1.1. Primerjava dometa vrvične in brezvrvične komunikacijske zveze

Transcript

1 . Uvod v vvične komunikcije Telekomunikcijske zveze vednotit dv pomembn pmet. vi je domet telekomunikcijske zveze, ki g podjmo v dolžinskih enoth. Dugi pmete je zmogljivost zveze, ki ovednoti količino penesenih infomcij v čsovni enoti. V pimeu, d ge z digiti penos infomcij zmogljivost zveze, podjmo kot število bitov penesenih v enoti čs bit/s. Ke st z vednotenje telekomunikcijskih zvez njvečkt pomembn ob pmet, je nedvomno pomemben njun podukt, ki mo biti čim večji... imejv domet vvične in bezvvične komunikcijske zveze i vseh vvičnih zvezh vvic vodi vlovnje v smei od oddjnik (O) do ejemnik (S), kot pikzuje slik. edstvniki vvičnih zvez so: sukn p (pic), koksii kbel, kovinski vlovod in dielektično optično vlkno. i vodenju vlovnj po kteikoli, se vs enegij oziom moč vlovnj šii zgolj po vvici. V vvici pihj do izgub, ki jih pojmujemo kot slbljenje vvice, k je omejujoč dejvnik domet vvične zveze. kvivlentno si lhko pedstvljmo, d cev, ki vodi tekočino, pušč in se zdi teg količin tekočine, ki se penese n konec zmnjš. od O S Slik : Vodenje vlovnj od oddjnik (O) do ejemnik (S) po vvici. Moč penšneg vlovnj upd z ekonentom zdlje α od e, () kje je moč ejeteg signl, od moč oddneg signl, dolžin vvice oziom zdlj med oddjnikom in ejemnikom in α slbljenje vvice n enoto dolžine. ime: Koliko signl v pocentih pide n konec vvice, če vemo, d vsk od polovic vvice slbi signl z 90 %? o pvi polovici vvice ostne še 0 % signl, n konec vvice p pide % signl. Z podjnje slbljenj moči so pktično mnogo bolj pimene enote decibeli, ki so desetktne vednosti desetiškeg logitm iz zmej izhodne poti vhodni vednosti moči. ktičnost decibelov se izkže pi enostvnem čunnju z opecijmi seštevnj in odštevnj. ime: Koliko znš slbljenje vvice v db, če vemo, d vsk od polovic vvice slbi signl z 90 %? Koliko znš slbljenje posmezne polovice? 0, izh, [ db] 0 log 0 log 0 db [ db] 0 log 0 db vh, 0,0 + izh [ db] 0 log 0 log 0 db vh 0,0 0,

2 i bezvvičnih zvezh se vlovnje šii po tidimenzionem postou stn od oddjnik vlovnj, kot pikzuje slik. V lošnem se vlovnje zšii po postoskem kotu Ω mnjšem od poeg postoskeg kot 4π.edstvniki bezvvičnih zvez so dijske zveze, mikovlovne zveze, stelitske zveze in nenzdnje svetlobne zveze. Vlovnje, ki se zšij v posto pod postoskim kotom Ω n vpde n povšino A Ω, () kje je zdlj med oddjnikom in ejemnikom in Ω postoski kot oziom zoni kot, pod kteim se iz točke oddjnik vidi kožni izsek. Ob pedpostvki, d je povšin ejemnik mnogo mnjš kot povšin, n kteo se je zšiilo vlovnje (A <<A), znš moč, ki jo dobimo v ejemnik, A Ω od od A A od. (3) Iz teg je zvidno, d je moč ejeteg signl pemosozmen moči oddneg signl od in upd s kvdtom zdlje med oddjnikom in ejemnikom. A O Ω A S Slik : Rzšijnje vlovnj od oddjnik (O) do ejemnik (S) v homogenem pznem tidimenzionem postou. Iz gfične pimejve domet vvične in bezvvične zveze, ki jo pikzuje slik 3, je zvidno, d so vvične zveze bolj pimene z ktke zdlje in obtno, bezvvične zveze pevldujejo pi komunikciji n dolge zdlje. To dejstvo je džlo do let 980, ko se je pojvilo optično vlkno z nizkimi izgubmi in se je mej med vvičnimi in bezvvičnimi zvezmi pktično pomknil peko 00 km. S pojvom nizkoizgubnih optičnih vlken so se vvične komunikcije zčele upobljti tudi z dolge zdlje. od vvične zveze bezvvične zveze vvic e -α zšijnje - Slik 3: imejv ejete moči ( ) z vvične in bezvvične zveze.

