Komunikacijske tehnologije in storitve

Gradivo za predmet Komunikacijske tehnologije in storitve – 1. del samo za interno uporabo kot pomoč pri pripravi na izpit Program: Mehatronika Višja šola Zavod IRC dr. Hubert Fröhlich november 2010

Kazalo 1 Predgovor ........................................................................................................................... 4

2 Uvod v elektronske komunikacije ...................................................................................... 5

2.1 Komunikacijski sistemi ................................................................................................ 5

2.1.1 Oddajnik ............................................................................................................... 6

2.1.2 Komunikacijski kanal ............................................................................................ 6

2.1.3 Sprejemnik ........................................................................................................... 7

2.1.4 Oddajno-sprejemna enota ................................................................................... 7

2.1.5 Slabljenje .............................................................................................................. 7

2.1.6 Šum ...................................................................................................................... 8

2.2 Tipi elektronskih komunikacij...................................................................................... 8

2.2.1 Simpleks ............................................................................................................... 8

2.2.2 Polni dupleks ........................................................................................................ 8

2.2.3 Polovični dupleks ................................................................................................. 8

2.2.4 Analogni signali .................................................................................................... 9

2.2.5 Digitalni signali ..................................................................................................... 9

2.3 Modulacije in združevanje ........................................................................................ 10

2.3.1 Prenos v osnovnem pasu ................................................................................... 10

2.3.2 Širokopasovni prenos ......................................................................................... 11

2.3.3 Multipleksiranje ................................................................................................. 12

2.4 Elektromagnetni spekter ........................................................................................... 14

2.4.1 Frekvenca in valovna dolžina ............................................................................. 15

2.4.2 Radijski spekter .................................................................................................. 16

2.4.3 Optični spekter ................................................................................................... 17

2.5 Pasovna širina ............................................................................................................ 18

2.5.1 Pasovna širina kanala ......................................................................................... 18

2.5.2 Upravljanje s spektrom ...................................................................................... 19

2.5.3 Standardi ............................................................................................................ 19

3 Prenosni mediji ................................................................................................................ 21

3.1 Bakrena parica ........................................................................................................... 22

3.1.1 Kategorije bakrenih paric ................................................................................... 23

3.1.2 Aplikacije bakrene parice ................................................................................... 23

3.1.3 Prednosti in slabosti bakrene parice.................................................................. 24

3.2 Koaksialni kabel ......................................................................................................... 25

3.2.1 Značilnosti koaksialnega kabla ........................................................................... 25

3.2.2 Aplikacije koaksialnega kabla ............................................................................. 26

3.2.3 Prednosti in slabosti koaksialnega kabla ........................................................... 27

3.3 Mikrovalovi ................................................................................................................ 27

3.3.1 Značilnosti mikrovalov ....................................................................................... 27

3.3.2 Aplikacije mikrovalov ......................................................................................... 29

3.3.3 Prednosti in slabosti mikrovalov ........................................................................ 29

3.4 Optična vlakna ........................................................................................................... 30

3.4.1 Značilnosti optičnih vlaken ................................................................................ 30

3.4.2 Aplikacije optičnih vlaken .................................................................................. 33

3.4.3 Prednosti in slabosti optičnih vlaken ................................................................. 33

3.5 Energetski vodi .......................................................................................................... 34

1 Predgovor To gradivo obravnava tehnologije, ki so ključne za obstoj sodobnih telekomunikacij. Obravanava vse sestavne elemente sodobnih komunikacijskih omrežij, ki se danes uporabljajo v komercialne raziskovalne ali industrijske namene. Na kratko obravnava tudi storitve, ki jih danes telekomunikacijski operaterji tržijo po vsem svetu. Pred vami je prvi del gradiva, ki obravnava osnovne pojme telekomunikacij, nekatere gradnike in tehnike v telekomunikacijah in prenosne medije.

2 Uvod v elektronske komunikacije Komunikacija je proces izmenjave informacij. Ljudje komuniciramo, da si izmenjujemo mnenja, misli, da sporočimo naše občutke in ideje drugim osebam. Proces komuniciranja je neločljiv del človeškega obstoja in delovanja in lahko zavzema verbalno, neverbalno (govorica telesa), tiskano (pisno) in elektronsko obliko. Dve glavni oviri pri komuniciranju med ljudmi sta jezik in razdalja. Jezikovna ovira lahko nastane, kadar komunicirata pripadnika različnih narodnosti ali kultur. Razdalja pa je sama po sebi problem, kadar govorimo o komuniciranju. V začetku obstoja človeka je bila komunikacija omejena na neposredno bližino. Kasneje so začeli ljudje pri komuniciranju premagovati razdaljo s pošiljanjem preprostih signalov, kot so zvoki bobnov, trobljenje rogov, dimnih signalov in kasneje mahanja z zastavicami. Še večje razdalje so premagovali s posredovanjem tovrstnih signalov iz ene lokacije na drugo. Kasneje se je razdalja preko katere je bila mogoča komunikacija povečala tudi s pomočjo pisane besede (knjige, pisna sporočila). Zelo dolgo je bila komuniakcija na razdaljo omejena z zmogljivostmi tekačev, konj, ladij in kasneje vlakov. Komunikacije so doživele dramatičen preskok ob koncu devetnajstega stoletja, ko je človek odkril elektriko in začel izkoriščati njen ogromen potencial. Leta 1844 je bil izumljen telegraf in 1876 telefon. V letu 1887 je bil odkrit radio in 1895 leta prvič tudi uporabljen v praksi. Od tu naprej so telekomunkacije doživele nesluten razvoj. Danes dobro poznane oblike elektronskega komuniciranja kot so telefon, radio, televizija in internet so vse povečale našo zmožnost komuniciranja. Naš življenjski slog, profesionalna uspešnost in vsakodnevno delovanje so vsi bistveno odvisni od tega, kako kakovostno komuniciramo. Iz industrijske dobe smo prešli v informacijsko dobo in komunikacije so njeno bistvo. Brez elektronskih komunkacij danes ne bi imeli možnosti pravočasnega dostopa do ključnih informacij. V današnjem času so hitre in zanesljive komunikacije kritičen element. Poleg tega smo z njimi do neke mere tudi zasvojeni. Ko se navadimo na nove zmogljivosti telekomunkacijskih tehnologij, se tako razvadimo, da postanemo od njih dobesedno odvisni in si brez njih ne znamo več prdstavljati življenja. Kar poskusite si zamisliti življenje brez telefona, televizije, radia, mobilnih komunikacij ali računalniških omrežij.

2.1 Komunikacijski sistemi Vsi komunikacijski sistemi imajo oddajnik, komunikacijski kanal ali medij in sprejemnik. Te osnovne komponente so predstavljene na sliki 1. Proces komuniciranja se prične ko neka oseba ustvari poljubno sporočilo, podatke ali informacije, ki jih mora prenesti drugim osebam. Sporočilo lahko ustvari tudi računalnik ali kakšna druga elektronska naprava (npr. senzor). To sporočilo v obliki električnega signala pošljemo v oddajnik, ki ga pošlje v komunikacijski kanal. Sporočilo sprejme sprejemnik in ga nato v primerni obliki posreduje drugi osebi. Ne glede na vrsto komunikacijskega kanala se bo k signalu, ki predstavlja sporočilo, dodal šum, ki je naravna lastnost vsakega komunikacijskega kanala. Izraz šum uporabljamo za opis katerega koli pojava, ki med potovanjem po komunikacijskem kanalu vpliva na kakovost signala, ki predstavlja poslano informacijo.

Slika 1: Splošen model komunikacijskeg sistema

2.1.1 Oddajnik Prvi korak pri oddajanju sporočila je pretvorba tega sporočila v obliko, ki je primerna za prenos preko ustreznega medija. Za zvok na primer uporabimo mikrofon, ki pretvori zvočno valovanje v električni signal. Za sliko najpogosteje upravljamo kamero, ki svetlobo prav tako pretvori v zaporedje električnih signalov. V računalniških sistemih informacijo vnesemo preko tipkovnice ali drugih vhodnih naprav, ki jih računalniška vezja pretvorijo v ustrezne binarne električne signale, ki so primerni za shranjevanje v pomnilniku ali za nadaljnjo obdelavo. Različni senzorji pretvarjajo različne fizikalne veličine v električne signale. Oddajnik je zbir elektronskih komponent in vezij, ki so zasnovana tako, da pretvorijo električne signale v signale, ki so primerni za prenos preko različnih komunikacijskih kanalov (medijev). Oddajnike sestavljajo oscilatorji, ojačevalniki, filtri, modulatorji, frekvenčni mešalniki, sintetizatorji frekvenc, in druga vezja. Izvorni signal, ki predstavlja informacijo, običajno modulira nosilni signal precej višje frekvence, ki ga ustavri oddajnik, nato pa ta modulirani nosilec ojačimo z močnostnim ojačevalnikom, ki ustvari signal primeren za prenos po izbranem komunikacijskem mediju.

2.1.2 Komunikacijski kanal Komunikacijski kanal je medij preko katerega elektronski signal pošljemo iz ene lokacije na drugo. V komunikacijah uporabljamo mnogo različnih medijev kot so električni prevodniki, optična vlakna in mikrovalovi (prazen prostor). Električni prevodniki. V najpreprostejši obliki je to lahko par kovinskih žic, ki prenašajo električni ekvivalent zvočnega signala od mikrofona do slušalk. Izvedba je lahko v obliki koaksialnega kabla (kot na primer za TV signale pri kabelski televiziji) ali pa kot prepleten par dveh žic, ki ga v komunikacijah imenujemo parica (twisted pair) in se najpogosteje uporablja v LAN omrežjih za povezavo osebnih računalnikov. Optična vlakna. Komunikacijski medij je lahko izveden kot optično vlakno (drugo ime zanj je svetlovodno vlakno). V tem primeru je nosilec, ki je moduliran s koristnim signalom, svetlobni žarek. Ta komunikacijski medij se danes uporablja po vsem svetu za komunikacije na dolge razdalje in za velike prenosne zmogljivosti. Informacije pretvorimo v digitalni signal, ki nato vklaplja in izklaplja lasersko diodo z zelo visoko frekvenco in tako modulira svetlobni

signal, ki bo prenašan po vlaknu. V uporabi so tudi tehnike, ki uporabljajo analogne signale za modulacijo svetlobnega žarka. Mikrovalovi (prazen prostor). Kadar je medij prazen prostor, govorimo o radijskih sistemih. Radijski sistem, ki ga pogosto imenujemo tudi brezžični sistem ali mikrovalovni raidjski sistem, je zelo splošen termin za opis kakršne koli oblike brezžične komunikacije med dvema točkama. Radio deluje na podlagi dejstva, da se elektromagnetno valovanje širi skozi prazen prostor. Širi se lahko tudi na zelo velike razdalje. Hitrost širjenja elektromagnetnega valovanja je enaka svetlobni hitrosti. Električni signal, ki predstavlja informacijo pretvorimo v elektromagnetno valovanje s pomočjo antene. Elektromagnetno vlaovanje, ki ga izseva antena nato potuje preko praznega prostora do antene na drugi strani zveze, ki elektromagnetno valovanje pretvori nazaj v električni signal. V zadnjih letih pa komunikacijo v praznem prostoru omogočajo tudi sistemi, ki uporabljajo infrardečo in vidno svetlobo. Drugi mediji. Kljub temu, da velika večina komunacij poteka na medijih iz zgoraj opisanih treh skupin, pa je mogoče uporabljati tudi druge medije. Pri sonarju je komunikacijski medij morska voda, geologi pa za komunikacijski medij uporabljajo naš planet, ker prevaja tako zvočno valovanje, kot tudi mehanska valovanja, ki nastajajo ob potresih. Poleg tega je dokaj pogost medij za komuniciranje postala tudi energetska napeljava, kjer je moduliran nosilec preprosto superponiran na visokonapetostni signal, ki potuje po električni napeljavi ali celo daljnovodu.

