TD_Cap2

2. CANALE DE COMUNICA2. CANALE DE COMUNICAŢŢIIII

TransmisiaTransmisia datelordatelor: prin codare binară se transmite o secvenţă de cifre binare (biţi) “0” şi “1”.

CifreCifre binarebinare: se reprezintă prin semnale electrice

SemnaleSemnale electriceelectrice transmisetransmise: atenuare (amplitudini maimici) şi distorsiuni (alterarea formei)

AtenuareAtenuare şişi distorsiunidistorsiuni: - tipul mediului de transmisie- viteza de transmisie (transfer de date) [bps]- distanţă

2.1. 2.1. MediiMedii de de transmisietransmisie

Oferă canale (linii) fizice de transmisie

Clasificare:g ghidate (de bandă limitată): - cabluri torsadateşi coaxiale

- fibre opticeg neghidate (de banda nelimitată): unde laser,

radio, microunde, infraroşu

2.1.1 MEDII GHIDATE2.1.1 MEDII GHIDATE

gg CablulCablul torsadattorsadat

- Două fire de cupru izolate (grosimea tipică de 1 mm) împletite într-o formă elicoidală pentru a nu forma o antenă (se reduce interferenţa electrică)

- UTP unshielded twisted pair (neecranat)- STP shielded twisted pair (ecranat)

- Utilizate în telefonie: distanţe ≤ 6 km

- Pentru transmisii de date: preţ scăzut şi performanţe satisfăcătoare pentrudistanţe ≤ 1 km

viteza de transfer: (1-2)Mbps pentru distanţe ≤ 1 km

• Z0 - impedanţa caracteristică

• R - rezistenţa

• f - frecvenţa semnalului- pentru Cu:

şi a în cm

• τ - timpul de răspuns

• D - lungimea liniei• k - constantă [(Ω2s)1/2/m]

• L - inductanţa

• ε - permitivitatea dielectricului

: permitivitatea aerului• μ - permiabilitatea conductorului

- pentru un material nemagnetic (de exempluCu) μ → μ0 (permeabilitatea aerului)

2.1.1 MEDII GHIDATE2.1.1 MEDII GHIDATEgg CablulCablul torsadattorsadat -- ParametriParametri caracteristicicaracteristici

• C - capacitatead

a

a[F/m])2/(arcch ad

C πε=

[H/m])2/(arcch adLπμ

=

F/m10854.8 120

0−⋅=

=

ε

εεε r

H/m104 70

−⋅= πμ

][2

arcch10 Ω==

ad

CLZ

εμ

π

]/m[1 21

Ω⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

πρμ f

aR

]/m[1034.8 6 Ω⋅= −afR

][4

2

0

sZ

Dk⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=τ

Important: lărgimea de bandă B a liniei ~ 1/τ

Fig. 2.1. Secţiuneprintr-un cablu torsadat

2.1.1 MEDII GHIDATE2.1.1 MEDII GHIDATEgg CablulCablul coaxialcoaxial

- Lărgimea de bandă mai mare decât la cablul torsadat

- Imunitate la interferenţa electrică

Fig.2.2.Secţiune printr-un cablu coaxial

ParametriiParametrii caracteristicicaracteristici

αc: atenuare conductorαd: atenuare dielectric

φ : unghiul de pierderi• Pentru frecvenţa radio

]m/[ln21

0 Ω==ab

CLz

εμ

π- frecvenţa de tăiere

]MHz[)(

7520

rc ba

fε+

=

- Atenuare

dcGZZR ααα +=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= 0

021

- Conductor din Cu (a, b în [cm])

]Ω/m[11102.4 6 ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +⋅= −

bafR

φω tgCG≈

fπω 2=

]pF/m[)ln(

6.55sau]F/m[)ln(

2ab

Cab

C rεπε==

Conductorextern

Conductorintern

ab

Cablul coaxial - în bandă de bază: - impedanţa 50 Ω⇒TD(transmisii digitale) - viteza de transfer (1÷2) Gbps

