传输介质是安全防范系统中信息传输的物理通路，分有线、无线两类。

① 有线介质指传输信息的媒质为看得见、摸得着的架空明线、电缆、光纤、波导等，特点是信号沿导线传输，能量相对集中，故传输效率较高。

② 无线介质指传输信息的媒质为自由空间，如微波、卫星、红外、激光等，发送方使用高频发射机和定向天线发射信号，接收方通过接收天线和接收机接收信号，特点是信号相对分散，传输效率较低，安全性较差，分为长波、中波、短波、超短波和微波等多种。

常用传输介质类型与特点如表2-2所示。传输介质特性对安全防范系统通信质量影响很大，这些特性包括物理特性，说明传输介质的特征；传输特性，包括信号形式、调制技术、传输速率及频带宽度等；连通性，通信系统点—点连接还是多点连接；地理范围，通信系统各点间最大距离；抗干扰性，防止噪声、电磁干扰对数据传输影响的能力等。

2.3.1 有线传输技术

下面分别介绍常用有线传输介质如双绞线、同轴电缆、光导纤维的构成及特性。

1．双绞线

双绞线由若干对铜线组成，每对有两条相互绝缘的铜线或钢包铜线按一定规则绞合在一起，如图2-13所示，采用这种绞合起来的结构是为了减少对邻近线对的电磁干扰。双绞线主要特性如下。

① 物理特性。双绞线芯一般是铜质的，能提供良好传导率。

② 传输特性。作为最常用的传输介质，双绞线既可传输模拟信号，如电话系统；也可传输数字信号，数据速率可达1.544 Mb/s，采用一定技术手段，能达到更高的数据传输率。通常将多对双绞线封装于一个绝缘套里组成双绞线电缆。

③ 连通性。双绞线多用于“点—点”连接，也可用于多点连接。作为多点介质使用时，价格比同轴电缆低，但性能较差，且只支持很少几个站。

④ 地理范围。双绞线可在15～20 km范围提供数据传输，局域网双绞线多用于几个建筑物间的通信。

⑤ 传输低频时，双绞线的抗干扰性相当于或高于同轴电缆，但超过10～100 kHz时，同轴电缆比双绞线优越明显。此外，双绞线、同轴电缆和光纤3种有线介质中，双绞线价格最便宜。

为进一步提高双绞线抗电磁干扰的能力，可以在双绞线外层加上用金属丝编织成的屏蔽层。根据是否外加屏蔽层，双绞线分两种：非屏蔽双绞线，将一对或多对双绞线线对放入一个绝缘套管，阻抗值100 Ω，价格便宜，安装容易，但抗干扰能力差，传输距离和数据传输速度有一定限制，多用于近距离数据传输；屏蔽双绞线，一对或多对双绞线线对外面加上用金属丝编织成的屏蔽层，然后放入绝缘套管，阻抗值150 Ω，容量较大，抗干扰能力强，保密性好，但价格较高，应用较少。

美国电子工业协会的远程通信工业分会（EIA/TIA）于1995年颁布了“商用建筑物电信布线标准”EIA/TIA-586-A，规定了非屏蔽双绞线标准，如表2-3所示。

最常用的五类线和三类线区别：前者增加了每单位长度的绞合次数；后者的线对间绞合度和线对内两根导线绞合度经过精心设计，一定程度上抵消了干扰，改善了线路的传输特性。目前，结构化布线工程中，多采用100 Ω的五类或超五类非屏蔽双绞线。

2．同轴电缆

同轴电缆由一对导体按“同轴”形式构成，如图2-14所示，这种结构使其具有高带宽和较好抗干扰特性，可以在共享通信线路上支持更多站点。同轴电缆从里向外4层分别如下。

① 内导体。金属导体铜或铝，是同轴电缆的核心，用于传输数据。

② 绝缘层。用于内导体与外导体间的绝缘，防止二者短路。

③ 外导体。与内导体构成一对导体，既屏蔽外部的干扰，又防止内部信息泄漏。

④ 外部保护层。是起保护作用的塑性外套。

同轴电缆主要有基带同轴电缆与宽带同轴电缆两种。

① 宽带同轴电缆指75 Ω同轴电缆，多用于模拟传输系统，是有线电视（CATV）标准传输电缆，频带宽度可达450 MHz，利用频分复用（FDMA）技术，可在同轴电缆上传输多路信号。它既能传输数字信号，也能传输诸如音频、视频等模拟信号。75 Ω同轴电缆也可直接传输数字信号，数据率可达50 Mb/s。