3 Slbost vvičnih komunikcijskih, ki pedstvljjo fiksne zveze, je eltivno visok cen pi polgnju kblov. T stošek odpde pi bezvvičnih zvezh, ki omogočjo tudi mobiost upobnikov mobie zveze. Omejitveni dejvniki pi bezvvičnih zvezh so ovie, slbljenje ozčj in upob omejene nvne dobine diofekvenčneg ekt, ki g je potebno zdeliti med zlične upobnike. i vvičnih komunikcijh je fekvenčni ekte mogoče ponovno upobljti n dodtni vvici. sovn šiin zveze se toej enostvno množi s številom upobljenih vvic. ednosti in slbosti ene in duge tehnologije je vedno znov vedn temeljiteg zmislek pi uvjnju novih sistemov v pkso. Vsekko so njbolj uešne ešitve, ki njdejo pvo zmeje upobe med vvično in bezvevično zvezo... imejv vvičnih in bezvvičnih optičnih komunikcij V optičnih komunikcijskih zvezh se lhko z penosno pot svetlobneg žk upoblj bezvvični oziom tko imenovni postozčni sistem li penos po vvici, ki ji pvimo optično vlkno (slik 4). Slbosti neusmejene postozčne zveze so: mjhn zmogljivost zveze (počsen penos infomcij), občutljivost n motnje (domet in kvlitet postozčne optične zveze st odvisn od tmosfeskih pogojev), pogoji zšijnj svetlobe. OTIČN ZVZ BRZVRVIČN ZVZ: VRVIČN ZVZ: ozčje (α>0,5 db/km) pzen posto (α 0 db/km) plstičn vlkn (α> nm) steklen vlkn (α>0, 550 nm) Slik 4: enosne poti v optičnih komunikcijh. V zgodovini so se njpej pojvile postozčne optične zveze. Sti Gki so z komunikcijo upobljli zcl in sončno svetlobo, meiški Indijnci so upobljli dimne signle, v nših kjih so z obmbo ped vpdi Tukov kuili kesove, n ldjh se komunikcij vši s svetilkmi in vno tko je pi železniškem pometu. Dnes so enostvne postozčne optične zveze znimive pedvsem z komunicinje n kjših zdljh do nekj deset metov (bezžične slušlke, dljinsko upvljnje televizoj, zne potivlomilske npve, komunikcij med mobiim teminlom in čunikom,...). Z upobo zbiih leč n obeh stneh se domet tkšne zveze lhko poveč n velikostni zed eneg kilomet, z upobo močnejšeg polpevodniškeg lsej nmesto infdeče svetleče diode p se lhko doseže še večje zdlje. V zdnjem čsu se odpijo možnosti upobe postozčnih optičnih povezv kot podljšek popoom optičneg omežj n mestih, kje je polgnje optičneg kbl nemogoče li pedgo. Optične komunikcije v pznem postou (komunikcij med steliti v vesolju) dosegjo še boljše ezultte, ke v tem pimeu ni bsopcije svetlobe. oblem je izdelv ustezneg fokusineg sistem. Vlovnje v neomejenem postou izgublj moči s kvdtom zdlje. Domet je pi posto zšijjočem vlovnju omejen z mehnizmom zšijnj, ki p ni pisoten pi vvičnih komunikcijh, kje je žek ujet v vlovod. i vvičnih komunikcijh je domet omejen le s snovnimi izgubmi. Osnovni mteil enoodovneg in mnogoodovneg vlkn v komunikcijh (tnotnem in dostopovnem omežju) je kemenovo steklo SiO s pimesmi. Lomni količnik stekl je odvisen od vste in koncentcije pimesi. vo evolucijo v optičnih komunikcijh je povzočil izum stekleneg 3

