Piotr Walendowski 2000-01-02
Prowadzący: dr inż. J. Krzysztofik
Seminarium z wprowadzenia do systemów telekomunikacyjnych
Temat: Kanały telekomunikacyjne - potencjalne możliwości przesyłania sygnałów telekomunikacyjnych różnymi metodami: tory kablowe, światłowody, fale elektromagnetyczne,...
Wstęp
Definicja kanału telekomunikacyjnego:
połączenie pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem. Na poziomie fizycznym kanał telekomunikacyjny stanowi dane medium transmisyjne.
Podział kanałów telekomunikacyjnych:
Media telekomunikacyjne mają jedną wspólną cechę. Przenoszą fale elektromagnetyczne. Umożliwiają więc fizyczne rozchodzenie się fal: akustycznych, radiowych i świetlnych.
Możemy je podzielić na dwa rodzaje:
- przewodowe ,
- bezprzewodowe
Do przewodowych zaliczamy:
- kable miedziane,
- kable światłowodowe,
Przekazy bezprzewodowe są realizowane za pomocą:
światła podczerwonego,
mikrofalowych łączy radiowych, telewizyjnych i satelitarnych
Prędkość rozchodzenia się sygnału w atmosferze ziemskiej jest zbliżona do prędkości światła i wynosi około 3* 10^8 m/s natomiast
w kablach miedzianych i światłowodowych wynosi w przybliżeniu 2*10^8 m/s.
1.3 Ważniejsze parametry toru transmisyjnego:
szerokość pasma,
przepływność,
tłumienność,
stopa błędu
Szerokość pasma - różnica między górną a dolną częstotliwością pasma, które kanał jest zdolny przenieść z nierównomiernością nie gorszą niż 3 dB.
Przepływność (przepustowość) - zdolność kanału do przenoszenia informacji binarnej, to znaczy określenia, ile bitów danych można przesłać w ciągu 1 sekundy przez konkretne medium transmisyjne.
Tłumienność (attenuation) - charakteryzuje tor telekomunikacyjny pod względem jego przydatności do transmisji długodystansowej i zdolności przekazywania mocy pozornej. Określa stosunek mocy na wejściu do mocy na wyjściu.
A=10*log(P1/P2)
Stopa błędu BER (Bit Error Rate) - definiuje prawdopodobieństwo wystąpienia przekłamania bitu informacji w strumieniu przesyłanej informacji
Inne parametry opisujące system:
impedancja charakterystyczna,
współczynnik odbicia (return loss),
NEXT (Near and crosstalk loss) - określa stosunek mocy sygnału wyindukowanego w sąsiedniej parze,
ACR ( Attenuation to crosstalk ratio)- różnica między NEXT'em i tłumiennością,
Rezystancja stałoprądowa,
Impedancja przenikowa (transfer impedance),
1.4 Rodzaje transmisji:
transmisja symetryczna - w obu żyłach jest takie samo napięcie, lecz o przeciwnych znakach,
transmisja niesymetryczna - jedna żyła do transmisji sygnału oraz żyła odniesienia dla kilku obwodów.
A. Przewody kablowe:
2. Kabel miedziany:
2.1 Kategorie kabli miedzianych:
Kategorie kabli miedzianych dla sieci komputerowych zostały ujęte w specyfikacji EIA/TIA w kilka grup, w których przydatność do transmisji określa się w MHz.
Kategoria |
Opis i zastosowanie |
Szybkość transmisji [MHz] |
1 |
Tradycyjna nieekranowana skrętka telefoniczna przeznaczona do przesyłania głosu, nie przystosowana do transmisji danych;
|
|
2 |
Nieekranowana skrętka, kabel ma dwie pary skręcanych przewodów |
< 4 |
3 |
Stosowana w sieci Token Ring (4 Mb/s) oraz Ethernet 10Base-T (10 Mb/s) |
<10 |
4 |
Najniższa kategoria kabli nadających się do sieci Token Ring. Kabel jest z budowany z 4 par przewodów |
<16 |
5 |
Skrętka z dopasowaniem rezystancyjnym 100 Ohm |
<100 1000 dla Gigabit Ethernet |
6 (E) |
Od 1997.09.17 |
<200 |
7 (F) |
Od 1997.09.17 |
<600 |
Aby uzyskać szybkość 600 MHz przy dodatniej wartości parametru ACR (Attenuation to Crosstalk Radio) potrzebny jest nowy typ złączy (zamiast używanych RJ-45) oraz kabli z każdą parą ekranowaną oddzielnie.
