网络通信 1
Bilingual Course
Network Communications
网络通信
(For Master Students in the Department of Electronic Engineering)
Chapter 4 Transmission Media
Instructor,Dr,Tianshuang Qiu
School of the Electronic and Information Engineering
Fall of 2004
网络通信 2
Electromagnetic Spectrum
网络通信 3
电磁波频段网络通信 4
Names of frequency bands
ELF— Extremely low frequency
VF — Voice frequency
VLF — Very low frequency
LF — Low frequency
MF — Medium frequency
HF — High frequency
VHF — Very high frequency
UHF — Ultrahigh frequency
SHF — Superhigh frequency
EHF — Extremely high frequency
网络通信 5
§ 4-1 Guided Transmission Media
1,Twisted pair
(1) Unshielded twisted pair ( UTP)
1) 是最常用的远程通信媒体
2) 其频率范围为 100Hz— 5MHz
3) 为什么绞起来
(i) 平行线受外界干扰比较严重
(ii) 若把两条线绞起来,则克服了这种影响
4) 常见的双绞线电缆中含有 5对 UTP
5) 传输特性
(i) 可以传输模拟 /数字信号;
(ii) 5-6miles需要一个放大器(模拟),2-3miles需要一个转发器(数字);
(iii) 电气特性如图 4.3( P.112)
(iv) 易受干扰影响;
(v) 数据率可以达到几 Mbps,短距离传输时可达 100Mbps( 1km)。
网络通信 6
双绞线抗干扰示意图发收干扰源
12单 位
16单 位
4 4 4 4
发 收
3 3 3 3
14
14
网络通信 7
Twisted pairs (Table 4.2,P.114)
网络通信 8
(2) STP 屏蔽双绞线特点:每一对双绞线外均有屏蔽层有助于屏蔽外界干扰有助于消除串扰(来自另一线路的)
2,Coaxial Cable (同轴电缆)
频率特性,100kHz— 500MHz
对于模拟信号传输,几 km需要一个放大器,对于数字信号传输,1km需要一个转发器。
应用:电视、视频信号传输长途电话计算机连接局域网网络通信 9
3,Optical Fiber
光纤是传导光的媒体,有玻璃或塑料制成;
特点:
- 容量大,以 2Gbps的速率,可以传输几十 km,可以容纳 20000—
60000个电话信道;
- 体积小,重量轻;
- 衰减小;
- 隔离电磁场
波分复用技术:当不同频率的多条光线在同一根光纤中传播时,实际上是一种 FDM,但是通常称为 WDM( Wavelength division
multiplexing),
1997年贝尔实验室实现 100路 WDM,每路 10Gbps,总容量达到 1Tbps。
传播模式
- 多模传播:多束光线从光源经由芯材通过不同光路传播;
- 单模传播:只有一个角度入射
(参见 Figure 4.4 in P.118)
网络通信 10
光的折射和全反射
光源:发方光源 --发光二极管,注入型激光二极管收方光敏元件 — 光电二极管光疏光密光疏光密光疏光密临界反射光疏--光 密 光密--光 疏光疏光密全反射网络通信 11
光纤传播模式网络通信 12
Description
Step-Index Multimode
Light from a source enters the cylindrical glass or plastic core,
Rays at shallow(平缓) angles are absorbed by the surrounding
material,This form of propagation is called step-index multimode,
(多模突变) referring to the variety of angles that will reflect,
With multimode transmission,multiple propagation paths exist,
each with a different path length and hence time to traverse(穿过) the fiber,This causes signal elements (light pulses) to spread
out in time,which limits the rate at which data can be accurately
received,Put another way(另一方面),the need to leave spacing
between the pulses limits data rate,This type of fiber is best
suited for transmission over short distances,When the fiber core
radius is reduced,fewer angles will reflect,By reducing the radius
of the core to the order of a wavelength,only a single angle or
mode can pass,the axial ray,
网络通信 13
Single-mode
This single-mode propagation provides superior performance for the
following reason,Because there is a single transmission path with
single-mode transmission,the distortion found in multimode cannot
occur,Single-mode is typically used for long-distance applications,
including telephone and cable television.
Graded-index multimode
Finally,by varying the index of reflection of the core,a third type of
transmission,known as graded-index multimode(多模渐变),is
possible,This type is intermediate between the other two in
characteristics,The higher refractive(折射的) index at the center
makes the light rays moving down the axis advance more slowly than
those near the cladding(外层),Rather than zig-zagging off the
cladding,light in the core curves helically(螺旋状的) because of
the graded index(渐变的折射率),reducing its travel distance,The
shortened path and the higher speed allows light at the periphery
(周围的) to arrive at a receiver at about the same time as the strait
rays in the core axis,Graded-index fibers are often used in local area
networks,
网络通信 14
§ 4-2 Wireless Transmission
1,感兴趣的频率范围
1,微波频率,1GHz— 40GHz,适合点对点传输
2,无线电波,30MHz— 1GHz,全向应用
3,红外线频谱,点对点,对多点
2,无线电波的传播
(1) 球面传播:通过大气的最低层进行传播( VLF,LF)
(2) 对流层传播:通过大气的对流层进行传播( MF)
(3) 电离层传播:通过大气的电离层进行传播( HF,VHF)
(4) 视线传播:在大气中直线传播( SHF)
(5) 空间传播:空间传播(卫星中继,EHF)
Hz102103 1411
网络通信 15
3,天线
定义:用来发射电磁能量或者收集电磁能量的电导体或电导体系统。
发送时,把电能转换为电磁能;
接收时,把电磁能转换为电能。
通常,天线可以双向工作,既发送,又接收。
各向同性天线( isotropic antenna):是空间中的一个点,它均等地向所有方向发射能量。
抛物面反射天线( parabolic reflective antenna):主要用于地面微波和卫星应用。
焦点( focus)
准线( directrix)
网络通信 16
抛物面天线网络通信 17
天线增益
是对天线方向性的度量
定义为天线在特定方向上的输出功率与由完美的全向天线在任意方向上产生的功率之比
例如:天线的增益为 3dB,表示其功率比各向同性天线在该方向产生的功率提高了 3dB。
天线的增益主要表示其方向性增强了。
天线的有效面积
例如,各向同性天线增益为 1,有效面积为

