Pr enosove me dium Pr enosova me dia PV 169 Za klady pr enosu dat Jan Staudek http://www.fi.muni.cz/usr/staudek/vyuka/ } w A y < 5 4 23 1 0 / -., )+ ( %&' $ #!" Æ Verze : podzim 2016 Me dia vodic ove ho typu 1 Kroucena dvoulinka, twist pair, twist Jeden vodic pr ena s ı signa l, druhy slouz ı jako referenc nı zem, pr ijı mac detekuje rozdı l nape tı mezi nimi. 2 twist / kroucena dvoulinka a koaxia l Kaz dy vodic je samostatne izolova n. S um a pr eslechy mohou ovlivn ovat oba vodic e C ı m vı ce za vitu na jednotku de lky me dia, me dia vhodna pro audio i video pr enosy poskytujı slus nou, nikoli vs ak extre mne velkou s ı r ku pa sma signa l se v nich pr enosem amplitudove a fa zove zkresluje twist je navı c na chylny na pr eslechy ze sousednı ch kana lu tı m vys s ı je jeho pr enosova kvalita me dia, nez a doucı efekty jdou proti sobe 2 opticke vla kno Nejrozs ı r ene js ı me dium pro pr enos v za kladnı m pa smu (napr. LAN) Minima lnı indukc nı odpor, maxima lnı kapacitnı odpor, o ne kolik r a du ve ts ı s ı r ka pa sma nez twist a koaxia l velmi nı zke zkreslenı a u tlum aplikovatelne jak pro doma cı tak i pro transatlanticke pr enosy signa ly s vysokou frekvencı se silne utlumujı 2 3
Kroucena dvoulinka, twist pair, twist Kroucena dvoulinka, twist pair, twist V telefonnı sı ti tzv. mı stnı smyc ka, u c astnı k mı stnı u str edna V budove spoj do poboc kove u str edny LAN spoj pro rychlosti pr enosu dat 10 Mb/s az 100 Mb/s C asto je instalova na do budovy uz pr i vy stavbe. C asto se sluc uje vı ce krouceny ch dvoulinek do 1 kabelu. Klady levne me dium, snadna manipulace Negativa male rychlosti pr enosu dat (do 100 Mb/s), mala s ı r ka pa sma (cca 1 MHz), kra tky dosah Analogovy pr enos zesilovac e po 5 6 km Digita lnı pr enos opakovac e po 2 3 km 4 Kroucena dvoulinka, twist pair, twist 5 Kroucena dvoulinka a UTP konektor RJ45 2 nestı ne na, Unshielded Twisted Pair (UTP) norma lnı telefonnı vodic nejlevne js ı snadno instalovatelne me dium snadna moz nost pr eslechu 2 stı ne na, Shielded Twisted Pair (STP) produkt IBM kovovy u plet redukujı cı interference ochrana proti penetraci elektronicky m s umem draz s ı obtı z ne jı manipulovatelne (hmotne js ı, te z s ı ) me dium 6 7
Koaxia lnı kabel Kroucena dvoulinka, twist pair, UTP, kategorie EIA r es ı proble m twistu pr ena s ı vys s ı frekvence minima lne vyzar uje a absorbuje energii rychlost s ı r enı elmag signa lu je pro koaxia l a twist shodna, cca 2/3 rychlosti s ı r enı ve vakuu (tj. cca 200 000 km/s) 8 Koaxia lnı kabel 9 Koaxia lnı kabel, BNC Konektor / Aplikace 2 BNC Bayone-Neil-Concelman 2 pr enosove me dium vyuz itelne v s iroke s ka le sfe r LAN kra tke poc ı tac ove spoje da lkove telefonnı vedenı (desetitisı ce soube z ny ch hovoru ) (zde postupne nahrazovany opticky mi vla kny) 2 Aplikace distribuce TV signa lu analogove telefonnı sı te pr enos az 10 000 hlasovy ch signa lu digita lnı telefonnı sı te pr enos digita lnı ch dat az do 600 Mb/s v souc asnosti v telefonnı ch sı tı ch me dium 2 Analogove vysı la nı az do 500 MHz zesilovac e po kilometrech, pr i vys s ı ch frekvencı ch blı z e sobe 2 Digita lnı vysı la nı c asto nahrazovane opticky m kabelem LAN (10 Mb/s, dosah jednotky km), kabelova TV zesilovac e po 1 km, pr i vys s ı ch rychlostech pr enosu dat blı z e sobe 10 11
