ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: Μέσα Μετάδοσης Μάθημα: Επικοινωνίες & Δίκτυα Η/Υ Γεώργιος Μακεδών, Φυσικός Ρ/Η

Τηλεπικοινωνιακό σύστημα Ορισμός: Είναι το σύστημα που αποτελείται: από την πηγή, που δημιουργεί τον λόγο ύπαρξης της επικοινωνίας. από τον πομπό, που εκπέμπει το σήμα της πηγής. από το μέσο επικοινωνίας του πομπού με τον δέκτη. από το δέκτη που δέχεται το σήμα της πηγής. από τον αποδέκτη του σήματος.

Μέσο μετάδοσης Είναι απαραίτητο για ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα. Τα είδη του είναι: (α) Αέρας, (β) Μεταλλικοί αγωγοί, (γ) Οπτική ίνα Μέσο μετάδοσης ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος ονομάζουμε το φυσικό δρόμο μέσα από τον οποίο περνούν τα σήματα που προέρχονται από τον πομπό (αυτός που στέλνει σήματα) προς τον δέκτη (αυτός που δέχεται σήματα).

Γενικός διαχωρισμός των μέσων μετάδοσης Τα μέσα μετάδοσης που χρησιμοποιούνται στις επικοινωνίες είναι: α. ασύρματα μέσα & β. ενσύρματα μέσα Ασύρματο μέσο εννοείται ο αέρας, μέσω του οποίου μπορούν να διαδοθούν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ή διάφορα φωτεινά σήματα που μεταφέρουν τη χρήσιμη πληροφορία. Ενσύρματο μέσο ανήκει μια ποικιλία από υλικά τα οποία χρησιμοποιήθηκαν και χρησιμοποιούνται μέχρι σήμερα, το καθένα για τις ιδιαίτερες ιδιότητές του.

Ενσύρματα μέσα μετάδοσης Τα βασικά ενσύρματα μέσα μετάδοσης είναι: α. τα δισύρματα χάλκινα καλώδια β. τα ομοαξονικά καλώδια γ. οι οπτικές ίνες

Δισύρματα καλώδια είναι τα απλούστερα και φτηνότερα μέσα που μπορεί να χρησιμοποιήσει κάποιος για την τηλεπικοινωνιακή ζεύξη δύο σημείων. Η χρήση του στηρίζεται στην εκμετάλλευση της μικρής ωμικής αντίστασης του χαλκού. Μικρή ωμική αντίσταση σημαίνει μικρή εξασθένηση του σήματος. Χρησιμοποιούνται για την μετάδοση αναλογικών και ψηφιακών σημάτων.

Ομοαξονικά καλώδια είναι ένα άλλο μέσο μετάδοσης, όπου αποτελείται από ένα χάλκινο καλώδιο, μέσα από το οποίο περνά ηλεκτρομαγνητικό σήμα, ένα μονωτικό υλικό που το περιβάλλει. Έξω από αυτά υπάρχει ένα πλέγμα που παίζει το ρόλο της γείωσης και ένα πλαστικό που περιβάλλει όλο το σύστημα των καλωδίων.

Οπτικές ίνες είναι υάλινα καλώδια μέσα από τα οποία μεταδίδονται πληροφορίες με την μορφή φωτός.

Χάλκινα καλώδια Το χάλκινο καλώδιο είναι το απλούστερο ενσύρματο καλώδιο. Τα κύρια χαρακτηριστικά τους είναι: (α) η μικρή ωμική αντίστασή τους, που σημαίνει μικρή εξασθένηση ισχύος (πλεονέκτημα), (β) το μικρό κόστος, και (γ) η εύκολη χρήση. Μειονέκτημα τους η ευαισθησία τους στο θόρυβο.

Χάλκινα καλώδια Χρησιμοποιούνται: Στη μετάδοση αναλογικών σημάτων, π.χ.: το ρεύμα του μικροφώνου Στη μετάδοση ψηφιακών σημάτων, π.χ.: το ρεύμα στο καλώδιο του εκτυπωτή Στη ζεύξη μικρών αποστάσεων, λόγω των χαρακτηριστικών του.

