1

Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Curs 5

Cap 3. Nivelul fizic3.2. Medii de transimisie

2 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

3.2.1. Tipuri de medii de transmisie• Scopul nivelului fizic: transportul datelor de la o

maşină la alta

• Medii directive (Guided - wire)• Medii nedirective (Unguided - wireless)

• Caracteristicile şi calitatea sunt determinate de mediul şi semnalele transmise

3 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Alegerea mediilor de transmisie• Lăţimea de bandă• Imperfecţiuni ale transmisiei • Interferenţe• Numărul de receptoare• Costuri• Întârzieri • Uşurinţă de instalare şi utilizare• Distanţa de transmisie

4 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Spectrul electromagnetic

2

5 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Medii directive• Medii magnetice • Perechi torsadate (Twisted Pair)• Cablu coaxial• Fibră optică

6 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Medii magnetice• Foarte folosite• Nesofisticată• Eficient din punct de vedere al costurilor• Exemplu – Ultrium tape – 200GB/400USD

—400Gbps—1GB/3 cenţi

7 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Caracteristici ale mediilor directive

Domeniul de frecvenţe

Atenuare tipică

Întârziere tipică

Distanţa între repetoare

Perechi torsadate

0 to 3.5 kHz 0.2 dB/km @ 1 kHz

50 µs/km 2 km

Perechi torsadate

0 to 1 MHz 0.7 dB/km @ 1 kHz

5 µs/km 2 km

Cablu coaxial 0 to 500 MHz 7 dB/km @ 10 MHz

4 µs/km 1 to 9 km

Fibră optică 186 to 370 THz

0.2 to 0.5 dB/km

5 µs/km 40 km

8 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

A. Perechi torsadate

(a) Cat 3 UTP.(b) Cat 5 UTP.

3

9 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Perechi torsadate - caracteristici• Izolate separat• De obicei grupate în cabluri• Preinstalate în clădiri la construcţie• Suportă până la 10Mbps la 100m• Diafonia prin cuplj capacitiv - mică

10 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Perechi torsadate - aplicaţii• Cel mai folosit mediu• Reţele telefonice

—Între abonat şi oficiu

• În interiorul clădirilor—Reţele private

• Local area networks (LAN)—10Mbps or 100Mbps

11 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Perechi torsadate – pro şi contra• Ieftin• Uşor de folosit• Rata de transfer mică• Distanţă mică de interconectare

12 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Caracteristicile transmisiei• Analog

—Amplificatoare la 5km - 6km

• Digital—Folosind semnale digitale sau analogice—Repetoare la 2km - 3km

• Limitat în distanţă• Limitat în bandă de trecere (10MHz)• Limitat în rata de transfer (100MHz)• Afectată de zgomot şi interferenţe

4

13 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Diafonia• Cuplaj între 2 perechi• Ex.: semnalul de transmis e lângă semnalul

recepţionat

14 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Perechi torsadate ecranate/neecranate• Neecranate - Unshielded Twisted Pair (UTP)

—Linia telefonică —Cea mai iefnină—Uşor de instalat—Influenţată de interferenţe electromagnetice

• Ecranate - Shielded Twisted Pair (STP)—Înveliş metalic pentru reducerea interferenţelor—Mai scumpă—Mai greu de folosit (grea, groasă)

15 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Categorii UTP• Cat 3

— Până la 16MHz— Folosit pentru voce în mojoritatea clădirilor— Lungimea de torsadare: 7.5 cm la 10 cm

• Cat 4— Până la 20 MHz

• Cat 5— Până la 100MHz— Folosită în clădirile noi— Lungimea de torsadare: 0.6 cm la 0.85 cm

• Cat 5E (Enhanced) • Cat 6• Cat 7

16 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Categorii UTPCategory 3

Class CCategory 5

Class DCategory

5ECategory 6

Class ECategory 7

Class F

Bandwidth 16 MHz 100 MHz 100 MHz 200 MHz 600 MHz

Cable Type UTP UTP/FTP UTP/FTP UTP/FTP SSTP

Link Cost (Cat 5 =1)

0.7 1 1.2 1.5 2.2

5

17 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Comparaţie UTP-STPAtenuare (dB per 100 m) Diafonie (dB)

Frecvenţă(MHz)