2.2 Podział
Dwa rodzaje torów miedzianych: para skręcana, kabel współosiowy.
2.2.1 Para skręcana TP (Twisted Pair)
Budowa: Para izolowanych żył miedzianych skręconych ze sobą.
Zastosowanie - transmisja symetryczna i niesymetryczna. Najbardziej efektywna jednak przy transmisji symetrycznej (zrównoważonej).
Pojedynczą parę skręcaną w szczególności wykorzystuje się do przyłączania prywatnych domostw do lokalnej centrali telefonicznej. Podwójną parę skręcaną wykorzystuje się np. do zestawienia 30 cyfrowych kanałów telefonicznych (np. 30-krotny system PCM o łącznej przepustowości 2 Mbit/s oraz 10BaseI Ethernet 10 Mbit/s)
2.2.1.1 Nieekranowana para skręcana UTP (Unshielded Twisted Pair)
Budowa: Wykonana ze skręconych , nieekranowanych przewodów, tworzy linię zrównoważoną (symetryczną).
Zastosowanie: Sieci telefoniczne i komputerowe.
Możliwości: Przy przesyłaniu sygnałów cyfrowych przepływność do 100 Mbit/s (kategoria 5), a także 1000 Mbit/s w najnowszej technologii Gigabit Ethernet
2.1.1.2 foliowana para skręcana FTP (Foiled Twisted Pair)
Budowa: Jest skrętką ekranowana za pomocą folii, z przewodem uziemiającym.
Zastosowanie i możliwości: Przeznaczona głównie do budowy sieci komputerowych (np. Ethernet, Token Ring) o długości nawet kilku kilometrów. Stosowana ostatnio również na krótszych dystansach w sieciach standardu Gigabit Ethernet (1 Gb/s) z wykorzystaniem wszystkich czterech par okablowania miedzianego piątej kategorii).
2.1.1.3 ekranowana para skręcana STP (Shielded Twisted Pair)
Budowa: Różni się od skrętki FTP ekranem wykonanym w postaci oplotu i zewnętrznej koszulki ochronnej.
Zastosowanie: Jest stosowana powszechnie tylko w niektórych krajach (np. Niemcy, 64% instalacji)
2.1.2 współosiowy (kabel koncentryczny):
Budowa: Składa się z dwóch przewodów koncentrycznie umieszczonych jeden wewnątrz drugiego (,co zapewnia większą odporność na zakłócenia).
Podstawowym parametrem opisującym właściwości kabla współosiowego jest jego impedancja falowa. Powszechnie stosuje się kable o oporności falowej 50 i 75 (rzadko 93 Ohm). Częstotliwość graniczna współczesnych kabli 50-omowych o przekrojach powyżej 10 mm sięga 1000 MHz, a przepływność binarna do 2 Gb/s.
Zastosowanie: Wykorzystywany jedynie do transmisji niesymetrycznej. Stosowany początkowo do tworzenia niewielkich sieci LAN. Dziś najczęściej używany do tworzenia sieci hybrydowych (związanych ze środowiskiem telewizji kablowej CATV).
Zalety (w porównaniu do skrętek):
wyższa przepływność (ale tylko na krótkich odległościach),
bardziej odporny na zakłócenia elektromagnetyczne o wysokich częstotliwościach,
2.2 Wpływ na maksymalną długość kabla telekomunikacyjnego i częstotliwość graniczną pracy łącza mają:
1 średnica przewodów miedzi,
odległość między przewodami,
rodzaj dielektryka,
technologia skręcania przewodów,
wzajemna symetria przewodów,
jednorodność wykonania kabla,
przyjęta asymetria w stosunku do ziemi,
metoda nadawania i odbioru (napięciowa, prądowa, symetryczna, różnicowa, inne).
