Název Kapitoly: Přenosové cesty

Transkript

1 Cvičení: UZST, ČVUT Fakulta DOPRAVNÍ Název Kapitoly: Přenosové cesty Cíle kapitoly: Základních dělení přenosových cest Metalické přenosové cesty Optické přenosové cesty Rádiové přenosové cesty Vhodnost nasazení a použití přenosových cest Doporučená literatura: Telekomunikace díl 1 Jaroslav Svoboda a kolektiv

2 1. Metalická vedení 1.1 Základní parametry a vlastnosti metalických vedení Telekomunikační vedení realizované pomocí metalických vodičů můžeme zjednodušení považovat za homogenní vedení s rovnoměrně rozloženými elektrickými parametry. Homogenní vedení má ve všech svých částech stejné elektrické vlastnosti. Vlastnosti elementu homogenního vedení délky dx můžeme modelovat náhradním schématem viz obr.1 du x R dx L dx d I x U x G d x C dx U x - du x dx Homogenní vedení se popisuje primárními a sekundárními parametry, které jsou závislé na kmitočtu. Vztáhnou-li se podélné i příčné prvky náhradního schématu elementárního úseku na jeden kilometr délky vedení, lze určit čtyři základní primární parametry homogenního vedení. Odpor R [Ω/Km] Indukčnost L [H/Km] Kapacita C [F/Km] Svod G [S/Km] V závislosti na kmitočtu se nejméně mění měrná kapacita dále měrná indukčnost, zatímco měrný odpor a měrný svod (vlivem povrchového jevu a dialektrických ztrát) s kmitočtem rostou značně. Primární parametry je nutné znát při výpočtu, návrhu a

3 výrobní technologii, tj. před zahájením výroby a některé R a C i během montáže. U položených vedení jsou hodnoty primárních parametrů zjišťovány jen výjimečně. Pro úbytky proudu a napětí na elementu dx dostáváme rovnice: -du x =(R+jωL)I x dx -di x =(G+ jωc) U x dx Po úpravě dostáváme diferenciální rovnice: d 2 U x /dx 2 - γ U x = 0 d 2 I x /dx 2 - γ I x = 0 Kde γ 2 = (R+jωL) (G+ jωc) Jejich řešením jsou vztahy pro napětí a proud v libovolném místě vedení x: Tyto rovnice jsou často nazývány telegrafními rovnicemi homogenního vedení. Veličiny γ (měrná vlnová míra přenosu) a Z c (charakteristická impedance) jsou sekundárními parametry homogenního vedení vedení. Oba jsou komplexní, závislé na kmitočtu a svázané s primárními parametry. Měrná vlnová míra přenosu γ ( γ): γ = α + j β α... měrný vlnový útlum [db/km] reálná část β... měrný vlnový posuv [rad/km] imaginární část Vlnová impedance vedení (charakteristická impedance) Z C : Z c = ((R+jωL) / (G+ jωc)) Pomocí sekundárních paramtrů lze plně charakterizovat přenosové vlastnosti daného typu vedení. U dálkových sdělovacích vedení se sekundární parametry udávají nejčastěji. 1.2 Korektně a nekorektně zakončené vedení Amplituda napětí a proudu se stává v každém místě ze dvou složek. První složka představuje hlavní či postupnou vlnu šířící se vedením od počátku, druhá složka zpětnou či odraženou vlnu šířící se směrem od konce vedení. Amplitudy těchto vln závisí na Z c a na zakončení vedení impedancí Z 2. Jestliže Z c =Z 2 odražená vlna nevzniká a vedením se šíří pouze postupná vlna. Vedení je v tomto případě korektně zakončeno, což je stav žádoucí. Jestliže Z c =Z 2 dochází ke vzniku odražené vlny. Obě

4 vlny se vektorově sčítají (vznik stojatých vln) nežádoucí jev. V tomto případě se vedení se chová jako anténa, lehce rušitelná. Za korektně zakončené vedení lze považovat nekonečně dlouhé vedení ale i vedení s útlumem větším jak 26 db. 1.3 Druhy a vlastnosti metalických vedení Materiál: měď, bronz, hliník, ocel Provedení: - nadzemní vedení - kabelová vedení - dialektrické vlnovody - telekomunikační vlnovody Nadzemní vedení Materiál: bronz, někdy též ocelového či bimetalového (nosné ocelové jádro, měděny vodivý povrch) Průměr drátu: bývá z důvodu mechanické pevnosti větší než 2 mm a pohybuje se v rozpětí 2 až 4 mm Vodiče tvoří jeden pár vzdáleny od sebe 150 až 200 mm zavěšeny pomocí porcelánových izolátorů a rameníků. Rameníky jsou umístěny na dřevěných sloupových podpěrách vzdálených 40 až 50 m. Na jednom sloupu může být umístěno několik vedení.