Category 3 UTP

Category 5 UTP

150-ohm STP

Category 3 UTP

Category 5 UTP

150-ohm STP

1 2.6 2.0 1.1 41 62 58

4 5.6 4.1 2.2 32 53 58

16 13.1 8.2 4.4 23 44 50.4

25 — 10.4 6.2 — 41 47.5

100 — 22.0 12.3 — 32 38.5

300 — — 21.4 — — 31.318 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

B. Cablul coaxial

19 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Cablul coaxial - aplicaţii• Cel mai versatil mediu • Distribuţie TV

—Antenă la TV—Cablu TV

• Transmisie telefonică la distanţă—Poate transporta până la 10.000 convorbiri telefonice

simultan—Înlocuit de fibră optică

• Legătură între calculatoare la distanţă mică• LAN

20 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Caracteristicile transmisiei• Analog

—Amplificatoare la fiecare câţiva kilometri—Mai aproape la frecvenţe mai mari—Până la 500 MHz

• Digital—Repetoare la fiecare 1km—Mai aproape la rate de transfer mai mari

6

21 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

C. Fibra optică

(a)3 exemple de reflexie.(b) Fascicol cu reflexie totală.

22 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Fibra optică

23 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Fibra optică – avantaje • Capacitate mare

—Rate de transmisie de sute de Gbps

• Dimensiuni şi greutate scăzute• Atenuare mică• Izolată electromagnetic• Repetoare mai rare

24 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Fibra optică – aplicaţii• Transmisie pe distanţe lungi• MAN• LAN• Legături rurale

7

25 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Caracteristici ale transmisiei• Funcţionează ca ghid de undă pentru 1014 la

1015 Hz • Tipuri de transmiţător

—Light Emitting Diode (LED)—Injection Laser Diode (ILD)

• Wavelength Division Multiplexing

26 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Tipuri de emiţător

27 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Moduri de transfer

28 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Atenuarea funcţie de frecvenţă

8

29 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Frecvenţe utilizateWavelength (in vacuum) range

(nm)

Frequency range (THz)

Band label

Fiber type Application

820 to 900 366 to 333 Multimode LAN

1280 to 1350 234 to 222 S Single mode Various

1528 to 1561 196 to 192 C Single mode WDM

1561 to 1620 185 to 192 L Single mode WDM

30 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Tipuri de conectare • Conectori

—10-20% pierderi

• Lipire mecanică—10% pierderi—Muncitor calificat

• Topire

31 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Exemplu de reţea cu FO

• Repetoare active

32 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

9

33 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Transmisii wireless – spectrul

34 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Frecvenţe utilizate• 2GHz - 40GHz

—Microunde—Foarte directive—Punct la punct—sateliţi

• 30MHz - 1GHz—Omnidirecţional—Radio

• 3 x 1011 - 2 x 1014

—Infraroşu—Local

35 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Antene• Conductori electrici care radiază/colectează radiaţia

electromagnetică• La transmisie

— Energia primită de la transmiţător— Convertită în energie electromagnetică— Radiată în mediu

• La recepţie— Energia electromagnetică captată de antenă— Convertită în energie electrică— Transmisă la receptor

• De obicei – aceeaşi antenă pentru ambele direcţii

36 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Caracteristica de directivitate• Puterea radiată în toate direcţiile• Nu cu aceleaşi performanţe în toate direcţiile• Antena isotropică

—Radiază în toate direcţiile la fel—Caracteristica de directivitate sferică

10

37 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Antene parabolice• Pentru microunde terestre şi sateliţi• Parabola – locul geometric al punctelor egal

depărtate de o linie şi un punct—Punctul este focar

• Sursele palsate în focar – produc fascicule reflectate paralel

• La recepţie, semnalul se concentrează în focar

38 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Antene parabolice

39 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Câştigul antenei• Măsoară directivitatea antenei• Puterea pe o direcţie comparată cu cea a unei

antene isotropice• Măsurată în decibeli (dB)• Rezultă în pierderi de putere în alte direcţii

40 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Microunde terestre• Antene parabolice• Vedere directă• Comunicaţii la mare distanţă de mare capacitate• Frecvenţe mai mari – rate de transfer mai mari

11

41 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Sateliţi• Satelitul funcţionează ca releu• Recepţioneză pe o frecvenţă, amplifică/repetă

semnalul şi transmite pe altă frecvenţă• Necesită orbită geostaţionară

—Înălţime de 35.784km

• TV• Telefonie la distanţă• Reţele private

42 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Comunicaţii punct la punct

43 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Comunicaţii multipunct

44 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

VSAT – Very Small Aperture Terminals

12

45 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Benzi de frecvenţă folosite

