Tk Sistemi 2

TELEKOMUNIKACION I SISTEMI (2)

Školska 2007/2008. god.

Pregled kursa 

         

Uvod: istorija telekomunikacija, uvodni pojmovi o TK mrežama, model komunikacionog sistema, izobličenja u prenosu signala, šumovi Kablovski sistemi veza (žične linije veza) Analogni sistemi prenosa Digitalni sistemi prenosa (PDH, SDH) Telefonska mreža, IDN, ISDN, signalizacija no. 7 Frame Relay tehnologija ATM tehnologija i B-ISDN xDSL (HDSL, ADSL, VDSL) Lokalne računarske mreže (LAN) Internet i IP tehnologija Multiservisne IP mreže; VoiP, IP televizija 2

Medijumi prenosa (1) 



Medijum prenosa (transmission medium) je fizička veza između dva telekomunikaciona uređaja po kojoj se prenose signali Medijumi prenosa: 

Kablovski  



Žične linije veza Optički sistemi veza

Bežični

3

Medijumi prenosa (2) 

Karakteristike medijuma prenosa:   

Slabljenje Kašnjenje Šum    



Termički Intermodulacioni Preslušavanje Impulsni

Ključni faktori za izbor medijuma prenosa:   

Cena Propusni opseg Gubici pri prenosu 4

Elektromagnetski spektar i njegovo korišćenje u telekomunikacijama

Hz 101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016

10

22

10

24

Simetrična parica Koaksijalni kabl

Optička vlakna

Usmerene veze Satelitski prenos TV, GSM, Wi-Fi

AM radio

Podmornice

ELF

SLF

ULF

VLF

LF

MF

FM radio, TV, radar

HF

Radio

VHF UHF SHF EHF

Mikrotalasi

Infracrveni

UV

X

γ

Vidljivi 5

          

ELF – Extremely Low Frequency, 3Hz– 30Hz SLF – Super Low Frequency, 30Hz– 300Hz ULF – Ultra Low Frequency, 300Hz– 3kHz VLF – Very Low Frequency, 3kHz– 30kHz LF – Low Frequency, 30kHz– 300kHz MF – Medium Frequency, 300kHz– 3MHz HF – High Frequency, 3MHz– 30MHz VHF – Very High Frequency, 30MHz– 300MHz UHF – Ultra High Frequency, 300MHz– 3GHz SHF – Super High Frequency, 3GHz– 30GHz EHF – Extremely High Frequency, 30GHz– 300GHz

6

Žične linije veza 



Jedna vrsta su vodovi izgrađeni od dva provodnika koji se zajedno nazivaju parica; parica provodnici su po pravilu od bakra (Cu) Prema konstrukciji i nameni dele se na :   



Vazdušne vodove Simetrične vodove Koaksijalne vodove

Posebna vrsta su talasovodi kod kojih postoji samo jedan provodnik

7

Vazdušni vodovi (1) 



 

Postavljaju u slobodnom prostoru tako da je izolator između dva provodnika vazduh Na određenim rastojanjima, obično 50 m postavljaju se uporišta (bandere) sa porcelanskim ili staklenim izolatorima na koje se učvršćuju provodnici Rastojanje između dva provodnika je 20 cm. Prečnik provodnika je standardizovan na 1.5mm, 2mm i 3mm. 8

Vazdušni vodovi (2) 



Konstrukcija vazdušnih vodova ih čini osetljivim na stanje u atmosferi, tako da vlaga, kiša, sneg i led pogoršavaju međusobnu izolaciju. Taloženjem atmosferskih padavina na provodnicima povećava se njihova masa, pa uprkos relativno velikom prečniku žica može doći do njihovog kidanja, a time i do prekida linije veze, što vazdušne vodove čini nepouzdanim 9

Vazdušni vodovi (3) 



Budući da provodnici nisu zaštićeni u njima se indukuje visok nivo elektromagnetnih smetnji koje proističu od drugih vodova, atmosferskih pražnjenja, varničenja na električnim objektima i radio talasa. Pošto radio opsezi počinju već od talasnih dužina λ = 2000 m, gornja granična frekvencija primene vazdušnih vodova je fmax = 150 kHz. 10

Vazdušni vodovi (4) 





Često se u blizini vazdušnih vodova nalaze bakarni provodnici koji služe za razvod električne energije. Od ovih provodnika se u vazdušnim vodovima indukuje napon frekvencije 50 Hz, koji u zavisnosti od blizine vodova i načina ukrštanja može biti znatan, što dovodi do oštećenja telekomunikacionih uređaja, a u ekstremnim slučajevima i do opasnosti po život ljudi. Zato se na vazdušnim vodovima moraju postaviti naponski ograničavači.