2.1.3 Sprejemnik Sprejemnik je zbir elektronskih komponent in vezij, ki sprejme poslano sporočilo v obliki moduliranega nosilca in iz njega izlušči poslano informacijo, ter jo pretvori v električni signal. Ta signal nato ustrezne naprave pretvorijo v človeku razumljivo obliko (zvok, slika, besedilo...) ali v digitalno obliko, primerno za obdelavo z računalnikom. Sprejemnik vsebuje ojačevalnike, oscilatorje, mešalnike, filtre in demodulator, ki iz moduliranega nosilca izlušči koristni signal.

2.1.4 Oddajno-sprejemna enota Večina elektronskih komunikacij je danes dvosmernih, kar pomeni, da morata obe stani imeti oddajnik in sprejemnik. Posledično imajo praktično vse komunikacijske naprave vgrajena vezja tako za oddajo kot sprejem. Te naprave imenujemo oddajno-sprejemne naprave (angl. transceiver). V teh napravah so oddajna in sprejemna vezja vgrajena v isto ohišje in imajo določene komponente (kot npr napajalna vezja) tudi skupne. Telefoni,faksi, ročne CB radijske naprave, mobilni telefoni in računalniški modemi so vsi primeri oddajno-sprejemnih naprav.

2.1.5 Slabljenje Slabljenje ali degradacija signala pri prenosu preko medija je neizogiben pojav ne glede na tip medija. Slabljenje je premo sorazmerno s kvadratom razdalje med oddajnikom in sprejemnikom. Mediji so tudi frekvenčno selektivni, tako da se vedejo kot nizkoprepustna sita in zato poleg manjšanja amplitude signala tudi zelo popačijo digitalne signale pri prenosu na velike razdalje. Zato moramo signal tako v oddajniku kot v sprejemniku močno

ojačiti, da ga lahko prenesemo preko velikih razdalj. Vsak medij (razen praznega prostora) pa tudi upočasni hitrost potovanja signala glede na svetlobno hitrost v praznem prostoru.

2.1.6 Šum Šum je velika nadloga vseh komunikacijskih sistemov. Njegov vpliv občutijo vsi sprejemniki v katerem koli komunkacijskem sistemu. Teorija, ki obravnava šum, presega okvir tega učbenika zavedati pa se je treba, da se morajo z njim spopasti snovalci komunikacijskih naprav ne glede na tip medija, ali izvedbo sprejemnika in oddajnika. Nekaj nastalega šuma je mogoče odstraniti s siti, v splošnem pa je treba paziti da so kritične komponente v komunikacijskih napravah t.i. nizkošumne izvedbe. Ker je veliko šuma v komunikacijskih sistemih temperaturnega izvora, se včasih snovalci zatečejo k hlajenju kritičnih delov sistema. Šum običajno navajamo relativno glede na koristni signal. Tako pridemo do razmerja signal-šum (nagl. signal to noise, S/N ali signal to noise ratio, SNR). To razmerje podajamo kot razmerje moči signala in moči šuma in se izraža v decibelih (dB). Ni treba posebej poudarjati, da je v vsakem komunikacijskem sistemu zaželjeno čim večje razmerje signal-šum.

2.2 Tipi elektronskih komunikacij Elektronske komunikacije v najširšem smislu delimo glede na to ali so enosmerne (simpleks) ali dvosmerne (polni dupleks ali polovični dupleks). Drug način deljenja elektronskih komunikacij je na analogne (za prenos informacij se uporabljajo analogni signali) in digitalne (za prenos infromacij se uporabljajo digitalni signali). V nadaljevanju si bomo na kratko pogledali posamezne kategorije.

2.2.1 Simpleks Najpreprostejši način elektronskega komuniciranja je enosmerna komunikacija, ki jo najpogosteje imenujemo simpleksna komunikacija ali kar simpleks. Najpogostejša oblika simpleksa je radiodifuzija ali TV prenos.

2.2.2 Polni dupleks Večina elektronskih komunikacij je dvosmernih in jih imenujemo dupleksne komunikacije ali dupleks. Tipični dupleks je telefonski pogovor, kjer obe strani, ki komunicirata lahko hkrati govorita in poslušata. Taka dvosmerna komunkacija se imenuje polni dupleks.

2.2.3 Polovični dupleks Oblika dvosmerne komunikacije kjer lahko samo ena stran oddaja naenkrat se imenuje polovični dupleks. Komunikacija je sicer dvosmerna, vendar lahko hkrati poteka le v eno smer. Obe strani, ki komunicirata, se morata pri oddaji in sprejemu izmenjavati. Večina radijskih povezav, ki jih uporabljajo policija, vojska, gasilci, letalstvo, pomorstvo in drugi je polovični dupleks. Amaterske radiokomunkiacije so prav tako polovični dupleks.

2.2.4 Analogni signali Analogni signali v v elektronskih komunikacijah so zvezno spremenljivi napetost ali tok. Nekaj tipičnih analognih signalov prikazuje slika 2. Sinusni signal je primer analognega signala, ki vsebuje zgolj eno frekvenco. Glasovni ali video signali so analogni signali, ki se spreminjajo v skladu s spreminjanjem jakosti zvoka ali spremembami svetlobe in so torej analogni informaciji, ki jo prenašamo.

Slika 2: Primeri analognih signalov: a) sinusni, b) govorni, c) TV signal

2.2.5 Digitalni signali Digitalni signali se, za razliko od analognih, ne spreminjajo zvezno, ampak v diskretnih korakih. Njihova vrednost ne more biti poljubna, ampak lahko zavzame zgolj vnaprej predpisane vrednosti. Večina digitalnih signalov je binarne oblike, torej lahko zavzamejo zgolj dve različni stanji. Nekaj primerov je prikazanih na sliki 333. V začetnih letih so tako žične kot brezžične komunikacije uporabljale neko vrsto binarnega digitalnega signala. Telegrafije je uporabljala Morsejevo kodo (dolgi in kratki signali, ki so predstavljali pike in črte s pomočjo katerih so bile predstavljene črke in številke). Radijska telegrafija je kasneje uporabljala prenos s trajnim valom (continuous wave transmission), ki je bil v bistvu sinusni signal, ki so ga vklapljali in izklapljali in tako z različno dolgimi časi preklopov predstavili črte in pike. Podatki v računalnikih so prav tako predstavljeni z digitalnimi signali. Binarne kode , ki predstavljajo števila, znake in posebne simbole, prenašajo preko žičnih, brezžičnih ali optičnih povezav. Pogosto signali, ki jih želimo prenašati izvirno nastanejo v digitalni obliki, kot npr. telegrafsko sporočilo ali podatki v računalniku. Take podatke moramo včasih pretvoriti v analogne signale, da jih lahko prenašamo preko zvez, ki podpirajo zgolj analogne signale. Tak primer je klasično telefonsko omrežje, ki je bilo zgrajeno za prenos analognih signalov. Če digitalne podatke pretvorimo v analogne signale, jih lahko prenašamo preko telefonskega omrežja.

slika 3: Digitalni signali: a) digitaliziran signal, b) binarni signal

Tudi obratna situacija je danes pogosta: signale zajamemo v analogni obliki (govor ali slika) in jih nato digitaliziramo in prenašamo po omrežjih, ki so zgrajena za prenos digitalnih signalov.

2.3 Modulacije in združevanje Modulacija in združevanje (multipleksiranje) sta tehniki za učinkovito prenašanje informacij med različnimi kraji. Modulacija je tehnika s katero signal predelamo tako, da je bolj združljiv s prenosnim medijem, multipleksiranje pa omogoča, da hkrati preko istega medija prenašamo več kot en signal. Modulacija in multipleksiranje sta osnovni tehniki v elektronskih komunikacijah. Ko enkrat dobro razumemo ti dve tehniki, lahko razumemo tudi kako delujejo sodobni komunkacijski sistemi.

2.3.1 Prenos v osnovnem pasu Preden lahko neko informacijo prenašamo na razdaljo, jo moramo pretvoriti v elektronske signale, združljive z medijem, po katerih jih bomo prenašali. Na primer mikrofon spreminja zvočne signale v analogno napetost spremenljive amplitude in frekvence. Ta signal nato potuje po bakrenih vodnikih do ojačevalnika ali slušalk. Na ta način deluje tudi telefonski sistem. Video kamera generira analogni signal, ki predstavlja spremembe v svetlobi vzdolž ene vrstice slike, ki jo zaznava svetlobno tipalo. Tak analogni signal običajno prenašamo preko koaksialnega kabla. Tipkovnica v računalniku ustvarja binarne podatke, ki jih računalnik nato shrani in ustrezno obdela. Nato jih preko vodnikov prenese do perifernih enot do naprav kot so tiskalnik, ekran ali pa preko mrežnega kabla do drugega računalnika. Ne glede na to ali so signali, ki predstavljajo informacijo, ki jo želimo prenašati, digitalni ali analogni, se imenujejo signali v osnovnem pasu (baseband signals).

V komunikacijskih sistemih je možno signale v osnovnem pasu pošiljati direktno, torej nespremenjene preko poljubnega medija ali pa jih uporabimo za modulacijo visokofrekvenčnega nosilca, ki ga bomo nato poslali preko prenosnega medija. Kadar informacijo pošiljamo nespremenjeno, to imenujemo prenos v osnovnem pasu. Na primer v nekaterih telefonskih sistemih in interkom sistemih pogosto pošiljamo signal, ki direktno predstavlja informacijo. V nekarih primerih tudi v računalniških omrežjih prenašamo signale direktno, torej v osnovnem pasu. V mnogih primeri pa so signali v osnovnem pasu nekompatibilni s prenosnim medijem. Čeprav bi lahko govor prenašali direktno preko radijskih valov, je to v resnici nepraktično. Za prenos preko radijskih valov so precej bolj primerni signali višjih frekvenc, kot so frekvence govornega signala. Zato običajno s signalom osnovnega pasu moduliramo visokofrekvenčni signal, ki mu pravimo tudi nosilec (carrier). Radijski valovi so elektromagnetno sevanje, ki se v določenem frekvenčnem področju zelo učinkovito širi v prostor in lahko prepotuje zelo velike razdalje.

