C1-Mediul Electric de Transmisie a Semnalelor
description
Transcript of C1-Mediul Electric de Transmisie a Semnalelor
Medii de transfer a semnalelor
2.1. Canalele de comunicaţii.
Informaţia transformată în semal electric este transferată de la emiţător la
receptor prin intermediul mediului de transmisie care formează canalul de comunicaţie.
Elementele componente ale unui sistem de telecomunicaţii sunt: emiţătorul, canalul de
comunicaţie şi receptorul (fig. 5).
Fig. 2.1 Elementele componente ale unui sistem de telecomunicaţii
Canalele de comunicaţii pot fi:
- ghidate: semnalele sunt restricţionate în interiorul mediului şi nu îl pot părăsi
(cu excepţia unor scurgeri reduse); din această categorie fac parte: linia
bifilară, cablul coaxial, ghidul de undă şi fibra optică;
- neghidate sau radio nedirective (transmisii fără fir - wireless); mediul este
atmosfera, oceanul, spaţiul cosmic în care undele electromagnetice generate
de sursă radiază liber în mediul înconjurător; transmisiile fără fir pot fi
realizate cu: unde radio, microunde, în infraroşu (fig. 2.2).
Fig. 2.2 Clasificarea transmisiilor fără fir
Aprecierea comportării unui canal de transmisie se poate face prin raportul S/Z -
semnal/zgomot. Raportul S/Z este influenţat de:
- distorsiunile liniare şi nelineare introduse de canal;
- semnalele parazite introduse.
Canalele de comunicaţii implică un anumit medu de transfer al semnalelor de
informaţie. Pentru canalele ghidate mediul de transfer poate fi: circuitul electric simetric
neecranat sau ecranat (UTP, STP) sau asimetric (cablul coaxial) sau circuit optic (fibra
optică din cablul optic). În cazul canalelor neghidate mediul este atmosfera terestră în
care se propagă undele electromagnetice (unde radio, microunde, infraroşu).
2.2. Linii electrice de transmisie
O linie de transmisie este formată dintr-un sistem de conductoare prin care se
poate transmite energia electromagnetică între două puncte. Astfel, liniile de telefonie şi
cele din sistemele energetice sunt exemple tipice de linii de transmisie. În
Medii de transfer a semnalelor
Ioan D. Oltean
18
telecomunicaţii liniile de transmisie se folosesc la transferul semnalelor la puteri mici
sau la transferul energiei de radiofrecvenţă de la emiţător la antenă în cazul puterilor
mari. Una dintre caracteristicile importante ale unei linii de transmisie este aceea de a
ghida energia de la sursă la sarcină fără pierderi prin radiaţie.
Liniile de transmisie pot fi simetrice (de exemplu linia bifilară) şi asimetrice
(cablul coaxial, liniile plane tip microstrip şi stripline).
Mediul electric de transfer al semnalelor constă în liniile de transmisie de
diferite tipuri şi caracteristici (fig. 2.3).
Fig. 2.3 Linii de transmisie: a) cablu coaxial, b) linie bifilară, c) microstrip, d) stripline, e)
ghid de undă plan
Linii bifilare cu conductori paraleli sau tip panglică (fig. 2.4) reprezintă mediul de
transmisie cel mai simplu. Într-o astfel de linie, fiecare conductor este izolat şi liber în
spaţiu (fig. a). Acest tip de linie este folosit pentru conectarea a două terminale DTE aflate
la distanţă mică (<50m) şi folosirea unei rate de transmisie modestă (<19.2Kbps).
Semnalul (de obicei nivel de tensiune sau curent) este aplicat pe unul din conductoare, iar
referinţa este pământul (masa) (fig. 2.4.a) sau cu referinţa pe celălalt conductor (fig. 2.4.b).
Variantele prezentate în figura 2.4.a şi b sunt predispuse la perturbaţii induse. Reducerea
perturbaţiilor induse pe linie se poate obţine prin transferul simetric al semnalelor în raport
cu potenţialul de referinţă (masa electrică- pământ) folosind la intrarea şi ieşirea liniei
transformatoare de separare cu priză mediană (fig. 2.4.c).
Fig. 2.4 Linii bifilare; a) cu un fir – circuit neechilibrat faţă de pământ; b) cu două fire – circuit
neechilibrat faţă de pământ; c) cu două fire – circuit echilibrat faţă de pământ
Suportul fizic al reţelelor
Ioan D. Oltean
19
Liniile tip panglică cu două fire (fig. 2.5.a) se pot folosi şi pentru interonectarea a două
DTE, dar de obicei sunt utilizate pentru conectarea unui DTE (Data Terminal Equipment)
cu un DCE (Data Communication Equipment - de ex. modem). Astfel de conexiuni
folosesc de obicei mai multe linii utilizând câte un fir pentru fiecare semnal şi un singur fir
pentru masa comună. Setul complet de fire poate fi sub forma unui cablu multifir
(multicore cable) sau cablu plat (panglică – fig. 2.5.c).
