Tehnici de transmisie a semnalelor prin mediul fizic

Tehnici de transmisie.

Exista doua metode principale de transmisie a semnalelor prin mediul fizic:    

• banda de baza (baseband)
• banda larga, extinsa (broadband).

Sistemul de transmisie in banda de baza (baseband) combina semnalul de date si cel de ceas (ex. Codul Manchester).

Sistemul de transmisie in banda larga (broadband) combina semnalul util cu purtatoarea.

Mediul de transmisie

Transmisia semnalului electric are nevoie de un mediu de transmisie care, de obicei, este de forma unei linii de transmisie. Tipul mediului de transmisie este important, deoarece el influenteaza performantel;e retelei.

Linii deschise cu doua fire

O linie deschisa cu doua fire este cel mai simplu mediu de transmisie. Firele sunt izolate intre ele si ambele se afla in spatiul liber. Acest tip de linie este adecvat pentru conectarea echipamentelor care se afla la maxim 50 m distanta folosind viteze moderate (mai mici de 19,2 kbps). Un fir transmite semnalul, iar celalalt este folosit ca masa. In cazul in care sunt necesare mai multe semnale in cadrul transmisiei, se foloseste o masa comuna pentru toate semnalele si un cablu multifilar sau un cablu de tip panglica.

Problemele acestui tip de linie sunt:

influenta dintre semnale (crosstalk), data de cuplarea capacitiva dintre fire.

lipsa izolarii contra zgomotelor electromagnetice.

Datorita acestor probleme, aceste linii au lungimi limitate si rate de transfer scazute.

Linii pereche torsadata

Imunitatea la zgomote a liniei cu doua fire poate fi crescuta prin folosirea unei linii cu perechi torsadate, in care cele doua fire sunt rasucite impreuna. Apropierea dintre semnal si masa face ca semnalul de interferenta sa fie captat de ambii conductori, ducand la efecte neglijabile asupra semnalului diferential.

Exista doua mari categorii de linii cu pereche torsadata:

UTP (unshielded twisted pair), cablu neecranat cu perechi torsadate, folosit intensiv in retelele telefonice si in comunicatii de date

STP (shielded twisted pair), cablu ecranat cu perechi torsadate, la care ecranul de protectie reduce suplimentar influenta interferentelor.

Cablurile cu pereche torsadata sunt standardizate in functie de caracteristici pe categorii. Standardizarea este introdusa de EIA/TIA prin standardul numarul 568, care este compus din buletinele pentru sisteme tehnice (Technical Systems Bulletins-TSB) numerele 36 si 40.

Categoria 1 nu defineste criterii de performanta pentru cabluri. Se utilizeaza pentru comunicatii de baza si circuite limitate in putere.

Categoria 2 defineste cabluri ce pot fi folosite pana la 2 MHz, dar nu sunt recomandate de EIA/TIA pentru transmisia de date. Este functional echivalenta cu UL nivelul 2 sau IBM tip 3. Se foloseste pentru voce sau date cu rata mica de transfer.

Categoria 3 este definita in "EIA/TIA 568 Commercial Building Telecommunications Wiring Standard for Horizontal UTP Cable (TSB PN-2841)" si specifica parametri pentru diverse rate de transmisie (1, 4, 10 si 16 MHz), atat pentru UTP cat si pentru STP. Este functional echivalenta cu UL nivelul 3 si se foloseste pentru retele Ethernet de 10 Mbps sau Token Ring de 4 Mbps.

Categoria 4 permite utilizari de pana la 20 MHz si este definit in acelasi standard ca si categoria 3 (EIA/TIA 568 TSB PN-2841). Este functional echivalenta cu UL nivelul 4 si are caracteristici standard pentru cabluri de 1, 4, 10, 16 si 20 MHz. Utilizarea tipica este pentru retele Ethernet de 10 Mbps sau Token Ring de 16 Mbps.

Categoria 5 permite utilizari de pana la 100 MHz si este definit in acelasi standard ca si categoriile 3 si 4 (EIA/TIA 568 TSB PN-2841), cu caracteristici standard pentru frecventele de 4, 10, 20 si 100 MHz. Este functional echivalenta cu UL nivelul 5 si se foloseste la retele Ethernet de 100 Mbps.

Cablul coaxial

Principalii factori de limitare pentru liniile cu perechi torsadate sunt capacitatea si efectul de suprafata (care conduce la cresterea rezistentei electrice proportional cu frecventa semnalului). Cablul coaxial minimizeaza ambele efecte, fiind astfel capabil de rate de transfer mai mari. Semnalul circula printr‑un conductor central, separat printr‑un material dielectric de un conductor (solid sau de tip plasa) concentric, care protejeaza astfel conductorul intern de interferente.