若天线的表面面积为 A,
则有效面积为 0.56A,
功率增益为 载波波长光速载波频率有效面积天线增益其中



m / s103;;
,
44
8
2
2
2
cf
AG
c
AfA
G
e
ee
4/2
2/7?A
网络通信 18
4,Terrestrial Microwave(地面微波)
属于视线传播;
每个天线上安装一个转发系统
天线,一般采用碟形抛物天线或喇叭天线;
天线的高度与传输距离的关系
( km)
其中:
d为天线之间的最大距离
h为天线高度
K为调节因子,取 K=4/3
传输频率特性,2GHz— 40GHz
传输损耗:
其中:
d为传输距离; 为波长
Khd 14.7?
)dB()4l o g (10 2 dL?
网络通信 19
光学视距和无线电视距
光学视距
无线电视距

设一天线的高度为 100m,另一个天线的高度为地面高度,
那么,这两个基本点天线之间的最大视距传输距离为
现在假设接收天线高 10m,为了达到相同的距离,发送天线必须达到的高度为多少?
km4113357.357.3 khd
m2.4633.1/48.7
48.73.13
57.3
41
)3.13(57.341
2
1
1
1



h
kh
kh
hd 57.3?
)(57.3
3/4,57.3
21 khkhd
kkhd


距离两个天线间的最大传播为折射系数网络通信 20
几种无线传播方式网络通信 21
5,Satellite Communications
( 1)卫星的用途:把 2个或多个地基微波发 /收器连接起来,用于广播电视、长途电话和商业网络等
( 2)传输特性:
1)上行,5.925— 6.425GHz;
2)下行,3.7— 4.2GHz
6,Cellular Phone
用途:移动通信
功能:为呼叫方进行定位和追踪,并分配信道
工作方式:
- 将每个蜂窝服务区划分为一个个的小区域,称为蜂窝;
- 每个蜂窝单元有天线;
- 每个基站由移动电话交换局( MTSO)控制和协调;
- 蜂窝单元大小不定,在 1— 12miles范围内;
- 为了防止蜂窝单元之间互相干扰,限制传输能量。
网络通信 22
卫星通信配置网络通信 23
蜂窝移动通信示意图移动电话交换局
MTSO
中央电话局
CO固定电话蜂窝单元天线网络通信 24
发送(从移动电话呼叫固定电话)
- 移动电话输入电话号码,按发送按钮;
- 手机对波段扫描,寻找信号最强的连接建立信道,并把所拨的号码发送到最近的基站;
- 基站把数据发送到 MTSO;
- MTSO把数据传至中央电话局( CO);
- 若被呼叫方允许呼叫,则建立连接,并将结果返回给 MTSO;
- MTSO为呼叫分配一个空闲信道,并建立连接;
- 手机自动调整到新信道,并开始话音通信
接收(固定电话呼叫手机)
- 固定电话拨号,CO响应;
- CO把号码发给 MTSO;
- MTSO呼叫,向每个蜂窝单元查询手机的位置;
- 若找到,MTSO向手机发出振铃;
- 手机应答时,MTSO为本次呼叫分配一个信道,允许开始通话。
控制传递,在通话中,若手机进入另一个蜂窝单元,则需控制传递
- MTSO每几秒钟监视一下信号的强弱;
- 若信号强度下降,MTSO寻找另一个更好的蜂窝单元,并改变信道。
网络通信 25
§ 4-3 视距传输
1,自由空间的损耗
信号通常随传输距离的增加而慢慢消失。
信号随距离增加所扩散的面积越来越大,这种损耗称为自由空间损耗( Free space loss)。
对于理想化全向天线
)m / s103(
,
)4()4(
8
2
2
2
2