2.3.2 Širokopasovni prenos Modulacija je proces v katerem spreminjamo lastnosti visokofrekvenčnega signala v skladu s spreminjanjem signala v osnovnem pasu. Proces je prikazan na sliki 4. S postopkom modulacije informacijo nizkofrekvenčnega signala v osnovnem pasu dobesedno vtisnemo v viskofrekvečni nosilec. Nosilec je običajno sinusni signal, ki ga umetno generiramo z oscilatorjem. Nosilec in koristni signal prideta na vhod modulatorja, na izhodu pa kot rezultat dobimo moduliran nosilec, primeren za prenos. Pred prenosom moduliran nosilec še ojačimo z močnostnim ojačevalnikom in ga nato pošljemo preko medija. Tak prenos imenujemo širokopasovni prenos.

slika 4: Modulacija v oddajniku

Če si pogledamo splošen matematični izraz za sinusoido:

kjer je v - trenutna vrednost napetosti

Vp - amplituda (maksimalna vrednost) sinusoide f - frekvenca (Hz) ω - kotna frekvenca = 2πf t - čas ω t - kot v radianih = 2πft φ - fazni kot vidimo tri načine, kako lahko spreminjamo lastnosti nosilca na podlagi nizkofrekvenčnega (baseband) signala: lahko spreminjamo amplitudo, frekvenco ali fazo. Dve najpogostejši metodi sta, da spreminjamo amplitudo signala (amplitudna modulacija - AM) ali frekvenco (frekvenčna modulacija - FM). Slika 5 prikazuje obe vrsti modulacije.

slika 5: Vrste modulacij: a) amplitudna, b) frekvenčna

Pri amplitudni modulaciji spreminjamo člen Vp v enačbi sinusoide v skladu z amplitudo koristnega signala. Pri frekvenčni modulaciji spreminjamo člen f v prvem delu enačbe. Tretnji način moduliranja nosilca je, da spreminjamo člen ϕ, ki povzroči spremembo faznega zamika nosilca v skladu s spreminjanjem amplitude koristnega signala. Efekt fazne modulacije je v bistvu prav tako frekvenčno moduliran signal. Na sprejemni strani nato moduliran nosilec demoduliramo, kar pomeni, da iz njega izuščimo koristni signal. Vezje, ki opravlja to nalogo imenujemo demodulator.

2.3.3 Multipleksiranje Uporaba modulacije nam omogoča tudi uporabo druge osnovne tehnike v elektronskih komunikacijah, ki jo imenujemo združevanje ali multipleksiranje. Multipleksiranje je proces, ki omogoči dvema li več koristnim signalom, da si istočasno delijo isti medij oziroma komunikacijski kanal. Koncept multipleksiranja je prikazan na sliki 666.

slika 6: Koncept multipleksiranja

Multiplekser združi več koristnih signalov v en sam kompozitni signal, ki ga nato uporabimo za modulacijo nosilca. Na sprejemni strani nato signal najprej demoduliramo, nato pa iz dobljenega kompozitnega (multipleksiranega) signala s pomočjo demultiplekserja restavriramo posamezne koristne signale (slika 7).

slika 7: Koncept demultipleksiranja

Za multipleksiranje imamo tri osnovne tehnike: frekvenčni multipleks, časovni multipleks in kodni multipleks. V frekvenčnem multipleksu vsak koristni signal modulira podnosilec. Tako dobljene modulirane podnosilce nato seštejemo in z dobljeninm signalom (kompozitni signal) moduliramo nosilec. V časovnem multipleksu jemljemo zaporedno posamezne vzorce vsakega koristnega signala in s temi vzorci moduliramo nosilec. Če te vzorce jemljemo dovolj hitro, bomo od vseh koristnih signalov imali dovolj podrobnosti v nosilcu, da jih bomo lahko verno restavrirali na sprejemni strani. Pri kodnem multipleksu koristne signale najprej zakodiramo v digitalne signale, pri čemer za vsak signal uporabimo unikatno kodo. Signali nato vsi modulirajo isti nosilec. Vsi hkrati tudi uporabljajo isti komuniacijski kanal. Na sprejemni strani spet uporabimo unikatno dekodiranje za izločitev posameznih koristnih signalov iz nosilca.

2.4 Elektromagnetni spekter (daj notri sliko iz TE ki prikazuje cel EM spekter na zelo prgleden način) Elektromagnetno valovanje si lahko predstavljamo kot signale, ki nihajo. Drugače povedano amplitudi električne in magnetne komponente polja se ponavljajoče spreminjata s časom. Elektromagnetno valovanje se v času spreminja sinusoidno. Hitrost spreminjanja polja merimo v nihajih na sekundo ali hertzih (Hz). En nihaj na sekundo je en hertz. Število nihajev v sekundi imenujemo tudi frekvenca. Frekvence elektromagnetnega polja lahko segajo od izjemno nizkih do ekstremno visokih. Ves razpon frekvenc, ki jih elektromagnetno valovanje lahko zavzame imenujemo elektromagnetni spekter.

Slika 8: Elekromagnetni spekter

Vsi signali, ki jih proizvajamo z namenom, da se širijo v prazen prostor in prenašajo infromacije, spadajo v elektromagnetni spekter. Sem ne spadajo signali, ki jih prenašamo po kablih. Lahko imajo enake frekvence niso pa radijski signali. Slika 8 prikazuje celoten elektromagnetni spekter in podaja tako frekvence kot valovne dolžine. Nekje na sredini spektra se nahajajo frekvence, ki jih tipično uporabljamo za dvosmerne komunkacije, TV prenos, mobilno telefonijo, brezžična LAN omrežja in druge aplikacije. V zgornjem delu spektra se nahajta področje infrardeče (IR) in vidne svetlobe. Nad njima pa je še področje ultravijolične (UV) svetlobe. Slika 9 prikazuje umestitev nekaterih telekomunikacijskih naprav v EM spekter in frekvenčni prostor kjer delujejo.

Slika 9: Primerjava nekaterih TK naprav in medijev glede na frekvenčno področje v katerem delujejo

2.4.1 Frekvenca in valovna dolžina Ena od glavni značilnosti periodičnega signala je, da se v času spreminja ponavljajoče. Hitrost ponavljanja imenujemo frekvenca. Frekvenca. Frekvenca v splošnem predstavlja število ponovitev nekega dogodka v časovni enoti. Če govorimo o elektromagnetnem valovanju je ta pojav sprememba intenzitete polja (že prej sem omenil, da niha sinusno), časovna enota pa ena sekunda. Torej je frekvenca elektromagnetnega valovanja število nihajev v eni sekundi. Enota za frekvenco je hertz. Valovna dolžina. Valovna dolžina je v primeru EM valovanja ali električnega signala razdalja, ki jo zavzame en nihaj valujočega polja (ali napetosti oziroma toka). Običajno jo izražamo v metrih. Valovno dolžino merimo med točkama, kjer signal zavzame enako vrednost. Lahko si jo predstavljamo tudi kot razdaljo, ki jo elektromagnetni val prepotuje v času enega nihaja. Elektromagnetno valovanje potuje s svetlobno hitrostjo, ki v vakuumu znaša 299.792.800 m/s. Ta hitrost pa je pri prenosu signalov v različnih medijih, kot npr. optičnih kablih, manjša. V izračunih za svetlobno hitros pogosto uporabljamo kar vrednost 300.000.000 m/s

(3 108 m/s).

Za valovno dolžino uporabljamo simbol grše črke lambda (). Valovno dolžino izračunamo

kot ulomek svetlobne hitrosti in frekvence: = c/f . Primer: valovna dolžina signala frekvence 4 MHz je

2.4.2 Radijski spekter Za namene klasifikacije delimo elektromagnetni spekter na več področij kot to kaže slika 8. Glede na to da ima vsak del spektra svoje značilnosti in se v telekomunikacijah uporablja za različne aplikacije namenjamo vsakemu segmentu radijskega spektra kratek opis. Ektremno nizke frekvence (Extremly low frequencies - ELF). To je del spektra v območju 30 - 300 Hz. V tem območju najdemo nihanje napetosti na energetskih vodih (50 ali 60 Hz). Tudi del frekvenc človeškega govora se najde v tem delu. Glasovne frekvence (voice frequencies - VF). To je del spektra, ki zavzema področje 300 - 3000 Hz. V tem delu spektra se tipično nahajao signali, ki prenašajo govor. Kljub temu, da človek sliši frekvence v razponu 20 Hz do 20.000 Hz, pa je najbolj razumljiv zvok za človeka prav v območju glasovnih frekvenc. Zelo nizke frekvence (Very low frequencies - VLF). Segajo od 3kHz do 30 kHz. v tem frekvenčnem območju najdemo veliko glasbenih inštrumentov (čeprav seveda pokrivajo tudi območje VF in ELF). To področje uporabljajo tudi v nekaterih aplikacijah vladnih in vojaških komunikacij. Na primer mornarice uporabljajo to področje za komunikacijo s podmornicami. Nizke frekvence (Low frequencies - LF). Te zavzemajo 30 - 300 kHz. Najpogosteje na tem področju komunicirajo naprave v aeronavtiki in pomorski navigaciji. Frekvence tega področja se pogosto uporabljajo za podnosilce, ki jih moduliramo s koristnimi signali, nato pa seštejemo in tako dobljene signale uporabimo za modulacijo visokofrekvenčnega nosilca (glej tudi poglavje 2.3). Srednje frekvence (Medium frequencies - MF). Zavzemajo področje 300 - 3000 kHz. Najpogosteje se te frekvence uporabljajo za AM radijske oddajnike (535 - 1605 kHz). Uporabljao pa se prav tako tudi v v aeronavtiki in pomorski navigaciji. Visoke frekvence (High frequencies - HF). Visoke frekvence obsegajo 3 - 30 MHz. Pogosto za to frekvenčno območje uporabljamo tudi ime kratki valovi. V tem območju se dogaja ogromno simpleksnih in dupleksnih komunkacij. Prav tako v tem območju deluje precej vladnih in vojaških dvosmernih komunkacijskih aplikacij. Primer so komunikacije med ambasadami. Radioamaterji prav tako uporabljajo ta del spektra. Zelo visoke frekvence (Very high frequencies - VHF). To območje frekvenc sega od 30 - 300 MHz. To je zelo uporabljan del spektra, vključujoč mobilne radijske zveze, pomorske in aeronavtične aplikacije, FM radijske oddajnike (88 do 108 MHz) in TV oddajnjike (kanali od 2 do 13). Radioamaterji uporabljajo tudi precej pasov iz tega območja. Ultra visoke frekvence (Ultra high frequencies - UHF). Te frekvence segajo od 300 - 3000 MHz. Tudi ta del spektra je izjemno gosto zaseden z aplikacijami. Uporabljajo ga za TV oddjnike (UHF kanali 14 do 67), mobilne radijske zveze, mobilno telefonijo in vojaške aplikacije. Nekateri radarji delujejo v tem področju, pa tudi radioamaterji imajo nekaj pasov v uporabi znotraj UHF področja. Mikrovalovi in super visoke frekvence (Microwave, Super High Frequencies - SHF). Segajo od 1 GHz do 30 GHz. Področje mikrovalovnih frekvenc se zelo veliko uporablja v satelitskih komunikacijah. V tem področju delujejo tudi naprave za brezžična LAN omrežja (Wi-fi) in vsem dobro znane mikrovalovne pečice.