② 基带电缆主要指50 Ω同轴电缆，只适用于传输数字信号（基带信号），因此称为基带电缆。分粗缆（RG-11、RG-8）和细缆（RG-58）两种。粗缆抗干扰性能好，传输距离远；细缆价格低，传输距离较近，传输速率约10 Mb/s。

3．光导纤维

（1）光波基础知识

光波也是一种电磁波，但波长比无线电波短得多。光波由紫外光（波长＜390 nm）、可见光（波长390～760 nm）、红外光（波长＞760 nm）构成。

信息传输容量取决于载体可能调制的频带宽度，而频带宽度受限于载体频率，频率越高，可利用频带越宽，通信容量越大。随着信息交换量剧增，为得到更快、更好、更节省的通信方式，人类一直在追求更高的载体频率，光通信就是杰出代表，其通信容量很大。如果将多束不同波长的光加注到同一根光纤传输，通信容量更大。随着光纤放大器、光波分复用技术、光弧子通信技术、光电集成和光集成等不断取得进展，光通信将逐渐取代电通信，成为主要通信手段。

（2）光纤的结构

光导纤维简称光纤，典型结构是多层同轴圆柱体，如图2-15所示。核心部分是纤芯和包层。其中，纤芯由高度透明的材料制成，是光波的传输通道，光线在核心部分多次全反射，达到传导光波的目的；包层的折射率略小于纤芯，使光传输相对稳定。

纤芯和包层由两种光学性能不同的介质构成，内部介质对光的折射率比环绕它的介质折射率高，当光从折射率高的一侧射入折射率低的一侧时，只要入射角度大于一个临界值，就会发生反射现象，能量将不受损失。这时包在外围的覆盖层就像不透明的物质一样，防止光线传输过程中从表面逸出。由发光二极管（LED）或激光二极管（ILD）发出光信号沿光纤传播，另一端用光电检测器接收信号。为确保信号的有效传输，发射端需增加光放大器，以提高入纤的光功率；接收端的光电检测器将微弱信号放大，提高接收的灵敏度。

（3）光纤导光原理

光的波长很短，但相对光纤的几何尺寸大得多。光在不同介质中的传播速度各异，所以光从一种介质射向另一种介质时，在两种介质交界处会产生折射和反射，且折射光角度会随入射光角度的变化而变化。当入射光角度达到或超过某一值时，折射光会消失，入射光全部被反射回来，即全反射。不同介质对相同波长光的折射角度不同，相同介质对不同波长光的折射角度也不同。光纤通信就是基于以上原理进行的。

光在分层介质的传播如图2-16所示。假设介质1、介质2的折射率分别为n ₁ 、n ₂ ，且n ₁ ＞n ₂ 。当光线以较小的 θ ₁ 角入射时，部分光进入介质2并产生折射，部分光被反射。它们间的相对强度取决于两种介质的折射率。由菲涅耳定律可知

反射定律 θ ₁ ＝ θ ₂

折射定律sin θ ₁ /sin θ ₂ ＝n ₁ /n ₂

当n ₁ ＞n ₂ 时，逐渐增大 θ ₁ ，进入介质2的折射光线进一步趋向界面，直到 θ ₂ 趋于90°。此时，进入介质2的光强显著减小并趋于零，而反射光强接近于入射光强。当 θ ₂ ＝90°极限值时，相应的 θ ₁ 角定义为临界角 θ _c 。由于sin90°＝1，故临界角 θ _c ＝arcsin（n ₂ /n ₁ ）。