Optické vlákno Optické vlákno, konstrukce PV169 Přenosová média 12 PV169 Přenosová média 13 Optické vlákno větší přenosová kapacita rychlosti přenosu dat až 10 2 Gb/s šířka pásma rozsahu vln 1 000 1 200 nm, (připom. f = c/λ, rychlost šíření světla vláknem 2 10 8 m/s) je B = (2 10 8 )/(1000 10 9 ) (2 10 8 )/1200 10 9 = 33 T Hz a šířka pásma rozsahu vln 1 000 1 400 nm je B = (2 10 8 )/(1000 10 9 ) (2 10 8 )/1400 10 9 = 57 T Hz malý rozměr, nízká váha malý útlum elektromanegická izolovanost větší mezery mezi opakovači desítky km přenosové charakteristiky Optické vlákno vede vlny s frekvencemi 10 14 až 10 15 Hz infračervené světlo až viditelné světlo zdroj světla LED, Light Emitting Diode levnější zdroj světla ILD, Injection Laser Diode dražší, vyšší rychlosti režimy šíření signálu, vysílání multimode step-index multimode graded-index single-mode aplikace dálková vedení, MAN, LAN, účastnické smyčky,... PV169 Přenosová média 14 PV169 Přenosová média 15
Opticke vla kno Opticke vla kno, rez imy vysı la nı 2 multimode step-index konstantnı hustota ja dra vı ce paprsku z jednoho zdroje se s ı r ı ja drem ru zny mi cestami na pr ı jmove m rozhranı neurc ity vy sledek, ve ts ı disperze 2 multimode grade-index hustota ja dra je v centru ja dra vys s ı nez na okrajı ch vı ce paprsku z jednoho zdroje se s ı r ı ja drem stojaty m vlne nı m na pr ı jmove m rozhranı urc ity vy sledek, mens ı disperze rychlosti pr enosu dat desı tky az stovky Mb/s i na desı tky km 2 single-mode konstantnı mala hustota ja dra, ja dro velmi tenke, maly index lomu, paprsky ze zdroje se s ı r ı te me r rovnobe z ne na pr ı jmove m rozhranı velmi pr esny vy sledek, z a dna disperze rychlosti pr enosu dat desı tky az stovky Gb/s 16 17 Opticke vla kno, konektory / Kategorie opticky ch vla ken Opticke vla kno, rez imy vysı la nı 18 19
Optické vlákno, aplikace médium páteřních sítí, páteře sítí kabelové TV velká šířka pásma, cenová efektivita při aplikaci WDM až 1 600 Gb/s LAN 100Base-F (Fast Ethernet) a 1000Base- Výhody velká šířka pásma (současné generátory signálu ji nevyužijí) malý útlum, odolnost vůči elmag interferencím, nerezaví, nízká váha, odolnost vůči napíchnutí Nevýhody obtížnější instalace a údržba jednosměrnost šíření signálu, pro duplex jsou nutná 2 vlákna vyšší cena než jiné vodiče Optické vlákno, multiplexování lze aplikovat multiplexování typu WDM, Wavelength Division Multiplexing logický ekvivalent FDM pro optická vlákna data jsou modulovaná do různých částí světelného spektra používá se rovněž DWDM, Dense Wavelength Division Multiplexing protokolově nezávislá technologie rychlosti přenosu dat až do 200 Gb/s typicky 80 paralelních kanálů ve frekvenčním spektru v každém kanálu lze uplatnit jiné přenosové mechanismy (např. TDM, resp. ATM, SONET/SDH, Ethernet,... ) PV169 Přenosová média 20 PV169 Přenosová média 21 Nevoděná média Šíření signálu éterem Bezdrátové vysílání (Wireless Transmission) Šíření elektromagnetických vln bez použití fyzického vodiče Signály se šíří éterem a jsou dostupné komukoliv, kdo provozuje zařízení schopné je přijímat Pro bezdrátové komunikace se používají tato spektra elektromagnetických vln: Pro komunikace se nevyužívá elmag vlnění z pásem frekvencí: šíření energie a {ultrafialové světlo,, gama a kosmické záření} PV169 Přenosová média 22 PV169 Přenosová média 23
