Среда передачи — это система или вещество, которые могут опосредовать распространение сигналов для целей телекоммуникации . Сигналы обычно накладываются на волну некоторого вида, подходящего для выбранной среды. Например, данные могут модулировать звук, а средой передачи для звуков может быть воздух , но твердые тела и жидкости также могут выступать в качестве среды передачи. Вакуум или воздух представляют собой хорошую среду передачи для электромагнитных волн, таких как свет и радиоволны . Хотя для распространения электромагнитных волн не требуется материальное вещество, на такие волны обычно влияет среда передачи, через которую они проходят, например, путем поглощения , отражения или преломления на интерфейсах между средами. Поэтому технические устройства могут использоваться для передачи или направления волн. Таким образом, в качестве среды передачи используется оптоволокно или медный кабель.
Электромагнитное излучение может передаваться через оптическую среду , например, оптическое волокно , или через витую пару проводов, коаксиальный кабель или диэлектрические пластинчатые волноводы . Оно также может проходить через любой физический материал, прозрачный для определенной длины волны , например , воду , воздух , стекло или бетон . Звук , по определению, является вибрацией материи, поэтому для его передачи требуется физическая среда, как и для других видов механических волн и тепловой энергии. Исторически наука включала различные теории эфира для объяснения среды передачи. Однако теперь известно, что электромагнитные волны не требуют физической среды передачи и поэтому могут проходить через вакуум свободного пространства . Области изолирующего вакуума могут стать проводящими для электрической проводимости благодаря наличию свободных электронов , дырок или ионов .
Физическая среда в передаче данных — это путь передачи, по которому распространяется сигнал. В качестве канала связи используются различные типы сред передачи .
Во многих случаях связь осуществляется в форме электромагнитных волн. При использовании направляемых средств передачи волны направляются по физическому пути; примерами направляемых средств являются телефонные линии, витые пары , коаксиальные кабели и оптические волокна. Неуправляемые средства передачи — это методы, которые позволяют передавать данные без использования физических средств для определения пути, по которому они проходят. Примерами этого являются микроволны , радио или инфракрасные лучи . Неуправляемые средства передачи предоставляют средства для передачи электромагнитных волн, но не направляют их; примерами являются распространение через воздух, вакуум и морскую воду.
Термин «прямая связь» используется для обозначения пути передачи между двумя устройствами, в котором сигналы распространяются напрямую от передатчиков к приемникам без промежуточных устройств, кроме усилителей или ретрансляторов, используемых для увеличения силы сигнала. Этот термин может применяться как к управляемым, так и к неуправляемым средам.
Передача сигнала может быть симплексной , полудуплексной или полнодуплексной.
При симплексной передаче сигналы передаются только в одном направлении; одна станция является передатчиком, а другая — приемником. При полудуплексной работе обе станции могут передавать, но только по одной за раз. При полнодуплексной работе обе станции могут передавать одновременно. В последнем случае среда переносит сигналы в обоих направлениях одновременно.
