ednáška - vlastnosti vedení, Ing. Bc. Ivan Pravda

Transkript

1 9.předn ednáška Přenosová média - vlastnosti vedení, metalické páry, přeslechyp Ing. Bc. Ivan Pravda

2 základní modifikace - problematika přístupových sítí zajištění připojení jednotlivých účastníků či lokálních sítí k veřejné telekomunikační síti - přechod od původních metalických telefonních přípojek k multifunkčním vysokorychlostním sítím efektivní využití třízákladních typů přenosových médií v uvedených modifikacích: - metalické vedení: - symetrické páry (telefonní páry v místních kabelech, vnitřní rozvody budov UTP a STP kabely) - nesymetrické páry (koaxiální kabely sítě kabelovételevize (CATV), počítačovésítě sběrnicového typu) - silová vedení (současnévyužití pro sdělovací signály systémy PLC) - optické prostředí: - optické vlákno (vlákna z křemenného skla mnohavidová, jednovidová, plastovávlákna) - optické směrové spoje využívající volného prostoru

3 základní modifikace - radiové prostředí: - radioreleové směrové spoje -spojení bod bod (Point-to-Point)) - distribuční a přístupové systémy (FWA FixedWireless Access) spojení bod mnoho bodů (Point-to-Multipoint) - mobilní sítě a družicové systémy - metalické páry jsou zatím stále nejběžnější perspektivními z hlediska využitelné přenosové rychlosti se jeví optická vlákna jejich instalace je však ekonomicky náročnější, a proto se nasazují tam, kde se předpokládá ekonomická návratnost (připojování institucí a firem) - specifickou kategorii tvoří radiové přístupové prostředky operativní nasazení a překlenutí i značné vzdálenosti s minimálními náklady - úkolem přístupových sítí je nutnost obsloužit z jednoho telekomunikačního uzlu sítě velké množství koncových účastníků mnohonásobné využití prostředků sítě od řešení typu PTP (Point-to-Point) k typu PTM (Point-to- Multipoint) a sdílení přenosového média

4 využit itá pásma - signály mezi telekomunikačními zařízeními se přenášejí na potřebnou vzdálenost ve formě elektromagnetické vlny charakterizována kmitočtem f a vlnovou délkou λ, která závisí na šíření vlny v daném přenosovém prostředí (c m/s) λ c/f

5 metalická vedení - telekomunikačnívedení lze zjednodušeně považovat za homogennívedení srovnoměrně rozloženými elektrickými parametry - homogennívedení má ve všech svých částech stejné elektrické vlastnosti vlastnosti elementu homogenního vedení délky x lze modelovat náhradním schématem

6 metalická vedení - primární parametry vedení: - měrný odpor R [Ω/km] - měrná indukčnost L [mh/km] - měrná kapacita C [nf/km] - měrný svod G [μs/km] - pro daný typ vedení a danou frekvenci se jedná o konstanty - při přenosu harmonického signálu vedením dochází průchodem proudu I podélnou impedancí elementu vedení k úbytku napětí: U I ( R + jωl) x - příčná větev pak způsobuje úbytek proudu: I U ( G + jωc) x

7 metalická vedení - pro sledování přenosových vlastností homogenního vedení se zavádějí tzv. sekundárníparametry vedení: - poměr napětí U a proudu I v libovolném bodě homogenního vedení je konstantní a vyjadřuje se charakteristickou (vlnovou) impedancí Z c vkomplexním tvaru: Z c U I U I R G + + jωl jωc Z c e jφ c - Z c je modul charakteristické (vlnové) impedance absolutní hodnota charakteristické (vlnové) impedance, udává poměr velikosti napěťové a proudové vlny v každém místě homogenního vedení - φ c je argument charakteristické (vlnové) impedance udává rozdíl mezi fází napěťové a proudové vlny v každém místě homogenního vedení

8 metalická vedení γ - relativní změna napětí a proudu v libovolném elementu vedení vztažená na jednotkovou délku je konstantní a nazývá se měrná vlnová míra přenosu: U U x I I x ( R + jωl)( G + - měrná vlnová míra přenosu je opět komplexní veličina jωc) α + - její reálná část α se nazývá měrný (vlnový) útlum [db/km] a její imaginární část β se nazývá měrný fázový posuv [rad/km] - měrný fázový posuv udává zpoždění fáze šířící se vlny na jednotku délky zpoždění fáze o 360 (2π) nastane ve vzdálenosti jedné délky vlny λ, tj.: 2π βλ 2π λ [ km] β jβ

