2.4 Επίδραση Μέσου Μετάδοσης 3.2 Προβλήματα Φυσικής Μετάδοσης (σ. 64-65, 80, 81, 86) Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι 24/10/2010

Μέσο μετάδοσης Το μέσο μετάδοσης (transmission medium) είναι ο φορέας μέσα από τον οποίο λαμβάνει χώρα η μετάδοση των σημάτων π.χ. τα τηλεφωνικά καλώδια (telephone cables),τα οποία χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση της φωνής οι οπτικές ίνες (fiber optics) οι οποίες χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση δεδομένων κάθε μορφής στα δίκτυα επικοινωνιών τα συνεστραμμένα ζεύγη καλωδίων (twisted pairs) και τα ομοαξονικά καλώδια (coaxial cables) που χρησιμοποιούνται στα δίκτυα επικοινωνιών Τα μέσα μετάδοσης, δεν είναι μόνο ενσύρματα, αλλά και ασύρματα (wireless) π.χ. η ατμόσφαιρα της γης, και το διάστημα, τα οποία επιτρέπουν τη μετάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι 24/10/2010

Εισαγωγή: Μέσο Μετάδοσης Είναι η φυσική σύνδεση μεταξύ του αποστολέα και του παραλήπτη της πληροφορίας. Είναι ο δρόμος από τον οποίο περνάει το σήμα, που στέλνει ο πομπός μέχρι να το λάβει ο δέκτης. Ονομάζεται Μέσο Μετάδοσης ή Γραμμή ή Κανάλι Μετάδοσης. Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι 24/10/2010

Είδη Μέσων Μετάδοσης Ενσύρματα: Χάλκινα, Ομοαξονικά, Οπτικές Ίνες Ασύρματα: Κεραίες Επίγειες / Δορυφορικές Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι 24/10/2010

Εύρος ζώνης συχνότητας. Κάθε σήμα αναλύεται σε συχνότητες (ημίτονα) αλλά μέσα στο μέσο μετάδοσης κάποιες συχνότητες παραμορφώνονται. Εύρος ζώνης συχνότητας. Αυτό το εύρος συχνοτήτων περνάει χωρίς παραμόρφωση (0,5 έως και 3,3 Khz). Κάθε μέσο μετάδοσης επιτρέπει σε ορισμένη περιοχή συχνοτήτων (ζώνη συχνοτήτων) την μετάδοση του σήματος χωρίς παραμόρφωση. Από την ζώνη συχνοτήτων εξαρτάται ο ρυθμός μετάδοσης (ταχύτητας) και επομένως ο όγκος της πληροφορίας που μπορεί να μεταφέρεται. Κάθε σήμα αναλύεται σε συχνότητες (ημίτονα) αλλά μέσα στο μέσο μετάδοσης κάποιες συχνότητες καθυστερούν. Οι συχνότητες 0,1 έως και 0,6 καθυστερούν. Οι συχνότητες 2,7 έως και 3,3 καθυστερούν. Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι 24/10/2010

Εύρος ζώνης και Χωρητικότητα Το εύρος ζώνης (bandwidth) του καναλιού ορίζεται ως η διαφορά ανάμεσα στη μέγιστη και στην ελάχιστη συχνότητα , στην οποία η γραμμή μπορεί να μεταδώσει πληροφορίες (σε μονάδες Hz) Κάθε σύστημα έχει ένα πεπερασμένο εύρος ζώνης (finite bandwidth) Η χωρητικότητα (capacity) ενός μέσου μετάδοσης αποτελεί ένα μέτρο της δυνατότητας μεταφοράς δεδομένων από μια γραμμή επικοινωνίας, και ορίζεται ως ο μέγιστος ρυθμός μεταφοράς δεδομένων που υποστηρίζεται από το κανάλι, χωρίς η μετάδοση να χαρακτηρίζεται από την εμφάνιση σφαλμάτων (σε μονάδες bit ανά δευτερόλεπτο ή bps – bits per sec) . Η χωρητικότητα ενός μέσου μετάδοσης συσχετίζεται με το εύρος ζώνης ένα μέσο μετάδοσης με μεγάλο εύρος ζώνης έχει αντίστοιχα και μεγάλη χωρητικότητα. Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι 24/10/2010