Fig. 2.5 Linii de transmisie simetrice, a) Linii bifilare tip panglică, b) Linii bifilare
torsadate, c) cablu panglică multifilar
Liniile de transmisie paralele prezintă următoarele dezavantaje:
a) diafonia – influenţa semnalelor din circuitele învecinate asupra celor din linia
bifilară, precum şi a acesteaia asupra circuitelor din apropiere;
b) influeţa semnalelor perturbatoare induse datorate radiaţiei electromagnetice a altor
surse de semnale electrice.
Problema principală a interferenţei semnalelor este că aceasta se poate produce numai
în unul din fire (de exemplu în firul de semnal, nu şi în firul de masă) cum receptorul
interpretează diferenţa de semnal dintre cele două fire va rezulta la recepţie alături de
semnalul util şi semnalul de zgomot.
La o linie de transmisie cu conductoare paralele situate la distanţa s (liniea bifilară)
strabătută de curenţii I1 şi I2 (fig. 2.6.a) în jurul conductoarelor apare un câmp magnetic H,
iar între conductoare un câmp electric E (fig. 2.6.b). Atunci când liniile de câmp
intersectează circuite electrice aflate în vecinătate vor induce în aceste circuite tensiuni
perturbatoare.
Fig. 2.6 Linia de transmisii cu conductoare paralele a) Geometria şi curentul din conductoare, b) Liniile de câmp E şi H
E
H
Medii de transfer a semnalelor
Ioan D. Oltean
20
Zgomotul de diafonie care rezultă datorită semnalului perturbator din circitele
învecinate se sumează cu semnalul util transferat pe linia bifilară cu conductoare
paralele (fig. 2.7.a). Reducerea semnalelor perturbatoare poate fi obţinută schimbarea
periodică a sensului curenţlor pe linie (transpoziţie) - (fig. 2.7.b), situaţie în care
tensiunile perturbatoare induse fiind cu sensuri opuse se anulează.
Fig. 2.7 Sensul curenţilor pe linii bifilare, a) Linia cu conductoare paralele, b) Linia cu
conductoare cu poziţii transpuse
2.2.1. Cablurile cu linii bifilare
Cablurile cu linii de transmisii bifilare conţin mai multe perechi de conductoare
paralele sau torsadate (răsucite) cu sau fără ecran electric.
Liniile în cablu simetric au fost folosite în special în telefonia de distanţă în
sistemele de curenţi purtători, având până la 120 de căi în gama 12 - 552 kHz, sau chiar
180 de căi, circuitele pe 4 conductoare. Folosirea lor la frecvenţe mai înalte este
limitată, ca în cazul liniilor aeriene, datorită efectul pelicular şi de radiaţie al
conductoarelor.
Conductoarele din cablu, din cupru sau aluminiu, izolate iniţial cu hârtie apoi cu
material plastic, sunt răsucite în perechi sau câte 4 la un loc, cu scopul de a se realiza o
interferenţă electromagnetică minimă între perechi. În cazul răsucirii a câte 4
conductoare împreună se obţine un coeficient de umplere mai mare cu 40%, dar
diafonia creşte. Liniile sunt grupate în cabluri cu perechi: terţe, cuarte, quinte, etc. În
figura 2.8 se indică modul de grupare a liniilor bifilare în cuartă dispuse în stea.
Capacitatea dintre conductoare este mult mai mare decât la liniile aeriene, efectul
acesteia făcându-se simţit la frecvenţe înalte. Reducerea capacităţii se poate face prin
creşterea distanţei dintre conductoare din cablu, lucru care ar creşte costul şi ar micşora
numărul de conductoare din cablu respectiv.
Suportul fizic al reţelelor
Ioan D. Oltean
21
La cablurile pentru subteran grupul de conductoare este protejat mecanic, fiind
înfăşurat într-o manta de plumb. Întrucât cablul se montează în subteran, pentru
protejarea circuitelor contra apei, se montează o folie de aluminiu în interiorul cablului,
sau se umple cu un gel pe bază de petrol.
Caracteristicile linilor bifilare
Inductanţa L este dată de câmpul magnetic dintre conductoare care apare atunci
când acestea sunt parcurse de curent. Valoarea inductanţei se poate calcula în funcţie de
dimensiunile conductoarelor şi de geometria dispunerii acestora.
Inductanţa şi capacitatea liniei de transmisie depind de următorii factori:
- modul de realizare a liniei de transmisie (a cablului din care face parte linia);
- numărul şi grosimea ecranelor electrice;
- numărul conductoarelor din cablu;
- izolaţia electrică folosită.
