2.2 有线信道

有线信道是通信网中最常用的信道，也是最早使用的信道。构成有线信道的传输媒质主要有明线、双绞线、同轴电缆、光纤等，它们可分别适应不同通信系统的需求。

2.2.1 明线

明线（Aerial Open Wire）是由电杆支持、架设在地面上的一种平行而相互绝缘的裸线通信线路，用于传送电报、电话、传真等。

世界上最早使用的长距离明线线路，是美国华盛顿至巴尔的摩的电报线路，建成于1844年，全长64km。19世纪70年代电话发明以后，明线线路开始用来传送电话。1918年开始利用明线线路传送载波电话。中国最早开放业务的长距离明线线路是天津和上海之间的电报线路，建成于1881年，全长3075华里（约1537.5km）。

明线线路每隔50m左右竖立一根电杆，每根电杆一般安装1～5个横担，可架挂1～20余对导线。导线通常采用铜线、铝线或铁线。导线固定在绝缘子（又称隔电子）上。绝缘子一般采用瓷材料或玻璃材料制成，使导线和导线之间以及导线和大地之间保持绝缘。中国使用的导线直径有2.5mm、3.0mm、4.0mm等几种。如图2-3所示为明线架设示意图。

同一杆路上的各对导线，由于长距离平行架挂，会因电磁感应产生相互间的串音干扰。每隔一定距离将一对导线的两根线交换挂设位置，可使串音相互抵消，这种措施称为交叉。

明线线路具有如下特点：

（1）设备简单，容易架设和拆除，发生故障时较易修理，初次架设投资较少，但每一电话电路的平均建设投资则高于电缆线路。

（2）与电缆相比，明线传输损耗小。

（3）容易受天气、自然灾害和外界电磁场的影响，对外界噪声干扰较敏感，通信质量不够稳定。

（4）线路容量较小。

（5）通频带在0.3～27kHz之间，传输频带窄，不能传送电视等宽频带和高速数字信号。

因此，明线已逐渐被淘汰，目前仅在通信业务量较小的农村地区采用。

2.2.2 双绞线

双绞线（Twisted-pair）是由两根各自封装在彩色塑料皮内的铜线互相扭绞而成的。扭绞的目的是抵御一部分外界电磁波干扰及降低自身信号的对外干扰，把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，可以降低信号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。“双绞线”的名字就是由此而来的。

实际使用中，将多对双绞线一起包在一个绝缘电缆套管里形成双绞线电缆，如图2-4所示。典型的双绞线电缆有四对的，也有更多对的。在双绞线电缆内，不同线对具有不同的扭绞长度，一般扭绞长度为38.1mm～14cm，按逆时针方向扭绞。通过相邻线对之间变换的扭绞长度，可使同一电缆内各线对之间干扰最小，相邻线对的扭绞长度在12.7mm以上，一般扭线越密，其抗干扰能力就越强。

双绞线是综合布线工程中最常用的一种传输媒质，既可用于模拟信号传输，也可用于数字信号传输。双绞线的带宽取决于铜线的粗细和传输距离。用于传输模拟信号时，每隔5～6km需要一个放大器，在一根双绞线上可使用频分多路复用技术实现24路音频通道，每个通道的带宽为4kHz。用于传输数字信号时，每隔2～3km需要一个中继器，数据传输速率可达1.5Mbps，采用特殊技术可达1Gbps甚至更高，但会受传输距离影响。用于局域网时，与集线器之间的最大距离为100m。

EIA/TIA（美国电子工业协会/美国通信工业协会）根据导体性能和扭绞密度对双绞线进行分类，可分为1类、2类、3类、4类、5类、超5类、6类和7类等。常见的有3类、5类、超5类及6类，目前计算机网络综合布线主要使用5类和超5类线。

1类线（CAT-1）：用于传输语音，主要用于20世纪80年代初之前的电话线缆，不用于数据传输。

2类线（CAT-2）：传输带宽为1MHz，用于语音传输和最高传输速率为4Mbps的数据传输，常见于使用4Mbps规范令牌传递协议的旧的令牌网。

3类线（CAT-3）：目前在ANSI（美国国家标准协会）和EIA/TIA568标准中指定的电缆。该电缆的传输带宽为16MHz，用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于10Base-T。