Χάλκινα καλώδια Συναντούνται ως δισύρματα, δηλαδή ως δύο παράλληλοι χάλκινοι αγωγοί. Λόγω του σχήματός τους συμπεριφέρονται ως κεραίες, μ’ αποτέλεσμα να επηρεάζουν τα γειτονικά τους καλώδια. Πως ονομάζεται το φαινόμενο αυτό;

Χάλκινα καλώδια Διαφωνία (crosstalk) είναι το φαινόμενο κατά το οποίο ένα χάλκινο ζεύγος μεταφέροντας την ηλεκτρική του ενέργεια ακτινοβολεί και επηρεάζει τα γειτονικά του ζεύγη.

Χάλκινα καλώδια Εκτός από το φαινόμενο της διαφωνίας τα χάλκινα καλώδια μπορούν να λάβουν και άλλα ανεπιθύμητα σήματα. Αυτά προέρχονται από το περιβάλλον όπως: (α) ακτινοβολία άλλων μέσων μετάδοσης, (β) κεραίες εκπομπής, (γ) οικιακές συσκευές και γειτονικές πηγές. Τα παραπάνω δημιουργούν τον λεγόμενο ηλεκτρονικό θόρυβο.

Χάλκινα καλώδια Υπάρχει τρόπος αντιμετώπισής του; Με τη χρήση συνεστραμένων δισύρματων χάλκινων καλωδίων. Με την συνέλιξή τους (συνήθως διαφορετική ανά ζεύγος), περιορίζουν τη λήψη εξωτερικών ανεπιθύμη-των καλωδίων, τη διαφωνία και την επίδραση του θορύβου. Για την αύξηση της ανοχής τους στο θόρυβο τα καλώδια αυτά θωρακίστηκαν για να αντέχουν σε περιβαλλοντικές, χημικές και άλλες καταπονήσεις.

Χάλκινα καλώδια Όλα τα καλώδια χρησιμοποιούνται για όλες τις εφαρμογές (μετάδοση διαφορετικών συχνοτήτων); Φυσικά και όχι. Ποιο μέγεθος καθορίζει και την επιλογή για κάθε εφαρμογή του κατάλληλου καλωδίου; Το εύρος ζώνης του.

Χάλκινα καλώδια Εύρος ζώνης συχνοτήτων (bandwidth) ονομάζεται το φάσμα των συχνοτήτων που μπορούν να διαδοθούν ανεμπόδιστα μέσα από το φυσικό μέσο (π.χ.: χάλκινο καλώδιο). Δηλαδή πρόκειται για την μέγιστη συχνότητα που μπορεί να διαδοθεί μέσα από ένα καλώδιο χωρίς πρόβλημα. Ο ρυθμός μετάδοσης των δεδομένων έχει άμεση εξάρτηση με το εύρο ζώνης του καλωδίου. Το εύρος ζώνης είναι ανάλογο με τη διάμετρο του καλωδίου.

Χάλκινα καλώδια Για την επιλογή χάλκινου καλωδίου μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τους πίνακες 3.1 και 3.2 του βιβλίου σελίδα 60. Η συνηθέστερη κατηγορία καλωδίων είναι η 5. Τι θα συμβεί αν χρησιμοποιήσουμε λάθος κατηγορία καλωδίου; Τι είναι η εξασθένηση;

Χάλκινα καλώδια Εξασθένηση ονομάζεται το πόσο μειώνεται η στάθμη της ισχύος σ’ ένα σήμα, κατά τη μετάδοσή του μέσα από ένα φυσικό μέσο μετάδοσης. Μετράται σε dB ανά μονάδα μήκους. Παράδειγμα: Ένα χάλκινο ζεύγος μήκους ενός χιλιομέτρου μεταφέρει ηλεκτρικό σήμα με ισχύ 10W. Στο τέλος του καλωδίου το ηλεκτρικό σήμα έχει ισχύ 100mW. Να υπολογιστεί η εξασθένηση.

Ομοαξονικά καλώδια Ένα ομοαξονικό καλώδιο σχηματίζεται από δύο αγωγούς με κυλινδρικό σχήμα. Ο εσωτερικός αγωγός είναι μέσα στον εξωτερικό κατά τέτοιο τρόπο, ώστε ο δεύτερος να περιβάλλει πλήρως τον πρώτο. Επειδή οι δύο αγωγοί έχουν κοινό άξονα, τα καλώδια αυτού του τύπου ονομάζονται ομοαξονικά. Οι δύο αγωγοί διαχωρίζονται πλήρως μεταξύ τους με τη χρήση ενός μονωτικού υλικού, το οποίο από τη μια αποτρέπει την αγώγιμη επαφή μεταξύ τους και από την άλλη επιτρέπει τη διάδοση του σήματος. Τα μονωτικά αυτά υλικά ονομάζονται διηλεκτρικά.