2.23Metody poprawy parametrów przesyłowych w liniach miedzianych:
krarupizacja - zmniejsza tłumienność kablowego toru przewodowego. Polega na zwiększaniu indukcyjności przez pokrycie każdego przewodu warstwą materiału magnetycznego. Metoda opracowana przez Krarupa w 1900r. i stosowana dla długodystansowych torów kablowych. Została wyparta przez pupinizację toru.
pupinizacja - przywraca stałą oporność falową w niejednorodnych, długodystansowych i miedzianych kablach telekomunikacyjnych. Pupinizacja polega na włączaniu do toru w równych odstępach cewek indukcyjnych (pupinizacja), o dokładnie obliczonej indukcyjności i przywracających równowagę między polem elektrycznym a magnetycznym. Zasady pupinizacji opracował i opatentował w 1899r. Michał Pupin.
3. Światłowody:
3.1 Długość fali:
0,15 mm ultra fiolet (UV) do 30 mm podczerwień (IR). Promieniowanie widzialne obejmuje długości od 0,47 do0,76 mm.
3.2 Parametry światłowodów: rys
3.3 Poprawa parametrów
3.3.1 Okna transmisji:
Niejednorodna tłumienność światłowodowa w funkcji częstotliwości (wyrażana w dB/km) określa wie kość strat absorpcyjnych medium transmisyjnego i wyróżnia trzy podstawowe okna przydatne do prowadzenia transmisji o obniżonej tłumienności. W najlepszych produkowanych seryjnie światłowodach jednomodowych tłumienność w kolejnych oknach optycznych wynosi w przybliżeniu: I okno (850 nm) - 0,7 dB/km, II okno (1300 nm) - 0,4 dB/km, III okno (1550 nm) - 0,2 dB/km.
3.3.2 Generacje światłowodowe
Obecnie wyróżnia się pięć generacji światłowodowych:
Pierwsza - (okno 850 nm) wiąże się z uzyskaniem włókna światłowodowego przez amerykańską firmę Corning Glass (1972r) włókna wielomodowego o tłumienności około 4 dB/km przy długości fali 850 nm oraz pojemności transmisyjnej BL poniżej 50 (Mb/s) km i skokowej charakterystyce załamania wiązki świetlnej.
Druga - (okno 1300 nm) charakteryzuje się zastosowaniem (od 1987r) światłowodów jednomodowych o prawie zerowej dyspersji dla fali o długości 1300 nm i zmniejszeniu tłumienia jednostkowego do około 0,4 dB/km
Trzecia - (1550 nm) okupuje kolejne okno światłowodowe o długości 1550 nm o najmniejszej do tej pory uzyskanej tłumienności jednostkowej od 0,16 do 0,2 dB/km, co pozwala na zwiększenie odległości międzyregenatorowych do 200 km.
Kolejne generacje nie powstają już w wyniku dalszego udoskonalenia medium transmisyjnego lecz przez jakościowe zwiększanie przepływności B lub pojemności transmisyjnej BL, operujących w oknach o najmniejszej tłumienności 1300 nm i 1550 nm.
Czwarta generacja - związana z szerokopasmowych wzmacniaczy optycznych EDFA oraz zwielokrotnienia falowego WDM (Wavelenght Division Multiplexing) w torach optycznych.
Najnowsze osiągnięcia w zakresie transmisji solitonowej, umożliwiające prawie nieograniczony wzrost pojemności transmisyjnej BL, tworzą zręby nowej, piątej generacji przezroczystych systemów światłowodowych.
3.3.3 Wzmacniacze EDFA
Olbrzymie szerokości pasma transmisyjnego dostępne w drugim (12 THz) oraz trzecim oknie (15 THZ) spowodowały rozwój szerokopasmowych wzmacniaczy optycznych, a wśród nich światłowodowych wzmacniaczy domieszkowanych prazeodymem PDFA (Praseodymium - Doped Fibre Amplifier) dla fali o długości 1300 nm lub erbem EDFA (Erbium - Doped Fiber Amplifier) dla fali o długości 1550 nm, rekompensujących straty mocy optycznej do 30 dB. Dla wzmacniaczy EDFA maksimum wzmocnienia występuje dla najbardziej korzystnego pasma transmisji optotelekomunikacyjnej 1530 nm, przy bardzo wysokiej sprawności pompowania sięgającej 90%. Nowością dla tego sposobu wzmocnienia jest nietypowa konstrukcja wzmacniacza, realizowanego w postaci fragmentu światłowodu o symetrii kołowej wtrącanego między standardowe odcinki światłowodów telekomunikacyjnych. Szerokie pasmo przenoszenia wzmacniaczy EDFA (od 30 do 50 nm), co odpowiada zakresom częstotliwości od 4 THz do 6,7 THz umożliwia równoczesną transmisję na kilkudziesięciu długościach fali świetlnej ze zwielokrotnieniem WDM (Wavelenght Division Multiplexing), nazywana potocznie transmisją kolorową.