11

Vazdušni vodovi (5) 

Sve ovo ne preporučuje vazdušne vodove za telekomunikacioni prenos, pa je njihova primena ograničena najčešće na privremena rešenja, ili jeftina rešenja privoda signala do pojedinačnih pretplatnika (kod nas ih ima u ruralnim područjima).

12

Simetrični vodovi (1) 



Čine ih dva provodnika od koji svaki preko bakarne žice ima prevučen sloj od izolatora. Ovo omogućava da se takvi provodnici, odnosno veliki broj parica, spakuje unutar simetričnog kabla.

13

Simetrični vodovi (2) 





Unutar simetričnog kabla nalazi se veliki broj parica, od desetak, pa do više stotina. Da bi se smestio toliki broj vodova unutar nekih razumnih poprečnih preseka kabla prečnik bakarnog provodnika je mali i standardizovan je na 0.32, 04, 06, 0.8, 0.9, 1.2 i 1.3 mm Manji preseci služe za dovođenje signala na kraćim rastojanjima, naprimer do pretplatnika,a provodnici većeg poprečnog preseka koriste se za veća rastojanja, na primer za vezu između centrala.

14

Simetrični vodovi (3) 





Izolacioni sloj iznad provodnika može biti načinjen od hartije ili plastičnih masa. Sloj hartije ima malu debljinu, što je dobro sa gledišta povećenje broja parica unutar kabla, ali hartija, bez obzira što je impregnirana, apsorbuje vlagu, pa nije dobar izolator. Zato je primena vodova sa papirnom izolacijom bila ograničena na pretplatničke vodove, ali se sve više izbacuje iz upotrebe. 15

Simetrični vodovi (4) 





Od plastičnih masa kao izolator se najčešće koristi polivinil hlorid (PVC) i polietilen (PE). Razumljivo da je otpornost na vlagu velika, a i električne karakteristike voda su bolje. Zbog veće debljine izolacionog sloja u odnosu na papirnu izolaciju broj vodova unutar standardizovanog prečnika kabla je smanjen.

16

Simetrični vodovi (5) 



Izolovane bakarne žice se pri konstrukciji kabla međusobno upredaju. Upredanje se vrši kako bi se smanjilo preslušavanje između simetričnih vodova.

Po dva provodnika Po dve parice Zvezda u četvorku

17

Simetrični vodovi (6) 





Upredanje po dva provodnika , kao i ostala upredanja, se vrši prilikom proizvodnje kabla, a korak upredanja je određen tako da se postigne minimum slabljenja. Međusobno upredanje dve parice (prethodno upredene po dva provodnika) daje najbolje električne karakteristike, ali zahteva više prostora. Zato je najčešće u primeni upredanje tipa zvezda u četvorku. četvorku Tako upreden vod se naziva skraćeno četvorka, četvorka koja sadrži dve parice. 18

Simetrični vodovi (7) 







Osnovna karakteristika simetričnog voda, širina propusnog opsega, zavisi od prečnika žice, vrste izolatora i načina upredanja. Upredena dva provodnika sa papirnom izolacijom imaju propusni opseg od 0 Hz do 150 kHz i u tome su kompatibilni sa vazdušnim vodom. Vodovi sa plastičnom izolacijom imaju propusni opseg od 0 Hz do standardizovanih 252 kHz i 552kHz. Kod vodova sa većim prečnikom žice i specijalnih konstrukcija gornja granična frekvencija se može povećati na nekoliko stotina MHz (primena u LAN). 19

Simetrični vodovi (7) 

Simetrični kablovi se polažu   





pod zemljom, pod vodom, kao samonosivi vazdušni simetrični kablovi.

Podzemni kablovi se polažu u unapred napravljenu kablovsku kanalizaciju, ili direktno u zemlju. Od načina polaganja kabla zavisi način izrade omotača. 