Περιορισμός εύρου ζώνης Σε κάθε εφαρμογή υπάρχει πεπερασμένο εύρος ζώνης Τα διάφορα σήματα εκπέμπονται από κατάλληλες πηγές (sources), και χαρακτηρίζονται από συγκεκριμένες τιμές συχνοτήτων Για οικονομικούς λόγους, τα μέσα μετάδοσης είναι σχεδιασμένα να επιτρέπουν τη μετάδοση μόνο εκείνων των σημάτων των οποίων οι συχνότητες ανήκουν σε μια συγκεκριμένη περιοχή ή ζώνη συχνοτήτων. π.χ. στο τηλεφωνικό δίκτυο που ως μέσο μετάδοσης χρησιμοποιεί συνεστραμμένα καλώδια επιτρέπεται η μετάδοση μόνο εκείνων των σημάτων των οποίων η συχνότητα βρίσκεται στο διάστημα 300 Hz έως 3400 Hz. Επομένως το εύρος ζώνης αυτού του μέσου μετάδοσης είναι 3400 Hz – 300 Hz = 3100 Hz = 3.1 KHz Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι 24/10/2010

Θόρυβος Ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (π.χ. Από κινητήρες, ψυγεία, γραμμές τροφοδοσίες (με ηλεκτρική ενέργεια) συσκευών). Παρεμβολές ραδιοσυχνοτήτων (πεδία κεραιών εκπομπής – π.χ. Κινητά τηλέφωνα, κεραίες εκπομπής τηλεοπτικού – ραδιοφωνικού σήματος). Ενδογενής θόρυβος (ατελή συμπεριφορά μέσου μετάδοσης). Θερμικός Θόρυβος => δυσκολία στην κίνηση ηλεκτρονίων στον αγωγό => λευκός θόρυβος γιατί είναι ομοιόμορφος σε όλο το φάσμα συχνοτήτων. Θόρυβος ενδοδιαμόρφωσης => όταν σήματα διαφορετικών συχνοτήτων μοιράζονται το ίδιο μέσο. Θόρυβος συνακρόασης. Θόρυβος κβαντοποίησης. Στις τηλεφωνικές γραμμές λόγος προς θόρυβο μικρότερος από 20dB θεωρείται κακός για μετάδοση δεδομένων, ενώ πάνω από 30dB ικανοποιητικός. 24/10/2010 Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι

Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι 24/10/2010

Αλλοίωση σήματος μέσα στο μέσο μετάδοσης. Οι κυριότεροι παράγοντες αλλοίωσης του σήματος εμφανίζονται κατά την διέλευση του σήματος μέσα από το μέσο μετάδοσης και επηρεάζουν την ποιότητα του συστήματος επικοινωνίας: Εξασθένιση σήματος Καθυστέρηση μετάδοσης Θόρυβος => ανεπιθύμητα σήματα που προστίθενται στο σήμα μας κατά την διάρκεια μετάδοσης στο κανάλι επικοινωνίας. Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι 24/10/2010

Εξασθένιση (attenuation) σήματος Το υλικό των αγωγών (χαλκός), έχει ωμική αντίσταση έτσι μέρος του σήματος χάνεται με μορφή θερμότητας. Επιδερμικό φαινόμενο (skin effect): Όταν ρεύμα υψηλής συχνότητας διαρρέτεται από τον αγωγό, τότε η πυκνότητα του ρεύματος είναι μεγαλύτερη στην επιφάνεια του αγωγού => άρα μειώνεται η ενεργός επιφάνεια του αγωγού, η οποία μεταφέρει το ρεύμα => αυξάνεται η απώλεια. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gluehlampe_01_KMJ.jpg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:%E9%9B%86%E8%86%9A%E6%95%88%E6%87%89.png 24/10/2010 Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι

Θόρυβος – Ευκολία Χρήσης - Ασφάλεια. Ένα ασύρματο μέσο μέσο μετάδοσης έχει ευκολία στην χρήση αλλά μειονεκτεί στην ασφάλεια (υποκλοπή σήματος)και στην επίδραση θορύβου. Μια οπτική ίνα υπερτερεί στην ταχύτητα και στην απόσταση που μπορεί να διανύσει το σήμα χωρίς να χρειαστεί αναμεταδότης-ενίσχυση αλλά είναι πιο δύσκολη στην εγκατάσταση (ευκολία χρήσης). Σε ένα χάλκινο καλώδιο (εύκολο στην χρήση και διαδεδομένο) για να γίνει γρήγορη μετάδοση θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν οι υψηλές συχνότητες οι οποίες παρουσιάζουν μεγαλύτερη ευαισθησία στον θόρυβο και χρειάζονται συνεχώς αναμεταδότες. 24/10/2010 Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι

Χαρακτηριστικά μέσου μετάδοσης Η ποιότητα του μέσου επιδράει στην πιστότητα και το μέγιστο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων Ο ρυθμός μετάδοσης bit (bit rate) φανερώνει πόσα bits μεταδίδει στο μέσο ο πομπός στη μονάδα του χρόνου (ψηφιακή μετάδοση) R=1/T Ο μέγιστος ρυθμός μετάδοσης με τον οποίο μπορούν να μεταδοθούν δεδομένα μέσα από το κανάλι λέγεται χωρητικότητα καναλιού (ψηφιακή μετάδοση) C=B log2(1+S/N) * Τύπος Shannon για κανάλι με θόρυβο Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι 24/10/2010

Ταχύτητα Μετάδοσης Είναι το πλήθος δεδομένων που διέρχονται από ένα κανάλι στη μονάδα του χρόνου Μετριέται σε bits ανά δευτερόλεπτο (bps) Μερικές φορές μετριέται σε bytes ανά δευτερόλεπτο (Bps) Προσοχή! Στη δεύτερη περίπτωση το B είναι κεφαλαίο Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι 24/10/2010

Ρυθμός μετάδοσης δεδομένων Περιορίζεται όχι μόνο από την ταχύτητα του φωτός αλλά επίσης και από τις φυσικές ιδιότητες ενός μέσου μετάδοσης Παράδειγμα το “απλό” σύστημα επικοινωνίας στο σχήμα Η ταχύτητα με την οποία μετακινείται η ζώνει το αναγκάζει να μεταφέρει μπάλες με ρυθμό 1 μπάλα ανά δευτερόλεπτο => 1 bit / sec Αν η χρονική καθυστέρηση είναι 240 sec (600 / 2.5 = 240) τότε ένα κομμάτι ψηφιακής μουσικής ποιότητας του CD διάρκειας 3 λεπτών θα πάρει 8 χρόνια να μεταδοθεί ! 6 m 2.5 cm

Σε μια σύνδεση ADSL 4Mbps σημαίνει ότι μεταφέρονται 4.000.000 bits/sec Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι 24/10/2010

Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι 24/10/2010

Σήματα και μέσα μετάδοσης Μετάδοση σήματος με ηλεκτρομαγνητικά κύματα στον αέρα (a) Ραδιόφωνο, TV, κινητή τηλεφωνία ηλεκτρικό ρεύμα ή τάση σε ομοαξονικό καλώδιο (b) Δίκτυα Η/Υ όπως Ethernet, cable TV, τηλεφωνική γραμμή σπιτιού Παλμούς φωτός σε οπτικές ίνες (c) Μακριές γραμμές τηλεφώνου Και στις 3 περιπτώσεις αυτό που μεταφέρεται είναι το ίδιο: ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο!

Οπτικές ίνες Χαρακτηρίζονται από πολύ μεγάλο εύρος ζώνης γεγονός που οδηγεί σε ταχύτητες μετάδοσης της τάξεως του 1-2 Gbps. Δεν επηρεάζονται από απότομες μεταβολές στην τάση ενός δικτύου, από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, από οξειδωτικές χημικές ουσίες, ή από άλλα ατμοσφαιρικά και βιομηχανικά παράσιτα Το βασικό τους μειονέκτημα είναι η πολύπλοκη τεχνολογία εγκατάστασής τους, και η υψηλή τιμή και ευαισθησία του εξοπλισμού διασύνδεσης που τη συνοδεύει