当 θ ₁ ≥ θ _c 时，入射光线将产生全反射。应注意，只有当光线从折射率大的介质进入折射率小的介质，即n ₁ ＞n ₂ 时，才能产生全反射。

（4）光纤的分类

光纤可按传输模式、组成材料、纤芯折射率等划分，实际使用的光缆分类如表2-4所示。

按传输模式不同，分为多模光纤和单模光纤，分别如图2-17（a）、（b）所示。“模”是指以一定角速度进入光纤的一束光。因为每个“模”光进入光纤的角度不同，到达另一端的时间也各异，称这一特征为模分散。多模光纤的芯线粗（纤芯直径为50 μm或62.5 μm，包层外直径为125 μm），用LED做光源，允许多束光在光纤中同时传播，形成模分散，限制了传输信号的频率，传输速度低、距离短（约几千米），整体传输性能较差，但成本低，多用于小区域；单模光纤的纤芯较细（纤芯直径为8.3 μm，包层外直径为125 μm），用ILD做光源，只传播一束沿直线传播的光，没有模分散特性，故传输频带宽、容量大，适于远距离、高速率传输，几十千米内能以数Gb/s的速率传输数据，是当前研究与应用的重点，也是光纤通信与光波技术发展的必然趋势，但单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高要求，故成本高。

（5）光纤基本特性

光纤基本特性如下。

① 物理特性。按波长范围分为0.85 μm波长区（0.8～0.9 μm）、1.3 μm波长区（1.25～1.35 μm）和1.55 μm波长区（1.53～1.58 μm），不同波长范围光纤损耗特性各异。其中，0.85 μm波长区为多模光纤通信方式，1.55 μm波长区为单模光纤通信方式，1.3 μm波长区有多模和单模两种方式。

② 传输特性。光纤通过内部的全反射传输光信号，光纤频率范围从1014～1015 MHz，覆盖了可见光谱和部分红外光谱。光纤数据传输率高达Gb/s，传输距离数十千米。

③ 连通性。光纤功率损失小且有较大带宽潜力，支持的分接头数远比双绞线或同轴电缆多。

④ 地理范围。采用光纤进行通信，6～8 km距离一般无须中继器。

⑤ 抗干扰性。不受电磁干扰或噪声影响，适宜远距离传输，并能提供很好的安全性。

⑥ 价格。双绞线、同轴电缆和光纤3种有线介质中，光纤价格最高。

（6）光纤通信的波段

光纤通信所用光波范围为0.8～2.0 μm，目前使用的波长有0.85 μm、1.31 μm、1.55 μm。其中，1.31 μm和1.55 μm窗口为光纤低损耗区，可复用大量信道，如图2-18所示。

根据波长 λ 、频率f和光速c（3×10 ⁸ m/s）关系式f＝c/ λ ，计算出光纤通信频率范围为（1.67～3.75）×10 ¹⁴ Hz。可见，光纤通信所用光波的频率非常高（约108 MHz量级），传输带宽远大于其他传输介质，是最有前途的有线传输手段。

（7）光纤通信系统

光纤通信系统一般构成如图2-19所示。利用光发射机内的光源将调制好的光波脉冲导入光纤，光信号通过全反射经光纤传输到光接收机。

① 光发射机。由光源、驱动器和调制器组成，将来自电子设备的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，再将已调光信号耦合到光纤传输。光源作为光纤通信系统重要器件，作用是产生光载波信号。光纤通信系统使用发光二极管（LED）或激光二极管（ILD）作光源。前者用于短距离、低容量模拟系统，成本低，可靠性高；后者用于远距离、高速率系统。它们各有优缺点，选用时应根据需要综合考虑，二者性能比较如表2-5所示。

② 光接收机。由光检测器和光放大器组成，将光纤传输来的光信号，经光检测器（光电二极管）转变为电信号并放大。目前，广泛使用的光电检测器是光电二极管和雪崩光电二极管。光电检测器和前置放大器合称接收机前端，其性能优劣是决定接收灵敏度主要因素。

③ 光纤或光缆。光纤或光缆构成光的传输通路，功能是将发信端发出的已调光信号，经光纤或光缆的远距离传输后，耦合到接收端的光检测器，完成传输信息任务。

④ 中继器。信号传输时，光纤的固有吸收和散射会造成光能量衰减。同时光纤在模式、材料、结构上的色散，会使信号脉冲产生失真，增加传输线路的噪声和误码，降低传输质量。为此，远距离光纤传输系统每隔一定距离设置中继器，基本功能是进行光/电/光转换，并在光/电转换时进行再生、整形、定时处理，再变成光信号传输。

