Среда передачи — это система или вещество, которое может способствовать распространению сигналов в целях телекоммуникации . Сигналы обычно накладываются на волны какого-либо типа, подходящие для выбранной среды. Например, данные могут модулировать звук, а средой передачи звуков может быть воздух , но в качестве среды передачи могут также выступать твердые тела и жидкости. Вакуум или воздух являются хорошей средой передачи электромагнитных волн , таких как свет и радиоволны . Хотя для распространения электромагнитных волн не требуется материальное вещество, на такие волны обычно влияет передающая среда, через которую они проходят, например, поглощение , отражение или преломление на границах раздела между средами. Поэтому технические устройства могут использоваться для передачи или направления волн. Таким образом, в качестве среды передачи используется оптическое волокно или медный кабель.
Электромагнитное излучение может передаваться через оптическую среду , такую как оптическое волокно , или через витую пару , коаксиальный кабель или волноводы с диэлектрическими пластинами . Он 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 другим видам механических волн и тепловой энергии. Исторически наука включала различные теории эфира для объяснения среды передачи. Однако теперь известно, что электромагнитным волнам не требуется физическая среда передачи, и поэтому они могут распространяться через вакуум свободного пространства . Области изолирующего вакуума могут стать проводящими для электропроводности благодаря наличию свободных электронов , дырок или ионов .
Физическая среда в передаче данных — это путь передачи, по которому распространяется сигнал. В качестве канала связи используется множество различных типов средств передачи .
Во многих случаях общение осуществляется в форме электромагнитных волн. В управляемых средах передачи волны направляются по физическому пути; примеры управляемых сред включают телефонные линии, кабели витой 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 идут. Примеры этого включают микроволновое , радио или инфракрасное излучение . Неуправляемые среды предоставляют средства для передачи электромагнитных волн, но не направляют их; примерами являются распространение через воздух, вакуум и морскую воду.
Термин «прямая линия связи» используется для обозначения пути передачи между двумя устройствами, в котором сигналы распространяются непосредственно от передатчиков к приемникам без каких-либо промежуточных устройств, кроме усилителей или повторителей, используемых для увеличения мощности сигнала. Этот термин может применяться как к управляемым, так и к неуправляемым СМИ.
Передача сигнала может быть симплексной , полудуплексной или полнодуплексной.
При симплексной передаче сигналы передаются только в одном направлении; одна станция является передатчиком, а другая — приемником. В полудуплексном режиме обе станции могут передавать, но только по одной. В полнодуплексном режиме обе станции могут вести передачу одновременно. В последнем случае среда передает сигналы в обоих направлениях одновременно.
В целом среду передачи можно классифицировать как
Существует два основных типа средств передачи:
Одной из наиболее распространенных физических сред, 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, объединенных в четыре пары. [1]
Витая пара — это тип проводки, при которой два проводника одной цепи скручены вместе в целях улучшения электромагнитной совместимости . По сравнению с одиночным проводником или нескрученной симметричной парой , витая пара снижает электромагнитное излучение пары и перекрестные помехи между соседними парами, а также улучшает подавление внешних электромагнитных помех . Его изобрел Александр Грэм Белл . [2]
Коаксиальный кабель , или коаксиал (произносится / 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 оболочку. Термин «коаксиальный» происходит от обозначения внутреннего проводника и внешнего экрана, имеющих 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 низкими потерями. Он используется в таких приложениях, как телефонные магистральные линии , кабели широкополосной сети Интернет, высокоскоростные компьютерные шины данных , передача сигналов кабельного телевидения и подключение радиопередатчиков и приемников к их антеннам . Он отличается от других экранированных кабелей тем, что размеры кабеля и разъемов контролируются, чтобы обеспечить точное и постоянное расстояние между проводниками, необходимое для эффективного функционирования в качестве линии передачи.
Оптическое волокно , которое стало наиболее часто используемой средой передачи для связи на большие расстояния, представляет собой тонкую стеклянную нить, которая направляет свет по своей длине. Четыре основных фактора отдают предпочтение оптическому волокну перед медью: скорость передачи данных, расстояние, установка и стоимость. Оптическое волокно может передавать огромные объемы данных по сравнению с медью. Его можно проехать на сотни миль без необходимости использования ретрансляторов сигнала, что, в свою очередь, снижает затраты на техническое обслуживание и повышает надежность системы связи, поскольку ретрансляторы являются распространенным источником сбоев в сети. Стекло легче меди, что позволяет снизить потребность в специальном тяжелом оборудовании при прокладке оптоволокна на большие расстояния. Оптическое волокно для внутреннего применения стоит примерно один доллар за фут, как и медь. [4]
Многомодовое и одномодовое — это два типа широко используемого оптического волокна. Многомодовое волокно использует светодиоды в качестве источника света и может передавать сигналы на более короткие расстояния, около 2 километров. Одиночный режим может передавать сигналы на расстояния в десятки миль.
