Přenosové cesty a jejich charakteristiky (metalické, radiové, optické

Přenosové cesty a jejich charakteristiky (metalické, radiové, optické) – praxe
č.26
Mezi telekom. zařízeními se přenáší signály pomocí elmag. vlny. Elmag. vlna je dána frekvencí a
vlnovou délkou, která závisí na rychlosti šíření vlny. Ta je pro volný prostor 3*108 m/s.
c
λ = [m, m / s, Hz ]
f
Elmag vlna se může šířit různým prostředím: metalické vedení, optický či mikrovlnný vlnovod a volný
prostor. Pro různé kmitočty jsou vhodné různá přenosová prostředí.Každý druh má určité přednosti a proto
s vzájemně doplňují. Obecně lze říct, že klesá význam metalických a roste význam optických přenosových
cest. Radiové mají význam pro svoji mobilitu.
Metalické přenosové cesty
Metalické přenosové cesty jsou realizovány telekomunikačním vedením,což jsou vhodně uspořádány
metalické vodiče. Přenášejí ss signály, signály s velmi nízkými, tónovými i vysokými kmitočty.
Zjednodušeně ho můžeme považovat za homogenní s rovnoměrně rozprostřenými parametry. Homogenní
vedení má ve všech svých částech stejné vlastnosti.
Náhradní schéma elementu homogenního vedení
Primární parametry vedení :
Měrný odpor R (Ω/km), měrná indukčnost L (mH/km), měrná kapacita C (nF/km) a měrný svod G
(µS/km).
Při přenosu signálu vzniká průchodem proudu úbytek napětí ∆U = I(R+jωL) ∆x a proudu ∆I = U(G+jωC)
∆x , ∆ - značí přírůstek a tučná kurzíva značí komplexní veličinu
Sekundární parametry:
Poměr U a I je v každém bodě homogenního vedení stálý a nazývá se charakteristická (vlnová)
impedance vedení Zc
Zc =
∆U
=
∆I
R + jωL
= Z c ⋅ e jϕ c
G + jωC
je modul vlnové impedance a ϕc je argument vlnové impedance
Zc
Měrná vlnová míra přenosu
γ =
(R + jωL ) ⋅ (G + jϖC ) = α + jβ
kde α je měrný útlum (dB/km) a β je měrný fázový posun (rad/km)
β udává zpoždění vlny na jednotku délky. Zpoždění 2π nastane ve vzdálenosti λ z čehož plyne λ =
Rychlost jakou se šíří fáze postupující vlny je dána fázovou rychlostí v f =
v sk =
∆ϖ
(km/s) udává rychlost šíření skupiny harmonických vln tvořících přenášený signál.
∆β
Telekomunikační vedení je nejčastěji tvořeno dvojicí metalických vodičů (bronz, Cu, Al, ocel)
Podle uspořádání vodičů:
Symetrické vedení (dvojice paralelních nebo spirálově stočených vodičů v kabelu)
Koaxiální vedení (dvojice souosých vodičů)
Uspořádání vodičů
Symetrická vedení
•
•
Vodiče mají proti zemi stejnou impedanci (elektrická symetrie vůči zemi)
Význam minimalizace proti rušení (minimální indukce)
Rozdělení podle umístění
•
•
•
Nadzemní vedení
Zemní kabelové vedení
Podmořské kabely
β
.
ϖ
(km/s). Skupinová rychlost
β
Duhy a charakteristiky metalických vedení
•
•
2π
Nadzemní vedení
Dříve pro přenos v pásmu 0 - 150 kHz. Realizovány bronzovými, bimetalickými (ocelová duše, měděný
nebo hliníkový povlak) nebo ocelovými vodiči o průměru 2 – 4 mm.
