Media transmisyjne

Transkrypt

Media transmisyjne

Media transmisyjne
Opracował:
Dr inż.. Sławomir KULA
2006 Instytut Telekomunikacji PW
1
Transmisja i medium transmisyjne
Transmisja to przesyłanie sygnałów między dwoma lub wieloma
punktami oddalonymi w przestrzeni.
W telekomunikacji sygnały te mają postać fal elektromagnetycznych
(radiowych, świetlnych), albo prądu elektrycznego i z reguły
reprezentują inne przetworzone na nie sygnały (np.. mowę,
wideo), bądź dane.
Transmitowane sygnały przenoszą energię na odległość
wykorzystując do tego pewną przestrzeń - medium transmisyjne.
2
Kanał telekomunikacyjny
Kanał telekomunikacyjny
(rzeczywisty - z zakłóceniami)
x(t)
Nad
y(t)
Kanał
telekomunikacyjny
bez zakłóceń
+
Odb
zakłócenia
y(t) = x(t)∗k(t)+z(t)
Y(ω) = X (ω)•K (ω)+Z (ω)
3
Przykład kanału telekomunikacyjnego
odbiorcza nadawcza
Krotnica
odbiorcza nadawcza
Centrala
telefoniczna
A
Krotnica
medium transmisyjne
Centrala
telefoniczna
B
4
Systemy transmisyjne a tor transmisyjny *)
Sygnał
elektryczny
albo
optyczny
Urządzenie
SDH (PDH)
Urządzenia
konwertujące
Kabel
współosiowy
albo
światłowód
*) Rysunek z książki: Sławomir Kula;
Systemy teletransmisyjne. WKŁ, 2004
Sygnał
elektryczny
albo
optyczny
Tor transmisyjny
Przewodowy
(kabel współosiowy,
skrętka,
kabel koncentryczny,
światłowód)
albo
bezprzewodowy
Urządzenia
konwertujące
Urządzenie
SDH (PDH)
Kabel
współosiowy
albo
światłowód
5
Media transmisyjne *)
Media transmisyjne
falowodowe
przewodowe
kablowe
światłowodowe
drutowe
metalowe
współosiowe
bezprzewodowe
symetryczne
6
Para przewodów symetrycznych *)
l
φ
d
D
*) Rysunek z książki: Sławomir Kula; Przewodowe systemy dostępowe xDSL (w przygotowaniu)
7
Budowa kabla koncentrycznego (współosiowego) *)
osłona
dielektryk
oplot miedziany
Żyła albo linka
ekran
8
Budowa kabla światłowodowego *)
d
wzmocnienie
tuba (płaszcz)
Włókno optyczne
powłoka
D
9
Budowa falowodu
10
Budowa kabla telekomunikacyjnego *)
pancerz
osłona
żyła
zapora przeciw
wilgotnościowa
Izolacja żyły
wiązka
wypełnienie
ekran
powłoka
11
Budowa kabla telekomunikacyjnego *)
Kabel parowy warstwowy
Kabel czwórkowy, pęczkowy
12
Budowa kabla teleinformatycznego *)
UTP
powłoka
FTP
ekran
Izolacja
żyły
żyły
folia
estrofolowa
STP
ekran pary
żyła uziemiająca
13
Pasmo przepustowe (kable teleinformatyczne)
amerykańska normy EIA/TIA
europejska normy ETSI
Kategoria 1
Klasa A
0,1
Kategoria 2
Klasa B
1
Kategoria 3
Klasa C
10
Kategoria 4
Klasa C
16
Kategoria 5
Klasa D
100
Kategoria 6
Klasa E
250
Kategoria 7
Klasa F
600
pasmo [MHz]
14
Para przewodów symetrycznych *)
l
φ
d
D
15
Model linii
R
L
G
R
C
L
G
Linia długa
*)
R
C
L
G
C
λ
l>
10
Inaczej: przesunięcie fazy sygnału po przejściu przez linię
nie jest większe niż 0,1 kąta pełnego
16
Równanie linii długiej *)
i
R∆x L ∆x
G∆x
czwórnik
u
i+
δi
∆x
δx
C∆x
u+
δu
∆x
δx
∆x
x
x+∆x
δu ·
δi
§
u − ¨ u + ∆x ¸ = R∆xi + L∆x
δx ¹
δt
©
d §
δu ·
δu ·
§ δi ·
§
i − ¨ i + ∆x ¸ = G∆x¨ u + ∆x ¸ + C∆x ¨ u + ∆x ¸
dt ©
δx ¹
δx ¹
© δx ¹
©
δu
δi
= Ri + L
δx
δt
δi
δu
− = Gu + C
δx
δt
−
17
Linie pola elektrycznego i magnetycznego *)
E
H
z
.
x
x
y
E
H
x
kierunek ruchu
falowego energii
elektromagnetycznej
linia symetryczna
Ex = Hx = 0
linia koncentryczna
Er = Hφ = 0
18
Parametry pierwotne linii
Rezystancja jednostkowa R [Ω/km]
R = χ ( R0 + Rn + Rb + R p )
Z reguły w zakresie
od kilkudziesięciu
do kilkuset Ω/km
Indukcyjność jednostkowa L [mH/km]
ª § d ·
º
L ≅ 0,1«4 ln¨¨ 2 − 1¸¸ + qµ »
¬ © φ ¹
¼
Z reguły poniżej 2 mH/km
19
Efekt naskórkowości w parze symetrycznej *)
prąd stały
prąd zmienny: f1
f2 (f2 > f1)
20
Parametry pierwotne linii
Pojemność jednostkowa C [µF/km]
ε
C≅
⋅103 ,
 αD 