光纤通信特点：传输频带宽，通信容量大；损耗低，中继距离长；抗电磁干扰能力强；绝缘性好，寿命长；光纤资源丰富，可节约有色金属和能源；无接地和共地问题。但存在以下局限性：光纤弯曲半径不宜过小；光纤连接、切断复杂；分路、耦合麻烦。

（8）光学与电学的关系

表面上看，电学和光学是互不相关的两个学科，实际上二者相互促进：第一次是19世纪60年代麦克斯韦提出的光的电磁波动理论，认为无线电波和光波都是电磁波谱；第二次是1905年爱因斯坦将量子论用于解释光电效应，明确了光和电的密切关系；第三次是1960年激光的发现，激光是光学史上的重大革命，也是20世纪最重大的发现之一。激光器是电子学中微波量子放大器在波长上的延伸——从微波延伸到光波，它的发明不仅提供了光频波段的相干电磁波振荡源，而且对无线电频率下的许多电子学概念、理论和技术，原则上均可延伸到光频波段，显著扩展了光的应用范围。现阶段的光学称为光子学，标志着在发展和应用前景上，光学与电子学占有同样重要的地位，二者相互依存、共同发展。

21世纪是光子学时代。20世纪的电子学做出了巨大贡献，但无论是速度、容量还是空间相容性都很受限制，而光子的信息属性表现出巨大发展潜力和明显优越性。比较二者的性能，可以看出光子技术发展是必然的：在处理速度上，电子器件响应时间最快为10 ^-11 s，光子器件高达10 ^-15 s，相差1000～10000倍；光子在通常情况下互不干涉，具有并行处理信息的能力，能大幅提高信息处理速度；存储能力、传播速度、抗干扰能力等方面，光子器件弥补了电子器件的很多不足，为信息技术的发展提供了新的可能性。随着技术的迅猛发展，光子学与电子学将互为补充、相互促进，把信息社会推向新的发展阶段。

2.3.2 无线传输技术

1．无线电波波段划分

无线传输介质简称无线介质。无线电波按波长分为长波（波长＞1000 m）、中波（波长为100～1000 m）、短波（波长为10～100 m）、超短波和微波（波长＜10 m等，各波段相关参数及应用如表2-6所示。

由于各波段传播特性各异，形成了多种类型的无线通信。常用无线介质有无线电波、微波、红外和激光等，与之对应，无线传输系统分广播通信、地面微波通信、卫星通信及红外通信等。

2．电磁波谱

在电磁波谱中，波长最长的是无线电波，无线电波又依波长不同分为长波、中波、短波、超短波和微波；其次是红外线、可见光、紫外线；再次是X射线；波长最短的是γ射线。整个电磁波谱形成了完整、连续的波谱图。其分布及应用如图2-20所示。电磁波波长不同，性质差别很大，体现在传播的方向性、穿透性、可见性和颜色等方面。例如，可见光可被人眼直接感觉到，看到物体各种颜色；红外线能克服夜障；微波可穿透云、雾、烟、雨等。但它们具有以下共性：各种电磁波在真空传播的速度相同，都等于光速（3×10 ⁸ m/s）；遵守第一的反射、折射、干涉、衍射及偏振定律。

各种电磁波的波长或频率之所以不同，是由于产生电磁波的波源不同。例如，无线电波是由电磁振荡发射的，微波是利用谐振腔及波导管激励与传输，通过微波天线向空间发射的；红外辐射是分子振动和转动能级跃迁时产生的；可见光与近紫外辐射是原子、分子中的外层电子跃迁时产生的；紫外线、X射线和 γ 射线是内层电子的跃迁和原子核内状态的变化产生的；宇宙射线则来自宇宙空间。

3．微波传输

频率为300 MHz～300 GHz（波长为1 m～1 mm），能量集中于一点并沿直线传播的电磁波称为微波。微波通信是利用微波在视距范围内进行信息传输的一种“点—点”通信方式，可传输音频、视频、数据等。