В общем случае среду передачи можно классифицировать как
Существует два основных типа сред передачи данных:
Одним из наиболее распространенных физических носителей, используемых в сетях, является медный провод . Медный провод для передачи сигналов на большие расстояния с использованием относительно небольшого количества энергии. Неэкранированная витая пара (UTP) представляет собой восемь жил медного провода, организованных в четыре пары. [1]
Витая пара — это тип проводки, в котором два проводника одной цепи скручены вместе для улучшения электромагнитной совместимости . По сравнению с одним проводником или нескрученной сбалансированной парой , витая пара уменьшает электромагнитное излучение от пары и перекрестные помехи между соседними парами, а также улучшает подавление внешних электромагнитных помех . Она была изобретена Александром Грэхемом Беллом . [2]
Коаксиальный кабель , или коаксиал (произносится как / ˈ k oʊ . æ k s / ) — это тип электрического кабеля , который имеет внутренний проводник, окруженный трубчатым изолирующим слоем, окруженным трубчатым проводящим экраном. Многие коаксиальные кабели также имеют изолирующую внешнюю оболочку или рубашку. Термин «коаксиальный» происходит от того, что внутренний проводник и внешний экран имеют общую геометрическую ось. Коаксиальный кабель был изобретен английским физиком, инженером и математиком Оливером Хевисайдом , который запатентовал конструкцию в 1880 году. [3]
Коаксиальный кабель — это тип линии передачи , используемый для передачи высокочастотных электрических сигналов с малыми потерями. Он используется в таких приложениях, как телефонные магистральные линии , кабели широкополосных интернет -сетей, высокоскоростные компьютерные шины данных , передача сигналов кабельного телевидения и подключение радиопередатчиков и приемников к их антеннам . Он отличается от других экранированных кабелей , поскольку размеры кабеля и разъемов контролируются для обеспечения точного, постоянного расстояния между проводниками, которое необходимо для его эффективного функционирования в качестве линии передачи.
Оптическое волокно , которое стало наиболее часто используемой средой передачи для дальней связи, представляет собой тонкую стеклянную нить, которая проводит свет по всей своей длине. Четыре основных фактора говорят в пользу оптического волокна по сравнению с медью: скорость передачи данных, расстояние, установка и стоимость. Оптическое волокно может переносить огромные объемы данных по сравнению с медью. Его можно прокладывать на сотни миль без необходимости в повторителях сигнала, что, в свою очередь, снижает затраты на обслуживание и повышает надежность системы связи, поскольку повторители являются распространенным источником сбоев в сети. Стекло легче меди, что позволяет уменьшить потребность в специализированном тяжелом подъемном оборудовании при установке оптического волокна на большие расстояния. Оптическое волокно для внутреннего применения стоит примерно один доллар за фут, столько же, сколько и медь. [4]
Многомодовое и одномодовое — два типа широко используемых оптических волокон. Многомодовое волокно использует светодиоды в качестве источника света и может передавать сигналы на более короткие расстояния, около 2 километров. Одномодовое может передавать сигналы на расстояния в десятки миль.
Оптическое волокно — это гибкое, прозрачное волокно, изготовленное путем вытягивания стекла ( кремния ) или пластика до диаметра немного толще, чем у человеческого волоса . [5] Оптические волокна чаще всего используются как средство для передачи света между двумя концами волокна и находят широкое применение в волоконно-оптической связи , где они позволяют осуществлять передачу на большие расстояния и с более высокой пропускной способностью (скоростью передачи данных), чем электрические кабели. Волокна используются вместо металлических проводов, поскольку сигналы проходят по ним с меньшими потерями ; кроме того, волокна невосприимчивы к электромагнитным помехам , проблема, от которой металлические провода страдают чрезмерно. [6] Волокна также используются для освещения и визуализации, и часто сворачиваются в жгуты, поэтому их можно использовать для переноса света в или изображений из замкнутых пространств, как в случае фиброскопа . [7] Специально разработанные волокна также используются для множества других приложений, некоторые из которых являются волоконно-оптическими датчиками и волоконными лазерами . [8]
