电信传输理论-CH3-传输介质

引入

（听 Baoninghai 讲讲故事的小节）

• 如同Overview中介绍，用于信息传输的介质可以分为引导式(guided)和非引导式(unguided, 通常其实就是无线)。
• 双绞线一直是传统通信的主力，但是双绞线对长距离高频信号的传递不行。同轴线可以弥补这个缺点，但是造价较为高昂。现在价格更低又对大容量长距离传输更友好的光纤占据了很大的市场，曾经广泛使用的双绞线和同轴线逐渐被光纤取代了。现在的趋势是将光纤向用户侧衍伸。
• 光纤因为自己材质是二氧化硅，因此对外部保护要求较高，且不能大幅度弯曲。现在有了新的材料，类似于“塑料”，解决了这个问题。因此现在光线入户得到了进一步推进。
• 光纤还有一些独特的优势，一是成本低；二是要窃听光纤内的内容，必须要在光纤接头处作出特殊处理，无法直接并联一根线进行窃听。

频段和其缩写

这一页不作具体的要求，只需要大家熟悉

其中，几个比较重要的是：

• 语音通信的频带范围：300-3KHz
• 双绞线传输范围: 小于$10^8Hz$，这也就是为什么说双绞线对高频信号传输不友好
• 光纤和可见光都在$10^{14}%$至$10^{15}$，可见光通信（例如日光灯）现在也有很多人研究，数据下行较为容易实现，但是数据上行困难。

传输介质的分类

引导式传输介质一般都指有线传输信道，非引导式一般是无线传输信道。一般来说：

• 有线传输信道各项参数不会发生较大变化，因此认为有限传输是恒参信道。
• 而无线传输会受到环境，路径等影响，因此是非恒参信道

引导式(有线)传输介质

	频率范围	衰落率典型值	延迟典型值	理论传输最远距离
双绞线	0-3.5Khz	0.2dB/Km@1Khz	50us/km	5km
双绞线（多条）	0-1Mhz	0.7dB/Km@1Khz	5us/km	5km
同轴线	0-500Mhz	7dB/Km@10Mhz	4us/km	1~9km
光纤	186-370Thz	0.2~0.5dB/Km	5us/km	40km

双绞线对语音通信传输距离，标准的上限是5Km。PPT上的表格写的是2km，这里与国内实际情况有出入。

双绞线 （Twisted pair）

双绞线：双绞线由两条铜线拧在一起。一条双绞线（两条铜线）构成一个完整的通信回路。两条线拧在一起是为了让内部传输的信号尽可能正交（完全正交就没法向前延伸了），来减少互相的串扰。因此绕在一起的“斜率”其实是经过特别计算的。

串扰产生的原因：两条相邻的并行的线产生了互相电磁干扰其实就是串扰产生的原因。最初的时候，语音信号是模拟信号，因此产生传绕时你可以听到别人说话的声音。

用户环路（subscriber loop）:在局部电话系统中（例如政府），会有一个内部的交换机，内部电话通过双绞线连接至内部交换机，这些线路被称为“用户环路”。（现在也用不太上了，可以不用记）

双绞线的优缺点：

• 优：便宜
• 优：可弯折性好
• 缺：距离上受到限制
• 缺：对干扰特别敏感（举个例子，家庭网络布双绞线时，强电和弱电需要分开布线，以此减少干扰）
• 缺：频率受到限制（主要的限制）

从下图可以看出，在几种典型的线传输介质中，双绞线的衰减随频率增加严重。

在后续研究双绞线时，会认为双绞线是两条平直，线距一致的线。因为研究传输线基于微积分，当把双绞线切分成无数个小段之后，每一小段近似与平行。

不同规格的双绞线

（看看就可以，了解）

双绞线可以分为屏蔽（shielded twisted pair, STP）的和非屏蔽(unshielded twisted pair, UTP)的，屏蔽线的抗电磁干扰能力较好，但成本较高；因此日常使用的都是非屏蔽线。

双绞线依据其最高传输带宽，被分为了几类（以下只列举了典型两类）：

• 3类线：最高传输带宽16Mhz的UTP线缆
• 5类线：最高传输带宽100Mhz的UTP线缆

三类线和五类线的核心区别是双绞线的绕合率

同轴线（coaxial cable）

同轴线的构成：类似于双绞线有两条线，同轴线也有两条线，这是其也被称之为双导体的原因。如下图所示，有Inner conductor 和 Outer conductor，两层导线轴心相同。