Se condideră linia bifilară având conductoare cu diametrul 2a şi distanţa d dintre
acestea (d>>a), conectată cu un capăt la un generator de semnal şi cu celălalt capăt
conectat la rezistenţa de sarcină. Inductanţa proprie L se determină conform relaţiei de
definiţie I
L . La distanţa r de conductorul 1 inducţia magnetică B1(r) produsă de
acesta este r
IrB
2)( 0
1 , iar conductorul 2 produce inducţia )(2
)( 02 rd
IrB
Fluxul magnetic total Φ prin zona cu lăţime dr şi lungime l conturul dat de cablu cu
diametru conductorului interior d=a, diametrul exterior D=b şi cu lungimea l (fig. 2.9)
se calculează cu relaţia:
a
dlIldrrBrB
d
aln)]()([ 0
21
(2.1)
Inductanţa proprie pe unitatea de lungime a liniei pentru d>>a este:
a
dL ln0'
(2.2)
Fig. 2.8 Modul de grupare a liniilor bifilare cuartă în stea
Medii de transfer a semnalelor
Ioan D. Oltean
22
Fig. 2.9 Explicativă la calculul inductanţei liniei bifilare
Capacitatea C asemănător cu condensatorul plan este data de geometria
conductoarelor, distanta dintre acestea şi natura dielectricului εr.
Viteza de propagare vp a undei (energiei electrice) de-a lungul liniei de
transmisii depinde de caracteristicile electrice şi magnetice ale mediului prin care are
loc propagarea. Printr-o linie electrică la care între conductoare se află un material cu
proprietăţi dielectrice viteza undei se calculează cu relaţia:
cVFcv
c
LCv
r
p
rr
p
1
11
00 (2.3)
unde:
00
1
c - viteza luminii,
r - permitivitatea dielectrică relativă a dielectricului; pentru aer: r=1 şi
v=c.
VF – factor de velocitate (VF<1).
Timpul de tranzit td al semnalului printr-o linie de transmisii se poate determina
în funcţie de lungime l a liniei şi de viteza de propagare:
LClv
lt
p
d (2.4)
Impedanţa caracteristică Zo
Într-o linie de transmisii raportul dintre valoarea maximă a tensiunii undei
progresive şi valoarea maximă a curentului este o constantă şi poartă denumirea de
impedanţă caracteristică a liniei - Zo. Această mărime se poate determina în funcţie de
parametrii echivalenţi R, L, C, şi G distribuiţi de-a lungul liniei (fig. 2.10). Conductanţa
G corespunde pierderilor prin mediul dielectric din jurul conductoarelor. În cazul unui
dielectric perfect pierderile sunt nule şi conductanţa G este infinită.
Suportul fizic al reţelelor
Ioan D. Oltean
23
Fig. 2.10 Schema echivalentă a unei linii de transmisie
Valoarea impedanţei caracteristice Z0 se calculează cu relaţia:
C
Gj
L
Rj
C
L
CjG
LjRZ
0 (2.5)
La frecvenţă mare GCRL , şi impedanţa caracteristică devine:
C
LZ 0 (2.6)
În acest caz schema echivalentă a liniei bifilare conţine numai inductanţe L’ şi
capacităţi distribuite C’ de-a lungul acesteia (fig. 2.11).
Fig. 2.11 Schema echivalentă simplificată a liniei bifilare
La transmisia semnalelor armonice prin linii de transmisie fără pierderi valorile
amplitudinilor de tensiunii V(x) şi curentului I(x) de-a lungul liniei sunt date [2] de
ecuaţiile:
)()()exp()exp()(
)()()exp()exp()(
0000
0000
xIxIxjIxjIxI
xVxVxjVxjVxV
(2.7)
Unde exp (-jβx) reprezintă unda care se propagă în sensul pozitiv al axei Ox, iar
exp (+jβx) reprezintă unda care se propagă în sensul negativ al axei Ox.
Constanta de propagare β este dată de relaţia:
LC (2.8)
Medii de transfer a semnalelor
Ioan D. Oltean
24
Valoarea curentului se poate determina în funcţie de tensiunile V(x) şi de
impedanţa caracteristică a liniei:
)]()([1
)(0
xVxVZ
xI (2.9)
Ecuaţiile (2.7) arată că pe o linie de transmisii se propagă două unde.
Considerând un semnal armonic care se aplică de la un generator de pulsaţie ω pe linia
de transmisii se obţine o unda directă în direcţia (-x). În complex tensiunea
corespunzătoare undei directe Vd=V+(x, t) şi a undei inverse se scriu sub forma:
)(
00),( xtjxjtj
d eVeeVVtxV (2.10)
)(
00),( xtjxjtj
r eVeeVVtxV
Atunci când pe linia de transmisii sunt prezente cele două unde de tensiune:
directă Vd şi reflectată Vr, tensiunea de-a lungul liniei este dată de suma contribuţiilor
celor două unde:
)(
0
)(
0),( xtjxtj
rd eVeVVVtxV (2.11)
Parţile reale ale termenilor ecuaţiei (2.11) vor fi în fază de-a lungul liniei în
punctele situate la distanţa 2
. În aceste puncte tensiunile undelor vor fi în fază şi
valorile tensiunii vor fi date de suma amplitudinilor celor două unde:
rdMAX VVV , (2.12)
rezultând maxime de tensiune VMAX.