- distanţa ≤ (1÷2) km- de bandă largă: - impedanţa 75 Ω (televiziune, telefonie)(transmisii analogice) - lărgimea de bandă (300 - 400) MHz

- distanţa ~ 100 km- modulare: 1bps ~ 1Hz- divizare în mai multe canale prin muxîn frecvenţă (Ex. TV: 6 MHz)

Reţelele de bandă largă: distanţe mari ⇒ amplificatoare electronice ⇒ transmit semnalul într-o singură direcţie

2.1.1MEDII GHIDATE2.1.1MEDII GHIDATEgg CablulCablul coaxialcoaxial

2.1.1 MEDII GHIDATE2.1.1 MEDII GHIDATEgg CablulCablul coaxialcoaxial

(i) cablul dual; (ii) cablul simplu

Fig. 2.3. Reţea de bandă largă: a) cablul dual, b) cablul simplu(ii) Frecvenţe joase pentru emisie şi frecvenţe înalte pentru recepţie- sisteme cu împărţire inegală: subsplit: (5÷30) MHz emisie

(40 ÷300) MHz recepţiehigh-split: (5÷170) MHz emisie

(230÷300) MHz recepţie- sisteme cu înjumătăţire : midsplit: (15÷116) MHz emisie

(170 ÷300) MHz recepţie

Modem

Nod

Conectorcablu

Capăt dedistribuţie

Modem

Nod

Head - end

Emisie

Recepţie

Conectorcablu

a b

Modem

Nod

Modem

Nod

Emisie

Recepţie

Conectorcablu

Buclă cablu cu(de) înjumătăţire

2.1.1 MEDII GHIDATE2.1.1 MEDII GHIDATEgg FibreFibre opticeoptice

Fibra optică⇒ ghid de undă dielectric care funcţionează cu frecvenţe opticeSistem de transmisie optic - sursă de lumină - LED

- Diodă laser- mediu de transmisie: fibră de sticlă- detector - fotodiodă

- fototranzistorConvenţie: prezenţă impuls luminos = “1”; absenţă lumină = “0”Refracţia razei luminoase la trecerea de la un mediu la altul

Fig. 2.4. (a) Refracţia unei raze de lumină în funcţie de unghiul de incidenţă αi; (b) incapsularea luminii prin reflexie totală

impuls electric → impulsluminos

impuls luminos → impulselectric

β1 β2 β3

α1 α2

α3

Aer

SiliciuSursă

de lumină

Reflexietotală

a b


n2

n1 2a

Înveliş 125μm

Miez 8 ÷ 12μm

a

2a

n2 n1

Înveliş 125÷ 140μm

Miez 50 ÷ 200μm

b

2a

n2 n1

Înveliş 125μm

Miez 50μm

c Fig. 2.5. (a) Fibră monomod cu indice treaptă; (b) Fibră multimod cu indice treaptă;

(c) Fibră multimod cu indice gradat

Structura fibrei – miez: dielectric cilindric (sticlă) de rază a şi indice de refracţie n1– înveliş: sticlă cu indice de refracţie n2 < n1


Parametrii caracteristici - apertura numerică:

( ) Δ≈+= 212/12

221

nnnNA (indice treapta) Δ – diferenţa indicelor miez – înveliş

( ) 01.0;112 =ΔΔ−=nn pentru fibră din SiO2: 48.11=n

- atenuarea:]dB[lg10 redB PPA =

Pe: puterea emisăPr: puterea recepţionată- depinde de lungimea de undă a luminii

Fig. 2.6 Atenuarea luminii prin fibră în spectrul infraroşu

2.1.1MEDII GHIDATE2.1.1MEDII GHIDATEgg FibreFibre opticeoptice

Trei benzi pentru telecomunicaţii: 0.85, 1.3 şi 1.55μm

Lărgimea benzii: 25000 ÷ 30000 GHz- viteza de transfer: Gbps pentru distanţe ≤ 30km (monomod)