3.3.4 Solitony
Najwyższe szybkości transmisji w światłowodach uzyskuje się przez stosowanie unikatowego kształtu wejściowego sygnału optycznego zwanego solitonem, transmitowanego przez medium światłowodowe. Dobór odpowiedniego natężenia sygnału i impulsu o obwiedni sekans hiperboliczny, specjalnie formowanej przez modulator laserowy, umożliwia przekaz impulsu świetlnego, praktycznie bez dyspersji prawie na dowolną odległość. Wykorzystując standardowe światłowody z solitonami o szerokości od 20 do 50 ps, uzyskuje się pojemność transmisyjną BL w przybliżeniu 360 (Tb/s) km, co umożliwia transmisję solitonową, o przepływności 10 Gb/s na odległość około 36 000 km.
3.3.5 Łączenie światłowodów:
Sposób łączenia światłowodów ma istotne znaczenie dla parametrów całego toru komunikacyjnego. Łączenie światłowodów obejmuje dwa zasadnicze typy połączeń: rozłączane za pomocą złączek i trwałe.
Straty wprowadzane przez dobrej jakości złącza rozłączne nie przekraczają 1 dB mocy.
Połączenia trwałe, wykonywane początkowo przez klejenie powierzchni włókien zostały całkowicie wyeliminowane przez spawy termiczne, w których uzyskuje się tłumienność przejścia sygnału poniżej 0,1 dB.
3.4 Zalety światłowodów:
Najlepsze medium transmisyjne stosowane w telekomunikacji ponieważ:
bardzo wysokie częstotliwości nośne, a więc również szerokie pasmo dostępne do transmisji sygnałów,
niewielkie tłumienie światłowodów, a więc możliwość budowy łączy dalekosiężnych bez konieczności regeneracji,
promieniowanie świetlne jest odporne na zakłócenia o charakterze elektrycznym (wyładowania atmosferyczne, szumy impulsowe spowodowane działalnością człowieka),
światłowód nie wypromieniowuje energii przekazywanego sygnału, stąd eliminacja przeników pomiędzy sąsiadującymi włóknami optycznymi,
włókno światłowodowe nie przewodzi prądu, więc wykorzystywane tam, gdzie wyładowanie iskrowe może spowodować wybuch pożaru,
są lekkie, a surowiec do ich produkcji (krzemionka lub plastik) jest tani (10 kg miedzi/ 1kg szkła)
B: Media bezprzewodowe WLAN (Wireless Local Area Network)
W telekomunikacji wykorzystuje się dwa rodzaje bezprzewodowego medium transmisyjnego:
fale z zakresu podczerwieni,
fale radiowe.
4. Łącza podczerwone:
Długość fali: 0,7-1,5 nm
Częstotliwość: 200-430 THz
Kanały transmisyjne z zakresu podczerwieni pomimo ich podobieństwa do kanałów radiowych wyróżniają się następującymi cechami:
szeroki użytkowy zakres widma wynoszący nawet 200 THz, może być wykorzystany wielokrotnie w obrębie tego samego budynku, co jest związane z brakiem przenikalności fal przez ściany pomieszczeń,
wysoka odporność na interferencje elektromagnetyczne,
stosunkowo wysoka tłumienność jednostkowa mieszcząca się w zakresie od 1 do 10 dB/km dla promieniowania o długości fali 700 - 1500 n (wada).
duża wrażliwość na zakłócenia pochodzące ze źródeł promieniowania widzialnego (wada),
niewielki zasięg sygnału w podczerwieni, nie przekraczający zwykle kilkudziesięciu metrów (typowo kilkanaście metrów w sieciach LAN) z łączną przepływnością do 1 Gb/s. Przy tworzeniu dłuższych łączy szybkość przekazu maleje od 2 do 155 Mb/s.
5. Fale radiowe:
Przyjmuje się, że przekazy w zakresie niskich częstotliwości widma elektromagnetycznego od 3 kHz do 300 GHz są traktowane jako transmisje na falach radiowych.