目前，同轴线广泛运用于射频信号的传播。

双导体和单导体：双导体构成回路，可双向传输直流信号（恒电磁波），而单导体内信号是以电磁波的形式在传播

同轴线的传输特征：同轴线能传输高频的信号，如下图所示。与双绞线相比，同轴电缆可以用于更长的距离，并支持线路上接入更多站点

光纤（optical fiber）

光纤的结构如下图所示，其由三层基本结构组成：纤芯（core），包层（cladding），涂敷层(外护套)（coating）。

一般来说，有两种光纤：支持的多种传播路径或横向模式的光纤被称为多模光纤(multi-mode)，而支持单一模式的被称为单模光纤（single-mode）。

• 单模光纤主要用来承载具有长波长的激光束，单模只传输一种模式。和多模光纤相比，他的色散要少。由于使用更小的玻璃芯和单模光源，所以单模光纤支持很长的距离，传输距离可达10km甚至几十km。
• 多模光纤主要使用短波激光，具有50nm或者62.5nm的玻璃芯以及125nm的覆盖层。多模允许传输同时多个模式，覆盖层的反射限制了玻璃芯中的光，使他不会泄漏。短波长的激光束由那些从缆芯中以不同角度反射出来的光模所组成。由于不同模式的波速度，性质有差异，在接收端可能出现波形展宽，也就是色散。这种色散效果降低了可以恢复的原始信号的最长距离。

其中，多模光纤又分为阶跃折射率和渐变折射率，其区别是线芯的折射率是阶跃变化还是渐进变化，如下图所示。

下图由上至下展示：多模阶跃光纤，多模渐进光纤，单模光纤，内光信号的传播路径。

一般来说，多模的光纤线径大于单模

下面3个窗口五星级

光纤通信中的发光器件： 光纤通信的复用方式是波分复用。光纤有3个衰减比较小的“透射窗口”，分别是850nm, 1310nm 1550nm。最初使用的是850nm的波长，如今许多本地通信使用的是850nm LED光源，这种方案比较便宜，但通常只适用于100Mbps以下的数据速率和几公里的距离；更高速率和距离需要1310nm的LED或是激光光源；下图展示了3个波长窗口，注意，图中单位为um（位于中文书102页）

上面这个图不好看，这个图清晰一点：

非引导（无线）通信（五星级！）

bnh的小知识：微波是电磁波的一个分支，特指频率很高波长很短的电磁波，其频率在300MHz-300GHz。

天线

（这一段在吹水）

通常我们在讨论天线时，主要关注快衰落和慢衰落（详见移动通信）。

在讨论天线时，多径效应影响明显（属于快衰落）。为了解决这个问题，有一种较为传统有效的方法，是分级接收：一个发送端和两个接收端，两个接收数据合并处理后再使用；这种技术要求两个天线水平摆放或是垂直摆放，通常来说垂直摆放效果更好。另一种方法是使用均衡技术，对衰落进行补偿。

在这门课中，主要讨论抛物面天线。

常见的微波天线是抛物面“碟形”。典型的尺寸约为直径3米，天线为刚性天线，有一个焦点，适用于窄波束LOS传输。微波天线通常位于地面以上相当高的位置，以扩大天线覆盖范围并避开障碍物。为了实现远距离传输，使用了一系列微波中继塔，点对点微波链路在所需距离上串在一起。

微波的另一个日益普遍的用途是用于建筑物之间的短点对点链路。这可以用于闭路电视或作为局域网之间的数据链路。短程微波也可以用于旁路应用。企业可以绕过当地电信公司，建立与同一城市远程电信设施的微波链路。

天线的增益（五星级）

天线增益五星级公式

天线的增益是它在接收某一方向信号时，该方向信号的功率和天线接收出的功率的比值。在天线传输理论一课中对下面这个公式已经进行过了推导。天线的增益可以用如下公式描述：

$$G=\frac{4\pi A_e}{\lambda^2}=\frac{4\pi f^2A_e}{c^2}$$

其中：

• G: 天线增益
• $A_e$: 天线有效面积
• $f$: 载波频率
• c: 真空中光速
• $\lambda$: 载波波长

抛物面天线有效面积的公式是：(其中A指圆面积，例如半径为r就是$2\pi r^2$)

$$A_e=0.56A$$

理想全向增益为1的天线有效面积是：

$$A_e=\frac{\lambda^2}{4\pi}$$

由于$4\pi\times0.57\approx7$, 因此抛物面天线的增益公式可以简化：

$$G_{抛物面}=\frac{7A}{\lambda^2}$$

举个例子，一个抛物面天线直径为2m, 工作频率为12GHz, 天线的有效面积是多少？增益是多少？

$$A=\pi r^2=\pi, A_e=0.56\pi$$ $$\lambda=c/f=((3\times10^8)/(12\times10^9))=0.025m$$ $$G=(7A)/\lambda^2=35186=45.46dB$$