Оптические волокна обычно включают в себя сердцевину, окруженную прозрачным материалом оболочки с более низким показателем преломления . Свет удерживается в сердцевине за счет явления полного внутреннего отражения , которое заставляет волокно действовать как волновод . [9] Волокна, которые поддерживают множество путей распространения или поперечных мод, называются многомодовыми волокнами , в то время как те, которые поддерживают один мод, называются одномодовыми волокнами (SMF). Многомодовые волокна обычно имеют более широкий диаметр сердцевины [10] и используются для линий связи на короткие расстояния и для приложений, где должна передаваться высокая мощность. [ необходима цитата ] Одномодовые волокна используются для большинства линий связи длиной более 1000 метров (3300 футов). [ необходима цитата ]
Возможность соединения оптических волокон с низкими потерями важна для волоконно-оптической связи. [11] Это сложнее, чем соединение электрических проводов или кабелей, и включает в себя аккуратное расщепление волокон, точное выравнивание волоконных жил и соединение этих выровненных жил. Для приложений, требующих постоянного соединения, распространено плавление . В этой технике электрическая дуга используется для расплавления концов волокон вместе. Другой распространенной техникой является механическое соединение , при котором концы волокон удерживаются в контакте механической силой. Временные или полупостоянные соединения выполняются с помощью специализированных оптоволоконных соединителей . [12]
Область прикладной науки и техники, связанная с разработкой и применением оптических волокон, известна как волоконная оптика . Термин был придуман индийским физиком Нариндером Сингхом Капани , который широко признан отцом волоконной оптики. [13]
Распространение радиоволн — это поведение радиоволн , когда они перемещаются или распространяются из одной точки в другую или в различные части атмосферы . [ 14] Как форма электромагнитного излучения , радиоволны, как и световые волны, подвержены явлениям отражения , преломления , дифракции , поглощения , поляризации и рассеяния . [15] Понимание влияния различных условий на распространение радиоволн имеет множество практических применений: от выбора частот для международных коротковолновых вещателей до проектирования надежных систем мобильной телефонной связи , радионавигации и эксплуатации радиолокационных систем.
В практических системах радиопередачи используются различные типы распространения. Распространение по прямой видимости означает, что радиоволны распространяются по прямой линии от передающей антенны к приемной антенне. Передача по прямой видимости используется для передачи радиосигналов на средние расстояния, например, в сотовых телефонах , беспроводных телефонах , рациях , беспроводных сетях , радио- и телевизионном вещании и радарах , а также в спутниковой связи , например, в спутниковом телевидении . Передача по прямой видимости на поверхности Земли ограничена расстоянием до визуального горизонта, которое зависит от высоты передающих и приемных антенн. Это единственный возможный метод распространения на микроволновых частотах и выше. На микроволновых частотах влага в атмосфере ( затухание из-за дождя ) может ухудшить передачу.
На более низких частотах в диапазонах MF , LF и VLF из-за дифракции радиоволны могут огибать препятствия, такие как холмы, и распространяться за горизонт в виде поверхностных волн , которые следуют контуру Земли. Они называются земными волнами . Радиовещательные станции AM используют земные волны для покрытия своих зон прослушивания. По мере того, как частота становится ниже, затухание с расстоянием уменьшается, поэтому земные волны очень низкой частоты (VLF) и крайне низкой частоты (ELF) могут использоваться для связи по всему миру. Волны VLF и ELF могут проникать на значительные расстояния через воду и землю, и эти частоты используются для минной связи и военной связи с подводными лодками, находящимися в подводном положении.
На средних и коротких волнах ( диапазоны MF и HF ) радиоволны могут преломляться от слоя заряженных частиц ( ионов ) высоко в атмосфере, называемого ионосферой . Это означает, что радиоволны, переданные под углом в небо, могут отражаться обратно на Землю за горизонтом, на больших расстояниях, даже трансконтинентальных расстояниях. Это называется распространением небесной волны . Оно используется радиолюбителями для связи с другими странами и коротковолновыми вещательными станциями, которые вещают на международном уровне. Связь с помощью небесной волны изменчива, зависит от условий в верхних слоях атмосферы; она наиболее надежна ночью и зимой. Из-за своей ненадежности, с появлением спутников связи в 1960-х годах, многие средства дальней связи, которые ранее использовали небесные волны, теперь используют спутники.
Кроме того, существует несколько менее распространенных механизмов распространения радиоволн, таких как тропосферное рассеяние (тропосферное рассеяние) и ионосферная волна с почти вертикальным падением (NVIS), которые используются в специализированных системах связи.
Передача и прием данных обычно выполняется в четыре этапа: [16]