5 Rychlost šíření: relativně vysoká km/s Použití: do 150 khz (výjimečně i výše) Nevýhody: závislost na počasí, náchylnost k elektrickému rušení (vedení působí jako anténa) Výhody:snadné budování Využití:Ojediněle, realizace malých svazků vedení, řídké osídlené území Kabelová vedení Umístěny v zemi, odstraňují nevýhody nadzemních vedení. Hloubka umístěná kabelu je od 80 do 100 cm, kde jsou chráněny proti mechanickému poškození a proti vlivu náhlých teplotních změn. Kabel soustřeďuje velký počet vzájemně izolovaných vodičů (někdy nazývány prvky kabelu). Prvky kabelu tvoří duši kabelu, ta je chráněna olovněným, hliníkovým nebo termoplastovým pláštěm proti vnikání vlhkosti. Vnější vrstvu kabelu tvoří ocelový pancíř chránící kabel před mechanickým poškozením. Prvky kabelu jsou stačený kolem osy kabelu do poloh (vrstev) a to vždy s v opačném směru předchozí vrstvy, z důvodu mechanické tuhosti. Prvky kabelu: -Symetrické páry, čtyřky (Symetrické kabely) -Koaxiální trubky (Koaxiální kabely)

6 Symetrické páry Vodiče tvoří pár nebo čtyřku. Mají stejné vlastnosti vůči zemi (indukčnost, svod, kapacita), takže jsou dva vodiče tvořící pár vůči zemi symetrické. Izolované jádro se nazývá žíla. Izolace: plastová (plná), papírová vzduch (kalibrování papírového proužku pomocí kordele). Dvě žíly spojené v pár nebo čtyřku se nazývají prvek kabelu. Jednotlivé žíly jsou odlišeny barvou (hustotou barevných čárek na papírové pásce) Provedení prvků kabelu: Pár Křížová čtyřka 4 žíly, všechny žíly vzájemně neměnnou polohu, malé vnitřní magnetické vazby, vhodné pro přenos vyšších frekvencí DM čtyřka vzájemná polohy žil se neustále mnění čímž se dosahuje snížení kapacitních vazeb mezi páry čtyřky i mezi čtyřkami což má za následek snížení přeslechu při nízkých hovorových kmitočtech. Nevýhodou je vetší prostorová náročnost. Určena pro nízkofrekvenční využití. Využití: Ovládací kabely Místní telefonní kabely Dálkové telefonní kabely

7 Dálkové symetrické kabely Dálkové symetrické kabely nízkofrekvenční Dálkové symetrické kabely vysokofrekvenční (nosné) Koaxiální kabely Prvkem koaxiálního kabelu je koaxiální pár. Je tvořen dvěma souosými vodiči. Vnitřní vodič s průměrem d je umístěn v trubce s vnitřním průměrem D, tvořící vnější vodič. Souosé umístění je zajištěno středícími izolačními kotoučky nebo izolačními balónkami tak, že vlastní izolací mezi oběma vodiči je vzduchová mezera. Vnější trubka je tvořena měděným páskem síly 0,1 až 0,15 mm stočeným do trubky a spojeným ve švu. Trubka je ovinuta ocelovými pásky, které zajišťují mechanickou ochranu trubky proti deformaci a zároveň toto ovinutí působí jako stínění. Kabely se vyrábějí vždy se sudým počtem prvků. Běžně s 4,6 nebo 8 koaxiálními trubkami. Výroba je velmi náročná, z důvodu dodržení přesné souososti vnitřního a vnějšího vodiče. Navíc musí být kabel tak ohebný aby se dal navinout na kabelové bubny. Poměr D/d z hlediska minimálního útlumu je dán vztahem D/d=3,6. Spodní hranice kmitočtové využitelnosti bývá okolo 250 khz. Horní hranice závisí na rozměrech a typu koaxiálních prvků.