光速天线间的传播距离载波波长接收天线的信号功率发送天线的信号功率其中
c
d
P
P
c
fdd
P
P
r
t
r
t
网络通信 26
另一种写法
dB56.1 4 7)l o g (20)l o g (20
4
l o g20
dB98.21)l o g (20)l o g (20
4
l o g20l o g10dB


df
c
fd
d
d
P
P
L
r
t
网络通信 27
对于非理想天线,自由空间损耗公式变为:
另一种写法接收天线有效面积发送天线有效面积接收天线增益发送天线增益其中

r
t
r
t
trtrtrr
t
A
A
G
G
AAf
cd
AA
d
GG
d
P
P
,
)()()4(
2
22
2
22
dB54.169)l o g (10l o g20l o g20
)l o g (10l o g20l o g20


rt
rtdB
AAdf
AAdL?
网络通信 28
讨论
若天线尺寸和距离固定,则载波的波长越长(频率越低),
自由空间的损耗越高;但与前面的结论有矛盾。
表明,可以用天线增益来弥补损耗,因此高频率处损耗减小了(见上式)。

一个抛物天线的直径为 2m,工作频率为 12GHz,求其有效面积和天线增益。
解:
dB46.45
35186025.0/)7(/)7(
m025.0)1012/()103(/
,56.056.0,
dB
22
98
2



G
AG
fc
AArA e


则波长
网络通信 29

判断在 4GHz的频率上,地球同步轨道卫星
( 35863km)最短路径上的全向自由空间损耗是多少
?已知
解:
)
1W
l o g10(
- 7 9,6 d B W1 0 3,6 d B) 2 4 d B W( 2 5 0 W
2 5 0 W,
dB6.1 0 348446.1 9 5
4 8 d B,4 4 d B
dB6.1 9 598.21)108 6 3.35l o g (20)0 7 5.0l o g (20
m0 7 5.0)104/()103(,GHz4
W
d B W
dB
6
dB
98
功率功率率为则卫星天线接收到的功为假设地球站的发射功率则空间损耗为和分别为设卫星和基地天线增益




L
L
f
dB98.21)l o g (10?rt AA
网络通信 30
2,大气吸收
来源
来自大气中水蒸汽和氧气的吸收;
水蒸汽的影响衰减峰值出现在 22GHz附近;
氧气的影响衰减峰值出现在 60GHz附近;
雨和雾引起无线电波的散射,也导致衰减。
3,多径传输
在信号传输的通道上,若存在一些障碍物,信号可能会被这些障碍物反射,导致接收到该信号的多个副本,且这些副本的延迟各不相同。这种现象称为多径传输。
网络通信 31
多径传输举例网络通信 32
4,折射
现象
当无线电经大气层传播时会产生折射(或弯曲)现象。
原因
随海拔高度的变化或其它大气层状态的变化,信号速度也在变化。通常,随着海拔高度的上升,信号速度加快,导致无线电波向下弯曲。
有些时候,因气候条件的作用,信号速度随海拔高度变化的剧烈程度与正常情况下相差很多。其结果是有时侯只有部分或甚至没有视距电波能够到达天线。
网络通信 33
Homework for Chapter 4
4.1,4.3,4.6,4.8
Due by Next Monday
网络通信 34
End of This Chapter