Ekstremno visoke frekvence (Extremely high frequencies - EHF). Področje od 30 - 300 GHz. Elektromagnetno valovanje frekvenc nad 30 GHz pogosto imenujemo tudi milimeterski valovi. Oprema za komuniciranje na tako visokih frekvencah je zelo kompleksna in draga, vendar se vedno več uporablja predvsem v satelitskih komunikacijah, računalniških aplikacijah (za kratke razdalje) in nekaterih specializiranih radarjih. Frekvence med 300 GHz in optičnim spektrom. Ta del spektra je popolnoma neizrabljen. Predstavlja praznino med radijskim (RF) in optičnim področjem in za komunikacije v tem frekvenčnem področju (še) ni razvitih niti naprav, niti komponent.

2.4.3 Optični spekter Nad milimetrskim območjem elektromagnetnega spektra se začne optični spekter. Ta del spektra zavzema svetloba. Tudi pri svetlobi ločimo tri različna frekvenčna področja: infrardečo (IR), vidno in ultravijolično (UV). Infradreča. To področje je vkleščeno med najvišje raidjske frekvence in vidno svetlobo. To je valovanje z valovnimi dolžinami med 0,1 milimetra (mm) in 800 nanometri (nm) ali drugače povedano od 100 mikrometrov pa do 0,8 mikrometra. Glede na to, da so frekvence tega valovanja tako visoke, da si števila s katerimi jih bi opisovali težko predstavljamo, jih raje opisujemo z valovnimi dolžinami. Infrardeče valovanje je v splošnem tesno povezano s toploto. Povzročajo ga vsi predmeti, ki so topli - ljudje, žarnice, oprema, ki se greje in drugi. Seveda pa infrardeče vlaovanje lahko oddaja tudi za to specialno narejena svetleča dioda (LED) ali pa laser. Infrardeče valovanje se uporablja za mnoge vrste specialnih komunikacij. Na primer v astronomiji za detekcijo zvezd in drugih teles v vesolju, za krmiljenje vodenih izstrelkov v vojaških aplikacijah, za daljinske upravljalnike TV sprejemnikov in v zadnjem času tudi za najsodobnejše izvedbe brežičnih LAN omrežij. Pomembna je tudi aplikacija infrardečega valovanja v sodobnih optičnih komunikacijah, saj danes skoraj vsa optična omrežja uporabljajo ta del svetlobe. Infrardeči signali imajo mnoge lastnosti enake kot vidna svetloba. Zato so mnoge optične naprave kot so zrcala in leče uporabne tudi za procesiranje in manipulacijo infrardečih signalov. Vidna svetloba. Nad IR področjem se začne področje vidne svetlobe. To je del spektra, ki ga imamo najpogosteje v mislih, ko omenimo svetlobo. Vidni spekter sega od valovnih dolžin okrog 0,8 mikrometra do 0,4 mikrometra (800 do 400 nm). Pri 800 nm imamo rdečo svetlobo (najnižje frekvence v vidnem spektru), ki potem z višanjem frekvenc prehaja preko oranžne, rumene, zelene in modre do vijolične, ki ima najvišjo frekvenco in torej najkrajšo valovno dolžino okrog 400 nm. Vidni del spektra lahko uporabljamo za različne vrste komunikacij. Lahko jo uporabljamo tudi v optičnih vlaknih. Velika prednost tako vidne kot IR svetlobe je v izjemno visokih frekvencah, ki omogočajo velike pasovne širine, torej prenos ogromnih količin podatkov. Z drugimi besedami - pasovna širina koristnega signala je lahko ogromna. Vidno svetlobo je možno uporabiti tudi v praznem prostoru. Razvitih je bilo več različnih komunukacijskih sistemov, ki uporabljajo laser, ki generira

žarek vidne svetlobe. Laser generira zelo ozek, usmerjen žarek, ki ga je dokaj enostavno modulirati z govorno, video ali podatkovno infromacijo. Ultravijolična. UV del spektra se razteza med valovnimi dolžinami od 400 do 4 nm. UV svetloba je tista, ki nas poleti opeče, če se preveč nastavljamo soncu. Prav tako jo generirajo nekatera svetila (npr. svetilka na živosrebrne pare). UV spekter se ne uporablja v telekomunikacijah. Nad ultravijoličnim spektrom se razteza še področje rentgenskih žarkov (tudi žarki X), gama žarkov in kozmičnih žarkov (kozmično sevanje), vendar se v komunikacijah ta del spektra ne uporablja.

2.5 Pasovna širina Pasovna širina je tisti del spektra, ki ga zaseda nek signal. Lahko predstavlja tudi frekvenčno področje delovanja neke naprave. Če smo bolj natančni, pasovna širina predstavlja razliko med najvišjo in najnižjo frkevenco, ki jo vsebuje nek signal oziroma razlika med zgornjo in spodnjo frekvenčno mejo delovanja nekega inštrumenta. Na primer govorni signal, ki vsebuje frekvence med 300 Hz in 3400 Hz ima pasovno širino B = 3400 Hz - 300 Hz = 3100 Hz.

2.5.1 Pasovna širina kanala Kadar moduliramo nosilec s koristnim signalom, dobimo signal, ki zavzema del elektromagnetnega spektra okrog frekvence nosilca. Sam proces modulacije povzroči nastanek dodatnih signalov poleg nosilca. Te signale imenujemo bočni pasovi in se pojavijo na frekvencah, ki sta od frekvence nosilca oddaljeni ravno za frekvenco koristnega signala. Če si pogledamo poenostavljen primer: s sinusnim signalom 5kHz amplitudno moduliramo nosilec frekvence 1000 kHz. Bočna pasova se bosta pojavila na frekvencah 1000 - 5 = 995 kHz in 1000 + 5 = 1005 kHz. Bočna pasova seveda tudi porabljata frekvenčni spekter. Torej pasovna širina tako moduliranega nosilca znaša: B = 1005 - 995 = 10 kHz. Pasovna širina v tem primeru pomeni celoten razpon frekvenc, ki jih rabimo, da prenašamo infromacijo. Pasovna širina potrebna za prenos našega AM signala je torej 10 kHz. Signali, ki jih prenašamo na enakih frekvencah ali na prekrivajočih se pasovih frekvenc, se med sabo mešajo in iz njih ne moremo več verno izluščiti infromacije. Zato lahko v določenem področju frekvenčnega spektra prenašamo omejeno število signalov. V začetku dobe telekomunikacij to ni bil problem, saj je bilo naprav malo prostora pa veliko. S časom pa so potrebe po zmogljivosti komunikacijskih naprav rastle in s tem povzročile razvoj naprav, ki so lahko komunicirale na vedno višjih frekvencah. Pred 2. svetovno vojno je bil frekvenčni spekter nad 1 GHz praktično neuporabljen, saj ni bilo komponent, ki bi zmogle proizvesti signale tako visokih frekvenc. Napredek tehnologij pa je prinesel vrsto naprav kot so klistroni, magnetroni, cevi na potujoči val in polprevodniške tranzistorje, integrirana vezja indruge polprevodniške komponente, ki delujejo v mikrovalovnem področju. Prednost uprabe višjih frekvenc je v tem, da določena pasovna širina na višjih frekvencah predstavlja manjši delež razpoložljivega spektra kot na nižjih. Na primer pasovna širina 10 kHz okoli frekvence 1000 kHz predstavlja 1% spektra (10kHz/1.000kHz = 0,01 = 1 %). Če enako pasovno širino prestavimo na frekvenco 1 GHz ta predstavlja le še tisočinko odstotka (10 kHz/1.000.000 kHz = 0,00001 = 0,001 %). V praksi to pomeni da je na delu spektra okrog frekvence 1 GHz na voljo precej več 10 kHz kanalov, kot pa v področju okrog 1 MHz. Z

drugimi besedami, na višjih frekvencah imamo na voljo več spektra za prenos infromacije, kot na nižjih. Tako višje frekvence omogočajo tudi prenos signalov, ki imajo večje pasovne širine. Na primer analogni TV signal ima pasovno širino 6-8 MHz. Takega signala ne bi mogli prenašati na srednjih ali visokih frekvencah, saj bi en signal zasedel cel spekter, ki je na voljo. Zato TV signale prenašamo na zelo visokih (VHF) in ultra visokih (UHF) frekvencah, kjer je na voljo dovolj prostora. Danes je praktično ves spekter med 30 kHz in 30 GHz zaseden. Nekateri deli spektra niso zelo intenzivno uporabljani, vendar je večina tega dela spektra polna telekomunikacijskih signalov vseh vrst, ki imajo izvore po vsem svetu. Za pravico uporabe različnih delov spektra se borijo tako gospodarske družbe, kot vlade in posamezniki. Tekma poteka tudi na mednarodnem nivoju, med posameznimi državami. Danes je elektromagnetni spekter ena najdragocenejših naravnih dobrin. To pomanjkanje spektra za vse komunikacijske potrebe, ki bi jim radi zadostili, predstavlja močno gonilno silo za inženirsko skupnost, da razvija vedno učinkovitejše komunikacijske tehnike za čim boljšo izrabo spektra, ki je na voljo. Mnoge tehnike, ki danes prevladujejo v svetovnih telekomunikacijah, so se razvile prav iz potrebe, da porabimo čim manj spekta za prenos določene količine informacije.