8 1.3.3 Dielektrické vlnovody Speciální druh vedení, zvaný též jako Goubau vlnovod, je tvořen jedním měděným či bimetalovým vodičem průměru 2 a 5 mm, zalitým polyetylénem tloušťky 1 až 5 mm. Na začátku a konci zaveden do parabolického reflektoru. Je zavěšován na sloupy pod nadzemní vedení. Přenos vysokofrekvenční energie je realizován příčnou magnetickou vlnou. Vysokofrekvenční energie je soustředěna v myšleném souosém válci. Uvnitř válce se nesmí nacházet žádné kovové předměty. Průměr válce (označován někdy jako kritický průměr) se pohybuje okolo 30 až 130 cm. D.vlnovody pracují v pásmu 200 až 800 MHz s útlumem 4 až 16 db/km Telekomunikační vlnovody Umožňují přenos elektromagnetických vln velmi vysokých kmitočtů, energie je soustředěna v omezeném prostoru a šíří se daným směrem. T.vlnovody jsou nejčastěji tvořeny kruhovou trubkou 3 až 6 cm zhotovenou z dobře vodivého materiálu. Vzhledem k soustředěné energii do vlnovodu se dosáhne ve srovnání s přenosem ve volném prostoru podstatně větší účinnosti přenosu a snížení rušivých vlivů atmosféry. Práce ve frekvenční oblasti 20 až 150 GHz. Význam obou posledních typů vedení značně poklesl s nasazením světlovodů. 2 Optické přenosové cesty 2.1 Telekomunikační světlovody (optická vlákna) Umožňují přenos mnohonásobně širších kmitočtových pásem. Současný výzkum se soustřeďuje převážně na pásmo kmitočtů 150 až 600 THz. V této oblasti kmitočtu mají přenosová vlákna minimální útlum. Optické vlákno (optický dialektrický vlnovod, světlovod) je nejčastěji složeno z dialektrického válcového vlákna s indexem lomu n 1 (tzv. jádro) na které je koncetricky nanesena dialektrická vrstva s indexem lomu n 2 jak je uvedeno na

9 obrázku. Tyto indexy lomu musí splňovat nerovnost n 1 > n 2, přičemž jejich poměr se musí blížit jedničce. n 1 n 2 Materiál: Sklo nebo plastické polimery Výhody přenosových cest s optickými vlákny: Značná šířka přenosového pásma až Hz (šířka pásma dosahuje THz, což mnohonásobně převyšuje možnosti metalických kabelů) doposud šířka tohoto pásma není zcela využita. Malé rozměry a váha minimální průměr (pro telekomunikační účely), nepřesahují průměr lidského vlasu, ulehčení montáže a instalace Elektrická izolace materiál ze kterého jsou vlákna vyráběna je sám izolačním materiálem, nevzniká problém se zemními smyčkovými proudy, optické vlákno lze nasazovat i v hazardním prostředí (výbušné plyn aj) Imunita vůči interferenci a přeslechům optický signál není ovlivňován přítomností elektromagnetickým rušením z různých zdrojů okolí (odolný proti interferenci), optická energie nevychází za normálních okolností ven z pláště Bezpečnost přenosu světlo není vyzařováno z pláště proto není možné jednoduše odposlouchávat přenos signálu v optickém vlákně Nízké ztráty při přenosu světelné energie nízký útlum 0,2 db/km na vlnové délce 1550 nm, umožňuje návrh dlouhých úseků Snižující se náklady na výrobu cena není diktována nedostupností materiálu ale hlavně technologií, požadovaná čistota skla je řádů 10 9 až (na 10 9 až molekul základního materiálu SiO 2 muže připadat jen jedna molekula nečistoty).

10 Problematika optických vláken Navázaní paprsku do optického vlákna Numerická apertura schopnost vlákna navázat ze svého okolí do jádra určitý optický výkon. Čím je větší tím je tato schopnost větší. Matematicky definován: NA=n n 2 [Bezrozměrné veličina menší než jedna] n 1.. index lomu jádra n 2.. index lomu pláště Měrný útlum: Vlastní absorbce absorbce světa na vlastních molekulách optického materiálu npř. na SiO 2 Nevlastní absorbce Absorbce světla na nečistotách (molekuly kovů Fe, Cr, Cu a ionty OH) Lineární rozptyl vlivem nehomogenity optického vlákna (Rayleighův rozptyl) Nelineární rozptyl vlivem jednotlivých části optického zařízení dochází ke změně jeho vlnové délky, projeví se jako útlum Ztráty mikroohyby poloměr ohybu jsou mm a menší, dají se eliminovat pří výrobě a instalaci do optického kabelu Ztráty makroohyby poloměr ohybu řádově desítky mm, vlivem nevhodné instalace

11 Druhy optických vláken Mnohavidová vlákna se skokovou změnou indexu lomu - průměr jádra a = 100 až 400 µm. Mnohavidová vlákna s gradientním průběhem indexu lomu průměr jádra a= 50 µm a pláště 125 µm nebo s průměrem jádra a = 60,5 µm a průměrem pláště 125 µm Jednovidová vlákna průměr jádra a= 5 až 10 µm a pláště 125 µm