Tbps în laborator: conversia electric → opticEx. Răspunsul unei fotodiode ≈ 1ns → 1Gbps

- dispersia

Emiţător optic Receptor optic

Fibră multimod

Fig. 2.7


• Conectarea fibrelor - Conectori care se pot lega la un soclu: pierderi = 10 ÷ 20% din lum - Îmbinarea mecanică: aliniere şi fixare mecanică cu cleme: pierderi = 10% - Îmbinare prin topire: pierderi foarte mici

Sursăoptică

Fibră

Emiţător

Conectori

Îmbinări

Fibră optică Conectori

Fibră

Fotodetector

Receptor

Fig. 2.8. Structura unui sistem de transmisie optic

2.1.2 MEDII NEGHIDATE 2.1.2 MEDII NEGHIDATE -- comunicaţiilecomunicaţiile ffăărrăă fir fir

• Spectrul electromagnetic - Electroni în mişcare unde electromagnetice propagare în spaţiu

- prezise: James Clerk Maxwell 1865 - produse şi observate: Heinrich Hertz 1887

m/s103; 8⋅≅= ccfλ (în vid; 2/3 în Cu sau fibră) unde λ = lungimea de undă şi f = frecvenţa

→ →

Fig. 2.9 Utilizarea spectrului electromagnetic în comunicaţii

ITU“International

CommunicationsUnion”


- Unde radio, microunde, unde infraroşii, lumina vizibilă ⇒ transmisiainformaţiei prin modularea amplitudinii (MA), frecvenţei (MF) sau fazei (Mφ)

- Lumina ultravioletă, razele X, razele gama: - greu de produs şi modulat - periculoase pentru fiinţele vii

- Cantitatea de informaţie ~ lărgimea de bandă a undei electromagnetice - frecvenţe joase: câţiva bps/Hz - frecvenţe înalte: 40bps/Hz

Banda de frecvenţe: 2λλλc

ddfcf −=⇒= sau 2λ

λcf Δ=Δ

Convenţii naţionale şi internaţionale pentru folosirea benzilor de frecvenţe: radio AM şiFM, telefoane celulare, poliţie, navigaţie, armată, guvern, etc. USA: FCC Scară globală: ITU – R (WARC): 1991 Spania ⇒ spectre pentru comunicaţii portabile

Transmisii cu bandă îngustă ⇒<<Δ 1/ ff recepţie bună (multi W/Hz) Transmisii cu spectru împrăştiat (spread spectrum): greu de detectat şi bruiat


• Transmisia radio - uşor de generat - penetrează clădirile - omnidirecţionale - VLF, LF, MF → se propagă la sol şi prin obstacole - HF → se propagă în linie dreaptă şi sar peste obstacole

→ sunt refractate de ionosferă • Transmisia prin microunde

- f > 100MHz: undele se propagă în linii drepte - antene parabolice: concentrează energia într-un fascicol îngust - repetoare: h = 100m ⇒ dist. ~ 80km - nu penetrează clădirile

• Undele infraroşii şi milimetrice: - Distanţe reduse: telecomenzi - Nu penetrează obiecte solide: fără licenţă

• Transmisia prin unde luminoase - laser: unidirecţional - nu penetrează ploaia şi ceaţa groasă

2.2 2.2 DistorsiuniDistorsiuni şi zgomoteşi zgomote

Semnal transmis x(t)

Canal - atenuare - bandă limitată- întârziere - zgomot

Real: afectat de

Semnalrecepţionat

Ideal: y(t) = k x(t – t0)

Fig. 2.14

2.2.1 Atenuarea

• Atenuarea semnalului: micşorarea amplitudinii la propagarea printr-un mediu de transmisie ⇒ repetoare(amplificatoare); • Linia de comunicaţii cu fir