Pásma rádiových vln a mikrovln a jejich využívání Tři skupiny vln pro bezdrátové přenosy PV169 Přenosová média 24 PV169 Přenosová média 25 Typické aplikace bezdrátových přenosů rádio, TV stovky KHz až stovky MHz pozemní mikrovlny 2 až 40 GHz, především pásma 4 12 GHz, dálkové telefonní spoje a spoje datových sítí, přímá viditelnost vysílač přijímač, opakovače po 10 100 km satelity 4/6 GHz, 12/14 GHz (up/down) buňkové sítě mobilů 1 až 2 GHz bezdrátové LANy jednotky GHz infračervené světlo přímá/odražená radiace na krátkou vzdálenost Rádiové vysílání Typy bezdrátového vysílání Rádiové vlny: 3 KHz 1 GHz, všesměrové vysílání jeden vysílač, mnoho přijímačů AM a FM rádio, televize, bezdrátová telefonie, paging,... PV169 Přenosová média 26 PV169 Přenosová média 27
Typy bezdrátového vysílání Mikrovlnné antény Mikrovlnné vysílání Směrové šíření vln Mikrovlny: 1 GHz 300 GHz směrové vysílání, vysílací a příjmová anténa v línii paralelní vysílání se vzájemně neruší jeden vysílač, jeden přijímač LOS směrové antény musí být umíst ované vysoko vliv zakřivení země, stínění překážkami,... Velmi vysoké frekvence neprocházejí zdmi široké pásmo kmitočtů (až 299 GHz), lze přidělovat velké šířky pásma, lze vysílat vysokými rychlostmi Aplikace: P2P komunikace, mobilní telefonie, satelitní přenosy, bezdrátové LAN,... PV169 Přenosová média 28 PV169 Přenosová média 29 Vysílání infračerveného vlnění Typy bezdrátového vysílání Infračervené vlny: 300 GHz 400 THz (1mm až 720 nm) vysílání pouze na krátké vzdálenosti velmi vysoké frekvence neprocházejí zdmi systémy umístěné ve vedlejších místnostech se neruší na velké vzdálenosti nepoužitelné, ruší infračervené záření ze slunce široké pásmo kmitočtů (až 400 THz), lze přidělovat velké šířky pásma, lze vysílat vysokými rychlostmi Aplikace: připojení klávesnice, myši, tiskárny,... Konzorcium podporující tuto technologii IrDA (Infrared Data Association) standard IrDA: LOS, 75 Kb/s až 4 Mb/s na vzdálenost 8 m Antény bezdrátová média (atmosféra, voda, vakuum) hlavní roli hraje šířka pásma vytvářená anténou, anténou se do média předává přenášená energie (signál) anténa funguje jako zářič i absorber energie vyzařování je účinné, když je anténa delší než 1/10 vlnové délky rádiové vysílání v pásmu frekevencí AM, např. na 1 MHz, tj. na vlnové délce 300 m požaduje alespoň 30 m anténu PV169 Přenosová média 30 PV169 Přenosová média 31
Ante ny Ante ny 2 ante na 2 vyzar ovacı / pr ijı macı vzor elektricky vodic nebo syste m vodic u vysı la nı - vyzar uje elektromagnetickou energii do prostoru pr ijı ma nı - sbı ra elektromagnetickou energii z prostoru graficka reprezentace vyzar ovacı charakteristiky ante ny 2 s ı r ka paprsku mı ra sme rovosti, paprsek polovic nı ho vy konu 2 isotropicky vyzar ovac 2 typy ante n ve vs ech sme rech (3 dimenze) shodne vyzar ova nı pouze referenc nı teoreticka ante na rea lne ante ny nejsou isotropicky mi vyzar ovac i dipo l te me r izotropnı parabolicka ante na vy razne sme rova vz dy majı sme rove efekty (svisle a/nebo vodorovne ) 2 antennı zisk mı ra sme rovosti, pome r vy konu v jiste m sme ru vu c i isotropnı ante ne me r ı se v db 32 Typy ante n dipo ly a jejich vyzar ovacı vzorky 33 Typy ante n dipo ly, parabola 34 35