36 ln
 φ 
Praktycznie nie zależy od
częstotliwości, zawiera się
w zakresie od 25 do 50 nF/km
Konduktancja jednostkowa G [µS/km]
G ≅ G0 + kf
Silnie zleży od warunków
(wilgotności) i częstotliwości,
zawiera się w zakresie od kilkuset
do kilku tysięcy µS/km
21
Symetria pojemnościowa linii symetrycznej *)
C1
Wzajemna pojemność cząstkowa
C’
C3
C2
C’
C' =
C1C4 − C2C3
C1 + C2 + C3 + C4
C3
22
Zjawiska związane z przesyłaniem sygnałów *)
Z
zakłócenia zewnętrzne
odbicia
N
Z
O
tłumienie
E
odbiornik
U
N
nadajnik
tłumienie i dyspersja
przeniki
odbicia
przeniki
odbicia
odbicia
23
Parametry wtórne linii
Impedancja falowa (charakterystyczna) linii
ZC ( f ) =
R( f ) + j 2πfL( f )
;
G ( f ) + j 2πfC ( f )
Współczynnik przenoszenia (tamowność)
γ C ( f ) = α ( f ) + jβ ( f ) = [ R( f ) + j 2πfL( f )][G ( f ) + j 2πfC ( f )]
α(f) - tłumienność jednostkowa, , β(f)
- przesuwność jednostkowa
24
Impedancja charakterystyczna – metoda pomiaru *)
R
ZC
G
R
ZC
L
R
G
G
C
L
R
C
L
R L
C
L
G
G
C
R L
C
G
C
l →∞
ZC
25
Moduł i argument impedancji falowej *)
ϕC ( f )
ZC
R
G
2π
L
C
f
Skala liniowa
[Hz]
Skala liniowa
f
Skala liniowa
0
RG
LC
[Hz]
26
Moduł i argument stałej propagacji *)
ζ( f )
γ{ f }
Skala liniowa
Skala liniowa
f
RG
arctg LC
Skala liniowa
f
[Hz]
−
π
4
Skala liniowa
[Hz]
27
Tłumienność i przesuwność jednostkowa *)
β( f )
Skala liniowa
Skala liniowa
α( f )
§
C
C·
¸
0,5¨¨ R
+G
¸
L
L
¹
©
RG
2πf LC
f
f
Skala liniowa
[Hz]
Skala liniowa
[Hz]
28
Transmitancja linii *)
R
UN
L
G
R
C
L
G
R
C
L
G
C
ZO
UO(f)
Napięcie indukowane w odbiorniku, gdy ZC=ZO
U ( x , f ) = U N e -γ ( f ) x ;
U (l , f ) = U O ( f ) = U N e − γ ( f ) l
Transmitancja
H ( f ) = e −lγ ( f )
29
Prędkość fazowa i grupowa
Prędkość fazowa v to prędkość z jaką
poruszają się punkty ekwifazowe w linii:
∆x ω
v=
=
∆t β
λ=
v
f
Prędkość grupowa vg opisuje zmiany
prędkości fazowej w zależności od ω:
vg =
t=t1
x
t=t2
x
dω
dβ
30
Linia niezniekształcajaca (zrównoważona)
Linia niezniekształcająca, to taka linia, która nie wprowadza
zniekształceń amplitudowych ani fazowych, a więc spełniająca
następujące warunki:
Tłumienność jednostkowa
α ( f ) = RG = const