12 Kabelové uspořádání

13 3. Rádiové přenosové cesty Nezastupitelné vzhledem ke své mobilitě. Využívají elektromagnetických vln, které se šíří volným prostorem. Podle uspořádání přenosové cesty: Všesměrové pokrývají určité území Úzce směrové překlenutí určité liniové vzdálenosti Družicové využívají spojení přes družici Rádioreleové spoje - úzce směrové parabolické antény, jediná anténa vyzařuje signál současně na více kanálech a pracuje zároveň jako přijímací i vysílací. Využívá mikrovlnné pásmo v oblasti 10 GHz a více. Mezi stanicemi bývá několik mezilehlých stanic (vzdálené max. desítky km) které provádějí retlanslaci. Družicové spoje Jsou určeny k překlenutí velkých vzdáleností. Realizují se pomocí pasivních nebo aktivních družic. Pasivní slouží prakticky jako odražeč který mění směr paprsku

14 vysílaného vysílací anténou k anténě přijímací. Pro budování telekomunikační sítě se používá vesměs aktivních družic, které jsou v podstatě translačními stanicemi. Př. ze země se vysílá signál v pásmu 6 GHz a přijímá signál v pásmu 4 GHz. Družicový spoj se skládá z: Pozemský sektor (pozemské stanice vyžívající příslušné družice) Kosmický sektor (Jedna nebo řada spolupracujících družic) Podle typu: Pevnou družicovou službu značné výkony 1 10 kw, průměry antén 10 až 30 m. Kosmický sektor tvoří Geostacionární telekomunikační družice (GEO Geostacionar Erth Orbit) které udržují vzhledem k zemskému povrchu stabilní polohu. (Výška km) Zpoždění signálu 0,5 s. Pohyblivá družicová služba v poslední době velmi populární, především družice MEO (Medium Erth Orbit oběžná dráha km) a LEO (Low Erth Orbit - oběžná dráha okolo 700 km ) Př. Inmarsat (1979, původně pro námořní oblast, později pro pozemní i leteckou komunikaci, geostacionární družice, 4 družice, pro identifikaci používá sim, pásmo 1,5 až 1,6 GHz pro přenosné a 6,4/3,6 pro pevné stanice. Iridium (1999 začal využívat, LEO, společnost Iridium LLC ve spolupráci s Motorolou, původní plán 77 družic ale zjistilo se že stačí družic, 6 oběžných drahvýška 780 km. Komunikace mezi satelitní 23,18 23,38 GHz, Komunikace s pozemními stanicemi (Gatway 20/30 GHz) přenosné stanice 1,6 GHz. Mobilní telefonie (buňkové mobilní sítě) V současné době velmi populární GSM (Global Systém for Mobil Comunication) Oblast která ma být pokryta signálem pro mobilní telefonni je rozdělena na části, které se nazývají buňky. Každé buňce je přiřazena určitá skupina kmitočtů, na nichž se realizuje spojení s mobilními stanicemi. Ve stejném časovém okamžiku je jedné mobilní stanici přiřazena dvojice kmitočtů, z nichž každý slouží pro opačný směr přenosu rádiového signálu. Počet základnových stanic je v řádově stovek a jsou

15 koordinovaně řízeny z jednoho nebo několika center radiotelefonních ústředen. Radiotelefonní ústředny zprostředkovávají přístup na komutovanou telefonní síť. Poloha mobilní stanice v síti je automaticky monitorována radiotelefonní ústřednou a proto je spojení vždy cíleně orientováno právě do obsazené oblasti. (buňky) Při přejezdu z jedné do druhé buňky dochází k automatickému přepojování. Velikosti buněk jsou dány předpokládaným provozním zatížením. Př, velkoměsta řádově stovky metrů v málo osídlených oblastech se může poloměr buňky pohybovat řádově okolo 30 kilometrů.

16 Blokové schéma mobilní stanice: Standardy GSM GSM 900 (2 x 124 kanálů, 2 x 25 MHz) GSM 1800 (2 x 374 kanálů, 2 x 75 MHz) GSM 1900 (2 x 298 kanálů, 2 x 75 MHz)

17 4. Vybrané otázky Jsou primární parametry metalického vedení závislé na kmitočtu? Co nastane v případě nekorektního zakončení vedení? Jaké jsou hlavní rozdíly mezi kabelovým a nadzemním vedením? Z jakého důvodu volíme poměr D/d=3,6 u koaxiálních kabelů? V jaké oblasti kmitočtu májí optická vlákna nejmenší útlum? Družice ve výšce km patří mezi pohyblivou nebo pevnou družicovou službu? Proč?