Nevýhoda:
• závislost na klimatických podmínkách
• velká spotřeba materiálu
• nespolehlivé
Zemní kabelové vedení
• závlačné
• úložné
• závěsné
• samonosné
• říční
Jsou umisťovány cca do hloubky 80cm, kde jsou chráněny proti mechanickému poškození a klimatickým
vlivům
Úložné kabely
pokládají se volně do země (do kynety = pískové lože v kabelovém příkopu, cihly a signální fólie)
Závlačné
zatahují se do kabelovodů (tvárnicové tratě, novodurové trubky)
Závěsné kabely
ukládají se na různé podpěry nebo i v metru
Konstrukce sdělovacího kabelu
•
•
•
•
•
•
•
měděný vodič tvoří jádro
jádro je izolováno izolací (plastovou PE)
izolovaný vodič tvoří žílu kabelu
stočením několika žil se vytváří kabelový prvek
větší počet kabelových prvků tvoří duši kabelu
duše kabelu je chráněna pláštěm (olověným, hliníkovým, plastovým) proti vlhkosti
další vrstvu tvoří ocelový pancíř (proti mechanickému poškození a jako elektromagnetické stínění)
Místní telefonní kabely v přístupové síti
•
•
•
původní určení: přenos hovorových signálů analogových telefonních přípojek
obvyklý průměr Cu jader: 0,4; 0,6 nebo 0,8 mm
dnes i pro přenos dat vysokými přenosovými rychlostmi; používá se strukturovaná kabeláž
Strukturovaná kabeláž
•
•
•
kategorie CAT5 (příp. 5E) – do 100MHz (100Mbit/s)
kategorie CAT6 (do 250MHz)
kategorie CAT7 (do 600MHz)
Symetrické kabely pro vnitřní instalace
•
•
STP (Shield Twisted Pair)
UTP (Unshield Twisted Pair)
Kabely pro přenos dat
Parametry a konstrukce kabelů konstruovaných pro datové přenosy se neliší od parametrů sdělovacích
kabelů pro místní a vnitřní rozvody
•
•
•
•
•
rozdíl v délce skrutu párů
2, 4, 6 párů v kabelu (PE izolace)
páry nestíněné označení UTP a páry stíněné STP
rozvody tzv. strukturované kabeláže (přenos hlasu i dat – propojení počítačů – sítě LAN)
vzdálenosti do 100 m
Vytváření prvků kabelu
Pár – vzniká stáčením dvou žil
Křížová čtyřka – vzniká stáčením 4 žil s jednotnou délkou skrutu (tj. řez v kterémkoli místě má tvar
kříže), při výrobě nerovnoměrným bržděním bubínků dochází k propadům (vznik systematické vazby –
důsledek kapacitní nesymetrie, nepoužitelné pro vf přenos)
DM čtyřka – Diesel Horst-Martinova čtyřka, vzniká stáčením 2 párů (délka skrutu páru a, b = L1 a c, d =
L2) s délkou skrutu L3, odstranění systematické vazby vykřižovánímv průběhu celého kabelu, dobré
vlastnosti pro vf přenos
Značení kabelu
•
•
Z označení kabelu je možné zjistit druh kabelu, materiál jader, materiál izolace žil a pláště,
jmenovitý počet prvků, způsob provedení a průměr jader.
Není zcela standardizováno, záleží na výrobci
Koaxiální kabely
•
•
•
•
•
prvkem je koaxiální pár – soustava dvou souosých vodičů
souosé umístění obou vodičů je zajištěno středícími izolačními disky nebo použitím balónkové
izolace
vlastní dielektrikum tvoří vzduchová mezera
vnější trubka je tvořena měděným páskem (0,1 až 0,15mm),
vnější trubka je ovinuta ocelovými pásky (mechanická ochrana a elektromagnetické stínění)
Provedení koaxiálních kabelů
•
•
•
Mikrokoaxiální pár (D/d=2,8/0,65 mm) – použití do 5 MHz; max. přenosová rychlost 34 Mbit/s
Malý koaxiální pár (D/d=4,4/1,2 mm) – použití do 18 MHz; max. přenosová rychlost 140 Mbit/s
Střední koaxiální pár (D/d=9,4/2,6 mm) – použití do 60 MHz; přenosová rychlost > 140 Mbit/s
Poměr D/d je volen z hlediska minimálního měrného útlumu. Pro Cu vodiče se vzduchovou mezerou je
volen 3,6
L
Pro koaxiální páry platí, že R < ωL a G < ωC , tedy Z c =
C
Souosé umístění vodičů
Radiové přenosové cesty
K realizaci radiového přenosu využíváme elmag. vln takových kmitočtů, které se efektivně šíří volným
prostorem(radiové vlny). Podle uspořádání přenosové cesty můžeme rozlišovat radiové spoje:
•
•
•
Všesměrové,které pokrývají určité území signálem (TV, rozhlas…)
Úzce směrové, slouží k překlenutí určité liniové vzdálenosti (radioreleové spoje)
Družicové, které využívají spojení přes tlk. družici
Radiové systémy se skládají z vysílací části s anténou vysílající elmag. vlny a přijímací části
zpracovávající el. signál vzniklý na přijímací anténě. Můžeme se setkat s distribucí signálu pomocí
rozhlasových či TV vysílačů, kde přenos probíhá pouze v jednom směru, nebo s obousměrným přenosem.
Abychom mohli pomocí radiových vln přenášet užitečnou informaci, musíme při vysílání ovlivnit některý
z jejich parametrů a na přijímací straně informaci zpět dekódovat = modulace. U amplitudové modulace
se přenášený signál projevuje jako obálka amplitudy nosné vlny harmonického průběhu stálého kmitočtu.