Kablovi koji se postavljaju direktno u zemlju moraju da imaju dodatne omotače od čeličnog lima, ili čeličnih traka, sa dodatnom zaštitom od vlage. Zaštita je još veća kod podvodnih kablova, posebno onim pod morem i okeanima jer tada popravka oštećenja na kablu nije moguća. U nekim ekstremnim uslovima prazan prostor između parica u kablu se puni uljem. 20

Simetrični vodovi (8) 

Kablovi koji se polažu u kablovsku kanalizaciju imaju metalni omotač, najčešće u obliku cevi od olova. 







Pored povećanja mehaničke otpornosti strukture i zaštite od vlage, omotač od metala štiti vodove od spoljne električne i magnetne interferencije. Olovni omotač u odnosu na omotače od aluminijuma i čelične trake ima veću savitljivost i time pojednostavljuje proizvodnju, transport i polaganje kabla. Ukoliko se očekuje veći utical vlage preko metalne cevi se prevlači sloj od plastične mase. Kod dobro izvedene kanalizacije i u objektima dovoljan je samo plastrični omotač. 21

Lociranje kablova u poprečnom profilu ulice Telefonski kablovi

E-električni vod visokog napona, P- gasovod niskog napona, V-vodovod pitke vode, Vu-vodovod tehnicke vode, Ps-gasovod srednjeg pritiska, T-telefonski kablovi, Ev-elektricni vod visokog napona, V1-primarni vod pitke vode, K-kanalizacija i Tv-toplovod. 22

Primena simetričnih vodova u računarskim  Neoklopljena parica (UTP - Unshielded Twisted mrežama (1)  

 

Pair) Oklopljena parica (STP - Shielded Twisted Pair) UTP - obična telefonska žica, jeftina i laka za instalaciju, koristi se za LAN; na UTP dosta utiču elektromagnetske smetnje (susedne parice, šumovi) STP oklop (shield) - metalna folija za zaštitu parice 1991. standard EIA-568 (Electronic Industries Association) specificira korišćenje UTP i STP za LAN-ove brzinama prenosa od 1-16 Mb/s 23

Primena simetričnih vodova u računarskim mrežama (2)  1995. EIA-568-A za brzine do 100 Mb/s 

 





kategorija 3 (Category 3 – Cat 3) - 10 Mb/s, zadovoljava min. zahteva za prenos podataka u Ethernet mrežama kategorija 4 (Cat 4) – 16 Mb/s kategorija 5 (Cat 5) – 100 Mb/s, standard za novije LANove (Fast Ethernet)

Najviše se koriste Cat 3 i Cat 5; Cat 5 je jače isprepletena parica, skuplja ali daje bolje performanse mreže Kategorije 5e i 6 – 550 Mb/s i do Gb/s 24

Primena simetričnih vodova u računarskim Isporuka kabla Cat 5e mrežama (3) Rek (montažni orman (namotaji) za Cat 5e)

Konektori za Cat 5e Set alata za konektovanje i testiranje Cat 5e

25

Koaksijalni vodovi (1) 

Sastoji se od dva provodnika:  





unutrašnjeg od pune bakarne žice i spoljašnjeg od bakarne cevi sa spoljnom zaštitom od plastične mase

Između unutrašneg i spoljnjeg provodnika izolaciju čine plastični prstenovi, puna plastična masa (kada se koaksijalni kabl koristi za privod posebnih signala, na primer za vezu između antene i TV prijemnika) Spoljašnji provodnik, radi veće savitljivosti je napravljen od bakarne košuljice 26

Koaksijalni vodovi (2) 

U javnoj telekomunikacionoj mreži prečnici unutrašnjeg provodnika da i spoljašnje cevi db su standardizovani na: 

db / da = 9.5 mm / 2.6 mm (normalni prečnik ili velika tuba) i



db / da = 4.4 mm / 1.2 mm (mali prečnik ili mala tuba).

Oba ova odnosa su 3.6 kada je slabljenje koaksijalnog voda minimalno. Spoljašnji provodnik Zaštitni omotač

Unutrašnji provodnik Izolator

27

Koaksijalni vodovi (3) 





Jedan koaksijalni kabl sadrži od jedne do više desetina koaksijalnih tuba. Spoljna konstrukcija je ista kao i kod simetričnih kablova. U jednom kablu mogu da se zajednički nađu simetrični i koaksijalni vodovi.