2.5.2 Upravljanje s spektrom Vlade posameznih držav, so že zelo zgodaj ugotovile, da je frekvenčni spekter končen in zelo dragocen vir in so kmalu začele regulirati njegovo uporabo. V ZDA so imeli prvi akt o uporabi spektra že v zgodnjem letu 1934. Seveda so takoj ustanovili tudi regulativno telo (Federal Communications Commision - FCC), ki je imelo nalogo nadzirati uporabo spektra, izdajalo dovoljenja za jegovo uporabo, razvijalo standarde in imelo moč kaznovanja za nepravilno uporabo spektra. Združeni narodi so vzpostavili mednarodno telo Interantional Telecommunications Union (ITU). Danes je 189 držav včlanjenih v to telo, ki ima za nalogo vzpodbujanje sodelovanja na globalnem nivoju in usklajevanje nacionalnih interesov na področju telekomunikacij. Različni organi znotraj ITU danes postavljajo standarde za različna področja telekomunikacij. V okviru ITU se države dogovarjajo med seboj glede uporabe različnih delov spektra. Nekatere frekvence se ne širijo zelo daleč in jih lahko vsaka država upoablja po svoji presoji. Za tiste dele spektra, katerih frekvence se širijo dobesedno okrog sveta, pa se morajo države medsebojno uskladiti glede uporabe, da se ne motijo med seboj.

2.5.3 Standardi Standardi so specifikacije in usmeritve, ki jih morajo gospodarske družbe in posamezniki upoštevati, da zagotovijo združljivost oddajnih in sprejemnih naprav in komunikacijskih sistemov. Čeprav je koncept komunikacij dokaj preprost, pa očitno obstaja ogromno načinov za pošiljanje informacij na daljavo. Na voljo je precej različnih načinov kako modulirati signale, multipleksirati in obdelovati informacijo pred oddajo. Če bi vsak uporabljal svoj sistem, bi bili sistemi nezdružljivi in komunikacije ne bi bilo. V praksi se proizvajalci opreme držijo standardov v taki meri, da naprave lahko komunicirajo med seboj. Lastnost

združljivosti naprav različnih proizvajalcev pogosto imenujemo tudi interoperabilnost (angl. interoperabitlity). Standardi so podrobni opisi delovanja, zgradbe, in merilnih metod, ki definirajo telekomunikacijsko opremo. Primer specifikacij, ki jih najdemo v standardih so modulacijske metode, frekvence delovanja, tehnike multipleksiranja, dolžine besed in formati zapisa podatkov, hitrosti prenosa podatkov, metode kodiranja, tipi kablov in konektorjev. Te standarde razvijajo različne neprofitne organizacije po vsem svetu. Strokovna telesa, ki pišejo standarde, sestavljajo strokovnjaki, gospodarske družbe, raziskovalne ustanove in akademske skupine. Druge skupine se ukvarjajo zgolj z revizijo in preverjanjem predlaganih standardov. Ko se vpleteni strokovnjaki zedinijo glede določenih stadnardov, jih objavijo, da jih lahko uporablja cel svet. Organizacije, ki vzdržujejo standarde v telekomunikacijah so:

American National Standards Institute (ANSI) - www.ansi.org

Electronic Industries Alliance (EIA) - www.eia.org

European Telecommunications Strandards Institute (ETSI) - www.etsi.org

Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) - www.ieee.org

International Telecommunications Union (ITU) - www.itu.org

Internet Engineering Task Force (IETF) - www.ietf.org

Telecommunications Institute of America (TIA) - www.tiaonline.org

3 Prenosni mediji Prenosni mediji predstavljajo fizične poti, ki povezujejo računalnike in druge naprave med seboj v omrežje. Za uspešno komunikacijo vsak medij potrebuje specializirano omrežno elektroniko, ki mu je popolnoma prilagojena. Če prenosne medije pogledamo v luči OSI modela (OSI model je podrobno obravnavan v poglavju Error! Reference source not found.), ugotovimo, da spadajo v 1. nivo OSI modela. Priročno bi bilo, če bi lahko telekomuni-kacijska in računalniška omrežja gradili samo z eno vrsto prenosnega medija. Izkaže pa se, da to, razen za zelo majhna omrežja, ni praktično. Zato pri gradnji realnih omrežij v praksi uporabljamo kombinacija različnih medijev. Prenosne medije dleimo v tri glavne kategorije: Električni kabli - v to skupino spadajo: klasična bakrena parica, (UTP - unshielded twisted pair), oklopljena parica (STP - shielded twisted pari) in koaksialni kabel. Te vrste prenosnih medijev so relativno poceni glede na ostale medije, vendar, kot bomo videli kasneje, imajo precej omejeno pasovno širino in z večanjem zahtev po hitrosti prenosa podatkov po omrežjih ne morejo več zadovoljevati zahtev. Zato njihova uporaba s časom upada, čeprav še dolgo (če sploh kdaj) ne bodo povsem izginili. V to kategorijo sodijo tudi energetski vodi, ki se z napredkom tehnologije vedno pogosteje uporabljajo tudi kot prenosni medij v telekomunikacijah. Brezžični - brezžični medij predstavlja elektromagnetno valovanje, ki se širi v praznem prostoru in ga delimo na radijske frekvence, mikrovalove, infrardečo in vidno svetlobo. Vzpostavitev komunikacije v brezžičnem mediju je hitrejša in cenejša od kablov, še posebej v področjih s slabo razvito infrastrukturo. Uporaba brezžičnih medijev je pogosta tudi tam, kjer je polaganje kablov zaradi težko prehodnega področja ali drugih okoliščin prezamudno ali predrago. Slabost tega medija je relativno nizka pasovna širina in precejšnja občutljivost na motnje. Optična vlakna - Optična vlakna so sestavljena iz silicijevega dioksida (SiO2) in ponujajo ogromno pasovno širino in so imuna na razne vrste električnih motenj. Ponujajo zelo čisto in nizkošumno komunikacijsko pot. Edina slabost je relativno draga in kompleksna gradnja omrežja, saj zahtevajo posebne tehnike in orodja za polaganje in gradnjo omrežij. Še pred nedavnim je za slabost optičnih vlaken veljala tudi cena medija samega. Vendar v zadnjih letih ta cena strmo pada, tako da danes optični kabel v mnogo primerih predstalvja cenejšo rešitev kot bakreni kabli.

Ko govorimo o 1. nivoju OSI modela, v telekomunikacijah v mislih nimamo le fizične snovi ali praznega prostora skozi katerega se širi informacija v obliki valovanja, pač pa vso opremo, ki sestavlja fizični del zveze. Tako v telekomunikacijah fizični nivo zveze predstavlja sklop oddajnika, sprejemnika, medija skozi kateri se širi valovanje in tudi kontrolna vezja, ki skrbijo, da oddaja in sprejem sploh potekata.

Glede na aplikacijo, ki jo želimo zgraditi lahko izberemo različne vrste medijev glede na njihove lastnosti. V tem poglavju bomo obravnavali pet glavnih tipov medijev: bakreno parico, koaksialni kabel, mikrovalove, optična vlakna in energetske vode. Med najpomembnejše lastnosti vsakega prenosnega medija seveda spada njegova zmogljivost za prenos informacij. To zmogljivost lahko opišemo s pasovno širino,ki jo medij doseže. Drug zelo pomemben parameter prenosnega medija je njegova občutljivost na motnje in posledično količina napak pri prenosu. Tu se mediji med seboj zelo razlikujejo. Še en pomemeben parameter pri izbiri prenosnega medija za gradnjo omrežja, je največja dovoljena razdalja med repetitorji. Signal namreč med potovanjem skozi kateri koli medij slabi z razdaljo od izvora. Zato ga moramo po določeni razdalji zopet ojačiti in regenerirati. Največja dovoljena razdalja med ojačevalniki je pomemben dejavnik, saj vpliva na to, koliko ojačevalnikov moramo vgraditi v zvezo, da bomo sploh lahko premostili določeno razdaljo. Pri gradnji omrežij to lahko predstavlja veliko opreme, ki jo je treba namestiti, kasneje pa še nadzorovati in vzdrževati, kar vse lahko predstavlja ogromne stroške za operaterja. Pomemben dejavnik pri izbiri medija je tudi varnost komunikacije. Noben sistem ne zagotavlja popolne varnosti in prav tako noben prenosni medij ni imun na prisluškovanje. vendar z metodami kriptiranja in avtentikacije lahko dvignemo varnost komunikacije na sprejemljiv nivo. Različni mediji so tudi različno občutljivi na prisluškovanje in nudijo različne možnost za detekcijo prisluškovanja. In na koncu moramo pri izbiri medija upoštevati tudi ceno. Pri ceni moramo upoštevati tri različne vrste stroškov: nakup medija in pripadajoče opreme (npr. laserski izvor svetlobe, sprejemnik, antene, antenski stolpi itd), stroški izgradnje in stroški vzdrževanja. Tabela 1 prikazuje primerjavo različnih prenosnih medijev in njihovih glavnih lastnosti. V nadaljevanju si bomo podrobneje pogledali prej omenjenih pet medijev.

Tabela 1: Primerjava lastnosti medijev v telekomunikacijah

Medij Frekvenčni spekter

Pogostost napak Razdalja med repetitorji

Varnost Cena

Parica 1 MHz Slaba (10-5

) Kratka (2 km) Slaba Nizka Koaks. kabel 1 GHz Dobra (10

-7) Kratka (2,5 km) Dobra Srednja

Mikrovalovi 100 GHz Zelo dobra (10-9

) Srednja (50 km) Slaba Srednja Optična vlakna 100+ THz Odlična (pod 10

-11) Dolga (100+ km) Dobra Srednja do visoka

3.1 Bakrena parica Bakrena parica predstavlja temeljno tehnologijo, na kateri je bilo zgrajeno javno telefonsko omrežje in celo danes je še ogromno ljudi na javno internetno omrežje priključenih s pomočjo bakrene parice. Kljub temu, da si brez te vrste medija ne znamo predstavljati zgodovinskega razvoja telekomunikacijskih omrežij, pa zahteve modernih aplikacij presegajo njegovo zmogljivost. Zato prihodnost bakrene parice ni svetla, čeprav bo še dolgo časa med nami. Bakrena parica zmore pasovno širino na večje razdalje nekje okrog 1 MHz (kar pomeni največji možen prenos okrog 2 - 3 Mb/s). Vsekakor je mogoče na bakrenih paricah dosegati višje hitrosti prenosov, vendar na kratkih razdaljah. V LAN omrežjih z njimi dosegamo 100

Mb/s, vendar kabel ne sme biti daljši od 100 m. Razvoj novih tehnologij tudi viša tako zgornjo mejo hitrosti prenosa, kot razdaljo preko katere lahko prenesemo informacijo preko bakrene parice. Dejstvo pa je, da pri bakreni parici obstaja obratno sorazmerna povezava med razdaljo in pasovno širino zato je njegova uporaba za resnično širokopasovne aplikacije omejena.

