伝送媒体

伝送媒体は、電気通信の目的で信号の伝播を媒介できるシステムまたは物質です。信号は通常、選択された媒体に適した何らかの波に乗せられます。たとえば、データは音を変調することができ、音の伝送媒体は空気である可能性がありますが、固体や液体も伝送媒体として機能する場合があります。真空または空気は、光や電波などの電磁波の優れた伝送媒体を構成します。電磁波の伝播には物質は必要ありませんが、そのような波は通常、通過する伝送媒体、たとえば媒体間のインターフェースでの吸収、反射、屈折によって影響を受けます。したがって、技術的なデバイスを使用して波を送信または誘導することができます。したがって、光ファイバーまたは銅ケーブルが伝送媒体として使用されます。

電磁波は、光ファイバーなどの光学媒体、またはツイストペア線、同軸ケーブル、誘電体スラブ導波路を介して伝送できます。また、水、空気、ガラス、コンクリートなど、特定の波長を透過する任意の物理的材料を通過することもできます。音は、定義上、物質の振動であるため、他の種類の機械的波や熱エネルギーと同様に、伝送には物理的な媒体が必要です。歴史的に、科学は伝送媒体を説明するためにさまざまなエーテル理論を取り入れました。しかし、現在では、電磁波は物理的な伝送媒体を必要とせず、自由空間の真空中を移動できることがわかっています。絶縁真空の領域は、自由電子、正孔、またはイオンの存在を通じて電気伝導のために導電性になることができます。

データ通信における物理媒体とは、信号が伝わる伝送経路のことです。通信チャネルとして、さまざまな種類の伝送媒体が使用されます。

多くの場合、通信は電磁波の形で行われます。誘導伝送媒体では、波は物理的な経路に沿って誘導されます。誘導媒体の例には、電話線、ツイストペアケーブル、同軸ケーブル、光ファイバーなどがあります。非誘導伝送媒体は、経路を定義する物理的な手段を使用せずにデータを伝送する方法です。これには、マイクロ波、無線、赤外線などがあります。非誘導媒体は、電磁波を伝送する手段を提供しますが、電磁波を誘導しません。例としては、空気、真空、海水を介した伝播があります。

ダイレクトリンクという用語は、信号強度を高めるために使用される増幅器やリピータ以外の中間デバイスを使用せずに、信号が送信機から受信機に直接伝播する 2 つのデバイス間の伝送パスを指すために使用されます。この用語は、誘導媒体と非誘導媒体の両方に適用できます。

信号伝送は、単方向、半二重、または全二重 のいずれかになります。

単方向伝送では、信号は一方向にのみ送信されます。つまり、1 つのステーションが送信側で、もう 1 つのステーションが受信側です。半二重動作では、両方のステーションが送信できますが、一度に送信できるのは 1 つだけです。全二重動作では、両方のステーションが同時に送信できます。後者の場合、媒体は同時に両方向に信号を伝送します。

一般的に、伝送媒体は次のように分類される。

• 線形、媒体内の任意の特定の点における異なる波を重ね合わせることができる場合。
• 範囲が有限であれば有界、そうでなければ無界。
• 均一または均質である場合、その物理的特性は異なる点でも変化しない。
• 物理的特性が方向によって同じである場合、等方性と呼ばれます。

伝送媒体には主に 2 つの種類があります。

• 導波媒体- 波は伝送線路などの固体媒体に沿って導波されます。
• 非誘導媒体-送信と受信はアンテナによって行われます。

ネットワークで使用される最も一般的な物理媒体の 1 つは銅線です。銅線は比較的少ない電力で長距離に信号を伝送します。シールドなしツイストペア(UTP) は 8 本の銅線を 4 対にまとめたものです。^[1]

ツイストペアケーブルは、電磁両立性を向上させる目的で、単一回路の2本の導体を撚り合わせた配線の一種です。単一の導体や撚り合わせていない平衡ペアと比較すると、ツイストペアはペアからの電磁放射と隣接するペア間のクロストークを減らし、外部の電磁干渉の除去を改善します。これはアレクサンダー・グラハム・ベルによって発明されました。^[2]