Kmitočtová modulace působí okamžitou změnu kmitočtu nosné vlny se stabilní amplitudou.Při radiovém
přenosu digitálních signálů potřebujeme při modulaci vyjádřit několik stavů z konečné množiny hodnot.
Použitím více stavů při dané přenosové rychlosti snížíme modulační rychlost a signál po modulaci zabere
užší pásmo v radiovém spektru.
Použitá modulace je charakterizována počtem stavů a typem. Nejpoužívanější jsou varianty těchto
modulačních metod:
•
•
Fázová modulace – fázové klíčování PSK
Kvadraturní amplitudová modulace QAM
V praxi se nejčastěji používá 4PSK nebo 64QAM apod.
Vysílaný signál je překódován, modulován příslušnou metodou do vf. pásma a pomocí výkonových
vysílacích obvodů V vyslán anténou. Přijímací strana provádí opačnou funkci.klíčová je funkce
přijímacích obvodů P, které obsahují filtr propouštějící jen potřebné pásmo a nf. zesilovač.
Blokové schéma bloku radiového přeosu
Jednotlivé radiové vysílače mají předělené radiové kanály určené nosnou frekvencí a šířkou přenášeného
pásma. Volba frekvence musí být provedena tak, aby se nerušily vysílače pracující na shodných nosných
kmitočtech,což zajistíme dostatečnou vzdáleností vysílačů od sebe.
Radioreleové spoje díky použití úzce směrových antén (parabolických) vyzařují minimální výkon do
okolí mimo určeného směru. Jediná anténa vyzařuje signál současně do na více kanálech a pracuje
zároveň jako vysílací i přijímací. Přenos elmag. vlny je možný jen na přímou viditelnost, protože
používáme tzv. mikrovlné pásmo v oblasti až 10 GHz. Na všech úsecích používáme stejné kmitočtové
pásmo, pouze střídáme z důvodů oddělení vysílacího a přijímacího směru kmitočty nosných frekvencí.
Radioreleové spoje jsou velmi rozšířené a jejich hlavní výhodou je operativnost. Odpadá nákladná
pokládka kabelů. Na druhé straně jsme omezeni šířkou pásma, které je v dané oblasti pro tento účel
přiděleno.
Uspořádání radioreleového spoje
U družicových spojů rozlišujeme dva sektory: pozemský a kosmický.Pozemský sektor tvoří všechny
pozemské stanice využívající služby příslušné družice. Kosmický sektor sestává z jedné nebo celé řady
spolupracujících družic.
Dále můžeme rozeznat dva základní typy družic. systémů:
•
Pevnou družicovou službu – zejména u mezikontinentálního spojení, retranslaci mezi jednotlivými
stanicemi provádí družice
•
Pohyblivá družicová služba – zajišťuje spojení uživatelů prostřednictvím sítě navzájem
provázaných družic
Stanice pevné družicové služby dosahují značných vysílacích výkonů (řádově 1 – 10kW) a velkých
rozměrů antén (10 – 30m). Kosmický sektor tvoří geostacionární tlk. družice (GEO), která obíhá na
geostacionární oběžné dráze v souladu s rychlostí otáčení Země kolem své osy (ve výšce 35 800km).
Družicové spojení nachází nejefektivnější zhodnocení zejména ve špatně dostupných oblastech.
Družice obíhají ještě na střední oběžné dráze MEO (kolem 10 000km, doba oběhu kolem 5h) a nízké
oběžné dráze LEO (700km, doba oběhu kolem 100 min).
Družicové komunikační systémy:
•
•
•
Inmarsat
Iridium
Globastar
Optické přenosové cesty
Optické přenosové prostředky:
Frekvenční oblast využitelné pro přenos dat je kolem 102 THz
Přenášená data lze vyjádřit ve formě světelných impulsů (přítomnost světelného impulsu reprezentuje
např. logickou 1, nepřítomnost logickou 0)
Nutný optický přenosový systém:
•
•
•
emitor (zdroj) záření (LED, LD)
přenosové médium
detektor (přijímač) záření (fotodioda)
Optické vlákno
Úkol: doprava světelného paprsku od zdroje záření k detektoru
(při minimálních ztrátách)
Konstrukce: optické vlákno s tenkým jádrem obaleným vhodným pláštěm, dále primární ochrana a
sekundární ochrana.Vlákno je citlivé na namáhání a ohyby. Primární ochrana zajišťuje pružnost a
sekundární zvyšuje odolnost vlákna. Optický kabel obsahuje vhodnou výplň zajišťující mechanickou
odolnost.