4 optičneg vlkn, ki pedstvlj optični vlovod, po kteem vodimo svetlobo. Njegov njvečj pednost so mjhne izgube, ki so v nekteih pimeih tudi smo 0, db/km. Z zelo ktke povezve (do 300 m) so iz pktičnih zlogov potencio znimiv poceni mnogoodovn plstičn vlkn. T vlkn imjo pimeno mehnsko odponost in omogočjo pedvsem veliko pktičnost te upobnost v hišnem okolju. N žlost je slbljenj plstičneg vlkn 0, db/m pi 660 nm, k je zelo visoko v pimejvi s SiO vlkni. Sodobnejš plstičn vlkn nj bi imel slbljenje pod 0 db/km v podočju od 850 nm do 300 nm..3. Zmogljivost zveze Njpomembnejše vpšnje v zvezi s komunikcijskim knlom je mksim vednost, s kteo zmoe le-t penšti infomcije. Infomcij se lhko penš s pomočjo signl smo, če se lhko signl eminj. Anlogneg signl, ki potuje po fizičnem knlu, ni mogoče eminjti poljubno hito. Vednost, pi ktei se signl lhko eminj, je določen s psovno šiino. Signl s psovno šiino B se lhko eminj z mksimo vednostjo B. Če se vsk ememb določ z bitom, je mksimlen infomcijski petok B. Z signl, ki se eminj med dvem enegijskim nivojem, je Shnnon let 948 zpisl definicijo infomcije log W + S I. (4) WN Ko immo logitem z osnovo, je infomcij v bitih (dvojiške številke). W S in W N pedstvljt enegijo koistneg signl in enegijo šum, ki je motnj v nši zvezi. Zmogljivost zveze v bit/s podj mksimo količino penesenih infomcij v čsovni enoti di + S C B log, (5) dt N kje je B fekvenčn psovn šiin, S moč koistneg signl in N moč šum. To zmogljivost zveze imenujemo tudi kpcitet penosne poti, ki pedstvlj teoetično zgonjo mejo penosneg knl. Z dosegnje visokih kpcitet knl je nedvomno želen čim večj fekvenčn psovn šiin. V tem pimeu im svetlob, ki se nhj v fekvenčnem psu od 00 THz do 000 THz nedvomne pednosti ped dijskimi vlovi, ki zpolgjo le z nekj GHz..4. lektične vvice Kvliteto elektične vvice definit slbljenje in psovn šiin. Slbljenje izhj neposedno iz domet telekomunikcijske zveze. sovn šiin p nm defini zmogljivost zveze, ki jo bomo izdelli iz izbne elektične vvice. Njpogostejš pedstvnik elektičnih vvic st sukn p (pic) in koksii kbel, ki st pedstvljen n sliki 5. lektično vvico s kkteistično impednco Z k piključimo n geneto in beme. Če je izpojen pogoj R g R b Z k, ni odbojev in popčenj, izgube pi penosu so njmnjše. Sukn p je običjno del štiipneg inštlcijskeg kbl, kje so pi zviti z zličnimi koki. Suknje pov se upoblj z nmenom zmnjševnj pesluhov med njimi. Glede n kvliteto inštlcijski kbel s suknimi pi oznčujemo z UT, FT, S-FT li S-ST. Kkteističn impednc Z k posmezneg sukneg p je 00 Ω. esluhi so mnogo mnjši (-00 db) pi upobi koksiih kblov, kje je elektomgnetno polje zključeno znotj oklop tkeg kbl. 4

5 R g I sukn p Z k R b R g I koksii kbel Z k R b Slik 5: iključitev sukneg p in koksieg kbl. Kkteistično impednco Z k koksieg kbl, ki g pikzuje slik 6, izčunmo z izzom Z k μ Z 60 Ω 0 0, (6) π ε0ε π ε ε kje in pedstvljt polme sednje žile in oklop. μ 0 je pemebiost pzneg posto (vkuum), ktee točn vednost je 4π0-7 Vs/Am. ε 0 je dielektičnost pzneg posto, ki znš 4π 9 0 ε0 9 As/Vm. (7) ε je eltivn dielektičnost snovi glede n pzen posto. Njen vednost je vedno večj li enk en in nim enot. ε δ δ 3 l Slik 6: esek koksieg kbl. Dielektik z nizko eltivno dielektičnostjo je skoj bez izgub in pktično nič ne dopinese k slbljenju. i kovinh pi visokih fekvench pide do tko imenovneg kožneg pojv (ngl. skin effect), ki g pikzuje slik 7. Kožni pojv pi koksiem kblu pomeni, d tok teče smo v koži žile in v koži oklop. To se odž kot dušenje elektičneg polj in slbljenje. Udon globin δ se izčun po izzu δ ωμγ πf μγ. (8) 5

