Metalické a optické kabely používané v počítačových sítích

Metalické a optické kabely používané v počítačových sítích.

V případech drátových okruhů (viz 2.1) jsou dráty (elektrické vodiče, světlovodná vlákna) sdružovány v kabelech. Podle druhu nosné veličiny, podle uspořádání a vlastností se kabely dělí na:

metalické – veličinou, která nese informaci, je elektrické napětí nebo proud,

optické – nosnou veličinou je světelné záření.

Metalické kabely

Podle druhu elektrického přenosu se používají dva základní druhy kabelů:

nesymetrický kabel (koaxiální kabel),

symetrický kabely (twisted pair, kroucená dvojlinka).

Nesymetrické kabely

Nesymetrický (koaxiální) kabel je tvořen dvěma vodiči v provedení, kdy vnitřní vodič nesoucí signál je obalen vnějším vodičem, který bývá uzemněn a tvoří stínění.

Vlastnosti koaxiálních kabelů lze shrnout do následujících bodů:

dobrá odolnost proti elektromagnetickému rušení,

horší odolnost proti magnetickému rušení,

obvyklé použití pro frekvence do 50 MHz,

vysoká vlastní kapacita, poměrně vysoký útlum při vysokých frekvencích,

impedance obvykle 50 – 100 Ω,

použití pro dvoubodové spoje a pro topologii sběrnice.

Pro připojování koaxiálního kabelu se používají koaxiální konektory, nejčastěji se jedná o tzv. konektory BNC.

Symetrické kabely

Symetrické kabely jsou složeny z párů vzájemně zkroucených vodičů. Jejich základní vlastnosti lze vyjádřit následujícími body:

levnější než koaxiální kabel

obecně horší vlastnosti (ztráty při přenosu vyšších kmitočtů, malá odolnost proti rušení, velké přeslechy mezi páry téhož kabelu apod.),

používají se jako stíněné (shielded twisted pair, STP) i nestíněné (unshielded twisted pair, UTP),

použití pro dvoubodové spoje,

impedance obvykle 100 Ω (UTP, STP pro Ethernet) a 150 Ω (STP pro Token Ring),

v kabelu nejčastěji 4 páry (tzn. celkem 8 drátů).

Podle EIA/TIA (EAI – Electronics Industry Association, TIA – Telecommunications Industry Association) se symetrické kabely na základě svých parametrů člení do několika kategorií, příslušnost kabelu ke kategorii vyjadřuje jeho vhodnost pro určitou oblast použití.

Parametry metalických kabelů

impedančně přizpůsobeném vedení - v praxi to znamená, že kabely musejí být na obou koncích opatřeny impedancí patřičné velikosti.

mezní frekvence pro kterou je kabel určen,

útlum (attenuation) – udává se útlum na 100 m délky nebo na 1000 ft, v dB, důležitá je frekvence, pro kterou je udáván,

kapacita (capacitance) – pF/ft

přeslech na blízkém konci (NEXT, Near End Crosstalk) – poměr úrovní signálů indukovaných v ostatních párech k signálu vysílaného do jednoho z párů, měřeno na stejném konci, do kterého je vysíláno, udává se v dB, hodnota závislá na frekvenci,

přeslech na vzdáleném konci (FEXT, Far End Crosstalk) – poměr úrovní signálů indukovaných v ostatních párech k signálu vysílaného do jednoho z párů, měřeno na opačném konci, do kterého je vysíláno, v dB, závislý na frekvenci.

Optické kabely

Na rozhraní dvou prostředí s různým indexem lomu (index lomu , kde c je rychlost světla ve vakuu a v je rychlost světla v konkrétním prostředí) mění světelný paprsek rychlost a směr, část vstupuje do druhého prostředí a část je odražena zpět. Podle toho, zda index lomu výchozího prostředí je větší nebo menší než index lomu prostředí nového, dochází ke změně směru světelného paprsku od kolmice nebo ke kolmici .