46 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Broadcast radio• Omnidirecţional• Radio FM • Televiziune UHF şi VHF• Vedere directă• Suferă datorită reflexii

47 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Infraroşu• Modulaţie a luminii infraroşii necoerente• Vedere directă (sau reflexie)• Blocat de ziduri• Ex.: telecomanda TV, port IRD

48 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Propagarea wireless• 3 tipuri de rute

—Ground wave• Urmăresc conturul pământului• Până la2MHz• Radio AM

—Sky wave• Radio-amatori, BBC, Vocea Americii• Semnal reflectat de ionosferă• (de fapt refractată)

—Vedere directă• Peste 30Mhz• Poate fi mai mult decât vederea directă optică

13

49 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Ground Wave Propagation

50 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Sky Wave Propagation

51 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Line of Sight Propagation

52 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Refracţia• Viteza de transmisie se modifică cu densitatea

mediului• Indexul de refracţie relativ se modifică cu

lungimea de undă• Se poate modifica direcţia de transmisie gradual

14

53 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Orizontul radio şi optic

54 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Vederea directă• Dispersie cu distanţa

— Mai mult la frecvenţe mai joase

• Absorbţie atmosferică— apa mai mult peste 22GHz, mai puţin sub 15GHz— oxigenul mai mult peste 60GHz, mai puţin sub 30GHz— Ploaia şi ceaţa afectează transmisiile radio

• Căi multiple— Mai bine vederea directă— Pot fi mai multe copii recepţionate

• Refracţia— Poate duce la pierderi parţiale sau totale a semnalului

recepţionat

55 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Interferenţa datorită căilor multiple

56 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

3.2.2. Caracteristici ale mediilor de transmisieA. Atenuarea• Dependentă de mediu• Dependentă de distanţă• Creşte cu frecvenţa

15

57 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Caracteristica de transfer a mediului de transmisie• Sisteme trece jos• Sisteme trece bandă

f

a

0 f0

a

Fo

• Compensarea atenuării – repetoare sau amplificatoare

58 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Caracteristica tip “cosinus ridicat”• Aproximează caracteristica ideală

( ) )1()1(,2

sin12

)1(0,)( αωωαω

ωωα

αωωω +≤<−

⎪⎩

⎪⎨

⎧

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −−

−≤≤

= NNN

N

TT

TX

( ) ( )222 /41

/cos/

/sin)(TtTt

TtTttx

ααπ

ππ

−⋅=

59 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Caracteristica tip “cosinus ridicat”• Interferenţa simbolurilor alăturate este nulă

60 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

B.Distorsiunea de întârziere de grup

ωωφ

ddtg )(

=

f

tg

0 f0

tg

B B

Ideal Real

16

61 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

C. Teorema Nzquist• Limitarea benzii, debit binar maxim (capacitatea

canalului• Pentru un canal de transmisie de bandă B,

frecvenţa de referinţă a impulsurilor este 2B

• Pentru un canal de transmisie de bandă B Hz, se pot transmite maxim 2B bps.

62 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Teorema Nyquist • Dacă semnalele au M nivele diferite:

C=2Blog2M

• Ex: Modem cu 8 faze —M = 8 —B = 300Hz – 3,4kHz—C = 18,6 kbps

63 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Formula Shanon• Dacă apare zgomot, capacitatea canalului se

reduce• Expresia Shanon-Hartley

C=B log2(1+SNR)Ex: Linie telefonică normală

—SNR = 20dB —B = 300Hz – 3,4kHz—C = 19,9 kbps

64 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Diafonia• Perturbarea reciprocă a unor canale adiacente• Compensator adaptiv

—pentru diafonia de capăt apropiat

17

65 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Problema ecoului• Sistem diferenţial

—Ideal atenuare transversală infinită—Real, atenuare finită

• Apare la canale de transmisie foarte lungi• La transmisii de date

—Modem cu compensatori de ecou

66 Corneliu Zaharia

TDRC 1 - 2005

Sfârşit curs 5• Am discutat

— Medii de transmisie• Directive – Magnetice, Perechi torsadate, cablu coaxial, fibra optica• Nedirective – Frecvenţe, antene, microunde terestre, sateliţi, radio,

infraroşu

— Caracteristici ale mediilor de transmisie• Atenuarea• Distorsiunea de grup• Teorema Nyquist• Formula Shanon• Diafonia• Ecoul

• Cursul 6:— Moduri de transmisie a semnalelor