Jádro: průměr v řádu jednotek až desítek µm(8 až 10, 50, 62,5, 100)
Materiály: různé druhy skla (SiO2), eventuelně plast
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
•
•
•
•
vysoké přenosové rychlosti (vysoká šířka pásma)
necitlivost vůči elektromagnetickému rušení
bezpečnost proti odposlechu
malý průměr kabelů
nízká hmotnost
nízké ztráty
Nevýhody
•
Vysoké nároky na výrobní proces
Numerická apertura
NA určuje maximální úhel, pod kterými může světelný paprsek dopadat na optické vlákno tak, aby byl
následně veden
Čím větší je NA, tím lepší je navázání světla do vlákna
Rozdělení optických vláken
•
•
•
jednovidová optická vlákna
mnohovidová optická vlákna se skokovou změnou indexulomu
mnohovidová optická vlákna s gradientní změnou indexem lomu (Graded Index Fiber), plynulá změna
indexu lomu mezi jádrem a pláštěm, ohyb přenášených vidů
rozdělení optických vláken a jejich konstrukce přiloženy jako obrázek
Porovnání vlastností jednovidových a mnohovidových vláken
Jednovidová vlákna:
•
•
•
•
nejvyšší přenosové rychlosti (až Gbit/s na 1km)
ražší než vlákna mnohovidová
velké vzdálenosti (až 100km bez nutnosti opakovače)
pro buzení vyžadují laserové diody
Mnohovidová vlákna:
•
•
•
•
nížší výrobní cena
snazší spojování vláken
snazší navázání paprsku do optického vlákna
možnost buzení luminiscenční diodou (LED)
Souhrnné parametry optických vláken
Jednovidová optická vlákna:
•
•
•
α = 0,35 dB/km (λ=1310 nm), 0,2 dB/km (λ=1550 nm)
šířka pásma: pro λ=1310 nm >> 100 GHz·km
použití: dlouhé trasy a velké přenosové rychlosti
α – měrný útlum optického vlákna (dB/km)
Mnohovidová vlákna se skokovou změnou indexu lomu:
•
•
•
α = 2,6 až 50 dB/km (λ=850 nm)
šířka pásma: 6 až 50MHz·km
použití: krátké trasy (mezi místnostmi, budovami, ...)
Mnohovidová optická vlákna gradientní:
•
•
•
α = 2 až 10 dB/km (λ=850 nm), 0,5 dB/km ( λ=1310 nm), 0,25 dB/km (λ=1550 nm)
šířka pásma: 300 MHz·km až 1,5 GHz·km
použití: aplikace v LAN
Měrný útlum optického vlákna
Vlastní absorbce – ztráty na vlastních molekulách optického materiálu
Nevlastní absorbce – ztráty optického výkonu na nečistotách (molekuly kovů, ionty OH-)
Lineární rozptyl – materiál jádra a pláště není ideálně homogenní. Nejčastěji udávanou složkou lin.
rozptylu je tzv. Rayleighův rozptyl (hlavní složka útlumu vláken, roste se čtvrtou mocninou vlnové délky).
Nelineární rozptyl – u části optického záření dochází ke změně jeho vlnové délky (z hlediska pracovní
vlnové délky je tato energie ztracena)
Ztráty mikroohyby (mm a méně) – kritické pro jednovidová vlákna
Ztráty makroohyby (desítky mm) – nesmí být překročena doporučená hodnota ohybu optického kabelu
při montáži
K přenosu optickými vlákny se využívají převážně vlnové délky spadající do tzv. optických oken vlákna,
jsou to délky 850 nm – nejnižší cena, 1310 nm – nejnižší disperze a 1550 nm – nejnižší útlum.
Závislost útlumu na vlnové délce přiložena jako obrázek
Dopadá-li paprsek na rozhraní dvou prostředí s různými optickými vlastnostmi (jádro, plášť) a dopadá-li
na toto rozhraní pod větším úhlem než je mezní (viz NA), dochází k úplnému odrazu zpět do původního
prostředí.
Opakováním úplných odrazů, které probíhají beze ztrát, optický paprsek sleduje dráhu jádra optického
vlákna, je veden.
Optické vlákno – simplexní přenos (jednosměrný), pro duplexní přenos je potřeba dvojice vláken
Použitá literatura:
Přednášky k předmětu TSS - Ing. Robert Bešťák, Ph.D.
Přednášky k předmětu TET - Ing. Tomáš Zeman, Ph.D.
Telekomunikační technika, díl 1. – Jaroslav Svoboda a kolektiv
Kontakt: [email protected]