2.3 传输介质及其主要特性
传输介质是连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传输信息的载体。传输媒体可分为两大类，即导向传输媒体（电磁波被导向沿着固体媒体（铜线或光纤）传播）和非导向传输媒体（自由空间，电磁波的传输常称为无线传输）。常用的传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤电缆、无线与卫星通信信道。
传输介质的主要类型如下：
（1）双绞线；
（2）同轴电缆；
（3）光纤电缆；
（4）无线与卫星通信信道。
2.3.1 双绞线
2.3.1.1 物理特性
双绞线由按规则螺旋结构排列的两根、四根、或八根绝缘导线组成（电磁干扰最小）。采用这种方式，不仅可以抵御一部分来自外界的电磁波干扰，也可以降低多对绞线之间的相互干扰。把两根绝缘的导线互相绞在一起，干扰信号作用在这两根相互绞缠在一起的导线上是一致的，在接收信号的差分电路中可以将共模信号消除，从而提取出有用信号。双绞的作用是使外部干扰在两根导线上产生的噪声相同，以便后续的差分电路提取出有用信号。理论上，在双绞线及差分电路中干扰信号被完全消除，有用信号加倍，当然在实际运行中是有一定差异的。
非屏蔽双绞线（UTP, unshield twisted pair）由外部保护层、多对双绞线组成，如图2-9（a）所示。非屏蔽双绞线电缆具有以下优点：
图2-9 非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线
（1）无屏蔽外套，直径小，节省所占用的空间，成本低；
（2）重量轻，易弯曲，易安装；
（3）将串扰减至最小或加以消除；
（4）具有阻燃性；
（5）具有独立性和灵活性，适用于结构化综合布线。
屏蔽双绞线（STP, shield twisted pair）由外部保护层、屏蔽层、多对双绞线组成，如图2-9（b）所示。屏蔽双绞线电缆可以减小辐射，但并不能完全消除辐射，屏蔽双绞线价格相对较高，安装时要比非屏蔽双绞线电缆困难。屏蔽双绞线分为STP和FTP（Foil Twisted-Pair）, STP指每条线都有各自的屏蔽层，而FTP只在整个电缆有屏蔽装置，并且两端都正确接地时才起作用。所以要求整个系统是屏蔽器件，包括电缆、信息点、水晶头和配线架等，同时建筑物需要有良好的接地系统。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，使屏蔽双绞线比同类的非屏蔽双绞线具有更高的传输速率。
双绞线一个扭绞周期的长度，叫做节距，节距越小，抗干扰能力越强。非屏蔽双绞线常见的有3类线，5类线和超5类线，以及6类线，前者线径细而后者线径粗，型号如下：
（1）一类线（CAT1）：线缆最高频率带宽是750kHz，用于报警系统，或只适用于语音传输（一类标准主要用于20世纪80年代初之前的电话线缆），不用于数据传输；
（2）二类线（CAT2）：线缆最高频率带宽是1MHz，用于语音传输和最高传输速率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）三类线（CAT3）：指目前在ANSI和EIA/TIA568标准中指定的电缆，该电缆的传输频率16MHz，最高传输速率为10Mbps（10Mbit/s），主要应用于语音、10Mbit/s以太网（10BASE-T）和4Mbit/s令牌环，最大网段长度为100m，采用RJ形式的连接器，目前已淡出市场；
（4）四类线（CAT4）：该类电缆的传输频率为20MHz，用于语音传输和最高传输速率16Mbps（指的是16Mbit/s令牌环）的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和10BASE-T/100BASE-T。最大网段长为100米，采用RJ形式的连接器，未被广泛采用；
（5）五类线（CAT5）：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，线缆最高频率带宽为100MHz，最高传输率为100Mbps，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1000BASE-T网络，最大网段长为100米，采用RJ形式的连接器。这是最常用的以太网电缆。在双绞线电缆内，不同线对具有不同的绞距长度。通常，4对双绞线绞距周期在38.1毫米长度内，按逆时针方向扭绞，一对线对的扭绞长度在12.7毫米以内；