Parametri primari: R, L, C, G. tjeutuu ωω 001 sin →=

tjj eejGuu ωωϕω )(02 )( −=

)()()( ωϕωω jejGjG −= : f.d.t. a diportului

-exponent de propagare : ( ) βαωγ jjGuu

+=−=−= lnln1

2

α = –20lg G(jω): atenuarea [dB] a = α l β = ϕ(ω) : defazarea b = β l

u1 u2

R/2

GR/2

L/2

L/2

Fig.2.11 Diport elementar echivalent unei lungimi de linie unitate

2.2.1 Atenuarea

γ: funcţie dependentã de parametri primari ( R,L,C,G ) zyCjGLjRj =++=+= ))(( ωωβαγ z = R + jωL;

y = G + jωL

( ) ))((21

21 22222222 CGLRLCRG ωωωα +++−=

))((21)(

21 22222222 CGLRLCRG ωωωβ +++−−=

Canal ideal 0)()()()( 0

tjejkxjyttkxty ωωω −=⇒−=

0)( tjid kejG ωω −= ⇒=

k1lg20α ct. cu f

⇒= 0tωβ liniar cu f

⇒== 0tdd

g ωβτ ct. cu f : timp de propagare de grup (timpul întârzierii de grup)

(*)

2.2.1 Atenuarea

α ≠ ct. cu f ⇒ distorsiunea de atenuare β ≠ linar cu f ( ct.≠gτ cu f ) ⇒ distorsiunea de fază(de timp de întârziere de grup)

(*) α(ω), β(ω)- atenuarea creşte cu frecvenţa

Linia fără distorsiuni; condiţia lui Heaviside: 1=GLRC

CLC

LC

CR

2+=⇒ α

LCωβ =

Fig.2.12 Răspunsuri ale cablului coaxial de 1.2/4.4 mm de diferite lungimi la impuls

Soluţii: - pupinizare : creşterea lui L prinintroducerea unor bobine echidistante

- egalizare : filtre care să realizezef.d.t. apropiate de cele ideale

2 4 6 8

0.2

10.80.60.4

t [ns]

y(t) x(t)

25 m

100 m200 m

Banda de frecventa si viteza de propagare => distorsiuni

2.2.2 Banda de frecvenţă limitată

• Semnal digital = spectru larg de frecvenţe ⇒ la recepţie ajung numaicomponentele care se încadrează în banda de frecvenţe B a canalului.

• Viteza maximă de transfer (rata de transfer): Nyquist (1924) C=2 B log2M [bps] B: banda de frecvenţã a canalului fără zgomot [Hz] M: numărul de niveluri ale semnalului digital

2.2.3 Distorsiuni de întârziere

• Viteza de propagare de-a lungul unei linii de transmisie ⇒ variază cufrecvenţa semnalului ⇒ distorsiuni de întârziere.

• Linii de comunicaţii cu fir viteze mari de transmisie: anumite frecvenţe asociate cu fiecare bittransmis sunt întârziate ⇒ interferă cu frecvenţele asociate cu bitultransmis ulterior ⇒ interferenţa simbolurilor.

Viteza de propagare => distorsiuni

• Linii de comunicaţii cu fibre optice

-dispersie: impulsul optic suferă o dilatare în timp ⇒ interferenţa simbolurilor Cauze viteza de propagare dependentã de lungimea de undă

mai multe trasee de propagare(moduri), fiecare cu timpul său de propagare

a bt t

y(t)

T T

y(t)

Fig.2.13 Impuls foto detectat în transmisiunea pe un canal optic:

a) ideal; b) real;

2.2.4 Zgomote

• În absenţa semnalului de date canalul va avea: -ideal: semnal electric nul; -real: zgomotul de linie

• Raportul semnal-zgomot în decibeli:

NS

NS lg10

dB=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ [dB]

S: puterea semnalului recepţionat; N: puterea zgomotului

• Canal gaussian, cu zgomot alb şi puterea medie a semnalului mărginită ⇒Shannon (1948): viteza maximă de transmisie C (capacitatea de transmisie acanalului):

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

NSBC 1log2 [bps]

• Zgomot ⇒ nivelul minim al semnalului raportat la nivelul zgomotului:probabilitatea de eroare minimă.