28

Primena koaksijalnih kablova (1)  Različite primene za prenos analognih i digitalnih 

podataka: telefonija, kablovska TV, LAN Podela:  



za prenos u osnovnom opsegu (baseband coaxial cable) za širokopojasni prenos (broadband coaxial cable)

Kabl za prenos u osnovnom opsegu:  





za prenos digitalnih podataka jedan kanal za prenošenje samo jedne informacije u jednom trenutku propusni opseg zavisi od dužine kabla, npr. za 1km – 10 Mb/s koristi se za kablovsku TV i neke LAN mreže

29

Primena koaksijalnih  Kabl za širokopojasni kablova (2) prenos koristi se 







za analogni prenos koji je manje osetljiv od digitalnog, pa udaljenosti mogi biti i 100 km, ali i za prenos digitalnih podataka (skuplji i složeniji nego baseband kabl) mogu prenositi integrisane signale govora, podataka i video signale veći domet postiže se pojačanjem, ali se signal može prenositi samo u jednom smeru Problem se rešava korišćenjem 2 tipa širokopojasnih sistema: 



dvostruki kabl (dual cable) - koristi 2 paralelna kabla, jedan za prenos podataka prema glavnom čvoru (head-end), a drugi od tog čvora u suprotnom smeru; računari šalju podatke po jednom, a primaju po drugom kablu jednostruki kabl (single cable) - koristi različite frekvencije za prenos u različitim smerovima po istom kablu 30

Primena koaksijalnih kablova (3) Head-end

Head-end

Niže frekvencije

Više frekvencije

> Dvostruki kabl





> Jednostruki kabl

Za velike brzine prenosa, potiskuju ih optički vodovi koji imaju znatno veći propusni opseg, manje slabljenje i jeftiniji su. Primena koaksijalnih kablova se pomera ka delovima telekomunikacione mreže koji su bliži pretplatniku gde je telekomunikacioni saobraćaj manjeg inteziteta. 31

Talasovod 





Šuplja metalna cev u čijoj unutrašnjosti se prostiru radio talasi. Poprečni presek cevi je kružnog, eliptičnog i pravougaonog oblika, prečnik reda centimetra. Bez obzira na njihov veoma veliki propusni opseg, zbog prednosti optičkih vodova, primena im je ograničena na mikrotalasno područje radio talasa, gde direktno povezuju antenu i udaljen primopredajnik bez konverzije radiotalasa u električnu struju. 32

Primarni parametri voda (1) Vod predstavlja električni medijum prenosa koji 

karakterišu električne veličine:    





otpor, induktivnost, odvodnost i kapacitivnost.

Za razliku od pojedinačnih elemenata gde su ove veličine koncentrisane u nekoj komponenti (otpor, kalem, kondenzator), one se kod vodova zajednički nalaze u svakom njegovom delu, sve do diferencijalno malih dužina. Zato se jedinice tih električnih veličina definišu po jedinici dužine i tako definisane nazivaju se primarni parametri voda. 33

Primarni parametri voda (2)  Primarni parametri voda su:    



podužna otpornost r (Ω/km), (Ω/km) podužna induktivnost s (H/km), (H/km) podužna kapacitivnost c (F/km) i podužna odvodnost g (S/km); (S/km) S (Siemens) = 1 / Ω.

Podužna otpornost r predstavlja redni otpor dva provodnika po jedinici dužine, uzimajući u obzir skin efekat 

Skin efekat – kada naizmenična struja prolazi kroz provodnik, gustina struje nije uniformna već ima tendenciju da se koncentriše na površini provodnika (zavisi od frekvencije). 34

Primarni parametri voda  (3) Podužna induktivnost s nastaje 







delom usled magnetnog polja unutar svakog provodnika (interno, u zavisnosti od skin efekta); blago opada sa porastom frekvencije delom usled magnetskog polja između dva provodnika (eksterno, praktično nezavisno od frekvencije)

Podužna kapacitivnost c odnosi se na permitivnost dielektrika između provodnika (dielektrična konstanta) Podužna odvodnost g nastaje usled:  