地表微波通信

卫星微波通信

卫星通信核心问题：卫星通信最核心的问题是功耗问题，卫星一般都是携带电池，并通过太阳能电池板进行补能，电能非常有限。

上下行的频段划分：在基站和手机的通信中，因为手机对功耗较为敏感，发射功率有限，因此在与基站的通信中终端上行数据会采用较低频率，以减少衰减。在卫星通信中，卫星是功耗敏感方，因此卫星通信的下行会采用较低频率。

在这门课中，还认为是使用微波进行卫星通信。但是其实现在非常多的学者已经在研究激光卫星/星间通信。激光对波的束缚能力要显著好于微波。但也正是因此，要对准发射端和接收端较难。

无线通信电磁波的传播

地波传播（Ground Wave）（了解）

地波指贴着地面，随着地表弧度弯曲传播的电磁波，它的传播距离可以远超视觉地平线。地波的频率大约为2MHz，属于长波通信，有很强的绕射能力。它会沿着地面传播的原因，是受地表感应电流影响，导致其波前（wavefont）向下倾斜，从而遵循地球的曲率。

典型的地波通信是AM广播。

天波传播（Sky Wave）（了解）

天波依靠电离层反射传播，同样可以实现NLOS传播，但由于其经过反射，因此能量衰减巨大。其频率范围是2-30MHz

Line-of-Signt 传播（重点）

五星级知识点！

对于高于30MHz的波，地波和天波就不管用了，需要视线传播。

视线传播中，发射和接受端需要在“有效”的视线范围内，这个“有效的视线范围”其实不是完完全全一条直线，因为大气中空气密度不同而折射率不同，所以其实它是略微弯曲的，由于这种弯曲，微波其实能传到比视线略远的地方。

在没有空气散射的情况下,高度为h的天线，LOS传播的最大距离是

$$d=3.57\sqrt{h}$$

有了空气散射之后需要加一个修正K，K的经验值是$4/3$

$$d=3.57\sqrt{Kh}$$

假设天线1高$h_1$，天线2高$h_2$，那么传播距离是：

$$d=3.57(\sqrt{Kh_1}+\sqrt{Kh_2})$$

自由空间(Free space) 损耗

五星级知识点！

对于任何类型的无线通信，信号都会随距离而分散，而接收面积恒定，因此，即使没有其他衰减或损伤，信号也会随着距离增加，传播范围越来越大，单位平均功率越来越少，产生衰减。这样的衰减被成为自由空间损耗。

理论来说，无线通信的最大中继距离是10-100km，但是在实际应用中，一般50km内就需要进行信号中继。

假设在各向同性天线下，天线的辐射是一个标准的球，考虑纯理想信道无衰减，只有能量分散带来的损耗。假设发射机发送功率为$P_t$。那么距离为d处球的单位面积接收的能量$S_{av}$就是：

$$S_{av}=\frac{P_t}{4\pi d^2}$$

使用增益为1的各向同性天线接收，这样的天线$A_e=\frac{\lambda^2}{4\pi}$，在距离为d处，接收到的功率$P_r$为：

$$P_r=S_{av}\cdot A_e=(\frac{\lambda}{4\pi d})^2P_t$$

对于各向同性天线，自由空间损耗为：

$$\frac{P_t}{P_r}=\frac{(4\pi d)^2}{\lambda^2}=\frac{(4\pi fd)^2}{c^2}$$

其中：

• $P_t$: 发送端功率
• $P_r$: 接收端功率
• $\lambda$：载波波长
• $d$: 距离（m）
• $c$: 光速（m）= $3\times10^8m/s$

如果以dB形式改写，这个公式为:

$$L_{dB}=10log\bigg(\frac{P_t}{P_r}\bigg)=10log\bigg(\frac{(4\pi fd)^2}{c^2}\bigg)=10log\bigg(\frac{(4\pi d)^2}{\lambda^2}\bigg)$$ $$=-20log(\lambda (m))+20log(d(m))+21.98dB$$ $$=20log\bigg(\frac{4\pi f d}{c}\bigg)=20log(f{(Hz)})+20log(d{(m)})-147.56dB$$

例子：考虑一个电离层传播信号，频率4GHz，发送接收间距为35863km, 求其损耗

$$\lambda=(3\times10^8)/(4\times 10^9)=0.075m$$ $$L_{dB}=-20log(0.075)+20log(35.853 \times10^6)+21.98=195.6dB$$

如果发送天线和接收天线增益不为1：

$$P_r=S_{av}\cdot A_eG_rG_t=(\frac{\lambda}{4\pi d})^2G_rG_tP_t$$ $$L_{dB}=10log\bigg(\frac{(4\pi d)^2}{G_rG_t\lambda^2}\bigg)=10log\frac{(cd)^2}{f^2A_rA_t}$$ $$=−20log(𝑓(Hz))−10log(𝐴_r𝐴_𝑡)+20log(𝑑(m))+169.54$$