Typy antén diskové (paraboly) a trychtýřové antény používají se pro přenosy v oblasti pozemních a satelitních mikrovln Parabolická (disková) anténa používá se pro přenosy v oblasti pozemních a satelitních mikrovln PV169 Přenosová média 36 PV169 Přenosová média 37 Defekty bezdrátového vysílání Vícecestné interference při vysílání typu LOS Ztráty ve volném prostoru pro isotropní anténu platí ztráty = P v /P p = (4πd) 2 /λ 2 (P v /P p je vyzařovaný/přijímaný výkon, λ je vlnová délka) obecně platí, že energie signálu se vzdáleností klesá, na nižších frekvencích rychleji Atmosférické absorbce opar ovlivňuje od pásma 22 GHz déšt a mlha rozptyluje radiové vlny Lámání, ohýbání na hranách a rozhraních médií s různými přenosovými vlastnostmi Vícecestní interference k přijímači doráží více stejných signálů různými cestami, tudíž v čase posunutých PV169 Přenosová média 38 PV169 Přenosová média 39
Elektromagnetické spektrum bezdrátové využití ELF VLF, audiopásmo, lodní navigace z pobřeží velmi dlouhé vlny, 10 km 1000 km, Hz 30 khz šíření pozemní vlnou velmi malá šířka pásma (1 10 %), pomalé rychlosti přenosu dat silné interference mnoha uživatelů pro digitální vysílání nepoužitelné pásmo LF MF, pásmo AM radiového vysílání, námořní radio majáky, dlouhé a střední vlny, 100 m 1 km, 30 khz 3 MHz šíření pozemní vlnou (do 2 MHz), dosah až stovek km rušení atmosférickými poruchami hlavně za denního světla a šumem z lidské činnosti na straně přijímače HF krátké vlny, 10 m 100 m, 3 MHz 30 MHz šíření odrazem od ionosféry armádní komunikace, komunikace na dlouhé vzdálenosti (lodě, letadla) Elektromagnetické spektrum bezdrátové využití, 2 VHF/UHF pásmo FM radiového vysílání, UHV/VHF TV metrové vlny, 30 MHz 1 GHz LOS šíření jednoduché malé antény do automobilů, mobilní telefonie (GSM, 3G), DAB, DVB, dig. TV, DECT, občanské radiostanice deterministické charakteristiky šíření, spolehlivé spojení UHF/SHF mikrovlny, metrové až centimetrové vlny, 1 GHz desítky GHz LOS šíření bezdrátové LAN, satelitní spojení omezení je dané absorbcí vln vodou a molekulami kyslíku slábnutí signálu závislé na počasí, ztráta signálu při velkém dešti,... PV169 Přenosová média 40 PV169 Přenosová média 41 Elektromagnetické spektrum bezdrátové využití, 3 SHF a vyšší orientované rádiové spoje, satelitní spojení, centimetrové až milimetrové vlny, desítky GHz stovky GHz LOS šíření malá anténa, koncentrace signálu do paprsku jsou plánované systémy LAN i pro spektrum EHF milimetrové vlny jsou dostupné velké šířky pásma Infračervené světlo mili- až nanometrové vlny, pásmo 300 GHz 200 THz LOS šíření místní 2-bodové / vícebodové spoje, místní = v místnosti apod. nutná přímá viditelnost vysílač-přijímač, lze přijímat i odrazy od stropu apod. na rozdíl od mikrovln neprochází stěnou, snazší udržení soukromí Rádiové frekvence v pásmu 30 MHz 1 GHz, metrové vlny Pozn.: za rádiové frekvence se genericky označuje celé pásmo 3kHz 300 GHz vhodné pro všesměrové vysílání (na rozdíl