Nedostataka izolacije (uglavnom zanemarljiva) Dielektričnih gubitaka koji se povećavaju sa porastom učestanosti g=ω⋅ c⋅ tanδ , gde je δ – ugao gubitka dielektrika 35

Model elementarnog odsečka voda

36

Tipične vrednosti primarnih parametara voda Parametar

Vazdušni

Simetrični

Koaksijalni

r

2-3 Ω/km

25-500 Ω/km

40-80 Ω/km

s

2 µH/km

0.7 mH/km

0.26 mH/km

c

6 nF/km

30-40 nF/km

50 nF/km

g

3 µS/km (lepo vreme) 24 µS/km (kiša)

1 µS/km

14 µS/km

f = 1000 Hz

f = 1 MHz 37





Skin efekat kod koaksijalnog voda (1) U slučaju koncentričnih provodnika struja se koncentriše ka spoljnoj površini unutrašnjeg provodnika i ka unutrašnjoj površini spoljnog provodnika Ekvivalentna sekcija dva provodnika određuje se pomoću veličine koja θ se naziva dubina θ penetracije - θ (m)

    f

da db

ρ – specifična otpornost (Ωm) µ – permeabilnost (specifična magnetna provodljivost) (Vs/Am) f – frekvencija (Hz) 38



Skin efekat kod koaksijalnog voda (2) Za bakar važi ρ =17.5 * 10 Ωm i µ ≅ µ = 1,256 Vs/Am (µ –9

0

0

je magnetna permeabilnost vakuuma), pa se dubina penetracije menja u zavisnosti od frekvencije kao na slici –6

m)

10

5

θ (10

100 10 1 10

4

10

6

10

7

10

8

10

9

10

10

f (Hz) 39



Skin efekat kod koaksijalnog vodau kojima (3)je Pošto su površine delova provodnika

koncentrisana struja približno π daθ a i π dbθ b, podužna otpornost koaksijalnog voda izračunava se iz formule:

a b r    d a a  d b b



   Zamenom izraza za dubinu penetracije  f

r  



0 





a

 da 



b 

 f 

db 

Podužna otpornost raste proporcionalno kvadratnom korenu frekvencije Podužna otpornost zavisi od kvadratnog korena specifične otpornosti 40

Sekundarni parametri voda Iz primarnih parametara voda izvode se dva sekundarna 

parametra voda:  

Zu 

U1 I1

karakteristična impedansa Zc i konstanta prostiranja γ.

Zp

41

Karakteristična impedansa (1) 

Karakteristična impedansa je impedansa koja bi bila izmerena na ulazu beskonačno dugog voda ili voda konačne dužine koji je zatvoren istom impedansom Zc.

U1 Z c  Zu  I1 

za Zp=Zc

Fizički, karakteristična impedansa predstavlja odnos struje i napona u bilo kojoj tački voda.

42

Karakteristična impedansa (2) jϕ c Zc = Zc e

r g

Zc

s c

Veza sa primarnim parametrima:

r + jω s Zc = g + jω c

c 43

Konstanta prostiranja (1) γ = α + jβ Veza sa primarnim parametrima: 

 



  (r  j s )(g  j c )

Realni deo konstante prostiranja α, ima dimenziju dB/km i naziva se koeficijent slabljenja. On pokazuje slabljenje snage signala po jedinici dužine voda Slabljenje signala zavisi od njegove frekvencije α= α(ω) i raste sa porastom frekvencije. Vrednosti koeficijenta slabljenja u zavisnosti od prečnika provodnika su kod simetričnih vodova na frekvenciji od f = 800 Hz i kod koaksijalnih vodova na f = 1 MHz reda veličine 1dB/km.

44

Promena signala duž voda

45

Konstanta prostiranja (2) 







Imaginarnini deo konstante prenosa β ima dimenziju rad/km i naziva se fazni koeficijent. On pokazuje promenu faze signala po jedinici dužine voda. Fazni koeficijent β = β(ω) raste srazmerno kvadratnom korenu frekvencije. Prosečne vrednosti su: 



kod simetričnih vodova na f = 800 Hz reda veličine 1 rad/km. kod koaksijalnih kablova na f = 1MHz β su reda veličine 10 rad/km.