同軸ケーブル、またはコアックス（発音：/ ˈ k oʊ . æ k s / ）は、内部導体が管状の絶縁層で囲まれ、さらに管状の導電シールドで囲まれた電気ケーブルの一種です。多くの同軸ケーブルには、絶縁性の外側シースまたはジャケットも付いています。同軸という用語は、内部導体と外側シールドが幾何学的な軸を共有していることに由来しています。同軸ケーブルは、イギリスの物理学者、エンジニア、数学者であるオリバー・ヘヴィサイドによって発明され、1880年にその設計の特許を取得しました。^[3]

同軸ケーブルは伝送線路の一種で、高周波の電気信号を低損失で伝送するために使用されます。 電話幹線、ブロードバンド インターネット ネットワーク ケーブル、高速コンピュータ データ バス、ケーブル テレビ信号の伝送、無線送信機と受信機のアンテナへの接続などの用途で使用されます。ケーブルとコネクタの寸法が、伝送線路として効率的に機能するために必要な、正確で一定の導体間隔が得られるように制御されている点が、他のシールド ケーブルと異なります。

光ファイバーは、長距離通信に最も一般的に使用される伝送媒体として登場しており、その長さに沿って光を導く細いガラスの糸です。光ファイバーが銅線よりも優れている主な要因は、データ速度、距離、設置、およびコストの 4 つです。光ファイバーは銅線に比べて大量のデータを伝送できます。信号中継器を必要とせずに数百マイルにわたって配線できるため、保守コストが削減され、中継器がネットワーク障害の一般的な原因となるため、通信システムの信頼性が向上します。ガラスは銅線よりも軽いため、長距離光ファイバーを設置する際に特殊な重量物持ち上げ装置の必要性が少なくなります。屋内用途の光ファイバーのコストは、銅線と同様に 1 フィートあたり約 1 ドルです。^[4]

マルチモードとシングルモードは、一般的に使用されている 2 種類の光ファイバーです。マルチモード ファイバーは LED を光源として使用し、約 2 キロメートルの短い距離で信号を伝送できます。シングルモードは、数十マイルの距離で信号を伝送できます。

光ファイバーは、ガラス（シリカ）またはプラスチックを人間の髪の毛よりわずかに太い直径に引き伸ばして作られた、柔軟で透明な繊維です。^[5]光ファイバーは、繊維の両端間で光を伝送する手段として最もよく使用され、電気ケーブルよりも長距離および高帯域幅（データレート）での伝送を可能にする光ファイバー通信で広く使用されています。金属線の代わりにファイバーが使用されるのは、信号が損失なく伝わるためです。さらに、ファイバーは電磁干渉の影響を受けませんが、金属線ではこの問題が著しく発生します。^{[6]ファイバーは}照明や画像撮影にも使用され、ファイバースコープの場合のように、光を限られた空間に持ち込んだり、画像を限られた空間から持ち出すために束ねられることがよくあります。^{[7]特別に設計されたファイバーは、}光ファイバーセンサーやファイバーレーザーなど、さまざまな用途にも使用されます。^[8]

光ファイバーには通常、屈折率の低い透明なクラッド材で囲まれたコアが含まれています。光は全反射現象によってコア内に保持され、ファイバーは導波管として機能します。^[9]多くの伝搬経路または横モードをサポートするファイバーはマルチモードファイバーと呼ばれ、単一モードをサポートするファイバーはシングルモードファイバー（SMF）と呼ばれます。マルチモードファイバーは一般にコア径が広く^[10]、短距離通信リンクや高電力を送信する必要があるアプリケーションに使用されます。^{[引用が必要]}シングルモードファイバーは、1,000メートル（3,300フィート）を超えるほとんどの通信リンクに使用されます。^{[引用が必要]}