9 metalická vedení - měrný fázový posuv se někdy uvádí pod pojmem konstanta vlnové délky její hodnota je závislá na typu a konkrétních parametrech vedení - rychlost, jakou se šíří fáze postupující harmonické vlny, je dána tzv. fázovou rychlostíšíření v f, kterou je možné definovat vztahem: v f λ T λ f 2πf β ω β [ km / s] - přenášený signál má zpravidla složitější tvar a je tvořen skupinou harmonických vln s velmi blízkou hodnotou vlnové délky, resp. s velmi blízkými kmitočty skupinová rychlost šíření v sk závislá na šířce pásma kmitočtů skupiny vln a odpovídající změně fázového posuvu v sk ω β [ km / s]

10 metalická vedení - problematika korektně a nekorektně zakončeného vedení amplituda napětí a proudu v každém místě vedení sestává ze dvou složek hlavní (postupná) vlna (šíří se vedením směrem od počátku vedení) a zpětná (odražená) vlna (šíří se směrem od konce vedení) - amplitudy těchto vln závisí na vlnové impedanci vedení Z c a na impedančním zakončení vedení impedancí Z 2 - pokud Z c Z 2 odražená vlna nevzniká a vedením se šíří pouze postupná vlna vedení je bezodrazově (korektně) zakončeno, cožje žádoucí stav - pokud Z c Z 2 vzniká odražená vlna vektorové sčítání postupné a odražené vlny vznik tzv. stojatých vln, cožje nežádoucí stav (dochází k vyzařování energie z vedení vedení se chová částečně jako anténa) - nekorektně zakončené vedení je také náchylné k příjmu rušivých signálů ze svého okolí, neboť se chová i jako přijímací anténa

11 metalická vedení - stupeň korektnosti impedančního zakončení vyjadřuje koeficient odrazu: - nebo útlum nepřizpůsobení: A k k 0 Z Z Z 2 + Zc 0 20 log 20 log [ db] k Z Z u napájecích vedení nebo u datových sběrnic, je možné stupeň korektnosti zakončení vyjádřit poměrem maximálních a minimálních amplitud stojatých vln činitel stojatých vln (ČSV): ČSV Z Z 1+ k 1 k c c c

12 metalická vedení - u korektně zakončeného vedení je vstupní impedance Z 1 rovna vlnové impedanci Z c, u nekorektně zakončeného vedení by rovnost platila pouze pro nekonečně dlouhé vedení (x ) - podobně se bude chovat i nekorektně zakončené vedení konečné délky, ale s útlumem Aα x 26dB prakticky nekonečně dlouhé vedení měřením vstupní impedance nezjistíme zkrat nebo přerušení v blízkosti vzdáleného konce vedení aby bylo možné zjišťovat impedanční závady na vedení, nesmí celkový útlum vedení přesáhnout hodnotu A 1,3dB realizace pouze u tzv. elektricky krátkých vedení - vedení při velmi vysokých kmitočtech R<< ωl a G<< ωc vedení se chová jako bezeztrátové vedení se sekundárními parametry: γ j β j ω LC a Z c L C

13 metalická vedení - telekomunikační vedení je tvořeno nejčastěji dvojicí souběžných metalických vodičů (měděných, bronzových, hliníkových nebo ocelových) ve dvou základních uspořádáních umožňujících přenos širokého spektra signálů: - symetrické vedení dvojice paralelních nebo spirálově stočených vodičů v kabelu - koaxiální vedení dvojice souosých vodičů

14 metalická vedení - podle konstrukčního provedení lze telekomunikační vedení rozdělit na: - nadzemní vedení vesměs se jednáo symetrickávedení - kabelová vedení tvořena symetrickými či koaxiálními páry - podle způsobu instalace mohou být kabely: - závlačné, úložné, závěsné, samonosné, říční, podmořské - nevýhodou nadzemních vedení je závislost jejich přenosových vlastností na klimatických podmínkách a téžznačný rušivý vliv cizích elektromagnetických polí (silnoproudá vedení, rozhlasové vysílače, elektrospotřebiče apod.) - kabelová úložná vedení jsou umístěna v zemi v hloubce asi 80 cm, kde jsou chráněna proti mechanickému poškození a proti vlivu náhlých klimatických změn a svou konstrukcí jsou i částečně chráněna proti působení rušivých elektromagnetických polí