Οπτική ίνα Αποτελείται από ένα γυάλινο ή πλαστικό αγωγό (πυρήνας) ο οποίος περιβάλλεται από μια μονωτική επικάλυψη (μανδύας) που με τη σειρά του περιβάλλεται από ένα προστατευτικό περίβλημα Επειδή ο μανδύας έχει μικρότερο δείκτη διάθλασης από τον πυρήνα, λειτουργεί σαν καθρέφτης, με αποτέλεσμα το φως να κινείται μέσα στον πυρήνα, υφιστάμενο διαδοχικές ανακλάσεις πάνω στα τοιχώματά του Ο ρυθμός μετάδοσης του φωτός μέσα στην οπτική ίνα έχει ένα μέγιστο όριο που προσδιορίζεται από τις φυσικές ιδιότητες της ίνας

Διαφωνία Μεταξύ των δύο κυκλωμάτων υπάρχει ηλεκτρική ή μαγνητική σύζευξη => δηλ. το ηλεκτρικό ή μαγνητικό πεδίο του ενός κυκλώματος επιδρά στο γειτονικό κύκλωμα. 24/10/2010 Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι

Ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή μεταξύ αγωγών. Το μεταβαλλόμενο ρεύμα ενός αγωγού επηρεάζει την μαγνητική πυξίδα Ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή μεταξύ αγωγών. Το σήμα είναι ένα μεταβαλλόμενο ρεύμα το οποίο δημιουργεί γύρω από τον αγωγό μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο. Το μαγνητικό πεδίο δημιουργεί ρεύμα εξ επαγωγής στο γειτονικό αγωγό που παρατηρείται ως θόρυβος. 24/10/2010 Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pair_cabling_electromagnetic_interference_el.svg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:OerstedBoussole.png

Σύνθετη αντίστασης της γραμμής (ωμική και επαγωγική - χωρητική). Δισύρματα καλώδια: θερμικές απώλειες (λόγω ωμικής αντίστασης αγωγών) => όταν ο ηλεκτρισμός βρίσκει αντίσταση στον αγωγό παράγεται θερμότητα => εξασθένση του σήματος. Επαγωγική-χωρητική αντίσταση αγωγών: Όταν ο αγωγός διαρρέεται από ρεύμα δημιουργείται μαγνητικό πεδίο γύρω από τον αγωγό => ανάλογα με την συχνότητα του σήματος παρατηρείται εξασθένση. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lamp2.jpg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pair_cabling_electromagnetic_interference_el.svg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gluehlampe_01_KMJ.jpg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:UTP_cable.jpg 24/10/2010 Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι

Επαγωγική-χωρητική αντίσταση αγωγών. Οι αγωγοί διαρρέονται από ρεύμα => δημιουργείται γύρω από τους αγωγούς α) ηλεκτρικό πεδίο (οι δύο αγωγοί συμπεριφέρονται ως πυκνωτής), και β) μαγνητικό πεδίο (οι δύο αγωγοί συμπεριφέρονται ως πηνίο) => επαγωγική – χωρητική αντίσταση. 24/10/2010 Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Capacitor_schematic_el.svg

Παραμορφώσεις Κάθε σήμα αναλύεται σε συχνότητες (ημίτονα) αλλά μέσα στο μέσο μετάδοσης κάποιες συχνότητες παραμορφώνονται. Αυτό το εύρος συχνοτήτων περνάει χωρίς παραμόρφωση (0,5 έως και 3,3 Khz). Παραμόρφωση από 3,3 έως και 3,9 Khz. 24/10/2010 Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι Παραμόρφωση από 0 έως και 0,5 Khz.

Παραμορφώσεις Κάθε σήμα αναλύεται σε συχνότητες (ημίτονα) αλλά μέσα στο μέσο μετάδοσης κάποιες συχνότητες καθυστερούν. Παραμορφώσεις Οι συχνότητες 0,1 έως και 0,6 καθυστερούν. Οι συχνότητες 2,7 έως και 3,3 καθυστερούν. 24/10/2010 Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι

Ηχώ Ενδογενής θόρυβος. Ηχώ: Επιστροφή τμήματος του σήματος στην πηγή δημιουργίας του. Στο τηλέφωνο αυτό εκφράζεται σαν την επιστροφή φωνής στον ομιλούντα, λόγω ανακλάσεων σε ορισμένα σημεία της γραμμής (με χρονική καθυστέρηση). Το φαινόμενο της ηχώ εξαρτάται από το μήκος της γραμμής και συνήθως δημιουργείται όταν έχουμε αλλαγές στην σύνθετη αντίσταση της γραμμής (περιπτώσεις κακής προσαρμογής μεταξύ γραμμών). 24/10/2010 Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι

Κλωβός Faraday: Ένα μεταλλικό πλέγμα για ηλεκτρομαγνητική θωράκιση. Ηλεκτρομαγνητική θωράκιση ομαξονικού καλωδίου. Κλωβός Faraday: Ένα μεταλλικό πλέγμα για ηλεκτρομαγνητική θωράκιση. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Elektrisch_dode_kamer_%28kooi_van_Faraday%29.JPG http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Heimbach_-_power_plant_09_ies.jpg 24/10/2010 Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι

Ηλεκτρομαγνητική Θωράκιση: FTP cable Κλωβός Faraday. 24/10/2010 Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FTP_cable3.jpg

Ηλεκτρομαγνητική Θωράκιση: S-FTP cable Κλωβός Faraday σε κάθε ζεύγος. Κλωβός Faraday καλωδίου. 24/10/2010 Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι http://commons.wikimedia.org/wiki/File:TwistedPair_S-FTP.jpg

Τύπος του Shannon (κανάλι με θόρυβο) SNR (Signal to Noise Ratio): Λόγος σήματος προς θόρυβο (μετριέται σε decibels). Για παράδειγμα όταν η ισχύς του σήματος είναι 1000 φορές μεγαλύτερη από την ισχύ του θορύβου, τότε ο λόγος SNR είναι 30dB. Όταν SNR=0dB τότε ισχύς σήματος = ισχύς θορύβου Όταν SNR=-20dB τότε ισχύς θορύβου 100 φορές μεγαλύτερη από την ισχύ του σήματος: Claude Elwood Shannon (1916 - 2001): Αμερικάνος μαθηματικός και ηλεκτρολόγος μηχανικός http://en.wikipedia.org/wiki/Claude_Shannon Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι 24/10/2010

Δεκαδικοί Λογάριθμοι log(1)=0 log(100)=2 log(1/100)=-2 Log(1.000)=3 .. f(x)=log(x) Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι 24/10/2010

Τύπος του Nyquist (κανάλι με θόρυβο) Harry Nyquist (1889-1976) Αμερικάνος Σουηδικής εθνικότητας ηλεκτρολόγος μηχανικός. http://en.wikipedia.org/wiki/Harry_Nyquist O Nyquist έδειξε όταν όταν έχουμε ένα κανάλι με θόρυβο και εύρος ζώνης B, είναι δυνατόν να μεταδοθούν δεδομένα με ρυθμό 2B. Αν το μεταδιδόμενο σήμα είναι δυαδικό (δύο επίπεδα τάσης), ο μέγιστος ρυθμός μετάδοσης μέσα από κανάλι (χωρίς θόρυβο) με εύρος ζώνης B είναι 2B bps. Π.χ. Στο τηλεφωνικό κανάλι με εύρος B=3400hz έχουμε μέγιστο ρυθμό μετάδοσης 2B=6800bps. Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι 24/10/2010

Μηχάνημα Μέτρησης ADSL γραμμής Downstream: 6568Kbps = 6.568.000 bits/sec με SNR 6dB Upstream: 950kbps=950.000 bits/sec με SNR 12dB Β’ ΕΠΑΛ ΔΙΚΤΥΑ Ι 24/10/2010

Μέγεθος Κεραίας Η κεραία πρέπει να έχει τις ίδιες διαστάσεις με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που εκπέμπεται Το μήκος κύματος, (wavelength) λ, ενός σήματος είναι η απόσταση που διανύει το σήμα σε χρόνο μιας περιόδου μέσα στο μέσο μετάδοσης λ= c / f c είναι η ταχύτητα μετάδοσης του σήματος (για ηλεκτρομαγνητικά κύματα στο κενό c = 3 x 108 m/s) f είναι η συχνότητα του σήματος -> Σήμα χαμηλής συχνότητας έχει μεγάλο μήκος κύματος και χρειάζεται μεγάλη κεραία για την μετάδοση του Με την διαμόρφωση μπορούμε να χρησιμοποιούμε μικρές κεραίες κατάλληλες για κάθε εφαρμογή