La jumătatatea distanţei dintre maximele de tensiune undele sunt în antifază şi
valorile tensiunii vor fi date de diferenţa amplitudinilor celor două unde:
rdMIN VVV , (2.13)
rezultând minime de tensiune VMIN.
Raportul dintre cele două valori extreme corespunzătoare maximilor şi
minimelor de tensiune poartă numele de coeficient sau raport de undă staţionară de
tensiune SWR (VSWR - Voltage Standing Wave Ratio):
rd
rd
MIN
MAX
VV
VV
V
VSWR
(2.14)
Valorile coeficientului de undă staţionară ),1( SWR . Atunci când Vi=0,
rezultă că SWR=1, deci nu există unde reflectate şi transferul energiei este maxim, iar
când SWR rezultă că rd VV şi pe linia de transmisii există unde staţionare.
Suportul fizic al reţelelor
Ioan D. Oltean
25
Modificarea impedanţei unei linii de transmisie
Atunci când o linie de transmisii este terminată pe o impedanţă Z diferită faţă de
impedanţa caracteristică ( 0ZZ ) se produce o modificare (transformare) a impedanţei.
Considerând că sursa generează o unda directă (rel. (2.10)) pe linie apare şi unda
reflectată atunci când 0ZZ . Amplitudinea undei reflectate depinde diferenţa dintre
cele două impedanţe, respectiv de factorul Г care poartă numele de coeficient de
reflexie. Valoarea coeficientului de reflexie se stabileşte cu relaţia:
0
0
ZZ
ZZ
(2.15)
Din relaţia (2.15) rezultă că coeficientul de reflexie 0 atunci când 0ZZ ,
deci nu sunt unde reflectate, iar transferul de energie este maxim.
La o linie de transmisii impedanţa caracteristică are un caracter preponderent
rezistiv, deci 0, 000 XiarRZ . În acest caz coeficientul de reflexie Г are valoarea:
22
0
22
0
)(
)(
XRR
XRR
(2.16)
Pierderile de reflexie RL (Return Loss) care apar ca urmare a neadaptării
impedanţei liniei cu impedanţa sarcinii se calculeză pe baza puterilor directe Pd şi
reflectate Pr sau în funcţie de coeficientul de reflexie Г:
lg20lg10d
r
P
PRL [dB] (2.17)
Atenuarea semnalului transferat prin liniile de transmisie se datorează
pierderilor de natură electrică, respectiv în rezistenţa electrică a conductoarelor
(pierderilor în cupru) şi piederilor în materialul dielectric aflat între acestea. Pierderile
electrice şi dielectrice duc la transformarea în căldură a unei părţi din puterea sursei de
semnal.
Pierderile în rezistenţa electrică a conductoarelor PCu sunt proporţionale cu
pătratul curentului care le străbate ( 2IRP CuCu ). Rezistenţa conductoarelor creşte
odată cu frevenţa datorită efectului pelicular (skin effect). Ca urmare a efectului
pelicular pierderile se majorează la creşterea frecvenţei de transmisie.
Pierderile în dielectric la liniile de transmisie sunt la fel ca cele din
condensatoare proporţionale cu tgδ al materialului dintre conductoarele pe care are loc
transmisia semnalului.
Pierderile prin radiaţie şi prin inducţie se manifestă prin transferul unei părţi din
energia vehiculată prin lina de transmisii în mediul aflat în vecinătate. Pierderile prin
inducţie se manifestă numai atunci când mediul din vecinătate este conductor electric şi
în acesta se induce o parte din energia transferată pe linie.
Atenuarea semnalului care este tranferat pe linii de transmisie, ca urmare a
pierderilor proprii liniei se stabileşte ţinînd seama de existenţa undelor directe şi
reflectate de-a lungul liniei. Reducerea valorii semnalelor pe o linie de transmisii se
evaluiază prin introducerea unui coeficient α denumit coeficientul de atenuare al liniei.
Acest coeficient arată că la distanţa (1/α) faţă de sursa de semnal amplitudinea undelor
Medii de transfer a semnalelor
Ioan D. Oltean
26
de tensiune scade cu (1/e), iar puterea acestora cu (1/e)2. Atenuarea care este
proporţională cu lungimea liniei se exprimă în dB/lungime (exemplu: dB/m, dB/100 m,
sau dB/ km).
În reprezentarea undelor dispunerea spaţială a acestora se face prin termenii xje pentru unda directă şi xje pentru unda reflectată, iar atenuarea prin xje .