46

Konstanta prostiranja (3) 



Pošto je β(ω) nelinearna funkcija frekvencije komponente signala različitih frekvencija će istu dužinu voda preći za različito vreme, odnosno neće imati istu brzinu prostiranja duž voda Brzine prenosa se povećavaju proporcionalno sa √ω i u sredini propusnog opsega i za niskofrekventne simetrične vodove, visokofrekventne simetrične vodove i koaksijalne vodove su oko 100.000 km/s, 200.000 km/s i 280.000 km/s , respektivno

47

Asimptotsko ponašanje (1) Ako važi relacija r>>ωs i g≅ 0: 

Zc 

r r  e j c c

j

 4

1 1   jr  c  r  c  jr  c 2 2 



Karakteristična impedansa je kompleksna i opada srazmerno kvadratnom korenu frekvencije Koeficijent slabljenja i fazni koeficijent su jednaki i rastu srazmerno kvadratnom korenu frekvencije – postoje amplitudska i fazna izobličenja 48

Asimptotsko ponašanje Ako važi relacija r<<ωs i g≅ 0: (2) s 

Zc 

c

 Zc

r r      sc  j rc  j sc 1  j  j sc  1  j  s 2  s   r c r      sc 2 s 2Zc 2

 



Karakteristična impedansa je realna i ne zavisi od frekvencije Fazni koeficijent linearno raste sa porastom frekvencije – nema faznih izobličenja Koeficijent slabljenja je srazmeran sa r i može se smatrati nezavisnim od frekvencije samo ako je skin efekat zanemarljiv; u suprotnom raste sa kvadratnim korenom frekvencije 49

Preslušavanje (crosstalk) 

Kada su dva voda veoma blizu, oni utiču jedan na drugog usled: 

 



Galvanske sprege, sprege zbog otpornosti između dva provodnika (javlja se i kada je jedan vod povezan na zajedničko uzemljenje – masu) Kapacitivne sprege između dva voda Induktivne sprege koja potiče od magnetskog polja jednog voda koje utiče na magnetsko polje drugog voda (međusobna induktansa)

Posledica: deo signala koji se prenosi jednim vodom pojavljuje se na drugom vodu i obrnuto; ta pojava se naziva preslušavanje i predstavlja neželjen efekat, posebno nepovoljan ako je preslušavanje razumljivo. 50

Preslušavanje na bližem i daljem kraju (1)

Zg=Z

NEXT

FEXT

c

51

Preslušavanje na bližem i daljem kraju (2) na bližem kraju (NEXT – Near End  Preslušavanje





Crosstalk) definiše se kao mera neželjenog signala koji potiče od bližeg kraja ometajućeg voda i meri se na istom kraju ometanog voda. Ne zavisi od dužine voda. Preslušavanje na daljem kraju (FEXT – Far End Crosstalk) definiše se kao mera neželjenog signala koji potiče od bližeg kraja ometajućeg voda i meri se na daljem kraju ometanog voda. Slabi usled propagacije kroz vod. Iako se oba ova fenomena uvek pojavljuju istovremeno, njihovi efekti su različiti:   

Jednosmerni kanali, isti smer, relevantan je FEXT Jednosmerni kanali, suprotni smer, relevantan je NEXT Dvosmerni kanali, relevantni su NEXT i FEXT 52

Smanjenje preslušavanja ukrštanjem provodnika (upredanje)

i p = ( i1 + i2 ) − ( i3 + i4 ) = ( i1 − i3 ) + ( i2 − i4 )

i'p = ( i1 + i4 ) − ( i3 + i2 ) = ( i1 − i3 ) − ( i2 − i4 ) 53

Zaključak 



Iako je tendencija instalacije optičkih kablova (o kojima ćete slušati u zasebnom kursu) evidentna, ne samo u okosnici mreže nego i do krajnjih korisnika, bakarni kablovi su još uvek u upotrebi i ostaće u upotrebi bar narednih nekoliko decenija. Razlozi: 





Zato što instalacije miliona tona bakra već postoje širom sveta (počelo je pre 150 godina) i što ih treba valjano iskoristiti Zato što se pojavljuju nove tehnologije (DSL) koje omogućavaju da parice instalirane do milijardi pretplatnika budu iskorišćene za istovremeni prenos analognog govora i velikih količina brzih digitalnih podataka Zato što se postavlja pitanje isplativosti polaganja optičkih kablova u retko naseljenim područjima (ruralnim) 54