• Zgomote datorate diafoniei

• Zgomotul de fluctuaţie: - agitaţia termică din componente- influenţa unor staţii radio- reţele de energie electrică

• Zgomotul sinusoidal: - reţele şi echipamente de electroalimentarefrecvenţa: 50Hz şi armonici

pt

B

At

A

Ap

aazz

uu

a

zz

uu

a

>>

+=

+=

2

1

2

1

2

1

2

1

lg10lg20

lg10lg20

B – capătul îndepărtat al cablului. A – capătul apropiat al cablului;

u2A

perechea 1 z1 u1A u1B

z1

u0

perechea 2 z2 u2B

z1

telediafonieparadiafonie

2.2.4 Zgomote

2.2.5 Indici calitativi in TD

• probabilitatea de eroare (rata erorilor): probabilitatea de a recepţiona eronat un bit • viteza de transmisie (rata de transfer): TR 1= [bps] • energia pe bit (de durată T) a unui semnal: E = ST [Ws]

• pierderea de energie: 000 NRS

NST

NE

E ===β

N0: densitatea spectrală a zgomotului • pierderea de bandă de frecvenţă: RBB =β

• βE şi βB : consumul de energie şi de bandã la transmisia unui bit canal ideal: CBCR B =⇒→ β

Shannon:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=⇒⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

BNEC

NS

BC

B 022 1log11log

β

[ ]121 −= BBEβββ

2lnlimmin ==∞→

EEB

βββ

: ( limita lui Shannon)

βE

βB

ln 22 3 4 51

123

2.3 2.3 MultiplexareaMultiplexarea canalelorcanalelor de de comunicaţiecomunicaţie

• Mai multe DTE (Data Terminal Equipment) şi un singur canal

• Divizarea canalului ⇒ utilizarea eficientă a capacităţii canalului

• Multiplexare în frecvenţă în timp prin divizarea lungimii de undă

2.3.1 Multiplexare in frecventa

Modulator

1

fp1

fp2

fpn

Σ Canal

FTB 1

Demodulator1

1

Semnale de date

s 2

n

1

Modulator2

Modulatorn

FTB 2

FTB n

fp1

Demodulator2

2

fp2

Demodulatorn

n

fpn

Semnale de date

Fig.2.15 Conceptul de multiplexare în frecvenţǎ

Divizarea unui singur canal fizic de bandă largă (B[Hz]) în mai multe

canale independente (Wi [Hz])

2.3.1 Multiplexare in frecventa

Modulaţia în amplitudine cu purtătoarele de frecvenţe: fp1, fp2, …, fpn.

Canaluln

fp1

W1

Canalul1

Benzi de gardă

f [Hz]

s ( f )

fp2

W2

fpn

Canalul2

Fig.2.16 Semnalul obţinut prin multiplexarea în frecvenţă.

Aplicaţii: − telefonie: banda standard vocalã 300-3400 Hz : Wi ~ 4KHz

– radio, TV: fiecare staţie ⇒ o bandă (B) de frecvenţe; banda TV: Wi ~ 6MHz

– TD

∑=

=n

iiWB

1

2.3.2 Multiplexare in timp

Sistem de transmisie a datelor în banda de bază: un număr de semnale de date setransmit separat printr-un singur canal.