6 δ I 0 0 e ime: Slik 7: ikz kožneg pojv v kovini. Koliko znš udon globin δ v bke, ki im pevodnost γ560 6 S/m, pi fekvench f 00 Hz in f 00 MHz? πf μγ Zdi fekvenčne odvisnosti udone globine lhko sklepmo, d so tudi izgube v koksiem kblu fekvenčno odvisne. oskušjmo jih določiti. Del elektične uponosti koksieg kbl sestvljt del uponosti žile in del uponosti oklop, k pikzuje slik 8. i tem del uponosti žile znš Ž dl γ πδ. (9) Del uponosti oklop zpišemo podobno O dl γ π δ. (0) Vs/Am 56 0 δ 7 6 π 00 Hz 4π 0 S/m πf μγ 7 π 00 MHz 4π 0 Vs/Am 56 0 δ 6 S/m x 6,7 mm 6,7 μm od O od - d Ž dl Slik 8: Uponost koksieg kbl je sestvljen iz uponosti žile in uponosti oklop. Del elektične uponosti, ki je seštevek obeh pievkov, zpišemo kot Ž + O dl +. () πγδ 6

7 Z upoštevnjem izz z udono globino dobimo dl π ωμ γ + 0 Moč, ki se toši n deih uponostih žile in oklop, znš d I. (). (3) Moč, ki se penš po kblu, znš I Z k. (4) Ob upoštevnju zgonjih dveh izzov dobimo difeencio enčbo d. (5) Z k Sedj izvedemo integcijo po celotni dolžini kbl od oddjnik do ejemnik. - d Z od k l 0 dl (6) od π ωμ 0 + γ 60 Ω ε l (7) ωμ0 ε + od γ l (8) Ω π Slbljenje je fekvenčno odvisno. konst. ω (9) Večj kot je fekvenc, mnjš je udon globin in večje so izgube. Izgube koksieg kbl običjno podjmo v decibelih [ db] 0 log od (0) Če pi tem upoštevmo izz (8), dobimo z slbljenje [ db] od 0 ωε ε () 0 0 γ Slbljenje je mnjše, ko je pevodnost žile in oklop večj, zto se nmesto bk (Cu) upoblj sebo (Ag). l 7

8 Rzmeje med in je optimo pi vednosti 3,59, kot pikzuje slik 9. Tkt so izgube kbl njmnjše. + 3,59 / Slik 9: Isknje njboljšeg zmej polmeov z njnižje izgube koksieg kbl. Slbljenje je njmnjše, ko je eltivn dielektičnost snovi ε njmnjš, zto se njvečkt upobljjo pensti dielektiki li distnčniki. Njnižj možn vednost z dielektičnost je, pi čeme dobimo kkteistično impednco 73 Ω. ime: Izčunj slbljenje bkeneg koksieg kbl (γ Cu S/m) s penstim dielektikom (ε ) pi fekvench f 00 MHz in f 400 MHz! olme žile in oklop st določen optimo, pi čeme nj bo peme koksieg kbl mm (/'' {cole}). ε ωμ γ π 60 Ω + -7 πf 4π 0 Vs/Am S/m π 60 Ω 4,5 3,5 0 Cu 4 50 db/km 5 db/km Z nmenom imeti čim mnjše izgube si z želimo čim večjo vednost. oznn je tudi pime, ko je peme oklop neskončno velik oziom g loh ni, kot pikzuje slik 0. Zvez je poznn kot Goubou-jev vod, ji g sestvlj zgolj kovinsk žil obložen z dielektikom. Izgube so v tem pimeu mnjše vend mo biti žic npet in se n njej ne sme nič nbiti (vodne kpljice, umznij,..) Slik 0: Goubou-jev vod. Velik pomeni izdelvo debelih koksiih kblov, z k potebujemo mnogo kovine, k p povečuje ceno. oleg teg se debelih kblov ne lč delti tudi zto, ke se pi večjih dimenzijh zčnejo pojvljti višji odovi. Le-ti so moteči in im dugčno kkteistiko izgub, k pikzuje slik. Fekvenco, pi ktei nstne višji od, imenujemo mejn fekvenc f mejn. f mejn c 0 (0) π ( + ) ε 8

9 ime: Izčunj mejno fekvenco z koksii kbel s penstim dielektikom (ε ), pi čeme nj bo polme žile mm in polme oklop 6 mm. f c π ε 8 30 m/s -3 π( 0 m mejn -3 ( + ) m) GHz TM 0 T TM H f mejn T f Slik : Fekvenčni potek slbljenj z zlične odove. ime: Kbelsk televizij potebuje psovno šiino B400 MHz. N voljo immo ojčevike z ojčnjem G5 db. Izčunj zdljo med posmeznimi ojčeviki! -5 db -5 db G G G G[ db] 5 db L [ km] 0,5 km [ db / km] 50 db/km ~500 m ~500 m ime: Telefonsk zvez z zmogljivostjo C40 Mbit/s im ojčevo egenetoske enote s skupnim ojčnjem G50 db. Izčunj zdljo med posmeznimi enotmi! 50 db G R G R G R ~ km ~ km G[ db] 50 db L [ km] km [ db / km] 5 db/km 9