（6）超五类线（CAT5e）：超5类具有衰减小，串扰少，并且具有更高的衰减与串扰的比值（ACR）和信噪比（SNR）、更小的时延误差，性能得到很大提高。超5类线主要用于千兆位以太网（1000Mbps）；
（7）六类线（CAT6）：该类电缆的传输频率为1MHz～250MHz，六类布线系统在200MHz时综合衰减串扰比（PS-ACR）应该有较大的余量，它提供2倍于超五类的带宽。六类布线的传输性能远远高于超五类标准，最适用于传输速率高于1Gbps的应用。六类与超五类的一个重要的不同点在于：改善了在串扰以及回波损耗方面的性能，对于新一代全双工的高速网络应用而言，优良的回波损耗性能是极重要的。六类标准中取消了基本链路模型，布线标准采用星形的拓扑结构，要求的布线距离为：永久链路的长度不能超过90米，信道长度不能超过100米；
（8）超六类或6A（CAT6A）：此类产品传输带宽介于六类和七类之间，传输频率为500MHz，传输速度为10Gbps，标准外径6毫米。目前和七类产品一样，国家还没有出台正式的检测标准，只是行业中有此类产品，各厂家宣布一个测试值；
（9）七类线（CAT7）：传输频率为600MHz，传输速度为10Gbps，单线标准外径8毫米。
2.3.1.2 传输特性
10BaseT局域网中主要使用3类和5类线，它们的有效传输距离一般在100米左右。另外还有超5类双绞线电缆，通过对其“信道”性能测试结果表明，与普通5类双绞线电缆比较，它的近端串扰、衰减和结构回波等主要性能指标都有很大提高。
双绞线的制作分为工作站至工作站和工作站至集线器两种：工作站至集线器的双绞线，其8芯线一一对应；工作站至工作站的双绞线。
双绞线传输距离远、传输质量高。布线方便、线缆利用率高。
2.3.1.3 连通性
点对点，多点连接。
2.3.1.4 地理范围
双绞线做远程中继线，可达15千米，用于10MBPS局域网（与集线器距离）时不得超过100米。
2.3.1.5 抗干扰性
相邻线对的扭曲长度及适当的屏蔽。
2.3.1.6 价格
价格在几种有线介质中最低。
双绞线究竟能够传送多高速率（Mb/s）的数据还与数字信号的编码方法有很大的关系。
2.3.2 同轴电缆
2.3.2.1 物理特性
典型的同轴电缆（Coaxial Cable）由一根内导体铜质芯线外加绝缘层、密集网状编织导电金属屏蔽层以及外包装保护塑橡材料组成，如图2-10所示。
图2-10 同轴电缆
目前，常用的同轴电缆有两类：50Ω和75Ω的同轴电缆。75Ω同轴电缆常用于CATV网，故称为CATV电缆，传输带宽可达1GHz，目前常用CATV电缆的传输带宽为750MHz。50Ω同轴电缆主要用于基带信号传输，传输带宽为1～20MHz，总线型以太网就是使用50Ω同轴电缆。
2.3.2.2 传输特性
基带信号是制将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。50Ω同轴电缆，用于数字传输，由于多用于基带传输，也叫基带同轴电缆。宽带信号是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。由于每一路基带信号的频谱被搬移到不同的频段，因此合在一起后并不会互相干扰。这样做就可以在一条电缆中同时传送许多路由的数字信号，因而提高了线路的利用率。75Ω电缆，用于模拟传输，即宽带同轴电缆。“宽带”这个词来源于电话业，指比4kHz宽的频带。然而在计算机网络中，“宽带电缆”却指任何使用模拟信号进行传输的电缆网。
宽带系统和基带系统的一个主要区别是：宽带系统由于覆盖的区域广，因此，需要模拟放大器周期性地加强信号。这些放大器仅能单向传输信号，因此，如果计算机间有放大器，则报文分组就不能在计算机间逆向传输。为了解决这个问题，人们已经开发了两种类型的宽带系统：双缆系统和单缆系统。
2.3.2.3 连通性
无论是粗缆还是细缆均为总线拓扑结构，即一根缆上接多部机器，这种拓扑适用于机器密集的环境，但是当一触点发生故障时，故障会串联影响到整根缆上的所有机器。故障的诊断和修复都很麻烦，因此，逐步被非屏蔽双绞线或光缆取代。目前主要应用范围如：设备的支架连线，闭路电视（CCTV），共用天线系统（MATV）以及彩色或单色射频监视器的传送。这些应用不需要选择有特别严格电气公差的精密视频同轴电缆。视频同轴电缆的特征电阻是75Ω，这个值不是随意选的。物理学证明了视频信号最优化的衰减特性发生在77Ω。在低功率应用中，材料及设计决定了电缆的最优阻抗为75Ω。
2.3.2.4 地理范围
