弱电传输基本概念及图解布线指南

2023-08-18 理论教育版权反馈

【摘要】：特性阻抗与一对电线之间的距离及绝缘体的电气特性有关，它根据信号传输的物理特性，形成对信号传输的阻碍作用。图5-2 同轴电缆上标注了特性阻抗2.衰减信号在通道中传输时，会随着传输距离的增加而逐渐变小。图5-7 数字信号传输示意图在基带传输系统中，用比特率表示传输的信息码率，比特率Rb是指单位时间内传输的二元比特数，单位是bit/s。

1.特性阻抗

特性阻抗是指传输链路在规定工作频率范围内对通过的信号的阻碍能力，单位为Ω。特性阻抗与一对电线之间的距离及绝缘体的电气特性有关，它根据信号传输的物理特性，形成对信号传输的阻碍作用。

特性阻抗与铜质电缆环路直流电阻不同，特性阻抗包括直流电阻及工作频率为1～100MHz内的电感阻抗及电容阻抗。所有的铜质电缆都有一个确定的特性阻抗指标，该指标的大小取决于电缆的导线直径和覆盖在导线外面的绝缘材料的介电常数。

同轴电缆的特性阻抗（见图5-2）取决于内外导体的直径和内外导体间绝缘材料介电常数。常用电缆的特性阻抗有75Ω和50Ω两种。有线电视系统中都采用损耗最小的75Ω电缆。

而对双绞线电缆而言，特性阻抗有100Ω、120Ω及150Ω几种，电缆的阻抗指标与电缆的长度无关，一条100m长的电缆与一条10m长的电缆具有相同的特性阻抗。

图5-2 同轴电缆上标注了特性阻抗

2.衰减

信号在通道中传输时，会随着传输距离的增加而逐渐变小。衰减是指信号沿传输链路传输后幅度减小的程度，单位为分贝（dB）。图5-3是信号衰减的示意图。由于导线中存在阻抗，阻碍信号的传输。当信号的频率增高，由于趋肤效应使电阻增大，又由于感抗增加、容抗减小而使信号的高频分量衰减加大。衰减与传输信号的频率有关，也与导线的传输长度有关。随着长度的增加，信号衰减也随之增加。衰减值越低表示链路的性能越好，如果链路的衰减过大，会使接收端无法正确地判断信号，导致数据传输的不可靠。

图5-3 信号衰减示意图

衰减产生的原因是由于电缆的电阻所造成的电能损耗以及电缆绝缘材料所造成的电能泄漏。链路的衰减由电缆材料的电气特性和结构、长度及传输信号的频率所决定的。在1～100MHz频率范围内，衰减主要是由趋肤效应所决定的，它与频率的平方根成正比。链路越长，频率越高，衰减就越大。视频信号在150m双绞线上传输的衰减曲线如图5-4所示，由图5-4可知，双绞线只适宜传输20kHz以下的音频信号，不适宜传输1MHz以上的视频信号。75-5型同轴电缆100m的衰减曲线如图5-5所示。

图5-4 视频信号在150m双绞线上传输的衰减曲线

图5-5 75-5型同轴电缆100m的衰减曲线

3.数据与信息

数据是具有一定含义的字母、数字和符号等数字信号的组合，是记录下来的可以被鉴别的符号。数据具有稳定性和表达性。数据分数字数据和非数字数据两类，数字数据由阿拉伯数字和小数点组成，它可以进行算术运算；非数字数据是由包括阿拉伯数字在内的各种符号组成的，它不能进行算术运算。

信息则是数据的集合、含义与解释。数据经过处理并经过解释才有意义，才成为信息。具有一定编码、格式和位长要求的数字信息称为数据信息。数据和信息是有区别的。数据是独立的，是尚未组织起来的事实的集合，信息则是按照一定要求以一定格式组织起来的数据，凡经过加工处理或换算成人们想要得到的数据，即可称为信息。数据与信息的关系可用图5-6表示出来。