Fibra optica

Fibrele optice sunt foarte utile pentru transmisia semnalelor in medii cu mult zgomot electric, cum ar fi uzine in care se folosesc echipamente de comutare si tensiuni mari. Ele sunt folosite cu predilectie in zone in care securitatea este importanta, deoarece fibrele nu pot fi interceptate fizic usor.

Un sistem de transmisie optica este format din trei componente: sursa de lumina, mediul de transmisie si detectorul. Un impuls de lumina inseamna 1, iar absenta unui impuls 0. La detectia unui impuls luminos, detectorul genereaza un impuls electric. Astfel se poate obtine un sistem unidirectional de transmisie a datelor prin convertirea semnalelor electrice in lumina (realizata de sursa luminoasa), transmisia luminii (prin fibra optica) si convertirea luminii in semnal electric (detectorul).

Fenomenul fizic care sta la baza functionarii fibrelor optice este reflexia. O raza luminoasa, intrata in fibra optica, este reflectata continuu la suprafata de separare dintre fibra si invelis, astfel transmitandu‑se pe distante foarte mari. Printr‑o fibra optica se pot transmite mai multe raze luminoase, daca acestea au unghiuri de incidenta diferite; in acest caz fibra optica se numeste multimod.    In cazul in care diametrul fibrei optice este redus la cateva lungimi de unda ale luminii, fibra actioneaza ca un ghid de unda si lumina se propaga in linie dreapta, fara reflexii, caz in care fibra se numeste monomod. Fibrele monomod curente pot transmite mai multi Gbps la distante de 30 km, dar sunt mai scumpe decat cele multimod.

Sursa luminoasa poate fi de doua tipuri. Sursele bazate pe LED‑uri (diode cu emitere de lumina) sunt cele mai simple, dar nu ofera performante de acelasi nivel ca si sursele bazate pe lasere semiconductoare. In Tabelul 1 pot remarca principalele caracteristici ale celor doua tipuri de surse luminoase.

Detectorul de lumina este, de obicei, o fotodioda care emite un semnal luminos atunci cand este atinsa de lumina. Raspunsul tipic al unei fotodiode este de 1 ns, ceea ce limiteaza capacitatea de transmisie la 1 Gbps. Pentru a putea fi detectat, un semnal luminos trebuie sa treaca peste un anumit prag energetic, ceea ce pune in directa legatura rata erorilor cu puterea folosita in transmisie.

Un aspect foarte important in folosirea fibrelor optice este calcularea bugetului fibrei. Emitatorul transmite o anume cantitate de lumina, iar receptorul are nevoie de o anumita cantitate de lumina pentru a putea reactiona (pragul de sensibilitate a receptorului). Diferenta dintre cele doua cantitati este numita bugetul fibrei. In majoritatea cazului se ofera o masura numita atenuarea cablului, exprimata in dB/km, pe baza careia se face urmatoarele calcule:

dandu‑se distanta care trebuie acoperita, se cumpara surse luminoase si receptoare corespunzatoare;

dandu‑se distanta si echipamentele de emisie/receptie, se poate calcula tipul de cablu care trebuie folosit;

dandu‑se echipamentele si un anumit cablu, se poate calcula distanta care poate fi acoperita cu respectivul cablu.

Pentru ca sistemul optic sa functioneze, trebuie sa fie verificata formula de calcul de mai jos, in care toate marimile sunt exprimate in dB:

Puterea sursei - atenuari (cablu, conectori, jonctiuni) - 3 sensibilitatea receptorului

Constanta 3 dB este o pierdere de siguranta care se manifesta datorita imbatranirii componentelor si pentru compensarea efectelor termice.

In tabelul alaturat sunt descrise caracteristicile principalelor tipuri de medii de transmisie prin cablu.

Sateliti

Sistemul de transmisie prin satelit foloseste undele electromagnetice pentru a realiza transmisia datelor. Un fascicul de microunde focalizat, peste care sunt modulate datele, este transmis catre satelit de la pamant. Acest fascicul este receptionat si retransmis catre o destinatie (sau mai multe) predestinata folosindu‑se un circuit numit transponder. Un singur satelit poate avea mai multe transpondere, fiecare acoperind o anumita banda de frecventa. Un canal tipic de satelit are o largime de banda foarte mare (500 MHz), motiv pentru care aceasta capacitate este deseori multiplexata.

Satelitii folositi pentru comunicatii sunt geostationari, iar orbita satelitului este aleasa pentru a oferi o cale de comunicatie cu contact vizual atat cu statia emitatoare, cat si cu statia receptoare.

Focalizarea fasciculului transmis de satelit poate fi slaba, caz in care semnalul poate fi preluat pe o larga arie geografica, sau poate fi fina, caz in care zona de receptie este redusa. In al doilea caz, semnalul este mai puternic, ceea ce permite folosirea unor receptoare (numite VSAT - very small aperture terminal) cu antene de diametru mic la sol.