Atenuarea de inserţie a unei linii de transmisii corespunde efectului cumulat al
atenuării liniei şi a atenuării de reflexie.
Cabluri cu perechi torsadate
Din anul 1990 s-a adoptat norma 10 BASE T pentru transmisii în banda de bază
la 10 Mbiţi/s folosind perechi torsadate sau cablu UTP (Universal Twisted Pair) având
caracteristicile următoare:
- cablu multi-perechi, perechi neecranate individual;
- diametrul conductoarelor: 0,4 – 0,6 mm;
- impedanţa caracteristică:Z0= 100 ± 15Ω în domeniul de frecvenţe 1-16 MHz;
- lungimea maximă a unui segment de cablu: aprox. 100 m;
- atenuare mai mică decât 11,5 dB în banda de frecvenţă 5-10 MHz;
- viteza de propagare a semnalului: cc
vr
p 585,0
.
Cabluri cu perechi torsadate (cu câte două conductoare răsucite) sunt soluţiile
economice pentru transferul semnalelor analogice AF (telefonie) şi pentru transmisiile
de date cu rate de până la sute Mbps la liniile de comunicaţii cu l≤100 m. La distanţe
mai mari transferul se poate face dar cu rate de transfer mai scăzută. Aceste cabluri sunt
întâlnite cu abrevierea UTP (din limba engleză - Unshielded Twisted Pair) sau STP
pentru cele ecranate (Shielded Twisted Pair). Perechea este formată din două
conductoare identice torsadate uniform pe unitatea de lungime (tipic, 40 răsuciri/m).
Prin tăsucirea conductoarelor, la fiecare buclă, tensiunile perturbatoare induse au sensuri
opuse (fig. 2.12.a). În conductoarele perechii care transmit semnalele de la emiţător (Tx)
spre receptor (Rx) curenţii perturbatori induşi I având sensuri opuse (+I şi –I) efectele
lor se anulează la intrarea receptorului Rx (fig. 2.12.b).
a) b)
Fig. 2.12 Sensul mărimilor perturbatoare la o linie UTP, a) Fluxul magnetic, b)
Curentul I dintre emiţător şi receptor
Interferenţele la perechile din cablul cu fire torsadate sunt reduse prin metodele
de transmisie folosite. În sistemul de perechi semnalele sunt la fel ca imaginea în
oglindă, fiind transmise simultan semnalele TX+ şi respectiv TX-. Deoarece firele au
aceiaşi lungime şi aceiaşi construcţie acestea sunt străbătute de semnale cu aceiaşi
viteză. Prin aceasta semnalele parazite din exterior se suprapun peste semnalele din
ambele fire la fel. Prin folosirea unui amplificator diferenţial semnalele cu amplitudini
egale şi cu polarităţi opuse efectul acestora se anulează. În acelaşi mod se anulează şi
Suportul fizic al reţelelor
Ioan D. Oltean
27
semnalele de curent induse de câmul magnetic exterior. Acest tip de cablu poate fi
considerat cu auto-ecranare la semnale perturbatoare exterioare.
Pentru un sistem digital full-duplex cu tranmisie simetrică sunt necesare două
perechi de de conductoare torsadate şi ecranate individual şi pe ansamblu.
Izolaţia conductoarelor şi cea a cablurilor UTP este policlorura de vinil (PVC) şi
polimer fluor-carbon. PVC-ul este un material plastic foarte flexibil, dar inflamabil.
Proprietăţle dielectrice îl recomandă la cablurile UTP până la categoria 5. La cablurile
CAT-6 şi CAT-7 se foloseşte izolaţie din polyolefin (mult mai scumpă).La cablurile de
reţea pe lângă firele de cupru izolate se foloseşte un fir cord (fir metalic) pentru
creşterea rezistenţei mecanice la solicitări de alungire (fig. 2.13.b).
Pentru a se putea face distincţie între perechi culoarea izolaţiei conductoarelor
este diferită, respectiv o culoare primară şi una secundară cu o dispunere tipică în
conector (tabelul 2.1).
Capacitatea proprie a conductoarelor izolate şi răsucite (perechea) este
C=40…160 pF/m, permiţând o bandă de frecvenţă şi o rată de transfer bună.
Secţiunea conductoarelor este cea care determină căderea de tensiune şi în
funcţie de aceasta rezultă distanţa maximă recomandată.
Fig. 2. 13 Cablu cu perechi torsadate a) Formarea perechilor torsadate, b) Părţi componente.
La varianta de cablu STP se foloseşte un ecran în jurul conductoarelor şi al
perchilor de conductoare pentru a reduce efectul perturbaţiilor de natură
electromagnetică (fig. 2.14).
Fig. 2. 14 Secţiune prin cablu STP.