10 .5. Kovinski vlovodi Kovinski vlovodi so pzne kovinske cevi, po kteih se šii elektomgnetno vlovnje. o obliki so lhko pvokotni li okogli, kot pikzuje slik. N kivinh kovinskeg vlovod pihj do sklpljnj med odovi, k vnš izgube. T TM 0 T 0 Slik : Kovinski vlovodi z zličnimi odovi elektomgnetneg vlovnj..6. Nekovinski vlovodi Izgubm elektomgnetneg vlovnj v kovini se izognemo tko, d ne vodimo elektomgnetno vlovnje po kovini, temveč g poskušmo voditi s pomočjo dielektikov. Slik 3 pikzuje ti tehnološke ešitve z vodenje svetlobe po dielektičnih ceveh. Izmed pikznih je njlžje izvedljiv tetj možnost, ki jo imenujemo optično vlkno. lse detekto L D zbi leč vkuum cev lse L stujnje plin edek plin gost plin cev detekto D edek plin plinsk čplk n < n lse n detekto L n D n Slik 3: Možne ešitve z vodenje svetlobe po dielektiku. 0

11 .7. imejv elektičnih vvic z optičnim vlknom Optično vlkno je bilo njpej nmenjeno dolgim pekoocenskim in zemeljskim zvezm. Dnes se je njegov upob tko zšiil, d ndomešč bkene in koksie vodnike v lokih telefonskih omežjih, kbelskih televizijskih sistemih in čuniških omežjih. ed dugimi vstmi komunikcij imjo optične komunikcije vsj štii velike sistemske pednosti, zdi kteih izivjo duge elektične tekmece n podočju fiksnih zvez:. Slbljenje penosneg medij - optičneg vlkn - je nepimeljivo mnjše kot v kovinskih vodnikih, k omogoč dosegnje velikih zdlj ob zelo mjhnem zmeju npčno ejetih bitov (ngl. Bit o Rte - BR).. i elektičnih vvich lhko znš šiin penosneg ekt do nekj gighecev li deset gighecev, k omogoč digiti penos z dokj veliko bitno hitostjo bit/s, oziom penos velike količine infomcij. o optičnem vlknu lhko penšmo ekte, ki obsegjo celotno diofekvenčno in mikovlovno podočje in še mnogo več, k je z pibližno tisočkt več, kot pi njboljših elektičnih vvich. 3. Občutljivost n zunnje motnje je pi optičnem penosu neopzn, zto lhko dosežemo tudi ekstemno nizko vednost BR, k je potebno z penos podtkov z zelo veliko znesljivostjo. Z inštlteje je bistven pednost pedvsem neobčutljivost n elektomgnetne motnje, k pomeni, d se optični vodniki vsj v teoiji lhko polgjo kjekoli. 4. i povezovnju komunikcijskih npv immo nemlokt pobleme zdi zličnih potencilov, k ločujemo z glvnskimi ločitvmi. i elektičnih vvich je potebno glvnsko ločitev izvesti posebej z ločiimi tnsfomtoji. V optičnih komunikcijh, kje je optično vlkno nepevodni dielektik, je glvnsk ločitev vedno vtomtsko pisotn. elektične vvice optično vlkno izgube velike mjhne fekvenčni ps mjhen velik občutljivost n M motnje velik neobčutljivost glvnsk ločitev v posebnih pimeih vedno komunikcijsk opem enostvn zhtevnejš Slik 4: imej tbel med elektičnimi vvicmi in optičnim vlknom. din pednost, ki jo ped optičnim vlknom zenkt še imjo bkeni tekmeci, je zdi množične poizvodnje cenejš komunikcijsk opem. Nikko ne moemo eči, d je t opem tudi enostvnejš, sj je nek VDSL modem v lošnem mnogo bolj kompleksen kot p optični modem. V zdnjih letih se zvoj posveč pedvsem možnostim izdelve poceni temine opeme z optične komunikcije, k bi omogočilo še šišo upobo optičnih sistemov. V zvezh ktkeg doseg pecej obetjo nove tehnologije z izdelvo lseskih viov.