od mikrovln) použití rádiové vysílání v pásmu VHF a částečně v UHF FM rádio a UHF a VHF televize DECT, mobilní telefonie (GSM, 3G), DAB, DVB, dig. TV občanské radiostanice charakteristiky antény všesměrová nemusí být talířová nemusí být umístěná pevně a nastavená přesně směrově LOS šíření musí být přímá viditelnost mezi vysílačem a přijímačem metrové vlny se neodráží od ionosféry (méně poruch), nejsou tak citlivé na počasí jako mikrovlny PV169 Přenosová média 42 PV169 Přenosová média 43
Mikrovlny, pásmo 1GHz - 40 GHz, centimetrové vlny vhodné pro směrové vysílání, 2-bodové spoje, pozemní i satelitní přenosy LOS šíření pozemní mikrovlnné vysílání celé spektrum 1GHz 40 GHz satelitní mikrovlnné vysílání 1 GHz až 10 GHz, výše dochází k rychlému útlumu, nad 10 GHz vyvolává déšt poruchy (šum) platí čím je vyšší použité pásmo frekvencí, tím je větší potenciální šířka pásma, a tím je potenciálně vyšší rychlost přenosu dat antény mohou být menší (vlnové délky jsou krátké) a tudíž levnější Mikrovlny, pásmo 1GHz - 40 GHz, centimetrové vlny, 2 opakovače mohou být od sebe vzdáleny desítky až stovky km charakteristiky mikrovlnné antény parabolický talíř, průměr cca 3 m pevně směrovaná, úzký paprsek přijímající anténa musí být na dohled musí být umístěná dostatečně vysoko nad zemí (zvyšuje se dosah, obchází se překážky) použití dálkové telekomunikační služby v oblasti hlasu a TV (pomocí mezilehlých stožárových vysílačů), 2-bodové spoje mezi budovami pro uzavřený okruh TV a data (krátká vzdálenost), často se používá pro obejití místní telefonní služby frekvenční základna pro buňkové sítě a bezdrátové místní smyčky PV169 Přenosová média 44 PV169 Přenosová média 45 Mikrovlny, pásmo 1GHz - 40 GHz, centimetrové vlny, 3 typické digitální výkony v oblasti mikrovln pásmo 2 GHz šířka pásma 7 MHz rychlost dat 12 Mb/s pásmo 6 GHz šířka pásma 30 MHz rychlost dat 90 Mb/s pásmo 11 GHz šířka pásma 40 MHz rychlost dat 135 Mb/s pásmo 18 GHz šířka pásma 220 MHz rychlost dat 274 Mb/s pásmo 4/6 GHz: dálkové telefonní spoje, silné přetížení, snaha o expanzi do pásma 11 GHz; satelitní spoje pásmo 12/14 GHz: kabelová TV (CATV) doručování signálu jednotlivci pomocí koaxiálu, pokusy se satelity pásmo 20/30 GHz: přímé 2-bodové spoje mezi budovami, na krátkou vzdálenost, pokusy se satelity Mikrovlny, pásmo 1GHz - 40 GHz, centimetrové vlny, 4 satelitní mikrovlnné vysílání 1 GHz až 10 GHz, výše dochází k rychlému útlumu vyšší frekvence ovlivňuje počasí komunikační satelit mikrovlnný přijímač/vysílač spojující alespoň dva pozemní mikrovlnné přijímače/vysílače transponder přijímá vysílání v frekvenčním pásmu 5,925-6,425 GHz (uplink), zesiluje nebo opakuje signál a vysílá ho zpět na zem ve frekvenčním pásmu 3,7 4,2 GHz (downlink) dochází ke zpožd ování díky vzdálenosti (1/4 s při 36 000 km vzdálenosti od země), pásma 4/6 GHz, 12/14 GHz, 19/29 GHz (š.p. až 2500 MHz) široké pokrytí pozemního prostoru downlink paprskem broadcasting! použití distribuce televizního signálu, dálkové telekomunikační služby, privátní byznys sítě PV169 Přenosová média 46 PV169 Přenosová média 47
Mikrovlny, pásmo 1GHz - 40 GHz, centimetrové vlny, 5 satelitní mikrovlnné vysílání 1 GHz až 10 GHz PV169 Přenosová média 48