Medii de transfer a semnalelor
Ioan D. Oltean
28
În anii 1970 şi ’80 a crescut interesul pentru utilizarea cablurilor cu perechi
torsadate şi în domeniul comunicaţiilor de date. În acest sens s-au stabilit normative
pentru aplicarea cablurilor UTP în comunicaţii de date până la 100 Mbps.
Standardul EIA-568 clasifică cablurile UTP în cinci categorii după cum
urmează:
Categoria I (CAT-1)- cabluri folosite în telefonia analogicã clasică (Low-speed
data and analogue voice);
Categoria a II-a (Low Speed Data) (CAT-2)- cabluri folosite în telefonia
analogicã şi digitală care oferã transmisii de date la viteze reduse;
Categoria a III-a (High Speed Data) (CAT-3)- cabluri folosite în realizarea
reţelelor locale cu rate de transfer de pânã la 10 Mbps;
Categoria a IV-a (Low Loss, High Performance Data) (CAT-4) - cabluri cu
performanţe ridicate din punct de vedere al atenuării şi al vitezei de transmiei;
sunt folosite în reţele cu rate de transfer de ordinul zecilor de Mbps.
Categoria a V-a (Low Loss, Extended Frequency, High Performance Data)
(CAT-5)- cabluri folosite în relizarea reţelelor locale cu rate de transfer de pânã
la 100 Mbps.
Viteze de transfer limită ale cablurilor UTP sunt următoarele:
CAT-3 10Mbit/s
CAT-4 20Mbit/s
CAT-5 100 Mbit/s
CAT-5e/6 350 Mbit/s
CAT-7 1 Gbit/s
Cel mai raspândit cablu este cel de categoria 5 care permite utilizarea
protocoalelor Ethernet la 100 Mbps. Acesta foloseşte conductoare cu diametrul d=0.405
sau d=0.644 mm (22 sau 24 AWG) şi impedanţa caracteristică Z0=100 Ω.
Cablurile UTP sunt reglementate prin standardul American TIA/EIA. Una dintre
ultimile versiuni a standardului EIA/TIA este 568B. La capete se folosesc conectoare
RJ-45 modulare. Pinii 1 si 2, 3 si 6, 4 si 5, 7 si 8 se conectează la câte o pereche de
conductoare. Nerespectarea standardului de conectare conduce la o creştere a diafoniei.
Culorile pentru izolaţia conductoarelor şi poziţia acestora în standardul TIA 568B este
dată în tabelul 1.2.
Tabelul 2.1 Culorile conductoarelor şi poziţia în conectorul RJ-45
Nr. pereche Culoarea
primară
Culoarea
secundară
Poziţia în
conector
1 Albastru
alb 4, 5
2 Portocaliu
alb 2, 1
3 Verde
alb 6, 3
4 Maro alb 8, 7
Ecranarea electromagnetică se realizează prin folosirea unui ecran conductor
electric care înconjoară conductoarele prin care are loc transferul semnalelor (fig. 2.15).
Unele cabluri STP (shielded twisted pair) cum ar fi cablurile tip 1 - IBM au un
ecran în forma de împletitură. În plus fiecare pereche individuală este în înfăşurată într-
o folie de ecranare. Pentru Ethernet se utilizează uzual ecranajul CAT 5.
Suportul fizic al reţelelor
Ioan D. Oltean
29
Fig. 2.15 Transferul semnalelor prin conductoare ecranate
Unele variante ale ecranării CAT 5 au o folie completă de ecran în jurul celor
patru perechi, în timp ce altele au folii de ecranare în jurul fiecărei perechi. Acestea sunt
denumite STP (screened twisted pair) sau FTP (foil twisted pair).
La realizarea legăturii de date cu cablu UTP distanţa de transfer poate fi de până
la 100 m. Distanţa poate ajunge la 150 m dacă se folosesc cabluri din CAT 5.
Avantajele cablului UTP
- permite conectarea uşoară a dispozitivelor;
- se pot folosi atât la transferul semnalelor de voce, cât şi de date;
- varianta STP reduce perturbaţiile electromagnetice;
Dezavantajele cablului UTP
- cablul UTP este susceptibil la perturbaţii;
- atenuarea cablului UTP este relativ mare;
- cablul STP este rigid fiind mai dificil de folosit.
2.3. Cablul coaxial La cablurile de transfer a semnalelor cu linii bifilare cu conductori paraleli şi
neecranate frecvenţa maximă este limitată în special datorită diafoniei. La frecvenţe
înalte se manifestă, de asemenea, efectul pelicular şi de radiaţie al firului (lungimea
firului este de acelaşi ordin de mărime cu lungimea de undă, linia comportându-se ca o
antenă care radiază energie în spaţiu). Aceste efecte conduc la creşterea pierderilor şi
influenţe reciproce între circuitele învecinate.