Ομοαξονικά καλώδια Πλεονεκτήματα τους είναι: η ασφάλεια, η αναισθησία στο θόρυβο, η μικρή εξασθένηση του σήματος, η μετάδοση αναλογικών σημάτων με μεγάλο εύρος ζώνης και η μετάδοση ψηφιακών σημάτων με υψηλό ρυθμό μετάδοσης. Μειονέκτημά τους η ακαμψία τους.

Ομοαξονικά καλώδια Χρήση τους σε: τοπικά δίκτυα Η/Υ, σε υπεραστικές συνδέσεις τηλεφωνικού δικτύου, σε καλωδιακή τηλεόραση.

Οπτικές ίνες Οι οπτικές ίνες είναι πολύ λεπτές κυλινδρικές ίνες γυαλιού ή πλαστικού με διάμετρο κάτω των 8μm (δηλαδή πιο λεπτές από μια τρίχα). Είναι διαφανείς και εύκαμπτες. Κατασκευάζονται από εξαιρετικά καθαρό γυαλί, με τρόπο ώστε να αντανακλούν το φως προς τον άξονά τους – να το κρατούν στο εσωτερικό τους. Έτσι, οι δέσμες φωτός μεταδίδονται εύκολα και γρήγορα.

Οπτικές ίνες Με τις ακτίνες λέιζερ, ένα σήμα μπορεί να μεταδοθεί δια μέσου οπτικών ινών σε απόσταση μεγαλύτερη από 50 χλμ. χωρίς ενδιάμεση ενίσχυση. Αυτό σημαίνει ότι οι οπτικές ίνες είναι πιο αποτελεσματικές από τα χάλκινα καλώδια. Με ένα μόνο ζεύγος οπτικών ινών μπορούν να πραγματοποιηθούν ταυτόχρονα εκατοντάδες τηλεφωνικές συνδιαλέξεις.

Οπτικές ίνες Με την βοήθεια των οπτικών ινών μπορούμε να “αναγκάσουμε” μια φωτεινή δέσμη να ακολουθήσει όποια διαδρομή επιθυμούμε. Θα μπορούσαμε να πούμε ότι, όπως με ένα εύκαμπτο λάστιχο ποτίσματος μπορούμε να οδηγήσουμε το νερό από την βρύση σε ένα σημείο του κήπου μας, έτσι και με τις οπτικές ίνες μπορούμε να “οδηγήσουμε” το φως από μια ακίνητη πηγή σε οποιοδήποτε σημείο θέλουμε. Γι’ αυτό λέμε ότι μια οπτική ίνα είναι ένας φωτοαγωγός ή φωτοοδήγος.

Οπτικές ίνες Αποτελούνται από τρία μέρη: Την κεντρική γυάλινη κυλινδρική ίνα, που ονομάζεται πυρήνας και είναι το τμήμα στο οποίο διαδίδεται το φως. Την επικάλυψη (απλή ή πολλαπλή), που είναι ένας ομόκεντρος με τον πυρήνα κύλινδρος. Έχει μικρότερο δείκτη διάθλασης από τον πυρήνα, για να παθαίνει το φως συνεχείς ολικές ανακλάσεις. Η επικάλυψη αυτή ονομάζεται μανδύας. Το περίβλημα, που είναι ένα αδιαφανές πλαστικό.

Οπτικές ίνες Το φως διαμέσου των οπτικών ινών διαδίδεται με τη βοήθεια της γεωμετρικής οπτικής. Έτσι το φως, όταν συναντήσει μια επιφάνεια που διαχωρίζει δύο διαφανή μέσα ( αέρας και νερό ) θα υποστεί ανάκλαση ή διάθλαση. Τι από τα δύο θα γίνει εξαρτάται από την οπτική πυκνότητα του κάθε μέσου. Το μέτρο της οπτικής πυκνότητας ονομάζεται δείκτης διάθλασης που συμβολίζεται με n και ισούται με το πηλίκο της ταχύτητας του φωτός c προς την ταχύτητα του φωτός u στο μέσο διάδοσης (αέρας, νερό, γυαλί, …). Όταν το φως δεν καταφέρνει να διαπεράσει την διαχωριστική επιφάνεια τότε έχουμε το φαινόμενο της ολικής εσωτερικής ανάκλασης του φωτός, μ’ αποτέλεσμα το φως να μη χάνει καθόλου από την ενέργειά του.

