种模式在芯线内不断反射而向前传播，如图1.18（a）所示。多模光纤的传输距离一般在2km以内。
图1.18 多模光纤和单模光纤
单模光纤采用注入式激光二极管作为光源，激光的定向性强。单模光纤的芯线直径一般为几个光波的波长，当激光束进入玻璃芯中的角度差别很小时，能以单一的模式无反射地沿轴向传播，如图1.18（b）所示。
常用光纤的规格见表1.1。
表1.1 常用光纤的规格
由于光纤非常细，因此必须将光纤做成结实的光缆。一根光缆少则有一根光纤，多则可有数十至数百根光纤，再加上加强芯和填充物就可大大提高其机械强度。最后加上包带层和外护套，完全可满足工程施工的强度要求。
1.3.4 无线传输
根据距离的远近和对通信速率的要求，可以选用不同的有线介质，但是若通信线路要通过一些高山、岛屿或河流时，铺设线路就非常困难且成本非常高，这时就可以考虑使用无线电波在自由空间的传播实现多种通信。
无线电微波通信在数据通信中占有重要地位。微波的频率范围为300MHz~300GHz，但主要是使用2～40GHz的频率范围。微波在空间主要是直线传播。由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此它不像短波通信可以经电离层反射传播到地面上很远的地方。微波通信有两种主要方式，即地面微波接力通信和卫星通信。
1．地面微波接力通信
地面微波接力通信在物理线路昂贵或地理条件不允许的情况下适用，如图1.19所示。
图1.19 地面微波接力通信
地面微波接力通信是通过地球表面的大气传播，易受到建筑物或天气的影响，在两个地面站之间传送，距离为50~100km。
（1）地面微波接力通信的优点。
①微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大。
②微波通信受外界干扰比较小，传输质量较高。
③与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少、见效快。
（2）地面微波接力通信的缺点。
①相邻站之间必须直视，不能有障碍物（“视距通信”）。有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真。
②微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。
③与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。
④微波通信对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力。
2．卫星通信
卫星通信，简单地说，就是地球上（包括地面和低层大气中）的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成，如图1.20所示。
图1.20 卫星通信
卫星通信的优点如下。
①通信范围大，只要在卫星发射电波所覆盖的范围内，任何两点之间都可进行通信。
②不易受陆地灾害的影响（可靠性高）。
③只要设置地球站电路即可开通（开通电路迅速）。
④同时可在多处接收，能经济地实现广播、多址通信（多址特点）。
⑤电路设置非常灵活，可随时分散过于集中的话务量。
⑥同一信道可用于不同方向或不同区间（多址连接）。
但其也存在缺点，那就是通信费用高，延时较大，10GHz以上雨雾的散射衰耗较大，易受太阳噪声的干扰。
3．红外线和毫米波
红外线和毫米波这种通过光波传输来进行通信的应用，一般在短距离内连接两个通信设备，如电视、录像机等的遥控等。其缺点是不能穿透雨和浓雾，不能穿透固体，易受天气影响。
1.3.5 常用各种传输介质的比较
每种传输介质都有各自的特点，应根据具体情况选用。各种常用传输介质性能参数的比较如表1.2所示。
表1.2 各种常用传输介质的比较