在以太网中，50Ω细同轴电缆的最大传输距离为185米，粗同轴电缆可达1000米。
2.3.2.5 抗干扰性
抗干扰性能比双绞线强。
2.3.2.6 价格
同轴电缆的价格比双绞线贵一些。
2.3.3 光纤
1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。
人们曾经发现，光能沿着从酒桶中喷出的细酒流传输；人们还发现，光能顺着弯曲的玻璃棒前进。这是为什么呢？难道光线不再直进了吗？这些现象引起了丁达尔的注意，经过他的研究，发现这是全反射的作用，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。表面上看，光好像在水流中弯曲前进。
后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝——玻璃纤维，当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。由于这种纤维能够用来传输光线，所以称它为“光导纤维”。
光纤（如图2-11所示）是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。通常光纤与光缆两个名词会被混淆。多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆，包覆后的缆线即被称为“光缆”。纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，它质地脆，易断裂，因此需要外加一层保护层。目前通信用光纤绝大多数是石英光纤。全塑光纤是一种通信用新型光纤，尚在研制、试用阶段。全塑光纤具有损耗大、纤芯粗（直径100～600微米）、数值孔径（NA）大（一般为0.3～0. 5，可与光斑较大的光源耦合使用）及制造成本较低等特点。目前，全塑光纤适合于较短长度的应用，如室内计算机联网和船舶内的通信等。
图2-11 光纤
前香港中文大学校长高锟（光纤之父，如图2-12所示）首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，因此获得2009年诺贝尔物理学奖。
图2-12 光纤之父高锟
光缆有如下主要特性：
2.3.3.1 物理描述
光缆的结构（如图2-13,2-14,2-15所示）大致可分为缆芯（Cable Core）和保护层（Sheath）两大部分，每根光纤只能单向传送信号，因此光缆中必须至少包括两根独立的导芯，一条发送，一条接收。
图2-13 光缆的结构（1）
图2-14 光缆的外观
图2-15 光缆的结构（2）
2005年，烽火科技公司自主研发出了当时世界上容量最大、跑得最快的光传输系统，该系统1秒钟内能传输1000部DVD，目前世界上只有少数国家掌握了这项技术。
2006年，长飞公司自主研发的新型光纤拉丝炉正式投入使用，达到了世界先进水平，能将直径150毫米的光纤预制棒拉出2000千米长的一根光纤，打破了国外大公司技术封锁。
2.3.3.2 传输特性
光纤通信就是利用光导纤维（以下简称为光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于0。由于可见光的频率非常高，约为108MHz的量级，因此，一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
当射到光纤表面的光线的入射角大于某一临界角度，就可以产生全反射，并且可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，如图2-16所示，这种光纤就称为多模光纤（Multimode Fiber）。在多模光纤中，芯的直径是50微米和62.5微米两种，大致与人的头发的粗细相当。
图2-16 光纤的全反射示意图
如果光纤导芯的直径小到只有一个光的波长，光纤就成了一根波导管，光线则不必经过多次反射式的传播，而是一直向前传播。这种光纤就称为单模光纤。单模光纤芯的直径为8～10微米。
多模光纤和5类双绞线的衰减与频率关系：当传输频率超过100MHz时，5类双绞线随着频率的增加衰减愈来愈大；而光纤在300MHz以内，衰减基本不变。
单模光纤性能优于多模。
光纤使用两种不同的光源：
（1）发光二极管（LED）：当电流通过时产生可见光，价格便宜，常在多模光纤中采用；
（2）注入式激光二极管（ILD）：产生的激光定向性好，常用于单模光纤，价格昂贵。
2.3.3.3 光纤连通性