Οπτικές ίνες Είδη ανάλογα με τη διάμετρο του πυρήνα: Πολύτροπη (multimode) Ανάλογα με την τιμή του δείκτη διάθλασης: 1.1 Βηματικού δείκτη διάθλασης (εξασθένηση 10 – 50 dB / km) – για εφαρμογές όχι μεγάλων απαιτήσεων. 1.2 Διαβαθμισμένου δείκτη διάθλασης (εξασθένηση 7 – 15 dB / km) – για δικτύα Η/Υ και εφαρμογές μεγάλων απαιτήσεων σε εύρος ζώνης. Μονότροπη (sigle mode ή monomode) – κατάλληλη για ζεύξεις μεγάλων αποστάσεων και σε εφαρμογές που απαιτούνται μεγάλοι ρυθμοί μετάδοσης.

Οπτικές ίνες Βρίσουν εφαρμογές σε: τοπικά δίκτυα Η/Υ υψηλών απαιτήσεων σε ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων, αστικά δίκτυα, όπου απαιτείται η μετάδοση δεδομένων σε μεγάλες αποστάσεις με υψηλούς ρυθμούς, τηλεπικοινωνιακές ζεύξεις μεγάλων αποστάσεων επήγειες και υποβρύχιες, βιομηχανικές εφαρμογές για προστασία από ΗΜ θόρυβο, από εκρήξεις λόγω σπινθήρων, στρατιωτικά δίκτυα όπου απαιτείται μεγαλύτερος βαθμός ασφάλειας.

Οπτικές ίνες Τα βασικά πλεονεκτήματα είναι: Ότι διαθέτουν μεγάλο εύρος ζώνης. Ανεπηρέαστες από το θόρυβο. Ασφαλές μέσο μετάδοσης. Ότι εισάγουν μικρή εξασθένηση. Ελαφρύτερα και με λιγότερο όγκο. Χρήσιμα σε εφαρμογές υψηλού κινδύνου Ανεπηρέαστες από την υγρασία και από το φαινόμενο της διαφωνίας.

Οπτικές ίνες Τα βασικά μειονεκτήματα είναι: Η δυσκολία σύνδεσης τους με άλλα μέσα και Η ευθυγράμμισή τους.

Ασύρματες ζεύξεις Ορισμός: Ασύρματη ονομάζεται η ζεύξη που είναι ανεξάρτητη από υλικά μέσα και χρησιμοποιεί ως μέσο μετάδοσης τον αέρα ή το κενό. Η ασύρματη μετάδοση στηρίζεται στη μετάδοση σημάτων στην ατμόσφαιρα μέσω της χρήσης κατάλληλων κεραιών.

Ασύρματες ζεύξεις Κεραία ονομάζουμε ένα σύστημα κατάλληλου σχήματος, το οποίο επιτρέπει στην ενέργεια να περάσει από το ενσύρματο μέσο μεταφοράς (καλώδιο) στον ελεύθερο χώρο (ασύρματο μέσο), με όσο το δυνατόν καλύτερη απόδοση. Οι βασικές ιδιότητες που καθορίζουν τη λειτουργία μιας κεραίας είναι: το σχήμα της και το σημείο στο οποίο τροφοδοτείται από τον πομπό. Το σχήμα της καθορίζει και την κατεύθυνση στην οποία θα ακτινοβολούνται τα κύματα, αν είναι κεραίες εκπομπής ή την κατεύθυνση από την οποία θα λαμβάνονται τα κύματα, αν είναι κεραίες λήψης.

Ασύρματες ζεύξεις Οι ασύρματες ζεύξεις πλεονεκτούν στο ότι είναι ανεξάρτητες από υλικά μέσα μετάδοσης. Μειονεκτούν στο ότι : α) απαιτείται μεγάλη ισχύς, προκειμένου να διαδοθούν σε μεγάλες αποστάσεις, β) παρουσιάζουν μεγάλη ευαισθησία σε παρεμβολές φυσικές ή τεχνικές, και γ) παρουσιάζουν ευαισθησία στο θόρυβο φυσικό ή τεχνικό. Είναι απαραίτητες στις επικοινωνίες μεταξύ των πλοίων, των αεροπλάνων και του εδάφους με τα πλοία και τα αεροπλάνα.