Cablul coaxial se compune dintr-un conductor monofilar sau multifilar
înconjurat de o manta cilindrică (ecran). Spaţiul dintre mantaua cablului (tresa) şi
conductor, este ocupat de un dielectric (izolaţie internă) cu permeabilitate electrică
relativă εr (fig. 2.16). Ansamblu format este acoperit de o izolaţie exterioară cu rol de
protecţie.
Fig. 2.16 Cablul coaxial, a) Constructie, b) Secţiune.
Cablul coaxial a apărut în urma utilizării ecranului cablurilor simetrice drept al
doilea conductor. Aceste cabluri au devenit mediul de transmisie pentru sistemele de
transmisii de date, telefonie cu curenţi purtători şi CATV. Cablul coaxial este folosit, de
asemenea ca mediu de transmisie pentru reţelele locale de tip Ethernet. Pentru realizarea
transmisiilor de date este folosit cablul coaxial în bandă largă care are o impedanţă de
Medii de transfer a semnalelor
Ioan D. Oltean
30
50 Ω. La cablul coaxial conductorul central realizat din fir de cupru masiv sau liţat este
înconjurat de conductorul cilindric exterior care constituie referinţa de semnalului
(conductorul de masă) care se transmite prin acest mediu.
Efectul de ecranare nu este eficient la frecvenţe joase, câmpurile magnetice
externe de joasă frecvenţă putând pătrunde prin conductorul exterior şi induce semnale
în cel interior, motiv pentru care cablurile coaxiale nu se folosesc la frecvenţe sub 60
kHz. În cablurile telefonice ce conţin şi perechi de fire în cablu simetric, se recurge la
ecranarea magnetică a cablurilor coaxiale, prin învelirea cu fâşii de permalloy.
Ecranarea dublă se practică folosind un ecran din împletitură de cupru (fig. 2.16.a)
şi un ecran din folie, de cupru sau de aluminiu (fig. 2.17.b). Ultima varianta asigură o
ecranare superioară fiind recomandată pentru CATV.
Fig. 2.17 Construcţia cablului coaxial a) ecranarea simplă, b) ecranarea dublă
În cazul ideal spaţiul între doi conductori ar trebui să fie aer. În practică însă, acesta
este un material dielectric solid sau de tip fagure, material caracterizat prin pierderi
dielectrice reduse la frecvenţă mare şi având o permitivitate dielectrică relativă r..
Cablul coaxial poate fi folosit pentru comunicaţii la sute de metri şi cu o rată de 10 -20
Mbps.
Distanţarea conductoarelor din cablu se poate face cu elemente de distanţare
dispuse intermitent la distanţa x. Distanţierele dintre conductoare din material dielectric
cu permitivitate r sunt de formă cilindrică, sferică sau benzi în spirală sau elice plasate
la intervale regulate la distanţa x = 20…60 mm (fig. 2.18). Spaţiile dintre distanţiere
fiind cu aer au permitivitate 0. Valoarea perimivităţii echivalente rezultă din medierea
spaţială a celor două valori 0 şi r. Aceasta variantă constructivă se foloseşte, în
general, la liniile de transmisie fixe pentru distanţe scurte.
Fig. 2.18 Construcţia unei linii coaxiale cu distanţiere între conductoare
2.3.1. Caracteristicile electrice ale cablului coaxial
Dintre caracteristicile constructive ale cablului coaxial se pot menţiona: felul
conductorului central (liţat sau masiv) cu diametrul d, conductorul de ecranare (bandă
Suportul fizic al reţelelor
Ioan D. Oltean
31
sau împletitură) cu diametrul exterior D, dielectricului dintre conductoare caracterizat
prin permitivitatea relativă r.
Inductanţa proprie a cablului coaxial. Cablul conectat cu un capăt la un
generator de semnal, iar capătul celălalt este conectat la rezistenţa de sarcină. Inductanţa
proprie L se determină conform relaţiei de definiţie I
L . Fluxul magnetic Φ prin
conturul dat de cablu cu diametru conductorului interior d=a, diametrul exterior D=b şi
cu lungimea l (fig. 2.19) se calculează cu relaţia:
a
blIldrrB
b
aln
2)( 0
(2.18)
Inductanţa proprie pe unitatea de lungime a cablului este:
d
DL ln
2
0'
(2.19)
Fig. 2.19 Geometria cablului coaxial folosită la calculul fluxului magnetic
Capacitatea pe unitatea de lungime a cablului coaxial C’ corespunde capacităţii
unui condensator cilindric având armături cu diametrele d şi D:
d
DC r
ln
2' 0 (2.20)
Parametrii electrici ai cablului coaxial depind de caracteristicile constructive
menţionate anterior. Pentru o linie de transmisii asimetrică (cablu coaxial) care transferă
semnalul de la sursa de semnal la sarcină (fig. 2.20.a) se obţine o schemă echivalentă cu
inductanţe L’Δx şi capacităţi distribuite C’ Δx dispuse de-a lungul liniei de lungime l,
aşa cum se indică în figura 2.20.b. În schema echivalentă a cablului s-au neglijat
rezistenţele conductoarelor şi conductanţa dielectricului, care au în general valori mai
mici decât reactanţele inductive şi capacitive. La liniile de transmisie asimetrice
schema echivalentă conţine parametri L’ şi C’ sunt uniform distribuiţi pe unul dintre
conductoare şi în raport cu celalalt conductor considertat ca referinţă.