光ファイバーを低損失で接続できることは、光ファイバー通信において重要です。^[11]これは電線やケーブルの接続よりも複雑で、ファイバーを慎重に切断し、ファイバーコアを正確に位置合わせし、位置合わせしたコアを結合する必要があります。恒久的な接続が必要な用途では、融着接続が一般的です。この技術では、電気アークを使用してファイバーの端を溶かします。もう 1 つの一般的な技術は、ファイバーの端が機械的な力で接触した状態を維持するメカニカル スプライスです。一時的または半永久的な接続は、専用の光ファイバー コネクタによって行われます。^[12]

光ファイバーの設計と応用に関わる応用科学と工学の分野は光ファイバーとして知られています。この用語は、光ファイバーの父として広く認められているインドの物理学者ナリンダー・シン・カパニーによって造られました。 ^[13]

電波伝搬とは、電波がある地点から別の地点へ、あるいは大気のさまざまな部分に伝わる、あるいは伝播するときの挙動のことです。^{[14]電波は光波と同様に}電磁放射の一種であり、反射、屈折、回折、吸収、偏光、散乱などの現象の影響を受けます。^{[15]さまざまな条件が電波伝搬に及ぼす影響を理解することは、国際}短波放送の周波数の選択から信頼性の高い携帯電話システムの設計、無線ナビゲーション、レーダーシステムの運用まで、 多くの実用的な用途があります。

実際の無線伝送システムでは、さまざまな種類の伝搬が使用されています。見通し内伝搬とは、送信アンテナから受信アンテナまで電波が直線的に移動することを意味します。見通し内伝送は、携帯電話、コードレス電話、トランシーバー、無線ネットワーク、FMラジオ、テレビ放送、レーダー、衛星テレビなどの衛星通信などの中距離無線伝送に使用されます。地球の表面での見通し内伝送は、送信アンテナと受信アンテナの高さに応じて、視程までの距離に制限されます。これは、マイクロ波周波数以上で可能な唯一の伝搬方法です。マイクロ波周波数では、大気中の水分（降雨減衰）によって伝送が劣化する可能性があります。

MF、LF、VLF帯域の低周波では、回折により電波は丘などの障害物を越え、地表波として地平線を越​​えて地球の輪郭に沿って進みます。これらは地上波と呼ばれます。AM 放送局は、地上波を使用して聴取エリアをカバーしています。周波数が低くなるにつれて距離による減衰が減少するため、超低周波(VLF) および極低周波(ELF) の地上波を使用して世界中で通信できます。VLF および ELF 波は水や地中をかなりの距離まで浸透できるため、これらの周波数は機雷通信や潜水艦との軍事通信に使用されます。

中波および短波周波数（MFおよびHFバンド）では、電波は、大気圏上層にある電離層と呼ばれる荷電粒子（イオン）の層で屈折することがあります。つまり、斜めに空に送信された電波は、地平線の向こう、はるか遠く、大陸をまたぐ距離でも地球に反射される可能性があります。これをスカイウェーブ伝播といいます。アマチュア無線家は、これを利用して他国や国際放送を行う短波放送局と通信します。スカイウェーブ通信は上層大気の状態によって変動しますが、最も信頼性が高いのは夜間と冬です。信頼性が低いため、 1960年代に通信衛星が登場して以来、以前はスカイウェーブを使用していた多くの長距離通信では現在衛星が使用されています。

さらに、対流圏散乱（トロポスキャッター）や近垂直入射スカイウェーブ（NVIS）など、特殊な通信システムで使用される、あまり一般的ではない無線伝搬メカニズムもいくつかあります。

データの送受信は通常4つのステップで実行されます。^[16]

1. 送信側では、データはバイナリ表現にエンコードされます。
2. 搬送信号はバイナリ表現で指定されたとおりに変調されます。
3. 受信側では、搬送信号がバイナリ表現に復調されます。
4. データはバイナリ表現からデコードされます。

• 興奮性媒体
• 光伝導エーテル