Ασύρματες ζεύξεις Για την πραγματοποίησή τους απαιτείται η μετάδοση της πληροφορίας με την βοήθεια των συχνοτήτων του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα περιλαμβάνει: Ακουστικές: 20Hz – 20kHz (συχνότητες που ακούει το αυτί του ανθρώπου) Μικροκύματα: 1GHz – 300GHz (επικοινωνίες Radar0 Ακτίνες Χ: 1018 Hz – 1020 Hz (ακτινογραφίες) Ορατό φάσμα: 0,43χ1017Hz - 0,75χ1017Hz (συχνότητες που αντιλαμβάνεται το ανθρώπινο μάτι)

Διηπειρωτικές ζεύξεις Ορισμός: είναι οι ζεύξεις μεγάλων αποστάσεων. Χρησιμοποιούν τόσο ενσύρματα όσο και ασύρματα μέσα μετάδοσης. Χρησιμοποιούνται: ομοαξονικά καλώδια και οπτικές ίνες για την ενσύρματη μετάδοση και δορυφόροι, με χρήση μικροκυματικών συχνοτήτων, για την ασύρματη μετάδοση.

Διηπειρωτικές ζεύξεις Υποβρύχια επικοινωνία Τα καλώδια που χρησιμοποιούμε για τις υποβρύχιες ζεύξεις είναι οι οπτικές ίνες γι’ αυτό και έχουν περισσότερες προστασίες από οποιοδήποτε καλώδιο. Τα υποβρύχια οπτικά καλώδια είναι ογκώδη και βαριά για να αντέχουν στο περιβάλλον των ωκεανών. Έτσι δεν διαθέτουν μεγάλο αριθμό. Η εξωτερική ενίσχυσή τους εξαρτάται από το βάθος που θα ποντιστεί καθώς, από τα ρεύματα που έχει να αντιμετωπίσει και από το τι ψάρια θα το «επισκεφτούν». Η εξασθένηση των οπτικών ινών λόγω των μεγάλων αποστάσεων είναι μεγάλη και έτσι χρησιμοποιούμε οπτικούς ενισχυτές.

Διηπειρωτικές ζεύξεις Δορυφορική επικοινωνία Δορυφορικές είναι οι επικοινωνίες που χρησιμοποιούν δορυφόρους και δύο σταθμούς εδάφους, χρησιμοποιώντας μικροκυματικές συχνότητες. Χρησιμοποιούνται: α) για επικοινωνίες, β) για την πρόγνωση του καιρού, γ) για κατασκοπεία, δ) για χαρτογράφηση, … Αναμεταδότη ονομάζουμε ένα σύστημα που έχει τη δυνατότητα να λαμβάνει ένα μεταδιδόμενο σήμα σε κάποιο ενδιάμεσο σημείο της διαδρομής του και να το αποστέλλει ξανά προς την κατεύθυνση του δέκτη, αφού πρώτα τα ενισχύσει, προκειμένου να ακυρώσει την επίδραση της εξασθένησης που έχει υποστεί μέχρι εκείνη τη στιγμή.

Διηπειρωτικές ζεύξεις Δορυφορική επικοινωνία Οι δορυφορικές ζεύξεις έχουν τα παρακάτω πλεονεκτήματα: Καλύπτουν εφαρμογές μεγάλου εύρους ζώνης, όπως τηλεοπτικά προγράμματα. Δεν επηρεάζονται από την απόσταση αυτών που επικοινωνούν. Έχουν και περιορισμούς: Έχουν μεγάλους χρόνους μετάδοσης Δεν παρέχουν καμιά ασφάλεια Έχουν μεγάλη εξασθένηση λόγω αποστάσεως  

Ασκήσεις Να λυθούν οι ασκήσεις: 21 και 22 του βιβλίου στη σελίδα 78

Άσκηση 1η: Ένα χάλκινο καλώδιο μήκους ενός χιλιομέτρου μεταφέρει σήμα με ισχύ 1W. Στο τέλος του καλωδίου το ηλεκτρικό σήμα έχει ισχύ 10mW. Να υπολογιστεί η εξασθένηση του καλωδίου.

Άσκηση 2η: Να υπολογιστεί το εύρος ζώνης του «α» τηλεπικοινωνιακού παραθύρου όπου λ1=1,25 μm και λ2=1,35 μm.