Medii de transfer a semnalelor
Ioan D. Oltean
32
Fig. 2.20 a) Circuit de transmisii cu cablu coaxial b) Schema echivalentă
Datorită unei distribuţii a câmpulul electric şi magnetic în interiorul cablului
coaxial coaxial (fig. 2.21) şi al conectării conductorului exterior (ecranul) la potenţialul
de referinţă (masă), câmpul electric este orientat radial între cele două conductoare (de
la d la D - fig. 2.21.a), iar liniile de câmp magnetic sunt de formă circulară în jurul
conductorului cu diametrul d care transferă semnalul (fig. 2.21.b).
Fig. 2.21 Distribuţia câmpului electric (a) şi magnetic (b) în interiorul cablului coaxial
Factorul de velocitate VF depinde de materialul dielectric folosit la construcţia
cablului coaxial. Pentru materialele folosite la principalele tipuri de cabluri valorile
factorului VF sunt indicate în tabelul 2.2.
Tabelul 2.2 Factorul de velocitate VF pentru dielectrici
Materialul dielectric Codificare VF
Polietilen solid PE 0,66
Polietilen spumă PF 0,79...0,88
Politetraflouretilena PTFE 0,7
Polietilenă cu spaţii de aer ASP 0,84
Aer 1
Impedanţa caracteristică Z0 a liniei de transmisii se determină cu relaţia:
C
LZc (2.21)
Suportul fizic al reţelelor
Ioan D. Oltean
33
Calculul impedanţei caracteristice Zc în funcţie de geometria cablului (d, D) şi de
caracteristicile dielectricului r, se face prin înlocuirea în (2.21) a relaţiilor (2.19) şi
(2.20):
d
D
d
D
d
D
C
LZ
rrr
c lg138
ln60
ln2
1
0
0
(2.22)
Valorile impedanţei caracteristice Zc sunt tipizate, cele mai utilizate fiind: 50,
52, 75 sau 93 .
Atenuarea introdusă de cablul coaxial depinde de caracteristicile dielectricului,
permitivitatea r şi dependeţa acesteaia de frecvenţă şi de raportul d
D. Valorile optime
ale raportului (D/d) a perechii coaxiale se determină prin minimizarea expresiei
atenuării.
Pentru r=1 (dielectric aer) se obţine raportul optim (D/d)=3,6, care corespunde
unei impedanţe caracteristice de 77 .
Pierderile rezistive ale cablului coaxial cresc proporţional cu pătratul frecvenţei.
Deoarece atenuarea creşte neliniar cu frecvenţa, acest parametru este indicat de către
producători la anumite valori ale frecvenţei (de exemplu: 10 MHz, 100 MHz, 200 MHz,
500 MHz, 800 MHz).
Caracteristicile unor cabluri coaxiale cu impedanţa caracteristică de 50 se
prezintă în tabelul 2.3.
Tabelul 2.3 Caracteristicile unor cabluri coaxiale cu Z0= 50
Codul 50-3-1 50-7-2 50-12-1
Z0 [] 503 502 502
d [mm] 0,9 2,28 3,58
D [mm] 2,95 7,25 11,5
Dielectric Polietilenă Polietilenă Polietilenă
C [pF/m] 100 100 100
At [dB/100m]
f [MHz]
10 5 2,8 1,9
100 17 8,5 5,5
200 22 12 8,2
500 40 21 14
800 54 28 19
Dext [mm] 5 10,3 15
Echivalenţă RG58CIU RG213U
Medii de transfer a semnalelor
Ioan D. Oltean
34
ANEXA 1
Tabelul 1 Caracteristici ale cablurilor coaxiale Tip cablu Diametru
int.
Nr.fire/d
Diametru
ext.
D
Z0
[Ω]
C’
[pF/m]
Atenuare [dB]
la frecventa
Avantajele cablului coaxial
- Este uşor de utilizat şi de instalat;
- Preţul de cost este redus în comparaţie cu alte tipuri de cablu;
- Permite efectuarea de transmisii de bandă largă: date, radio, TV sau video;
- Premite folosirea în aplicaţii la frecvenţe până la ordinul GHz;
- Atenuare redusă.
Dezavantajele cablului coaxial
- banda de frecvenţă este mai redusă decât la cablul optic;
- conectorii coaxiali sunt mai scumpi şi mai dificil de instalat.