Przesuwność jednostkowa
β = ω LC
Prędkość fazowa
v( f ) = v g ( f ) =
1
= const
LC
Impedancja charakterystyczna
L
Z C = R0 =
C
Linia niezniekształcająca jednakowo tłumi wszystkie składowe
częstotliwościowe sygnału i nie wprowadza dyspersji.
31
Niedopasowanie *)
nadajnik
UN
ZN
E
ρN =
Z N − ZC
Z N + ZC
ρO =
ZO − ZC
ZO + ZC
współczynniki odbicia
odbiornik
ZC
linia
ZO UO
ZC
(1 + ρ O )e − γ ( f ) l
H( f ) =
Z C + Z N 1 − ρ N ρ O e −2 γ ( f )l
transmitancja
32
Odbicie w linii zwartej półfalowej *)
UN
nadajnik
l=k
λ
2
kabel
ZC
ZN
ZO = 0
U (x)
E
x
0
λ
2λ
3λ
4λ
33
Odbicia w linii rozwartej półfalowej *)
λ
2
kabel
ZN
UO
UN
nadajnik
l=k
ZC
ZO = ∞
U (x)
E
x
0
λ
2λ
3λ
4λ
34
Przeniki między liniami o długości dx *)
Linia 1
U 1 ( x)
U 1 ( x + dx )
dI C
C `dx
L`dx
C `dx
dU L
Linia 2
U 2 ( x)
U 2 ( x + dx )
dI C
dx
x + dx
x
dU 2 ( x + dx) =
1
Dla Z C <<
jωC ' l
oraz
1
1
Z C dI C − dU L .
2
2
Z C >> jωL' l ,otrzymujemy
dI C ≅ jωC 'U1 ( x) ,
dU L ≅ jωL' I1 ( x) .
35
Odcinek linii długiej o długości dx *)
Linia 1
U 1 ( x)
U 1 ( x + dx )
dI C
C `dx
L`dx
C `dx
dU L
Linia 2
U 2 ( x)
U 2 ( x + dx)
dI C
dx
U1 ( x) = U1N (0)e − γx ,
U (0) − γx
I1 ( x ) = 1 N
e
.
ZC
U 2 (l ) = U FEXT (l ) =
= U1 N ( 0 ) e
AFEXT =
U1N (0)
2
U FEXT (l )
2
−γ ( l − x )
e
dU 2 ( x + dx ) =
³
1
L'
⋅ jωl[C ' Z C − ( )] .
2
ZC
SNRFEXT =
U 2 N (l )
1
=
L'
1
jωle −γx [C ' Z C − (
)]
ZC
2
x =l
x =0
−γl
x + dx
x
2
U FEXT (l )
2
1
=
L'
1
jωl[C ' Z C − (
)]
ZC
2
2
36
2
Ultrafiolet
Światło widzialne
Komunikacja
satelitarna,
radiolinie
Podczerwień
Podczerwień
światłowody
łączność FSIR
Zakresy fal świetlnych *)
λ [m]
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
10-7
λ [nm]
0
162
0
143
3 okno
0
138
2 okno
0
128
92
0
95
0
86
0
IR*
78
0
1 okno
37
Światłowód i rozchodzenie fali świetlnej
D=125 µm
d= 10 µm
d
D
Jednomodowy skokowy
Wielomodowy skokowy
D=125 µm
d= 50 µm
Profil skokowy
Wielomodowy gradientowy
Profil gradientowy
D=125 µm
d= 50 µm
38
Przenikanie i odbicie fali świetlnej
α2
n2
n1
α1
no=1
αa
αa
α1
n1 sin α1 = n2 sin α 2
n2
α1 = α c = arc sin
n1
NA = sin α m = n12 − n22
płaszcz
np
nr
αc
αc
rdzeń
NA - apertura numeryczna