Typowym zastosowanie fal radiowych jest radiodyfuzja programów radiowych i telewizyjnych oraz radiokomunikacja. Zasięg fal radiowych o wysokich częstotliwościach jest ograniczony linią widnokręgu, chociaż istnieje wiele zjawisk rozszerzających ten zasięg.
Do najważniejszych sposobów rozszerzających zasięg przekazu należą:
propagacja jonosferyczna - wykorzystywana w radiokomunikacji krótkofalowej. Obejmuje częstotliwości od 3MHz do 30 MHz. Silnie jest uzależniona od intensywności promieniowania słonecznego w cyklu dobowym oraz pór roku.
Propagacja przyziemna - stacje radiowe pracujące na falach średnich i długich (z modulacją AM). Obejmuje częstotliwości od 3 do 10 MHz.
Propagacja troposferyczna - Ten sposób propagacji wykorzystuje tworzenie się unikatowych duktów (kanałów, falowodów) troposferycznych, powstających wokół Ziemi w zakresie bardzo niskich częstotliwości (poniżej 30 kHz). Stosowana do komunikacji między okrętami podwodnymi zanurzonymi na niewielkich głębokościach. Oddziałuje na falach w zakresie do 30 MHz dzięki której zasięg fal radiowych prowadzonych w dolnych warstwach atmosfery (troposfera) jest wprawdzie ograniczony krzywizną Ziemi, ale większy od zasięgu optycznego (refrakcja poza horyzontalna).
6. Mikrofale
Transmisja za pomocą mikrofal (o częstotliwości od 1 do około 40 GHz ) może być zrealizowana pod warunkiem wzajemnej widoczności anten nadawcy i odbiorcy. Odstępstwem od tej zasady jest wykorzystanie zjawiska ugięcia i rozproszenia: wolny od przeszkód obszar pierwszej strefy Fresnela (elipsoida obrotowa), co umożliwia komunikację w obszarze poza bezpośrednią widocznością anten. Maksymalna odległość między kolejnymi węzłami naziemnej radiolinii mikrofalowej zwykle nie przekracza 60 km. Aby uzyskać większy zasięg stosuje się stacje przekaźnikowe.
Transmisje mikrofalowe stosuje się do:
łączności między dwoma budynkami w mieście,
komunikacji na terenach otwartych, gdzie położenie kabla nie jest opłacalne (pustynie, bagna, obszary wodne),
zapewnienia połączeń naziemnych dublujących inne rodzaje komunikacji publicznej,
zapewnienia łączności satelitarnej,
Łącza satelitarne:
Łącza satelitarne działające w szerokim zakresie częstotliwości radiowych (mikrofale) od 0,3 GHz (pasmo UHF) do ponad 40 GHz (pasmo V), są wykorzystywane zarówno w komunikacji satelitarnej jak i kosmicznej.
Do typowych zastosowań należą:
komunikacja z naziemnymi obiektami ruchomymi (lądowa, ruchowa, samochodowa, lotnicza, morska, osobista, specjalna);
komunikacja satelitarna ISL (Inter Satellite Link) między orbitującymi obiektami;
naziemna komunikacja rozsiewcza (radiowa i telewizyjna);
globalna radiolokacja i radionawigacja;
badanie przestrzeni kosmicznej;
aplikacje przyszłościowe (przesyłanie energii, komunikacja kosmiczna)
W łączności satelitarnej wykorzystujemy zwielokrotnienie FDMA, TDMA i CDMA
7. Porównanie różnych kanałów telekomunikacyjnych
8. Materiały źródłowe:
Simmonds A., Wprowadzenie do transmisji danych, WkiŁ, Warszawa, 1999;
Vademecum teleinformatyka, Praca zbiorowa,IDG Poland S.A.,Warszawa, 1999;
Żakowski Jerzy, Górecki Stanisław, Budownictwo telekomunikacyjne nr 2(4)/1997, Telekomunikacyjne linie kablowe nadziemne;
Górecki Stanisław, Budownictwo telekomunikacyjne nr 3(7)/1998, Światłowodowe linie kablowe podziemne;
Smoliński Adam, Optoelektronika światłowodowa, WKiŁ, Warszawa, 1985;
Kurek Tadeusz, Prawie wszystko o telewizji satelitarnej, WNT, Warszawa, 1991;
Midwinter John E., Światłowody telekomunikacyjne, WNT, Warszawa, 1983;