Iz pravkar napisanega sledi tudi to, da bakrena parica zahteva majhno razdaljo med repetitorji. To zopet predstavlja slabost, zaradi katere je pri bakrenem omrežju treba vzdrževati več komponent in imamo več možnosti za napake. Vse to na dolgi rok vodi do visokih stroškov

vzdrževanja. Bakrena parica je zelo občutljiva na

elektromagnetno interferenco, radiofrekvenčno interferenco in pojave zaradi vlage in korozije. Zato je starost in fizično stanje parice tudi pomemben faktor pri načrtovanju omrežja na obstoječi infrastrukturi. V prihodnosti je pričakovati največ uporabe bakrene parice znotraj stavb za majhne razdalje znotraj pisarn. Sčasoma bodo vsa podjtetja uporabljala izključno kombinacijo optičnih vlaken in brezžičnih omrežij, vendar, kot že rečeno, bakrena parica bo še nekaj časa z nami.

3.1.1 Kategorije bakrenih paric Obstajata dve vrsti bakrenih paric: brez oklopa (Unshielded Twisted Pair - UTP) in z oklopom (Shielded Twisted Pair - STP). Pri STP imamo okrog prepletenih žic, ki tvorita parico, še kovinski oklop, ki ima nalogo da zmanjša občutljivost parice na elektromagnetne interference iz zunanjega okolja. Večinoma se danes še vedno uporabljajo UTP kabli. Parice se delijo tudi v različne kategorije, ki določajo maksimalne hitrosti prenosa podatkov preko parice. V pslošnem se kategorije paric nanašajo na tiste, ki so definirane v standardih ANSI/TIA/EIA 568-A, ki so standardi za kable, ki se uporabljajo v komercialnih inštalacijah za komunikacije znoptraj stavb. Kategorije paric, ki so bile ali so še danes atandardizirane so naštete v tabeli 2.

3.1.2 Aplikacije bakrene parice Najpogostejša uporaba bakrene parice je za razpeljavo omrežja po stavbah in pisarnah, telefonijo, povezave od telefonske centrale do telefonskih aparatov, LAN omrežja in lokalne zanke. Bakrena parica se uprablja tako v tradicionalnih analognih linijah, kot za digitalne aplikacije kot je ISDN in vse oblike DSL (ADSL, HDSL, VDSL, SDSL), ki jih s skupnim imenom označimo kot xDSL.

Slika 11: UTP kabel

slika 10: STP kabel

Tabela 2: Kategorije bakrenih paric

Kategorija Oznaka Uporaba

1 Cat 1 Samo za telefonijo. Ne podpira podatkovnih prenosov. TIA/EIA ga ne priznavata več za standard.

2 Cat 2 Podpira prenose do 4 Mb/s (izvedba UTP) in se je največ uporabljal za token ring LAN omrežja. TIA/EIA ga ne priznavata več za standard.

3 Cat 3 Ima zgornjo frekvenčno mejo preko 16 MHz (izvedba UTP) in omogoča okrog 10 Mb/s prenosa na razdalji do 100 m. Glavna aplikacija so 10 Mb/s ethernet in 4 Mb/s token ring LAN omrežja. Trenutni standard TIA/EIA -568-B.

4 Cat 4 Ima zgornjo frekvenčno mejo preko 20 MHz (izvedba UTP) in omogoča okrog 16 Mb/s prenosa na razdalji do 100 m. Glavna aplikacija 16 Mb/s token ring LAN omrežja. TIA/EIA ga ne priznavata več za standard.

5 Cat 5 Ima zgornjo frekvenčno mejo preko 100 MHz (izvedba UTP) in omogoča okrog 100 Mb/s prenosa na razdalji do 100 m. Glavna aplikacija so med drugim 100BaseTX, ATM omrežja, CDDI in 1000BaseT. TIA/EIA ga ne priznavata več za standard.

5E Cat 5E Izboljšana (enhanced) kategorija 5. Ima zgornjo frekvenčno mejo preko 100 MHz (izvedba UTP) na razdalji do 100 m. Glavna aplikacija je 1000BaseT. Trenutni standard TIA/EIA -568-B.

6 Cat 6 Ima zgornjo frekvenčno mejo preko 250 MHz (izvedba UTP) na razdalji do 100 m. Za to kategorijo kablov pričakujejo da bo omogočala 1 Gb/s vendar na zelo kratkih razdaljah. Aplikacije so 10BaseT, 100BaseTX, 1000BaseT ali 1000BaseTX in 10GBaseT (za zelo kratke razdalje). Za polni izkoristek zahteva zelo kakovostno terminiranje in inštalacijo v skladu s predpisi. Trenutni standard TIA/EIA -568-B.

6a Cat 6a Dopolnjena (augmented) verzija z zgornjo frekvenčno mejo do 500 MHz. Aplikacije so enake kot Cat 6. Trenutni standard TIA/EIA -568-B.2-10.

7 Cat 7 Zgornja frekvenčna meja do 600 MHz, aplikacija 10GBaseT na razdaljah do 100m. Trenutni standard ISO/IEC 11801 class F.

7a Cat 7a Standard je še v pripravi, zgornjo frekvenčno mejo definira do 1000 MHz, naj bi pa zmogel 40 Gb/s na razdaljah do 50m in 100 Gb/s na razdaljah do 15m. Trenutno v obliki dodatka 1 in 2 k standardu ISO/IEC 11801 class FA.

3.1.3 Prednosti in slabosti bakrene parice Bakrena parica ima precej bistvenih prednosti: Razširjenost - v svetu je bilo skupaj na bakreni parici priključenih več kot milijarda telefonskih priključkov, kar predstavlja tolikšno razširjenost, da bakreni parici zagotavlja obstoj tudi v prihodnosti. Velikokrat slišimo strokovnjake govoriti, da so nacionalni telekomi ujeti v bakreno past in namesto, da bi investirali v infrastrukturo prihodnosti (optiko), ščitijo svojo investicijo v baker. To je razumljivo, saj je bila ta investicija ogromna. S tega vidika lahko tako veliko razširjenost gledamo celo kot slabost. Nizka cena inštalacije - Dejanski stroški inštalacije barkene parice znotraj stavbe so zelo nizki Enostavna in cenena premestitev - uporabnik lako en kabel vzame iz omrežja in ga uporabi drugje v omrežju, ne da bi za to potreboval intervencijo usposobljenega tehnika in brez stroškov. Slabosti bakrene parice pa so:

Omejen frekvenčni spekter - celotna uporabna pasovna širina bakrene parice za večje razdalje je približno 1 MHz. Nizka kapaciteta - kapaciteta bakrene parice zelo hitro pada z dolžino kabla. Preko kabla dolžine 100 m bomo uspeli spraviti tudi 100 Mb/s, če pa je kabel dolg 5 km bo ta kapaciteta padla pod 1 Mb/s. Kratke razdalje med repetitorji - to pomeni veliko repetitorjev, kar se prevede v visoke nabavne in operativne stroške, saj rabimo za izgradnjo omrežja z bakreno parico veliko naprav, ki jih je potrebno nato tudi vdrževati. Visoka pogostost napak (BER) - vzrok je v občutljivosti bakrene parice na interference in EM motnje.

3.2 Koaksialni kabel Koaksialni kabel se je kot prenosni medij pojavil v 20-ih letih prejšnjega stoletja. Takrat so ga uporabljali v telefonskih omrežjih. Na sliki 13 vidimo glavne sesavne dele koaksialnega kabla. V središču kabla je bakrena žica, ki deluje kot prevodnik električnega toka. Bakrena žica v koaksialnem kablu je ebelejša od tistih v bakreni parici in je dobro zaščitena pred interferencami z zunanjimi polji, tako da ima višjo pasovno širino kot bakrena parica. Centralna žica je obdana s posebno plastiko, in pomaga pri

izločanju zunanjih elektromagnetnih vplivov (interferenc). Okrog te plastične izolacija je napeta bakrena ali aluminijasta pletenica, ki deluje hkrati kot drugi vodnik (povratna pot) in khrati kot elektromagnetni ščit. Vse skupaj je zaščiteno še z zunanjo plastjo, ki ima zgolj vlogo mehanske zaščite. Koliko je teh zunanjih plasti in iz kakšnega materiala so, je precej odvisno od tega za akkšno uporabo je koaksialni kabel namenjen.

3.2.1 Značilnosti koaksialnega kabla Koaksialni kabel ponuja precej večjo pasovno širino kot bakrena parica. Običajno zmore okrog 370 MHz, novejše izvedbe koaksialnih kablov pa zmorejo celo 750 MHz oziroma 1000 MHz. Torej koaksialni kabel na velikih razdaljah ponuja 370- do 1000-krat večjo zmogljivost kot klasična bakrena parica. S tako veliko zmogljivostjo se koaksialni kabel uvršča med t.i. širokopasovne medije, na katerih je omgoče uporabiti tehnike multipleksiranja in tako preko njih lahko prenašamo več kanalov. Boljše lastnosti koaksialnega kabla v primerjavi z bakreno parico izvirajo iz kovinskega zaščitnega oklopa, ki je ozemljen in nudi zaščito centralnega vodnika pred EM interferencami. Zato lahko s koaksialnim kablom dosegamo bistveno zneesljivejši prenos pri višjih frekvencah (BER = 10-9). Na vsakih 2-4 km bomo pri koaksialnem kablu rabili ojačevalnike, kar je bolje kot pri bakreni parici, vendar še vedno slabo.

Slika 12: Koaksialni kabel:

slika 13:Sestava koaksialnega kabla

Tradicionalni uporabniki koaksialnega kabla so bili predvsem ponudniki kabelske TV. Vendar so v zadnjem času vsi kabelski operaterji svoja omrežja na ključnih delih nadgradili z optičnimi vlakni, kar je bistveno poboljšalo zmogljivosti njihovih omrežij in tudi kakovost njihovih storitev. Poleg tega so se znebili velikega števila ojačevalnikov, ki so bili potrebni za premagovanje razdalj. En od problemov omrežij zgrajenih samo s koaksialnimi kabli je bil tudi topologija omrežja. Topologija teh omrežij je bila večinoma vodilo (glej poglavje Error! Reference source not found.). V topologiji vodila pa se pasovna širina kabla deli med vse uporabnike, ki so priklučeni nanj. To pa vodi tako v tehnološke zaplete, kot varnostne rizike. Dodatno ima ta topologija problem s pobiranjem šuma, saj se na točki, kjer koaksialni kabel pride do konektorja ujame v kabel nekaj šuma iz okolice. Ta točka je občtljiva na motnje, ki jih povzročajo npr. sesalniki in sušilniki za lase. Kar pomeni, da v urah, ko v stavbi veliko uporabnikov prižge naprave, ki povzročajo tovrstne motnje, lahko pride do poslabšanja storitve pri takih omrežjih.