图5-6 数据与信息的关系

在数据通信中，数据信息是多种多样的，有的是按信源编码，有的按计算机的要求编码。但是，无论采用哪种信息格式，一次通信中通信双方必须采取相同的数据信息格式。

4.带宽

带宽本来是指某个信号具有的频带宽度。一个特定的信号往往是由许多不同的频率成分组成的。因此，一个信号的带宽是指该信号的各种不同频率成分所占据的频率范围。例如，在传统的通信线路上传送的电话信号的标准带宽是3.1kHz（从300～3400Hz，即语音的主要成分的频率范围）。然而，在过去很长的一段时间，通信的主干线路都是用来传送模拟信号的，因此表示通信线路允许通过的信号频带范围就称为线路的带宽（通频带）。对电缆而言，就是指电缆所支持的频率范围。带宽是一个表征频率的物理量，其单位是Hz（或kHz、MHz、GHz等）。换言之，带宽是用于描述“信息高速公路”的宽度的。增加带宽意味着提高通道的通信能力，增加带宽需要高频，准确地讲，应该是更大的可以利用的频率范围，而且要确保在这种频率下信号的干扰和衰减是可以容忍的。因而对于宽带运营的网络来讲，5类双绞线就比同样长度的3类双绞线具有更大的带宽，而超5类、6类和7类双绞线则比同样长度的线缆具有更大的带宽。当然，光纤是目前所想到的“最宽”的“信息高速公路”。目前常用通信电缆带宽等级如表5-1所示。

表5-1 通信电缆带宽

光缆的带宽指标根据光缆类型的不同而不同。一般认为单模光缆的带宽是无极限的，而多模光缆有非常确定的带宽极限。多模光缆的带宽根据光缆纤芯的大小和传输波长而有所不同。纤芯越小，光缆的带宽指标就越大；传输波长越长，一种多模光缆所能提供的带宽越宽。

显然，带宽越大，传输信号的能力越强。铜缆在超过推荐带宽情况下使用时会造成严重的信号损失（衰减）和串扰；光纤则会造成模态失真，使信号变得难以识别。

美国有线数据传输系统接口规范（DOCSIS）规定了电缆调制解调器（Cable Modem）的反向通道数字调制[四相移相键控（QPSK）和16状态正交调幅（16QAM）]的符号率和带宽，见表5-2。

表5-2 DOCSIS中规定的符号率和带宽的对应关系

5.比特率和符号率

比特率和符号率都是描述数字系统传输数据能力的指标。数字系统在传输数据时，需要将二进制数据变换成调制波的符号，形成数字基带信号，然后经载波信号调制，将基带信号搭载到高频载波上进行传输，如图5-7所示。

图5-7 数字信号传输示意图

在基带传输系统中，用比特率表示传输的信息码率，比特率R_b是指单位时间内传输的二元比特数，单位是bit/s。例如一个数字通信系统，它每秒传输600个二进制码元，它的信息传输速率（比特率）是600bit/s。

符号率R_s是指单位时间内传输的调制符号数，通常指三元及三元以上的多元数字码流的信息传输速率，单位是symbol/s。

在M进制符号映射中，比特率R_b和符号率R_s之间关系为

R_b=R_slog₂M

例如QPSK调制时，每2bit码元映射为一个符号，也就是M=4；64QAM时，每6bit码元映射为一个符号，也就是M=64。

当M=2时，R_b=R_s，则比特率与符号率相等。当M=2⁸=256时，R_b=R_slog₂256=8R_s，则比特率是符号率的8倍。

6.误码率（BER）

数字信号在传输过程中，由于信道不理想以及噪声的干扰，以致在接收端判决再生后的数字比特可能出现错误，这叫作传输误码。误码的多少用误码率来衡量，误码率是数字通信系统中单位时间内错误比特数与发送总比特数之比。例如，误码率2×10^-4表示每发送10000bit，产生2bit的错误。

对于脉冲编码调制（PCM）编码，通常要求传输信道的误码率应小于5×10^-7，对于压缩后的误码率要求更小，达10^-8～10^-9，若不能达到此要求，则应采取误码的保护措施，即纠错编码。误码率与调制方式及载噪比（C/N）的关系曲线如图5-8所示。

图5-8 误码率与调制方式及载噪比（C/N）的关系曲线

弱电传输基本概念及图解布线指南

相关推荐