15 symetrická kabelová vedení - kabel soustřeďuje do poměrně malého prostoru větší počet vzájemně izolovaných vodičů duše kabelu chráněna olověným, hliníkovým nebo plastovým pláštěm proti vnikání vlhkosti a ocelovým pancířem proti mechanickému poškození a zajišťuje také elektromagnetické stínění - vodiče symetrického kabelového prvku mají vůči zemi téměř shodné impedance jsou tudížvůči zemi symetrické - měděný vodič tvoří tzv. jádro, které je izolováno plastovou izolací (plnou nebo pěnovou) - dříve se používal jako izolace papír, kombinace papír-vzduch nebo styroflexvzduch potřebná vzduchová mezera je vymezena kalibrovaným spirálovitě vinutým provázkem nebo umělohmotným vláknem kordel - výše zmíněným způsobem izolovaný vodič tvoří tzv. žílu kabelu - stočením několika žil se vytváří tzv. kabelový prvek symetrického kabelu, ze kterého je následně vytvořena duše kabelu

16 symetrická kabelová vedení - symetrický pár tvoří dvě žíly stočené s určitou délkou skrutu (viz obr. a) - křížová čtyřka X je tvořena čtyřmi žílami stočenými se stejnou délkou skrutu, přičemžk přenosu elektromagnetické vlny se vždy využívá dvojice protilehlých žil (viz obr. b) - DM čtyřka (Dieselhorst-Martin) vzniká stáčením dvou párů s jinou délkou skrutu a oba jsou pak s další délkou skrutu stáčeny dohromady (viz obr. c)

17 symetrická kabelová vedení - místnítelefonníkabely používané vpřístupových sítích byly určeny původně pro přenos hovorových signálů analogových telefonních přípojek - místní telefonní kabely jsou tvořeny páry či u nás častěji čtyřkami stočenými do vrstev nebo do skupin - izolace žil je plastová na bázi polyetylénu (PE), který může být napěněný (foam skin), kdy příměs vzduchu způsobuje nižší měrnou kapacitu - průměr měděných jader je v naší síti 0,4; 0,6 nebo 0,8 mm, jinde se můžeme setkat i s průměry 0,32; 0,5; 0,9 mm - uspořádání kabelu obsahujícího 25-čtyřkovou (50-párovou) skupinu tvořenou stočením pěti 5-čtyřkových(10-párových) podskupin ukazuje následující obrázek

18 symetrická kabelová vedení

19 symetrická kabelová vedení - v současné době je snahou maximálně využít existující metalické páry vmístních sítích i pro přenos dat vysokými přenosovými rychlostmi nutnost provozovat metalické páry do vysokých kmitočtů (jednotky až desítky MHz) tzv. strukturovaná kabeláž - strukturovaná kabeláž se označuje kategoriemi podle šířky pásma, ve kterém jsou garantovány její přenosové parametry - kategorie CAT5 (příp. 5E) je určena pro přenos signálů do 100MHzs primárním určením pro sítě LAN s rozhraním Fast Ethernet (100Mbit/s), kategorie CAT6 (do 250MHz) a kategorie CAT7 (do 600MHz) - pro kabely se symetrickými páry pro vnitřní instalaci se užívají zkratky STP (Shield Twisted Pair) a UTP (Unshield Twisted Pair) - tyto kabely obsahují obvykle čtyři páry sdélkou skrutu menší nežu párů pro běžné telefonní přípojky z důvodů omezení přeslechů na vysokých kmitočtech (jádro: Ø 0,5mm, plastová izolace párů (PE) menší měrná kapacita nežu izolace z PVC, Z c limitně 100 Ω (pro UTP kabely))

20 parametry ovlivňuj ující přenos - útlum vedení: A Lm 1 Lm 2 α x [ db; dbm, dbm; db / km, km] L m1 je vstupníabsolutníúroveň výkonu P 1 na vstupu (vztažena k 1mW) L m2 je výstupníabsolutníúroveň výkonu P 2 na vstupu (vztažena k 1mW) α je měrný útlum vedenívztažený na délku 1km x je délka vedení - měrný útlum vedení modelování průběhu funkcí závislé na odmocnině frekvence a parametry souvisejícími s konstrukcí kabelu (čtyřka, pár) α( f α( f ) ) k k 1 1 f f + + k k f f + + k 3 k 3 1 f f 2 [ db [ db / km] / km]

