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*10 8 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. Primární parametry vedení : Náhradní schéma elementu homogenního 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 Z c U R + jωl jϕc Z c = = = Z c e I G + jωc
Z c je modul vlnové impedance a ϕ c je argument vlnové impedance Měrná vlnová míra přenosu ( R + jωl) ( G + jϖc) = α + jβ γ = kde α je měrný útlum (db/km) a β je měrný fázový posun (rad/km) 2π β udává zpoždění vlny na jednotku délky. Zpoždění 2π nastane ve vzdálenosti λ z čehož plyne λ =. β ϖ Rychlost jakou se šíří fáze postupující vlny je dána fázovou rychlostí v f = (km/s). Skupinová rychlost β ϖ v sk = (km/s) udává rychlost šíření skupiny harmonických vln tvořících přenášený signál. β Duhy a charakteristiky metalických vedení 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) Symetrická vedení Uspořádání vodičů 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
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 Radiové přenosové cesty Souosé umístění vodičů 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 10 2 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 (SiO 2 ), 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: adamman@centrum.cz