（1）微波传输特点

微波频率很高，电波绕射能力弱，信号传输主要利用微波在视线距离内的直线传播。与短波相比，该方式传播较稳定、受外界干扰小，但微波传播受地形、地物、气候状况等的影响而引起反射、折射、散射、吸收现象，产生传播衰落和传播失真，甚至中断。微波传输特点主要体现在以下两个方面。

① 直线传输。微波的波长很短，不能像中波那样沿地表传输，因为地面很快就会把它吸收掉；也不能像短波那样通过电离层反射传输，因为它会穿透电离层逸入太空。由于地球表面是球形，微波只能在视距范围内直线传输，因此两个微波站距离不能很远（一般为50 km），否则难以获得稳定的传输特性。

② 多径传输。微波系统使用方向性很强的天线，并把收、发信天线对准，以便收信端收到较强的直射波。但受天线方向性所限，总有部分电磁波透射到地表面，经地表反射后到达收信端的天线，或散射进入太空；其次，由于大气层中存在不均匀的气体，也会造成电磁波的折射和吸收，损失部分能量；另外，由于微波无法穿透传输线路上的固体物，故传输路线上高大的建筑物等会造成微波绕射和电平损耗。因此，微波通信既有直线传输特性，又有多径传输特性，这也是造成信号衰落和失真的主要原因。

（2）微波通信概述

微波通信是利用微波作为载波并采用中继方式进行的远距离无线通信。作为第二次世界大战后期开始使用的无线通信技术，经数十年发展，已广泛应用于各种电信业务的传输，如电话、电视、数据、传真等。但微波频率高、波长短，在空中的传播特性与光波相近——直线前进，遇到阻挡会被反射或阻断，故微波通信主要是视距通信，超过视距需中继转发。

假设天线高度h、视距传播距离d及地球半径r（6370 km）应满足：d＝sqr（2×r×h）。通常，每隔50 km就需设置中继站放大、转发电波，故又称其为微波中继通信或微波接力通信。其系统构成如图2-21所示。微波通信有地面微波接力通信和卫星通信两种主要方式，通常指地面微波中继通信。

（3）微波通信系统

微波通信系统有多种分类方法，通常按调制信号的不同分为模拟微波通信和数字微波通信。数字微波通信系统一般构成如图2-22所示。

数字微波通信特点：传输信息容量大；通信稳定且可靠；通信灵活性较大，微波通信的建立及转移均较容易，比有线通信更具灵活性；天线增益高、方向性强；投资少、建设快；保密性强、抗干扰。

4．卫星传输

（1）卫星通信概述

卫星通信指利用人造地球卫星作中继站转发或反射无线电波，实现两个或多个地球站间的通信。它是在微波通信和航天技术基础上发展起来，并利用计算机实现其控制的先进通信方式。可以说，卫星通信是微波通信的继承和发展，是微波通信向太空的延伸，成为陆地通信的扩展、延伸、补充和备用。

卫星通信按运行方式不同，分同步卫星和非同步卫星。同步卫星在地球同步轨道上运行，高度为35786.5 km，因为与地球的运转同步，从地球上任一点看都是相对静止的，故又称静止卫星，如图2-23所示。一颗同步通信卫星就能覆盖地球面积的1/3，只需3颗互成120°的同步卫星即可实现全球除南北极之外地区的通信。同步卫星通信容量大、传输距离远、覆盖范围广，特别适合全球通信、电视广播及地理环境恶劣地区使用。目前，商用通信卫星多为同步卫星。

（2）卫星通信系统

卫星通信实际上是将卫星作为中继站的特殊微波通信。只要在卫星覆盖范围，不论距离远近，均可通过卫星转发、反射无线信号。电视、电报、传真、广播、数据传输等业务均可通过卫星传输，不同的是地球站需采用相应的终端设备。卫星通信系统一般构成如图2-24所示。

卫星通信的优点：通信距离远，通信成本与距离无关；通信覆盖面积大，便于多址连接；传输容量大；通信线路稳定可靠，通信质量高；通信灵活，不受地形、地貌等影响。但存在传输延迟大、卫星使用寿命短、10 GHz以上频带受雨雪影响等局限性。 udZMTuP0MjrpP8Cv78u3U0bKqm23mOmQt74FZstpDjIUX9CK3UZg8zGeyh3v0HVX