因为单模的纤芯比较小，与发射机连接时需要精确对接，从而耦合到较高的光源。这使得单模光纤网络系统的其他配件价格升高，单模光发射机的价格比多模的就贵不少。使用单模连接器进行端接时，要注意精确对接，不然会产生数值较高的插入损耗，降低光纤传输性能。多模光纤系统的光电转换元件比单模更便宜，现场安装和端接也更简单。
2.3.3.4 地理范围
单模的传输带宽高，传输距离远，主要用于中长距离的信号传输系统，如光纤到户、地铁和道路等长距离网络。而多模能主要用于满足短距离网络的传输。事实上，多模光纤能够支持万兆以太网550米内的垂直子系统布线和短距离建筑群子系统布线，以及40G或100G网络150米内的数据中心布线。
2.3.3.5 抗干扰性
因为光纤的基本成分是石英，只传光，不导电，不受电磁场的作用，在其中传输的光信号不受电磁场的影响，故光纤传输对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。也正因为如此，在光纤中传输的信号不易被窃听，因而有利于保密。
2.3.3.6 价格
目前，有人提出了新摩尔定律，叫做光学定律（Optical Law）。该定律指出，光纤传输信息的带宽，每6个月增加1倍，而价格降低1倍。光通信技术的发展，为Internet宽带技术的发展奠定了非常好的基础。由于制作光纤的材料（石英）来源十分丰富，随着技术的进步，成本还会进一步降低；而电缆所需的铜原料有限，价格会越来越高。显然，今后光纤传输将占绝对优势。
2.3.3.7 光纤传输特点：
（1）频带宽
频带的宽窄代表传输容量的大小。载波的频率越高，可以传输信号的频带宽度就越大。在VHF频段，载波频率为48.5～300MHz。带宽约250MHz，只能传输27套电视和几十套调频广播。可见光的频率达100000GHz，比VHF频段高出一百多万倍。尽管由于光纤对不同频率的光有不同的损耗，使频带宽度受到影响，但在最低损耗区的频带宽度也可达30000GHz。目前单个光源的带宽只占了其中很小的一部分（多模光纤的频带约几百兆赫，好的单模光纤可达10GHz以上），采用先进的相干光通信可以在30000GHz范围内安排2000个光载波，进行波分复用，可以容纳上百万个频道。一对金属电话线至多只能同时传送一千多路电话，而根据理论计算，一对细如蛛丝的光导纤维可以同时通一百亿路电话。
（2）损耗低
在同轴电缆组成的系统中，最好的电缆在传输800MHz信号时，每千米的损耗都在40dB以上。相比之下，光导纤维的损耗则要小得多，传输1.31微米的光，每千米损耗在0.35dB以下若传输1.55微米的光，每千米损耗更小，可达0.2dB以下。这就比同轴电缆的功率损耗要小一亿倍，使其能传输的距离要远得多。此外，光纤传输损耗还有两个特点，一是在全部有线电视频道内具有相同的损耗，不需要像电缆干线那样必须引入均衡器进行均衡；二是其损耗几乎不随温度而变，不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。
（3）重量轻
因为光纤非常细，单模光纤芯线直径一般为4～10微米，外径也只有125微米，加上防水层、加强筋、护套等，用4～48根光纤组成的光缆直径还不到13毫米，比标准同轴电缆的直径47毫米要小得多，加上光纤是玻璃纤维，比重小，使它具有直径小、重量轻的特点，安装十分方便。铺设1000千米的同轴电缆大约需要500吨铜，改用光纤通信只需几千克石英就可以了。沙石中就含有石英，几乎是取之不尽的。
（4）抗干扰能力强
因为光纤的基本成分是石英，只传光，不导电，不受电磁场的作用，在其中传输的光信号不受电磁场的影响，故光纤传输对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。也正因为如此，在光纤中传输的信号不易被窃听，因而利于保密。
（5）保真度高
因为光纤传输一般不需要中继放大，不会因为放大引入新的非线性失真。只要激光器的线性好，就可高保真地传输信号。
（6）工作性能可靠
我们知道，一个系统的可靠性与组成该系统的设备数量有关。设备越多，发生故障的机会越大。因为光纤系统包含的设备数量少（不像电缆系统那样需要几十个放大器），可靠性自然也就高，加上光纤设备的寿命都很长，无故障工作时间达50万～75万小时，其中寿命最短的是光发射机中的激光器，最低寿命也在10万小时以上。故一个设计良好、正确安装调试的光纤系统的工作性能是非常可靠的。
使用光纤到户的用户可以享受到互联网、电话、电视三网合一，仅30秒就可从网上下载一部电影。我国的光纤到户最早从武汉起步，目前北京、上海、深圳等城市也有不同程度的发展。