Оптическое волокно — это гибкое прозрачное волокно, изготовленное путем вытягивания стекла ( кремнезема ) или пластика до диаметра, немного превышающего диаметр человеческого волоса . [5] Оптические волокна чаще всего используются в качестве средства передачи света между двумя концами волокна и находят широкое применение в волоконно-оптической связи , где они обеспечивают передачу на большие расстояния и с более высокой пропускной способностью (скоростью передачи данных), чем электрические кабели. . Вместо металлических проводов используются волокна , поскольку сигналы проходят по ним с меньшими потерями ; кроме того, волокна невосприимчивы к электромагнитным помехам — проблеме, от которой особенно страдают металлические провода. [6] Волокна также используются для освещения и визуализации, и их часто сворачивают в жгуты, чтобы их можно было использовать для передачи света в ограниченное пространство или изображений из замкнутого пространства, как в случае с фиброскопом . [7] Специально разработанные волокна также используются для множества других применений, в том числе в волоконно-оптических датчиках и волоконных лазерах . [8]
Оптические волокна обычно имеют сердцевину , окруженную прозрачным материалом оболочки с более низким показателем преломления . Свет удерживается в сердцевине благодаря явлению полного внутреннего отражения , которое заставляет волокно действовать как волновод . [9] Волокна, которые поддерживают множество путей распространения или поперечных мод, называются многомодовыми волокнами , а те, которые поддерживают одну моду, называются одномодовыми волокнами (SMF). Многомодовые волокна обычно имеют более широкий диаметр сердцевины [10] и используются для линий связи на короткие расстояния и в приложениях, где необходимо передавать большую мощность. [ нужна ссылка ] Одномодовые волокна используются для большинства линий связи длиной более 1000 метров (3300 футов). [ нужна цитата ]
Возможность соединения оптических волокон с низкими потерями важна для оптоволоконной связи. [11] Это более сложный процесс, чем соединение электрического провода или кабеля, и включает в себя тщательное расщепление волокон, точное выравнивание жил волокон и соединение этих выровненных жил. Для применений, требующих постоянного соединения, обычно используется сварка . В этом методе концы волокон расплавляются электрической дугой. Другой распространенный метод — механическое соединение , при котором концы волокон удерживаются в контакте посредством механической силы. Временные или полупостоянные соединения выполняются с помощью специализированных оптоволоконных разъемов . [12]
Область прикладной науки и техники, связанная с разработкой и применением оптических волокон, известна как волоконная оптика . Этот термин был придуман индийским физиком Нариндером Сингхом Капани , который широко известен как отец волоконной оптики. [13]
Распространение радио – это поведение радиоволн при их перемещении или распространении из одной точки в другую или в различные части атмосферы . [14] Как форма электромагнитного излучения , подобно световым волнам, радиоволны подвержены явлениям отражения , преломления , дифракции , поглощения , поляризации и рассеяния . [15] Понимание влияния различных условий на распространение радиосигнала имеет множество практических применений: от выбора частот для международных коротковолновых радиовещательных компаний до проектирования надежных систем мобильной телефонной связи , радионавигации и эксплуатации радиолокационных систем.
В практических системах радиопередачи используются различные типы распространения. Распространение в пределах прямой видимости означает, что радиоволны распространяются по прямой линии от передающей антенны к приемной антенне. Передача в пределах прямой видимости используется для радиопередачи среднего радиуса действия, такой как сотовые телефоны , беспроводные телефоны , рации , беспроводные сети , FM-радио и телевизионное вещание и радары , а также спутниковая связь , например спутниковое телевидение . Передача в прямой видимости на поверхности Земли ограничена расстоянием до визуального горизонта, которое зависит от высоты передающей и приемной 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 СЧ , НЧ и ОНЧ из-за дифракции радиоволны могут огибать препятствия, такие как холмы, и выходить за горизонт в виде поверхностных волн , повторяющих контур Земли. Это так называемые земные волны . Радиовещательные станции AM используют земные волны для покрытия зоны прослушивания. По мере того, как частота становится ниже, затухание с расстоянием уменьшается, поэтому земные волны очень низкой частоты (VLF) и чрезвычайно низкой частоты (ELF) могут использоваться для связи по всему миру. Волны ОНЧ и СНЧ могут проникать на значительные расстояния через воду и землю, и эти частоты используются для минной и военной связи с затопленными подводными лодками.
На средних и коротковолновых частотах ( диапазоны СЧ и ВЧ ) радиоволны могут преломляться от слоя заряженных частиц ( ионов ), расположенного высоко в атмосфере, называемого ионосферой . Это означает, что радиоволны, передаваемые под углом в небо, могут отражаться обратно на Землю за горизонт, на большие расстояния, даже на трансконтинентальные расстояния. Это называется распространением небесной волны . Он используется радиолюбителями для общения с другими странами и станциями коротковолнового вещания, ведущими международное вещание. Связь по небесным волнам варьируется в зависимости от условий в верхних слоях атмосферы; наиболее надежен ночью и зимой. Из-за своей ненадежности с момента появления спутников связи в 1960-х годах многие системы дальней связи, которые раньше использовали небесные волны, теперь используют спутники.
Кроме того, существует несколько менее распространенных механизмов распространения радиоволн, таких как тропосферное рассеяние (тропосферное рассеяние) и ионосферная волна почти вертикального падения (NVIS), которые используются в специализированных системах связи.
Передача и прием данных обычно выполняются в четыре этапа: [16]