Lom světla ke kolmici (vlevo) a od kolmice (vpravo)

Optické vlákno se obvykle skládá z jádra a pláště, každý z nich je vyroben ze skla s jiným indexem lomu (světelný paprsek se šíří uvnitř jádra, aby došlo k totálnímu odrazu, musí být index lomu jádra větší než index lomu pláště a vstupní úhel – na obr. 4.7 – musí

být takový, aby paprsek na rozhraní jádra a pláště dopadal pod větším než kritickým úhlem). Situace je znázorněna na obr. 4.6 a 4.7.

Optická vlákna se označují zlomkem, kde čitatel znamená průměr jádra a jmenovatel průměr pláště, obě hodnotu jsou v mikrometrech (jeden z obvyklých rozměrů vlákna je 62,5/125).

Optická vlákna nacházejí uplatnění zejména v oblasti telekomunikací, počítačových sítí, kabelových televizí, v uzavřených televizních okruzích, u optických snímačů různých veličin apod. Ke všeobecným výhodám optických kabelů patří zejména:

menší energetické ztráty při přenosu než u elektrických signálů,

větší šířka pásma (a v důsledku možnost přenosu více kanálů současně),

optická vlákna jsou lehčí a tenčí než elektrické vodiče,

prakticky absolutní odolnost proti rušení,

dokonalé galvanické oddělení komunikujících zařízení,

nemožnost odposlechu,

možnost bezpečného použití v požárně nebo explozivně nebezpečném prostředí (nevznikají jiskry ani ztrátové teplo, po roztavení izolace nedojde ke zkratu).

Naproti tomu lze u optických vláken hovořit i o určitých nevýhodách (ve srovnání s meta-lickými kabely):

vyšší cena (ovšem surovina je levná – písek),

obtížnější montáž, zejména spojování (vyškolené osoby, speciální drahé zařízení a mě-řící přístroje),

malá mechanická pevnost (nejsou samonosné, k dosažení samonosnosti je nutné ka-bely opatřovat speciálními výztuhami – obvykle laminátová nebo kevlarová vlákna).

Druhy optických vláken

Přechod mezi jádrem a pláštěm vlákna může být výrobně realizován různě. Pokud je mezi jádrem (sklo s vyšším indexem lomu) a pláštěm (sklo s nižším indexem lomu) náhlý přechod, hovoří se o vláknech se skokovou změnou indexu lomu (step index fiber) – obr. 4.8. Je-li přechod mezi dvěma materiály s různým indexem lomu pozvolný, jedná se tzv. gradientní vlákna (graded index fiber) – obr. 4.9.

Optickým vláknem se může šířit jeden nebo více vidů. (Vid je druh vlny ve vlnovodu nebo dutinovém rezonátoru, lišící se od jiných rozložením elektromagnetického pole.) Šíří-li se vláknem pouze jeden vid, hovoří se o vláknech jednovidových (single mode, SM), v opačném případě jde o vlákna mnohovidová (multi mode, MM).

Vlákna se skokovou změnou indexu lomu se vyrábějí jako jednovidová (SM) i jako mnohovidová (MM) – obr. 4.10, vlákna gradientní se používají výhradně jako mnohovidová a zkratka MM se s nimi obvykle nespojuje.

Vlastnosti jednotlivých druhů optických vláken lze stručně shrnou do následujících bodů:

MM vlákna:

typické použití pro LAN (spíše kratší vzdálenosti),

přenos více vidů znamená přenos větší energie

jako zdroj světla se obvykle používají LED,

nižší požadavky na útlum znamenají nižší nároky na čistotu skla (nižší cena),

snadnější (tzn. levnější) spojování vláken než SM,

nejběžnější vyráběné rozměry 62,5/125 MM nebo 50/125 MM,

SM vlákna:

typické použití v telekomunikacích (přenosy na velké vzdálenosti),

použití světla s vlnovou délkou obvykle 850 až 1300 nm,

nedochází k vidové disperzi,

jeden přenášený vid znamená nižší přenášenou energii (důsledek: vyšší požadavky na zdroj světla a na čistotu skla – malý útlum),

zdroj světla laser (dražší než obyčejná LED),

vyšší cena kabelů (vysoká čistota skla kvůli malému útlumu).

gradientní vlákna:

do značné míry eliminována vidová disperze,

přenáší se více vidů (tzn. obdobné množství energie, jako u MM vláken),

levnější než SM vlákna

zdroj světla obvykle laser (lze použít i LED).