4类线（CAT-4）：传输带宽为20MHz，用于语音传输和最高传输速率为16Mbps的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和10Base-T/100Base-T。

5类线（CAT-5）：增加了扭绞密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输带宽为100MHz，用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输，主要用于100Base-T和10Base-T网络，是最常用的以太网电缆。

超5类线（CAT-5e）：传输衰减小，串扰少，具有更高的衰减与串扰的比值（ACR）和信噪比、更小的时延误差，性能得到很大提高。传输带宽为100MHz，最高传输速率可达1000Mbps，主要用于快速位以太网及千兆位以太网（1Gbps）中。

6类线（CAT-6）：传输带宽为250MHz，传输性能远远高于超5类标准，最适用于传输速率高于1000Mbps的应用，主要用于10Base-T/100Base-T/1000Base-T。

扩展6类线（CAT-6A）：传输频率为500MHz，主要用于10GBase-T。

随着网络技术的发展和应用需求的提高，双绞线这种传输介质标准也得到了进一步的发展与提高。从最初的1、2类线，发展到今天最高的7类线，而且据悉这一介质标准还有继续发展的空间。在这些不同的标准中，它们的传输带宽和速率也相应得到了提高，7类线（CAT-7）已达到600MHz，甚至1.2GHz的带宽和10Gbps的传输速率，支持千兆位以太网的传输。

根据内部结构不同，双绞线分为非屏蔽型（Unshielded Twisted Pair，UTP）和屏蔽型（Shielded Twisted Pair，STP）两种，其结构如图2-5所示。

UTP对于传输数字信号和语音信号都适用，其优点是成本低，质量轻，易弯曲，易安装，无屏蔽外套，直径小，节省所占用的空间。在企业局域网组建中通常采用非屏蔽双绞线。UTP最早在1881年被用于贝尔发明的电话系统中。1900年，美国的电话线网络也主要由UTP所组成，由电话公司所拥有。

STP在双绞线与外层绝缘封套之间有一个金属丝编织而成的屏蔽层。STP价格较UTP高，在线径上也明显粗于UTP的线径，屏蔽层可减少辐射，防止信息被窃听，也可阻止外部电磁干扰的进入，使STP比同类的UTP具有更高的传输速率和更好的抗干扰性能。6类以上双绞线通常建议采用屏蔽双绞线。

双绞线一般用于点到点的连线，由于电磁耦合和趋肤效应的影响，线对的传输衰减随着频率的增高而增大，故信道的传输特性呈低通特性。在低频传输时，双绞线抗干扰性能相当于或高于同轴电缆。但频率超过10～100kHz时，同轴电缆性能要明显优越些。

2.2.3 同轴电缆

同轴电缆（Coaxial Cable）由内导体、绝缘层、外导体和外部保护层组成，内导体和外导体位于同一轴线上，如图2-6所示。内导体是单股实心或多股绞合的铜质芯线。外导体是网状编织的金属屏蔽层，除传导电流外，还起到屏蔽的作用。由于外导体的作用，外来的电磁干扰被有效地屏蔽了，因此同轴电缆具有很好的抗干扰特性，并且因趋肤效应所引起的功率损失也大大减小。

同轴电缆按用途不同，可分为50Ω基带同轴电缆和75Ω宽带同轴电缆。基带同轴电缆又称网络同轴电缆，可分细同轴电缆和粗同轴电缆，仅仅用于数字传输，最大距离限制在几千米以内，数据率可达10Mbps。宽带同轴电缆又称视频同轴电缆，是CATV系统中使用的标准，它既可传输频分多路复用的模拟信号，也可传输数字信号，最大距离可达几十千米。