3.2.2 Aplikacije koaksialnega kabla V dvajsetih letih prejšnjega stoeltja se je koaksialni kabel začel uporabljati kot spojni vod med centralami v telefoniji, kjer je uspešno nadomestil precej dražje in debele kable iz paric, ki so lahko vsebovali tudi 1500 ali 3000 paric v kablu. Naslednja množična uporaba koaksialnega kabla v telekomunikacijah je prišla v petdesetih letih prejšnjega sotletja, ko so ga začeli uporabljati kot podmorski kabel za povezavo med celinami. V šestedestih se je začel uveljavljati v podatkovnih komunikacijah in še v osemdesetih letih prejšnjega sotletja so bila računalniška omrežja zgrajena pretežno s koaksialnimi kabli. Množično uporabo je našel tudi v kabelski televiziji in v nekaterih izvedbah tudi za izvedbo lokalne zanke. Pogosto ga še uporabljajo v kombinaciji z optičnim kablom, kjer do zadnjega vozlišča izvedejo povezave z optičnim kablom, od tam naprej do končnih uporabnikov pa s koaksialnim.

3.2.3 Prednosti in slabosti koaksialnega kabla Prednosti koaksialnega kabla so: Širokopasovnost - Zmore dovolj pasovne širine, da preko njega lahko prenašamo več kanalov hkrati (multipleksiranje), kar omogoča precej večjo pretočnost podatkov. To seveda pomeni tudi večjo pasovno širino. Nižja pogostost napak - Zaradi svoje zgradbe, kjer en vodnik igra tudi vlogo elektromagnetne zaščite, je veliko bolj odporen na interference z zunanjimi motnjami, kar zniža pogostost napak na 10-9 bit/s. Večja razdalja med ojačevalniki - Posledica zgradbe koaksialnega kabla je tudi ta, da je manj občutljiv na šum in presluh. Zato lahko ojačevalnike razmestimo na večjih razdaljah, kar prinaša nižje nabavne in operativne stroške. Glavne slabosti koaksialnega kabla so: Arhitektura omrežja - Topologija vodila v kateri se gradi omrežja s koaksialnimi kabli je zelo občutljiva za zasičenost omrežja (če preveč uporabnikov hkrati uporablja isti del omrežja, se pretočnost močno zmanjša). Problem je tudi seštevanje motenj na istem delu omrežja in varnost omrežja, saj vsi uporabniki uporabljajo isto vodilo. Potrebna nadgradnja starih sistemov - v deželah, kjer je bil koaksialni kabel položen predvsem zaradi kabelske TV, je nadgradnja na komunikacijsko omrežje draga. TV je simpleksna komunikacija in nima možnosti komunikacije od uporabnika proti centrali. Zato je nadgradnja omrežja za operaterja, ki želi nuditi storitve interneta ali telefonije draga in kompleksna. Problemi s šumom - čeprav je koaksialni kabel bolj odporen proti šumu, kot parica, pa je zaradi arhitekture omrežja možno, da pride do problemov s šumom na daljših vodih zato mora operater poskrbeti za dodatno elektroniko, ki ta problem rešuje. Visoki stroški inštalacije - gradnja lokalnih omrežij s koaksialnim kablom je dokaj draga. Občutljivost na udare strele - koaksialni kabel je precej občutljiv na udar strele, zato ni primeren za področja z visoko pogostostjo neviht.

3.3 Mikrovalovi Mikrovalovi so se za komunikacije začeli uporabljati najprej v vojaških aplikacijah med drugo svetovno vojno. Njihova uspešna uporaba za namen komunikacij v vojaške namene jim je odprla pot v komercialne vode, kjer so doživele nesluten razvoj. V poznih štiridesetih letih so jih najprej uporabljali kot nadomestilo za koaksialni kabel v telefoniji. Kot že prej omenjeno imata tako bakrena parica kot koaksialni kabel dokaj omejen frekvečni spekter in tudi doseg uporabnikov pri gradnji omrežja. Mnoga področja so povsem neprimerna za gradnjo kabelskih omrežij, ne glede na vrsto kablov: npr. puščave, amazonija, zelo hribovita in gorata področja. To so področja, kjer so mikrovalovi zagotovo prva izbira, ko govorimo o gradnji telekomunikacijskega omrežja.

3.3.1 Značilnosti mikrovalov Za mikrovalove v najširšem smislu šteje elektromagnetno valovanje frekvenc od 1 GHz do 30 GHz. Danes komunikacijski sistemi dobro izrabljajo območje mikrovalov. Večina sodobne

opreme deluje celo do frekvenc 60 GHz. Pri teh frekvencah naletimo na mejo zaradi obsorbcije EM valovanja v kisikovih atomih. Pasovna širina, ki jo lahko uporabljamo v širokem frekvenčnem območju mikrovalov pa ni omejena zgolj tehnološko, pač pa tudi pravno. Mikrovalovni spekter prav zaradi svoje omejenosti velja za redko dobrino. Zato ima vsaka država uporabo mikrovalovnega spektra regulirano, za kar skrbi nacionalni regulator. V Sloveniji je to Agencija za pošto in elektronske regulacije (APEK). Predno lahko vzpostavite mikrovalovno zvezo morate za to dobiti dovoljenje nacionalnega regulatorja. Mikrovalovi kot prenosni medij so podvrženi mnogim vplivom okolja kot so fizične ovire (hribi, visoke stavbe, različne kovinske konstrukcije), vremenski pojavi (dež, megla, sneg) in seveda motnje drugih virov mikrovalovnega valovanja. Razdalja med repetitorji pri mikrovalovih je zelo odvisna od frekvence na kateri komuniciramo. Nižje frekvence imajo večji doseg kot višje. Tako na primer mikrovalovni sistemi, ki delujejo na frekvencah nekje med 2 in 6 GHz potrebujejo repetitorje nekje na 50 – 70 km, če pa gremo na višje frekvence, na primer 18 GHz pa ta razdalja pade pod 10 km. Za sisteme, ki deljuejo na 38 GHz pa je doseg brez repetitorja nekje 2 km. To dejstvo je zelo pomemben faktor pri načrtovanju telekomunikacijskega omrežja in seveda močno vpliva ne samo na zmogljivost, pač pa tudi stroške vzpostavitve omrežja. Zato moramo frekvence izbirati previdno glede na namen, za katerega gradimo omrežje. Drugo pomembno dejstvo, ki se ga moramo zavedati pri mikrovalovnih zvezah je vidna linija. Oddajnik in sprejemnik morata »videti« en drugega, to pomeni, da med njima ne sme biti ovir, ki bi ovirale pot mikrovalovom. Mikrovalovni komunikacijski sistemi proizvajajo sevanje, ki je zelo usmerjeno in za dobro zvezo mora neovirano potovati do sprejemnika. Dodaten faktor je ukrivljenost Zemlje, ki na velikih razdaljah že sama po sebi povzroči izgubo vidne linije 14, zato moramo pri velikih razdaljah med repetitorji misliti tudi na to, kako visoko jih bomo namestili (na stebre ali na hribe).

Slika 14: Izguba vidne linije med komunikacijskima stolpoma zaradi ukrivljenosti Zemlje

Na tem mestu moramo omeniti tudi sisteme, ki so zasnovani posebej za to, da delujejo brez vidne linije, torej v okolju, kjer signal od oddajnika do sprejemnika ne bo prišel po direktni poti, pač pa le preko odbojev. Taki sistemi se imenujejo MIMO (Multiple Input Multiple Output) in so posebej prirejeni okolju, kjer se signal oddajnika odbija od več ovir in po različno dolgih poteh pride več odbojev izvirnega signala do sprejemnika. Sprejemnik je

sestavljen tako da zna iz teh odbojev, ki so različno močni in različno zakasnjeni, restavrirati koristen signal, ki ga je poslal oddajnik.

3.3.2 Aplikacije mikrovalov Mikrovalovne zveze so v uporabi že desetletja. Predno je prišlo do prodora optičnih vlaken, so bili celo glavni kandidat za aplikacijo v hrbteničnih omrežjih visokih zmogljivosti. Uporabljamo jih tako za podatkovne zveze na dolge razdalje, kot za prenos velikega števila govornih kanalov. Dodatno so mikrovalovi edini medij, ki omogoča satelitske komunikacije in seveda, tudi mobilne komunikacije. Z razvojem tehnologij, predvsem digitalnih komunikacij so mikrovalovi prodrli v prav vse segmente telekomuniikacij. Danes je uporaba mikrovalov nekaj vsakdanjega v naslednjih aplikacijah:

Satelitske komunikacije

Radionavigacijski sistemi

Radarski sistemi (nadzor zračnega prostora, vojaške aplikacije)

Mobilne komunikacije (GSM, UMTS, EDGE, HSDPA, ...)

Redundančne usmerjene zveze za kritične komunikacijske sisteme (npr. nadzor plinovodov, nadzor železniškega prometa, ...)

Specialna omrežja za zaključene skupine uporabnikov (policija, gasilci, reševalci...)

Brezžična lokalna omrežja (WLAN)

Fiksna dostopovna omrežja (Wi-fi, Wimax, ...)

3.3.3 Prednosti in slabosti mikrovalov Prednosti so: Cenovna učinkovitost – mikrovalovne zveze so dolgoročno cenejše od najetih vodov Prenosljivost in možnost rekonfiguracije – Mikrovalovno opremo za usmerjeno zvezo lahko po želji prestavimo z ene lokacije na drugo. Omrežja iz kablov ne moremo. Pasovna širina – z mikrovalovnimi zvezami lahko vzpostavimo zelo zmogljive telekomunikacijske povezave na dokaj velikih razdaljah Mobilnost – mikrovalovi omogočajo izvedbo mobilnih komunikacij. So tudi edini medij, ki to omogoča Slabosti: Občutljivosti na konfiguracijo okolja – večina sistemov zahteva vidno linijo med oddajnikom in sprejemnikom. Ta slabost s prihodom tehnike MIMO ni več tako očitna. Občutljivost na okolje – vplivi vremenskih pojavov, motenje drugih radijskih virov in atmosferske razelektritve (nevihte) lahko začasno popolnoma onemogočijo uporabo mikrovalovne zveze. Podvržene so regulacijam – ker si vsi uporabniki mikrovalovnega spektra nujno delijo isti spekter, je le-ta seveda postal reguliran na državnem nivoju in to nalaga graditeljem mikrovalovnih telekomunikacijskih sistemov dodatno delo in stroške.

Potencialne okoljske omejitve – nekatere skupnosti ne dovolijo postavljanja stebrov, na katere se namestijo radijske naprave, ali pa zahtevajo njihovo kamuflažo, kar pa spet predstavlja dodatne stroške.