Un sistem tipic de comunicatie prin satelit este prezentat in figura alaturata. Desi este ilustrata doar o cale de transmisie unidirectionala, se foloseste pentru comunicare o cale duplex folosind canale in sus si in jos pe frecvente diferite. Alte configuratii tipice implica o statie de retransmisie centrala (hub) care comunica cu un numar de statii de tip VSAT distribuite. In mod normal, statia centrala difuzeaza pe o singura frecventa, in timp ce fiecare VSAT transmite pe o frecventa diferita.

Pentru a comunica cu un anumit VSAT, statia centrala difuzeaza mesajul cu identitatea VSAT‑ului destinatie in antetul mesajului. Pentru aplicatiile ce necesita comunicare VSAT‑VSAT, toate mesajele sunt transmise via statia centrala. Noua generatie de sateliti va permite si comunicarea directa intre VSAT‑uri deoarece va include capacitati de dirijare.

Transmisia prin unde terestre

Microunde terestre

Legaturile prin microunde terestre sunt folosite pe scara larga in locuri in care instalarea unui cablu ar fi foarte costisitoare. Fasciculul de microunde focalizat traverseaza atmosfera terestra si poate fi influentat de conditiile atmosferice. Cu toate acestea, comunicatia in linie directa prin microunde folosind atmosfera terestra poate fi folosita fiabil pe distante de minim 50 km.

O problema a acestei tehnologii este necesitatea obtinerii unei licente pentru banda de frecvente utilizata, banda care nu mai poata fi licentiata altor utilizatori.

Unde radio

Undele radio pot fi folosite, de asemenea, pentru legaturi pe distante si mai scurte folosind transmitatori si receptori terestri, mai ales in aplicatii care necesita posturi mobile. Legatura fara fir este stabilita intre o statie de baza fixa, care este conectata la reteaua prin cablu, si statiile mobile distribuite in jurul statiei fixe. Prin folosirea unor tehnici de telefonie celulara este posibila extinderea ariei de mobilitate. Ratele uzuale de transmisie sunt de zeci de kbps.

Surse de atenuare si distorsiuni

Atenuarea

Atenuarea semnalului este fenomenul de scadere a amplitudinii semnalului pe masura de semnalul se propaga prin mediul de transmisie. Din acest motiv, pentru a putea transmite semnalul pe distante mari este nevoie de repetoare. Atenuarea semnalelor este o functie direct proportionala cu frecventa semnalului.

Daca puterea semnalului transmis este P₁, iar puterea la receptie este P₂, atunci formula pentru atenuare este:

atenuarea = 10 log₁₀ (P₁ / P₂) dB

Folosirea logaritmilor permite aflarea atenuarii intr‑un canal format din mai multe sectiuni prin insumarea atenuarilor pe fiecare sectiune.

Considerand ca la transmisia pe un canal se pot folosi mai multe niveluri de semnal, putem defini numarul de biti pe elementul de semnal cu formula

m = log₂ M

unde M este numarul de niveluri transmise.

Rata de incarcare a semnalului este cunoscuta ca rata de semnalizare (R_s), si este masurata in baud. Rata de transmisie a datelor este legata de rata de semnalizare prin formula

R = R_s log₂ M

Limitarea largimii de banda

Largimea de banda a canalului limiteaza intotdeauna rata de transmisie maxima a datelor. Formula lui Nyquist permite determinarea maximului ratei de transfer a informatiei pe un canal fara zgomot, C, ca fiind

C = 2 W log₂ M

unde W este largimea de banda a canalului (in herti) si M este numarul de niveluri pe element de semnalizare.

In practica, datorita transmisiei de biti suplimentari pentru control, sunt implicate trei rate de transfer: rata de semnalizare, rata de transmisie a bitilor (bit rate) si rata de transmisie a datelor.

Eficienta largimii de banda a canalului de transmisie, notata cu B, este definita ca fiind

B = R / W = 1 / (W T_b) bps Hz ^-1

unde T_b este durata efectiva de timp pentru fiecare bit. Cu cat rata de transmisie a bitilor este mai mare (pentru aceeasi largime de banda), cu atat va fi si eficienta mai mare, dar si echipamentele mai scumpe deoarece parametri de proiectare sunt mai stricti.

Distorsiunea de intarziere

Rata de propagare a semnalelor sinusoidale prin liniile de transmisie variaza cu frecventa semnalului. Astfel apare, pentru un semnal sinusoidal cu mai multe componente de frecventa, o distorsiune de intarziere care se manifesta la semnalul receptionat. Datorita acestui fenomen, este posibil ca esantionarea sa nu mai dea rezultatele corecte, aparand astfel interferenta intersimboluri.