21 parametry ovlivňuj ující přenos

22 parametry ovlivňuj ující přenos - při přenosu informačních signálů působí vedle útlumu vedení další vlivy, zejména vzájemné vazby mezi páry v profilu kabelu (obsahuje ažtisíce párů) a dále rušivé vlivy zokolí, zvláště: - přeslechy - vysokofrekvenční rušení (RFI Radio Frequency Interference) - impulsní rušení - kombinace zdrojů rušení ovlivňuje celkovou informační propustnost kanálu snížení odstupu užitečného signálu od šumu ve skutečnosti je třeba posuzovat sumární propustnost všech párů zprofilu kabelu při vzájemném rušení - nejvážnějším zdrojem rušení jsou ostatní přenosové systémy nasazené vtomtéž kabelu každý pár je rušen různou měrou všemi ostatními páry v kabelu, se kterými je v souběhu záleží na vzájemné poloze v kabelu, na vzájemných poměrech skrutů (stáčení), přesnosti výroby apod.

23 parametry ovlivňuj ující přenos - podle toho, na jakém místě se přeslechy projevují, rozeznáváme: - přeslech na blízkém konci NEXT (Near End CrossTalk) - vznikápřenosem signálů z vysílače na ostatní páry ve stejném vícepárovém kabelu přes kapacitní ainduktivní vazby na vstup přijímače umístěného na stejném konci - přeslech na vzdáleném konci FEXT (Far End CrossTalk) - projevuje se tím, že signály z vysílače na jiných párech ve stejném kabelu pronikají do vstupu přijímače naopačném konci vedení

24 parametry ovlivňuj ující přenos - vysokofrekvenční rušení RFI (RadioFrequency Interference) - ovlivňuje prakticky všechny účastnicképáry v kabelu v celém kmitočtovém pásmu srůznou intenzitou - toto rušení může být v každém páru různéa je typickésvými časovými změnami kritickáje ta část rušení, kteráovlivňuje přenášený signál, tzn. leží ve stejném frekvenčním pásmu - všechny digitální přenosovésystémy by proto měly být odolnéproti určitéúrovni vysokofrekvenčního rušení, kteráje předepsána normami pro elektromagnetickou kompatibilitu (EMC) - impulsnírušení - tento typ rušení je způsobován různými zdroji, generujícími krátképřechodovéjevy - tyto rušivéjevy mohou být předávány elektromagnetickou vazbou do vedení vpřístupovésíti amohou mít za následek vznik shluků chyb při digitálním přenosu - nejčastějším zdrojem impulsního rušení je energetickásíť, kde vzniká rušení při spínání a regulování výkonu do zátěže

25 koaxiáln lní kabely - prvkem koaxiálního kabelu je tzv. koaxiálnípár, který je tvořen soustavou dvou souosých vodičů (vnitřní (středový) vodič průměr d, vnější vodič (trubka) vnitřní průměr D) - souosé umístění obou vodičů je zajištěno středícími izolačními disky nebo použitím tzv. balónkové izolace - vlastní dielektrikum tvoří vytvořená vzduchová mezera - vnější trubka je tvořena měděným páskem (0,1 až0,15mm), který je svinut a spojen ve švu takto vzniklá trubka je ovinuta ocelovými pásky, které zajišťují ochranu proti mechanickým deformacím a zároveň působí jako elektromagnetické stínění - poměr vnitřního průměru trubky a průměru středového vodiče (D/d) je volen z hlediska minimálního měrného útlumu koaxiálního páru pro měděné vodiče se vzduchovým dielektrikem je stanoven tento optimální poměr na hodnotu D/d 3,6

26 koaxiáln lní kabely - nejrozšířenější typy koaxiálních párů používaných v telekomunikacích jsou: - malý koaxiální pár s rozměry D/d4,4/1,2mm - střední (standardní) koaxiální pár s rozměry D/d9,5/2,6mm - u koaxiálních párů platí R<ωL a G<ωC sekundární parametry lze vyjádřit: Z c L C R C G L α + β ω 2 L 2 C LC