Canals

1

Semnalede date

FTj1

FTj2

FTjn

2

n

FTj1

FTj2

FTjn

1

2

nComutator RComutator E

Fig.2.17 Conceptul de multiplexare în timp

Comutatoarele E şi R: eşantionare

cadru de durată Tc sincronizare


tImpuls de sincronizare un cadru un cadru

n

12

n

12

Fig.2.18 Semnalul obţinut prin multiplexare în timp

Semnal de date de bandă limitată Wi[Hz] ⇒ fe ≥ 2 Wi

Un cadru de durată Tc: nr. de impulsuri în banda de bază

∑==

n

icis TWn

12

Semnalul în banda de bază B[Hz] ⇒ B

Ts 21

≤

∑===

n

icics TWBTn

122 ⇒ ∑=

=

n

iiWB

1


Aplicaţii in telefonie - telefonie: W ≅ 4 kHz ⇒ sWTc μ12521 =≤

: fiecare eşantion ⇒ codificat pe 8 biţi ⇒ MIC (modulaţia impulsurilor în cod)

: sistem cu MIC în Eoropa n = 32 ⇒ cadru: - debitul unei căi: 8∗2W = 64 kbps

- debitul total : 32*64 = 2048 kbs

2.3.3. Multiplexarea prin divizarea lungimii de undă

• Divizarea canalelor optice (fibră de sticlă)

Fibra 1

Pute

re

Fibra 2

Fibra 3

Fibra 4Pute

rePu

tere

λλ

λ Prismă (grilă de difracţie) Fig.2.19 Conceptul de multiplexare prin divizarea lungimii

• Fibrele 1, 2: benzi diferite ⇒ prismă ⇒ fibră comună

2.4 2.4 CanaleCanale de de comunicaţiicomunicaţii publicepublice

Comunicaţii între DTE:

- în aceeaşi clădire - cablu – torsadat, coaxial

– fibră optică - radio

- în clădiri diferite (distanţe mari şi foarte mari)

- sistemul telefonic – reţeaua telefonică comutată publică PSTN: Public Switched Telephone Network

– reţeaua digitală cu servicii integrate ISDN: Integrated Services Digital Network

- sateliţi de comunicaţii, transmisii prin microunde

2.4.1 Reţeaua telefonică comutată publică

• Sistemul telefonic : o ierarhie pe mai multe niveluri.

Oficiufinal

Bucla locală

Trunchiuri de conectare

Trunchiuri debandă foarte largă Bucla locală

Trunchiuri de conectare

Oficiude taxare

Oficii decomutare

intermediareOficiufinal

Oficiude taxare

Fig.2.20 O rută a circuitului pentru o convorbire telefonică pe o distanţă medie

• Sistemul telefonic – Bucle locale( cablu torsadat – transmisie analogică) – Trunchiuri (fibre optice sau microunde- transmisie digitală) – Oficii de comutare


• TD ⇒ bucla locală analogică : modem

CalculatorModem

Digital(cablu scurt)

CalculatorModem

Buclă locală(analogic)

Trunchiuri(digital)

Buclă locală(analogic)

Digital(cablu scurt)

Oficiulfinal

Oficiulfinal Oficiul

detaxare

Fig.2.21 Stabilirea unei legături de date pe linia telefonică comutată

• Fibre optice în bucla locală : servicii evoluate - conectare directă : telefon → oficiu de comutare - „fibră către vecinătate” sistemul telefonic

reţeaua de cablu TV


AbonatOficii de comutare

Fibră

Cutie dejonctiune

Cablu torsadat scurt : ~ 100 m

Cablu TV

Abonat

Abonat Abonat Fig. 2.22 „Fibră către vecinătate”

• Reţeaua digitală cu servicii integrate

ISDN: conductă digitală de biţi (digital bit pipe) între client ş furnizorul de servicii.

Medii de comunicaţii

Comunicaţii locale Comunicaţii la distanţă

Terminal -calculator

Calculator -calculator

Reţeatelecomunicaţii ISDN

MicroundeRadio Satelit

Broadcast

Fără fir

Radio

CuZgomote

Fibrăoptică

Debitscăzut

Cablutorsadat

Debitmare

Cablu torsadatCablu coaxial

<10Mbps

Fibrăoptică

Cablutorsadat

>100Mbps

Cablucoaxial

>10Mbps

TD_Cap2

Documents

Transcript of TD_Cap2