ac - kąt krytyczny
am - kąt maksymalny
39
Tłumienność światłowodu
O
tłumienność {dB/km]
0,6
E
S
C
L
U
0,5
światłowód jednomodowy
0,4
0,3
0,2
0,1
światłowód jednomodowy
o poprawionych parametrach
1250
1350
1450
1550
1650
długość fali [nm]
40
Nadajniki optyczne
LED
100 nm
MLM
3 nm
SLM
<< 1 nm
41
Dyspersja chromatyczna
x
∆x = t [v1 (λ1 ) − v2 (λ2 )]
∆x
t
42
Dyspersja światłowodu
O
dyspersja [ps/nm*km}
30
E
S
C
L
U
20
nie przesunięta dyspersja
10
0
1300
-10
-20
1400
1600
1500
dodatnia dyspersja
ujemna dyspersja
-30
długość fali [nm]
43
Dyspersja polaryzacyjna
vz
z
x
x
y
∆x
vy
Impulsy nadawane
(
Impulsy odbierane
t
∆x = t v z − v y
x
x
∆t =
−
v y vz
)
∆t
44
Dyspersja modowa
x1
z
x
y
x2
x
x0
x3
45
Propagacja fal radiowych
• fala bezpośrednia
• fala odbita od powierzchni ziemi albo przeszkody
• fala odbita od troposfery albo jonosfery
• fala załamana
• fala ugięta
46
Rozchodzenie się fal radiowych w wolnej przestrzeni
PR − moc w odbiorniku [W] :
PT − moc nadajnika [W] :
PT GT λ2GR
PR =
⋅
2
4πR
4π
GR − sprawność anteny odbiorczej [W] :
GT −
R−
λ−
Zakładając:
GR = GT = 1
sprawność anteny nadawczej [W] :
odległość od anteny nadawczej [m] :
długość fali [m] :
mamy:
PT
L[dB ] = 10 log10
≈ 32,44 + 20 log10 R[km ] + 20 log10 f [ MHz ]
PR
47
Rozchodzenie się fal radiowych
β
γ
α
d1
α
d2
D
Odbicie fali
d1
d2
D
Załamanie fali
48
Ugięcie (refrakcja) fal radiowych
standardowa refrakcja
k=4/3
superrefrakcja
k>2
subrefrakcja
0<k<1
dukt
k<0
1
k=
 dn 
1 + r 
 dh 
R - promień Ziemi
n - współczynnik refrakcji
h - wysokość
49
Strefy Fresnela
F1
A
F1
B
F1
F1
H
d1
d2
D
Fn = 17,3
nd1d 2
fD
50
h>0
H
hp
D
h=0
h<0
Tłumienność względem
wolnej przestrzeni [dB]
Zależność tłumienności od wysokości przeszkody
0
-6
H-hp
0
0,6F1
F1
F2
F3 F4
51

Media transmisyjne

Transkrypt

Podobne dokumenty

Krzysztof Szczypiorski jest profesorem Politechniki Warszawskiej

SEKTOR ICT w oparciu o Statystyczną Klasyfikację Działalności

Ogólna sytuacja francuskiego rynku telekomunikacji

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Gnieźnie

referatów

karta przedmiotu - Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa im