MEDIILE DE TRANSMISIE
Dintr-un punct de vedere foarte general, mediile de transmisie se pot grupa in doua mari categorii: medii de transmisie bazate pe fir (hardwire), fie electrice, precum perechea de fire răsucite, cablul coaxial, fie optice, respectiv fibra optică medii de transmisie ‘fără fir’ (wireless), precum razele infraroşii, undele radio, microundele.
Mediile de transmisie electrice Mediul de transmisie electric, cablul electric, pentru a oferi bune performante in transmisia de date, trebuie sa posede 1. Caracteristici electrice optime, deci sa fie caracterizat prin rezistenta redusă, capacitate redusă impedanţă redusă, 2. Caracteristici mecanice specifice flexibilitate, rezistenta la tracţiune, rezistenta la temperatura. Caracteristicile cablurilor electrice au fost continuu imbunatatite, astfel ca s-a ajuns in decursul ultimului deceniu de la firul telefonic obisnuit, cu o banda de trecere de 4kHz, la cabluri oferind banda de sute de megahertzi, comparabile (in cazul LAN) cu performantele cablului optic. Caracteristicile cablurilor electrice, depind, pe langa natura intrinseca a materialului folosit, de alti factori, precum: geometria sectiunii, numarul de conductori si distanta intre ei, tipul de material izolator folosit, materialul pentru protectia electrica. Se definesc pe scurt principalii parametri electrici si de alta natura, specifici cablurilor electrice.
Impedanta Impedanţa unui cablu electric este parametrul electric cel mai important, mai ales daca cablul se foloseşte la frecvente înalte. Aceasta deoarece in transmisiile de date nu interesează doar valoarea impedanţei la o frecventa data a semnalului electric, ci si variaţia ei funcţie de frecventa. Este foarte importanta stabilitatea impedanţei, astfel ca certificarea unei valori pentru un cablu se face intr-un domeniu de frecvente de la 100kHz până la sute de megahertzi. Cablurile folosite in transmisiile de date prezintă uzual impedanţe in domeniul 50-150, dar uzual se folosesc cablurile la 100.
Viteza de propagare Viteza de propagare a semnalului electric printr-un cablu este un parametru foarte important, care sta la baza calculului vitezei de transmisie pe cablu. Viteza de propagare reprezintă un procent din viteza luminii, in cazul cablurilor electrice procentul este de 55-75%, deci se poate lua ca valoare medie valoarea procentuală de 66%, implicând o valoare a vitezei de propagare a semnalului electric prin cablul bazat pe cupru de 200.000Km/s.
Atenuarea Atenuarea sau pierderea suferita de semnal pe cablu este un parametru foarte important, de el depinzând comportarea la frecvente înalte a cablului. In general, pentru a lucra la frecvente mari, cablul trebuie sa prezinte valori mici ale atenuării (atenuarea se exprima în dB, deci pe scara logaritmică). Se poate considera o creştere liniara a atenuării cu lungimea cablului şi o creştere în frecvenţă proporţională cu rădăcina pătrată a frecvenţei.
Diafonia Diafonia (cross-talk) este o măsura (in dB) a cat influenţează un cablu comportarea unui cablu aflat în vecinătate. Ea măsoară raportul dintre un semnal prezent pe un cablu şi semnalul indus de acesta pe un cablu pereche vecin. Este un parametru ce depinde şi el de frecventa, dar mai puţin de lungimea cablului, pentru ca ea creste pentru primii metri ai cablului, pentru ca apoi sa rămână independenta de lungime. Pentru limitarea efectului diafoniei se utilizează ecranarea cablurilor, prin folosirea unui înveliş protector metalic care se leagă la masa. Învelişul se realizează fie cu folie metalica, fie cu ţesătură de fire metalice. Ecranarea se poate face la modul global, pentru întreg cablul, sau separat pentru fiecare fir conductor din cablu, iar in unele cazuri se folosesc ambele modalităţi.
Folosirea unei metode de transmisie echilibrate diferenţiale (balanced differential transmission) va duce mai mult la scăderea influentei câmpului electric distorsionant. Figura ilustrează modul de transmisie echilibrat, arătând ca tensiunea de ieşire (de la capătul firului) repeta aproximativ tensiunea de ‘intrare’, si nu depinde de zgomotul indus de-a lungul cablului, zgomot notat cu VD. +Vin/2 VD Vin -Vin/2 VD +Vin/2 VD - Vin/2 Vout = (VD +Vin/2) - (VD - Vin/2) = Vin.
Geometria sectiunii conductorului Secţiunea conductorului se da fie in milimetri, dar in plan internaţional se foloseşte unitatea de măsura AWG (American Wire Gage). Aceasta reprezintă o scala cu regresie geometrica, are valori intre 0 gage si 38 gage, dar pentru transmisia de date cablurile folosite utilizează conductori ce prezintă secţiuni cuprinzând valori intre 22AWG si 26AWG (cablul obişnuit folosit in telefonie). Prin procesul instalării cablurilor este posibila alterarea geometriei secţiunii, iar aceasta poate avea influente negative asupra parametrilor semnalului; totuşi aceasta influenta este minimă pentru cablurile folosite astăzi.
Siguranţa in caz de incendiu Cablurile electrice folosite in transmisiile de date trebuie sa se supuna normelor de siguranta in caz de incendiu, norme caracteristice la nivel national. Se folosesc de obicei cabluri a caror structura si imbracaminte exterioara le confera proprietati precum: intarzie propagarea flacarii (flame retardant) produc putin fum in caz de incendiu (low smoke fume) nu emit la ardere gaze toxice (zero Halogen) Pentru aplicatii particulare se folosesc cabluri de tip plenum, rezistente la temperaturi inalte si nepropagand incendiul; ele sunt scumpe caci folosesc imbracaminte externa din materiale compozite speciale.
Cabluri coaxiale Principalele suporturi sau medii de comunicaţii pentru transmiterea datelor sunt cele pe fire de cupru. Primul tip de cablu de date folosit a fost cablul coaxial Acesta este format din: - conductor din cupru - strat flexibil de izolaţie -o bridă formată din fire subţiri din cupru sau o folie metalică ce acţionează ca un al doilea fir în circuit, cu rol de protecţie pentru firul interior (protecţie care ajută la reducerea interferenţelor electromagnetice provenite din exterior). - ultimul strat, cel mai exterior, este reprezentat de mantaua externă a cablului
Cablul coaxial poate fi împărţit în două categorii: cablul coaxial subţire (thinnet) (aproximativ 6 mm grosime) este utilizat ca şi conexiune a plăcii de reţea cu restul reţelei. Este flexibil şi uşor de instalat. Distanţa de transport a cablului este de 185 metri, după care semnalul se atenuează. cablul coaxial gros (thicknet) (aproximativ 12 mm grosime) este utilizat în conectarea mai multor reţele mici. Distanţa de transport a cablului este de 500 metri, după care semnalul se atenuează. Impedanţele specifice ale cablurilor coaxiale sunt următoarele: 50 Ω utilizate în transmisiile radio şi reţele de calculatoare (RG-58) 75 Ω utilizate în transmisiile video (RG-6 si RG-59)
Concluzii. Cablul coaxial este din ce în ce mai puţin folosit în reţelele de calculatoare ; este în continuare folosit la transmisiile TV şi Internet prin cablu (un canal de televiziune ocupă o lăţime de bandă pe cablu de 6 MHz; cablul coaxial folosit în televiziunea prin cablu poate transporta sute de MHz de semnale; prin urmare semnalele fiecărui canal primesc o ‘’porţiune’’ de 6 MHz din lăţimea de bandă disponibilă şi apoi sunt trimise către abonat. Când pe acelaşi cablu avem şi acces la Internet modemul de cablu pune datele de download (dinspre Internet spre calculator) într-un domeniu de 6 MHz astfel încât pe cablu datele de Internet arată ca şi cum ar fi un canal TV de 6MHz. Datele de upload (datele transmise de la calculator la Internet) ocupă doar o treime din lăţimea de bandă, adică 2MHz deoarece se porneşte de la ideea că majoritatea abonaţilor la Internet primesc mult mai multă informaţie decât trimit. este frecvent utilizat pentru a conecta echipamente video casnice, în anumite aplicaţii radio şi în măsurări electronice, la echipamente militare şi în alte echipamente de scanare cu ultrasunete (referirea aceasta este valabilă în special pentru cablurile coaxiale scurte). este folosit pentru a conecta reţele radio şi de televiziune, deşi au fost înlocuite la scară largă de alte metode mai eficiente (fibra optică, comunicaţii prin satelit). Acesta rămâne însă principala destinaţie a cablului coaxial.
Alte tipuri de cabluri coaxiale : Cablul triaxial (triax) este un cablu coaxial care are un al treilea rând de dielectric şi material conductor. Scutul extern care este împământat protejează scutul intern de interferenţe electromagnetice din afara sursei. (a) Twinax este un cablu format din două bucăţi răsucite printr-un scut cilindric. (b) Biax este format din două cabluri coaxiale de 50Ω folosit în reţele de calculatoare. Cablul coaxial semirigid utilizează o teacă dură din cupru. Acest cablu oferă o ecranare superioară în comparaţie cu alte tipuri de cabluri chiar şi la frecvenţe înalte, marele dezavantaj fiind acela, după cum spune şi numele, că nu este flexibil. (c) (a) (b) (c)
Cablul cu fire rasucite TP Cablul cu fire răsucite, numit si cablu TP (Twisted Pair) constituie mediul de transmisie bazat pe fir de cupru, traditional folosit in telefonie. Perechea de fire rasucite consta din doua fire metalice (din cupru) rasucite dupa un anumit pas (figura). Diametrul firului este de 0,5mm, sau mai precis de 24AWG, iar pasul de rasucire depinde de cablu, mai precis de numarul de perechi de fire rasucite ce alcatuiesc cablul.
Rasucirea firelor este necesara pentru a reduce distorsiunile electromagnetice, prin faptul ca un camp electomagnetic extern va actiona in mod egal asupra celor doua fire. Daca pentru transmisia in fire se adopta o metoda de transmisie diferentiala, echilibrata, atunci efectul distorsionant al campului extern este aproape nul. Pentru un cablu cu mai multe perechi de fire rasucite, pasii de rasucire trebuie sa fie diferiti pentru fiecare pereche, si ei se calculeaza in asa fel ca diafonia intre perechi sa devina minima. Cablul TP a fost folosit initial in telefonia analogica si prevedea o banda limitata de frecventa (4KHz). Astazi, datorita progreselor in tehnologia de realizare a cablurilor TP, ele prevad o banda de frecventa de sute de megahertzi, utilizandu-se uzual pentru transmisii de date la 100Mbps. Cablurile actuale vor fi folosite la viteze de sute de Mbps, chiar in retelele Gigabit, oferind pentru distante scurte de pana la 100m, performante comparabile cu fibra optica. Viitorul ofera posibilitatea utilizarii in retelele cu conexiuni full duplex si bazate pe echipamente de comutare ultra-rapide
Clasificarea cablurilor după ecranare Dupa modul de realizare a ecranarii cablurilor (prevederea unui invelis protector legat la masa, cu efecte de reducere a diafoniei), exista diverse versiuni de cablu TP: cablu torsadat neecranat (Unshielded Twisted Pair - UTP); are două sau patru perechi de fire. fiecare dintre cele patru / opt fire de cupru dintr-un cablu UTP este acoperit cu un material izolant. impedanţa acestui tip de cablu este de 100 ohmi ceea ce îl diferenţiază de alte tipuri de cabluri torsadate, cum ar fi cablurile pentru telefonie, care au o impedanţă de 600 ohmi. acest tip de cablu se bazează numai pe efectul de anulare obţinut prin torsadarea perechilor de fire care limitează degradarea semnalului cauzată de interferenţe electromagnetice (EMI) şi interferenţe cu frecvenţe radio (RFI). cablul UTP este cel mai folosit tip de cablu în reţelele de comunicaţii. Se poate folosi pe maxim 100 m.
Cablul UTP avantaje / dezavantaje: este uşor de instalat; costul cablului UTP este redus în comparaţie cu celelalte cabluri utilizate în reţelele de date; poate să fie folosit în majoritatea arhitecturilor de reţea ceea îl face să crească constant în popularitate. viteza – de la 10 la 1000 Mbps; Dezavantaje: cablul UTP este mai predispus propagării zgomotului electric şi interferenţelor decât alte medii de reţea; distanţa dintre amplificările semnalelor este mai mică pentru cablul UTP decât în cazul cablurilor coaxiale sau de fibră optică.
Firele se vor aranja în aceeaşi ordine la ambele capete. Pinii 4, 5, 7 şi 8 (perechile albastru şi brun/maro închis, nu sunt folosite în ambele standarde şi nu sunt necesare în realizarea unei conexiuni 100BASE-TX duplex). Aceşti pini nefolosiţi din cablul UTP pot fi folosiţi la alimentarea unei camere web de reţea sau a unui modem radio, echipamente care pot fi situate în locaţii dificile ca acoperişul sau terasa unei cladiri. Drept - straight (adică calculator - switch) crossover (adică două calculatoare sau două switch-uri între ele). Firele se vor aranja în aceeaşi ordine la ambele capete.
Cablu torsadat ecranat STP cablu torsadat ecranat (Shielded Twisted Pair – STP); combină tehnicile de ecranare, anulare şi răsucire ale firelor. În acest caz fiecare pereche de fire este înfăşurată de o folie metalică pentru a ecrana şi mai bine zgomotul (STP). Cele patru perechi de fire sunt ulterior învelite într-o altă folie metalică (S/STP). în mod normal, acest lucru se întâmplă în cazul cablului STP de 150 ohmi. La cablurile STP se reduc zgomotele electrice din interiorul cablului. de asemenea se reduc influenţele EMI si RFI din exterior. deşi cablul STP reduce interferenţele mai bine decât UTP este mai rar utilizat deoarece este mai scump din cauza ecranării suplimentare şi este mai greu de instalat din cauza grosimii. În plus, folia metalică trebuie împământată la ambele capete. Dacă împământarea nu se face corect, ecranarea va acţiona ca o antenă, recepţionând semnale nedorite.
Caracteristici: viteza – între 10 şi 100 Mbps; cost moderat; mărime mare şi medie a cablului şi a conectorilor; lungimea maximă – 100 m Cablu S/STP Cablu STP
Cablul torsadat ecranat de tipul FTP este un cablu UTP în care conductorii sunt înveliţi într-o folie exterioară de ecranare în scopul protejării împotriva interferenţelor exterioare. Folia exterioară are, de asemenea, rolul de conductor de împământare.
Clasificarea cablurilor cu perechi de fire rasucite folosite in transmisiile de date Din punctul de vedere al folosirii in transmisiile de date ale diverselor cabluri cu perechi de fire rasucite, diversii parametri sunt tratati grupat, prin definirea a cinci categorii; categoria 1 este cea mai putin pretentioasa, iar categoria 5 cea mai evoluata, cu mentiunea ca fiecare categorie superioara prezinta parametri superiori categoriei inferioare, furnizand serviciile oferite de categoriile inferioare. Categoria 1, numita Telecommunication, cuprinde cablurile folosite numai in telefonia clasica, analogica. Categoria 2 (Low Speed Data) cuprinde cablurile pentru telefonia analogica si digitala, dar care ofera servicii de transmitere de date la viteze inferioare. Categoria 3 (High Speed Data) defineste cablurile folosite la realizarea retelelor locale cu viteze de pana la 10Mbps, in special a retelelor 802 de tip 10BaseT si a retelelor Token Ring la 4Mbps. Categoria 4 (Low Loss, High Performance Data) defineste cabluri cu performante ridicate in ceea ce priveste atenuarea si viteza de transmisie, fiind folosite la viteze de cateva zeci de Mbps, precum in retele de tip Token Ring la 16Mbps. Categoria 5 (Low Loss, Extended frequency, High Performance Data), se folosesc actualmente in retele ce opereaza pana la 100Mbps, precum 100BaseT.
Cabluri cu fibră optică Cel mai modern mediu de comunicaţie folosit pe scară largă îl constituie cablul cu fibră optică prin care putem transmite semnale video, voce şi date simultan. Tehnic vorbind, transmisia datelor prin fibra optică se bazează pe conversia impulsurilor electrice în lumină. Aceasta este apoi transmisă prin mănunchiuri de fibre optice până la destinaţie, unde este reconvertită în impulsuri electrice.
Aceasta înseamnă: - rată de transfer foarte mare în raport cu celelalte tipuri de conexiune (practic nelimitată, şi încă imposibil de folosit la maximum de către aplicaţiile existente); - mai multă siguranţă - fibra optică nu este sensibilă la perturbaţii electromagnetice şi este inaccesibilă scanărilor ilegale (interceptări ale transmisiunilor); - posibilitatea de instalare rapidă şi simplă, în orice condiţii, datorită greutăţii reduse a cablului optic şi existenţei mai multor tipuri de cabluri; - fibra optică reprezintă soluţia pentru accesul de mare viteză la serviciile Internet, utilizând fibra optică pentru conexiuni dedicate permanente. - este recomandată firmelor cu un număr mare de posturi de lucru cuplate la reţeaua Internet şi cu un transfer informaţional susţinut pe tot timpul unei zile de lucru.
Fibra optică Fibra optică este un conductor din sticlă sau plastic care transmite informaţii folosind lumina. Un cablu cu fibra optică conţine una sau mai multe fibre optice acoperite de o teacă sau cămaşă. Proprietăţile de bază ale fibrei optice sunt următoarele: - are o structura cilindrică; - este un ghid de undă; - are un coeficient de atenuare pe km foarte mic deci pot atinge distanţe de mai multe mile sau kilometri înainte de a fi nevoie ca semnalul să fie regenerat; - fabricată din sticlă printr-un proces de turnare la cald; - indicele de refracţie al miezului este întotdeauna mai mare decât indicele de refracţie al învelişului primar (cladding); - fenomenul de propagare a luminii este bazat pe reflexia internă totală în miezul fibrei, - cablul cu fibră optică are un preţ mai mare decât cablul de cupru şi conectorii sunt de asemenea mai costisitori şi mai greu de instalat.
Tipuri de cabluri cu fibră optică: Sunt două tipuri de cabluri cu fibră optică: Single-mode (unimodal) – cablul cu fibră optică unimodal permite doar unui singur mod (o singură lungime de undă) de lumină să treacă prin fibră. - permite lăţimi de bandă mari. - cablul are un miez foarte subţire din sticlă pură cu un indice mare de refracţie. - este mai greu de fabricat, - foloseşte rază laser ca metodă de generare a luminii şi poate transmite semnale la distanţe de zeci de kilometri cu uşurinţă. - lungimea a cablului este de 10 Km sau chiar mai mult. - miezul fibrei este de 9 microni în diametru şi transmite lumina de la laser în infraroşu (lungimea de undă este de la 1300 nm până la 1550 nm). Cablul unimodal este folosit de obicei pentru magistralele de comunicaţii dintre campusuri şi oraşe.
Deoarece stratul de protecţie din sticlă care înconjoară fibra optică are indice mic de refracţie lumina va fi reţinută sau altfel spus captată în miez şi acest proces care are loc în fibră se numeşte reflexie internă totală. Aceasta permite fibrei optice să reacţioneze ca o ţeavă uşoară, ghidând astfel lumina pe distanţe uriaşe, chiar şi în cazul curbării fibrei.
Multimode (multimodal) – cablul de fibră optică multimodal permite propagarea a multiple moduri de lumină prin fibră. - are un miez mai gros decât cablul single-mode. - este mai uşor de fabricat, - poate folosi surse de lumină mai simple (LED-uri) şi funcţionează bine pe distanţe de câtiva kilometri sau mai puţin. - de obicei lungimea maximă a cablului este de 2 Km. - miezul fibrei optice este de 62.5 microni în diametru şi transmite lumina în infraroşu de la LED-uri (lungimea de undă de la 850 nm la 1300 nm). - este utilizat adeseori pentru aplicaţiile grup de lucru şi pentru aplicaţiile intra-clădire.
Părţi componente ale unei fibre optice multimod sunt: - miez (core) - centrul fibrei prin care circulă lumina; - învelis optic (cladding) - material optic care înveleşte miezul şi care reflectă total lumina; - învelis protector (coating) - înveliş de plastic care protejează fibra de zgârieturi şi umezeală
Există şi fibre optice făcute din plastic cu miezul de până la 1 milimetru diametru şi lungimea de undă de 650 nm. Lumina roşie transmisă în acest caz este vizibilă.
În cazul caburilor cu fibră optică lipirea sau joncţionarea nu se poate face decât cu aparate speciale în cadrul unor laboratoare mobile. De asemenea se mai pot folosi o serie de dispozitive mecanice care permit conectarea fibrelor optice rupte numite conectori optici. Aceste dispozitive mecanice, ce permit conectarea unei fibre optice care s-a rupt şi pentru care nu se poate realiza sudarea ei, aliniază precis miezurile celor două fibre optice astfel încât lumina să se propage fără atenuări prea mari prin zona de contact a celor două porţiuni de fibră optică.
Aparatul de joncţionat fibre optice Imaginea de pe ecran în timpul descărcării arcului electric de sudură Imaginea de pe ecran la sfârsitul operatiei de sudare a fibrelor Ecranul aparatului de joncţionare.
Comunicaţii fără fir (wireless) Tehnologia care câştigă teren în fiecare zi este cea care se bazează pe comunicaţiile fără fir (wireless). Reţelele fără fir sunt reţele de aparate interconectate pe bază de unde radio, infraroşii şi alte metode fără fir (wireless).
Pentru LAN-urile wireless o componentă cheie este routerul wireless sau punctul de acces utilizat pentru distribuirea semnalului. Pentru recepţionarea semnalelor provenite de la punctul de acces, un calculator sau un laptop trebuie să conţină o placă de reţea wireless (wireless NIC – Nework Interface Card). Semnalele wireless lucrează în spectrul de radio frecvenţă (RF) pentru transmiterea pachetelor de tip voce, video şi date cuprinzând frecvenţe din banda de la 3 kHz până la 300 GHz. Ratele de transfer pentru transmisia datelor variază de la 9 kilobiţi pe secundă (kbps) până la peste 54 Mbps. Diferenţa principală dintre undele electromagnetice este frecvenţa. Undele electromagnetice de frecvenţă mică au o lungime mai mare de undă (distanţa dintre vârfurile undei sinusoidale este mai mare), în timp ce undele electromagnetice de înaltă frecvenţă au o lungime de undă mai mică.
O altă aplicaţie comună a transmisiilor de date wireless este LAN-ul wireless (WLAN), care utilizează de obicei undele radio (de exemplu, microundele pe frecvenţele 902 MHz şi 2,4 GHz) şi undele IR (infraroşii) pentru comunicaţii (de exemplu, 820 nanometri). În prezent există mai multe moduri de a capta datele din eter: Wi-Fi, Bluetooth, GPRS, 3G, 4G, etc. Acestora li se adaugă o nouă tehnologie care poate capta datele de şapte ori mai repede şi de o mie de ori mai departe decât populara tehnologie Wireless Fidelity (Wi-Fi), numită WiMAX. În timp ce reţelele Wi-Fi simple au o rază de acţiune de aproximativ 30 m, WiMax utilizează o tehnologie de microunde radio care măreşte distanţa la aproximativ 50 km. Astfel, se pot construi reţele metropolitane WiMAX.
Echipamentele de transmisie/recepţie wireless sunt de obicei de două tipuri: Staţii bază Staţii client Staţiile bază au deschiderea antenei de obicei de la 60 pînă la 360 de grade, asigurând conectivitatea clienţilor pe o anumită arie. Ele pot fi legate la o reţea cablată prin fibră optică, cabluri metalice sau chiar relee radio. Staţiile client au antene cu deschidere mult mai mică şi trebuie orientate spre staţiile de bază.
Mediul fără fir este unul foarte dinamic, prin folosirea unor antene direcţionale se poate influenţa modalitatea de propagare a semnalului radio. Astfel, energia şi caracteristica unui semnal pot fi direcţionate de-a lungul unui culoar îngust în loc să se lovească de pereţi, ceea ce ar duce la o risipă de energie sau poate cauza interferenţe nedorite. Antenele omnidirecţionale emit undele radio în toate direcţiile (sferă) în timp ce antenele unidirecţionale concentrează semnalul pe o direcţie preferenţială dată de orientarea antenei. În practică, antenele amplasate prea aproape una de alta vor duce la o degradare a performanţei receptorului. În practică, antenele unidirecţionale se folosesc numai pentru legături fixe de tipul punct-la-punct, cum ar fi cazul unui bridge sau router de tip wireless.