同轴电缆按直径不同，可分为粗同轴电缆和细同轴电缆。粗缆直径为1.27cm，最大传输距离达到500m，阻抗是75Ω；传输距离长、可靠性高，安装时不需要切断电缆，但必须安装收发器电缆，安装难度大，总体造价高；一般用于大型局域网的干线。细缆直径为0.26cm，最大传输距离为185m，阻抗是50Ω；安装较容易、造价较低，但由于安装过程要切断电缆，两头须装上基本网络连接头（BNC），然后接在T形连接器两端，所以当接头多时容易产生不良隐患。

同轴电缆传输信号的频率范围为100kHz～500MHz。同轴电缆的优点是可以在相对长的无中继器的线路上支持高带宽通信，而缺点也显而易见：一是体积大，要占用电缆管道的大量空间；二是不能承受缠结、压力和严重的弯曲，这些都会损坏电缆结构，阻止信号的传输；三是成本高。所有这些缺点正是双绞线能克服的，因此在目前的局域网环境中，基本已被基于双绞线的以太网物理层规范所取代。

2.2.4 光纤

光纤信道是以光导纤维为传输媒质、以光波为载波的信道。光导纤维简称光纤（Optical Fiber），其横截面为圆形，导光部分由纤芯、包层两部分组成，如图2-7所示。其中，纤芯为光通路，由玻璃或塑料制成；包层由密度相对较小的玻璃或塑料制成，两者的密度差必须达到能够使纤芯中的光波只能反射回来而不能折射入填充材料的程度。由于光纤的质地脆、机械强度低，实用的光纤外部还有一层保护层。

在进行远距离传输时，将若干对光纤外加填充物质和护套组成光缆使用。光缆的结构有：束管式、带状式、骨架式、层绞式等，还有铠装和非铠装之分。如图2-8所示为常见的束管式光缆结构示意图，加强件有时也可在中心，光纤分布在周围。图2-9给出了一些光纤光缆实物图以供大家了解。随着生产成本的日益降低，由光纤构成的光缆已成为当前主要传输媒质之一。

光纤按光在其中的传输模式不同可分为单模光纤（Single Mode Fiber）和多模光纤（MultiModeFiber）。单模光纤芯径一般为9μm或10μm，包层外直径为125μm，只能传输一种模式的光，因其模间色散很小，适用于远程通信，但还存在着材料色散和波导色散，要求光源谱宽要窄，稳定性要好。多模光纤芯径一般为50μm或62.5μm，包层外直径为125μm，可传输多种模式的光，因其模间色散较大，限制了传输数字信号的速率，且色散随距离的增加会更加严重，适用于近距离通信，一般只有几公里。

光纤按纤芯和包层折射率分布情况可分为阶跃型和渐变型光纤。阶跃型光纤的纤芯折射率和包层折射率都是均匀的，纤芯折射率略高于包层折射率，使得输入的光能在纤芯—包层交界面上不断产生全反射而前进。渐变型光纤的纤芯折射率中心最大，沿纤芯半径方向逐渐减小，包层折射率分布与阶跃型光纤一样是均匀的，可使光波按正弦形式传播。

光纤的工作波长在近红外区内，有短波长0.85μm、长波长1.31μm和1.55μm三个低损耗工作窗口。光纤损耗一般是随波长加长而减小的，0.85μm的损耗为2.5dB/km，1.31μm的损耗为0.35dB/km，1.55μm的损耗为0.20dB/km。随着科学技术的发展，这个数字还在下降。光纤的传输距离与波长有关，它的衰减率极低。为了有效地增大传输距离，一般都采用1.55μm波长的光纤，同时利用掺饵光纤放大器作为接收机的前置放大器或在光纤中作为中继器，可使光纤的传输距离达到数百千米。

光纤传输的优点有：（1）不受外界电磁波的干扰。因为光纤传输使用的是光波而不是电磁波，所以电磁噪声对它没有影响。（2）信号衰减小，目前的技术可使光纤的损耗低于0.2dB/km。（3）传输频带宽、通信容量大。（4）线径细、质量轻，不怕腐蚀，代替电缆可节省大量有色金属。