3.4 Optična vlakna Prvi razvojni napori na področju optičnih vlaken segajo že v 60-ta leta prejšnjega stoletja. Že v tistih časih je mnogo neodvisnih raziskovalnih skupin istočasno delalo na tem področju. Med njimi je bil tudi Chrles Kao, ki še danes velja za očeta optičnih vlaken. Kao je leta 1966 napisal prelomni članek, v katerem je pravilno napovedal vse lastnosti optičnega vlakna potrebne za njegovo uspešno uporabo za prenos informacij. V 70-ih letih prejšnjega stoletja je prišlo do prvih tehnoloških prebojev, ki so omogočili izdelavo optičnih vlaken, ki so bila uporabna za telekomunikacije. Podjetje Corning Glassworks je bilo prvo, ki mu je uspelo izdelati dovolj tanko in čisto vlakno iz kremenčevega stekla (silicijevega dioksida - SiO2), da je bilo sposobno prenašati svetlobo z dovolj majhnim slabljenjem. Vendar je bil to šele prvi del razvoja potreben za izvedbo telekomunikacijskega sistema. Za dokončni uspeh je bilo potrebno razviti tudi vir svetlobe, ki je bil dovolj majhen, da ga je bilo mogoče sklopiti na izjemno tanko optično vlakno. To je uspelo inženirjem v podjetju Bell Labs leta1970. S tem so bili položeni temelji za zmagoviti pohod optičnih vlaken v telekomunikacijah. V štirih desetletjih, ki so sledila, so optična vlakna doživela razvoj, ki ga nihče ni upal napovedati in so presegla vsa pričakovanja glede napovedanih zmogljivosti.

3.4.1 Značilnosti optičnih vlaken Optična vlakna prenašajo informacijo s pomočjo svetlobe. Svetloba je prav tako kot mikrovalovi po svoji naravi elektromagnetno valovanje, le da so frekvence svetlobe bistveno višje. Frekvenčno svetloba zaseda spekter med 1014 in 1015 Hz. Pri tako visokih frekvencah se je v praksi uveljavilo izražanje v valovnih dolžinah namesto frekvenc. Danes so za optična vlakna stadardizirane tri valovne dolžine svetlobe in sicer 850 nm, 1310 nm in 1550 nm. Razlog za te valovne dolžine je v lastnostih optičnih vlaken, ki imajo priteh valovnih dolžinah najboljše lastnosti. Osnovni fizikalni zakon, ki omogoča prenos informacij preko optičnega vlakna je lomni zakon. Optična vlakna so narejena tako, da se žarek, ki vstopi v vlakno zaradi popolnega odboja od meje med vlaknom in plaščem, ki ga obdaja, širi skozenj vse do konca. Delovanje optičnega vlakna prikazuje slika 15.

Slika 15: Prikaz širjenja žarkov skozi optično vlakno s pomočjo popolnega odboja. Sivo področje na sliki prikazuje maksimalni kot pod katerim mora žarek vstopiti v vlakno, da se bo še širil vzdolž vlakna.

Če primerjamo otpična vlakna z ostalimi mediji, hitro ugotovimo, da so, predvsem z vidika pasovne širine, ki jo zmorejo in razdalje med repetitorji, svet zase. Pasovno širino optičnih vlaken merimo v terahertzih (THz) in razdalje med repetitorjih v stotinah kilometrov. V današnjih standardnih vlaknih je tipična razdalja med repetitorji, ki jo z lahkoto dosegajo vsa vlakna 100 km, s posebnimi viri svetlobe pa brez težav presežemo 1000 km brez regeneracije signala. Za namene telekomunikacij optična vlakna proizvajalci združijo v več snopih v optične kable. Izvedb optičnih kablov je mnogo, med seboj pa se ločijo predvsem glede na to kako in kje so polagani. Pri tem ločimo tri glavne skupine optičnih kablov: Zemeljski optični kabli – to so kabli, ki jih polagajo v kabelsko kanalizacijo zakopano v zemljo. Samonosni optični kabli – ti so obešeni na stebre, bodisi stebre energetskih vodov ali telefonske stebre. So posebej ojačani, da nosijo lastno težo. Optični kabli, ki so oviti ali vgrajeni v energetske vode – tu imamo različne pristope: kabel je lahko ovit okrog ozemljitvene vrvi ali faznega vodnika daljnovoda ali pa je vgrajen v ozemljitveni ali fazni vodnik. Osnovna zgradba optičnega kabla je prikazana na sliki 16.

Slika 16: Osnovna zgradba optičnega kabla

Optični kabli obstajajo v mnogo različnih izvedbah. Večinoma jih sestavlja nekaj deset ali celo nekaj sto parov optičnih vlaken. Vsako vlakno je zaščiteno z oklopom, ki zagotavlja, da svteloba, ki potuje po vlaknu ostaja ujeta v njem. Oklop vlakna je obdan z zaščitnim plaščem iz plastike, ki med drugim preprečuje da bi vlakno lahko zvili do te mere da bi se mehansko poškodovalo. Ta plastični ščit je nato še ojačan s plastjo kevlarja, izjemno trpežnega materiala, ki dodatno mehansko zaščiti optično vlakno. Okoli kevlarskega zaščitnega plašča so nato dodani še drugi plašči iz različnih materialov, ki pa so odvisni od tega za kakšen tip optičnega kabla gre. Glede delovanja lahko sodobna optična vlakna delimo v dve glavni skupini: večrodovna in enorodovna vlakna. Bistvena razlika med njima je v premeru vlakna: večrodovna vlakna imajo premer 50 – 62,5 µm, enorodovna pa 8 – 10 µm. Prav premer vlakna je tisti, ki določa ali je neko vlakno večrodovno ali pa enorodovno. Večrodovna vlakna, kot pove že ime, omogočajo širjenje večih rodov elektromagnetnega valovanja po vlaknu. Ker se različni rodovi skozi vlakno širijo pod različnimi koti, naredijo različno dolgo pot skozi vlakno, kar pomeni, da za prehod skozi celotno vlakno porabijo različne čase. Učinek tega je, da se signal v časovnem prostoru raztegne. Temu pojavu previmo medrodovna disperzija. Situacijo ponazarja slika 17. Zaradi medrodovne disperzije večrodovna vlakna niso primerna za komuniakcije na zelo velikih razdaljah. Zahtevajo repetitorje na razdaljah nekje 15 – 60 km. Imajo pa ta vlakna zaradi večjega premera prednost, da jih je dokaj enostavno opremljati s konektorji in na njih lažje sklopimo svetlobne vire.

Slika 17: Učinek medrodovne disperzije v večrodovnih vlaknih

Pri enorodvnih vlaknih majhen premer vlakna dovoljuje širjenje zgolj enega rodu, torej medrodovne disperzije ni več. S tem se doseg vlakna izjemno poveča, razdalja med repetitorji je od 100 – do 1000 km in tudi več. Zaradi majhnega premera teh vlaken pa je njihova terminacija bolj zapletena in zahteva več izkušenj in dražjo opremo.

3.4.2 Aplikacije optičnih vlaken Optična vlakna so našla svojo uporabo v mnogo aplikacijah. Daleč najpogostejša pa je uporaba v telekomunikacijskih omrežjih za hrbtenične vode, torej za aplikacije, ki zahtevajo velike zmogljivosti na dolge razdalje. Danes so praktično vsa hrbtenična omrežja telekomunikacijskih operaterjev, kabelskih operaterjev in ponudnikov interneta zgrajena z optičnimi kabli. Zanimivo je, da so energetska podjetja drugi največji porabnik optičnih kablov (takoj za nacionalnimi telekomi), saj so z njimi na svojih energetskih vodi zgradili na tisoče kilometrov optičnih omrežij, ki jih praviloma tudi tržijo.V zadnjem destletju pa se optični kabli nezadržno širijo tudi v dostopovna omrežja od koder počasi a zanesljivo izrivajo bakrene kable. V mnogo primerij jih tudi kombinirajo z bakrenimi ali koaksialnimi kabli in sicer na ta način, da do centrale v naselju položijo optični kabel, od tam naprej pa z bakrenimi ali koaksialnimi kabli razpeljejo omrežje do končnih uporabnikov. Optične kable najdemo tudi v LAN omrežjih predvsem kadar so ta omrežja narejena za 100 Mb/s ali 1 Gb/s. Optična vlakna se uporabljajo tudi v industrijskih aplikacijah kadar so potrebni prenosi velikih količin podatkov, na primer v telemedicini, kjer prenašajo slike visoke ločljivosti ali v okoljih, kjer imamo izredno veliko EM motenj. Pričakovati je, da bodo optični kabli počasi prodrli tudi v domača omrežja.

3.4.3 Prednosti in slabosti optičnih vlaken Glavne prednosti optičnih vlaken so: Ekstremna pasovna širina – optična vlakna ponujajo pasovno širino, ki je za nekaj velikostnih razredov večja od vseh drugih znanih medijev Prilagodljivost zmogljivosti – Na optičnih vlaknih lahko dodajamo in odvzemamo posamezne komunikacijske kanale (s pomočjo tehnologije WDM). V kolikor imamo pravi tip

optičnega vlakna, nam oprema omogoča, da prilagajamo količino prometa, ki ga želimo prenašati preko optičnega vlakna samo s konfiguriranjem opreme, ne da bi bilo treba opraviti kakršen koli poseg na kablu. Neobčutljivost na elektromagnetne motnje – Optična vlakna so popolnoma neobčutljiva na elektromagnetne interference in druge motnje in zato je z njimi moč doseči pogostost napak reda velikosti 10-13 bit/s, kar je spet nekaj velikostnih razredov bolj od ostalih medijev. Varnost komunikacij – optičnim vlaknom je teoretično sicer možno prisluškovati, vendar je tehnično to izjemno zapleten postopek in zahteva zelo specializirano opremo. Dodatno je s pomočjo neprekinjenega nadzora kakovosti signala moč zelo hitro zaznati spremembe v signalu in ugotoviti prisotnos ali napake na kablu ali prisluškovalne opreme. Nizka teža – optični kabli so precej lažji od bakrenih, zato je polaganje teh kablo možno z manj ljudmi in manjšo porabo energije, kar pri današnjem tempu polaganja kablo ni zanemarljivo. Slabosti optičnih kablov so: Visoki inštalacijski stroški – ta slabost s količino proizvedenih kablov in pripadajočih komponent naglo izginja, saj so optični kabli danes že cenejši od bakrenih. Je pa oprema za terminiranje in spajanje optičnih kablo v še vedno dražja kot pri bakrenih kablih in zahteva bolj usposobljeno osebje. Zahteva posebno opremo – Za gradnjo omrežij z optičnimi kabli rabimo posebno specializirano opremo, saj oprema za električne kable (bakrene) ne bo delovala z optičnimi. Najpogosteje uporabljen inštrumen za testiranje optičnih kablov je optični časovni reflektometer (angl. OTDR – optičal time-domain reflectometer), za posebno kompleksna omrežja pa je potrebna še druga oprema, ki je še vedno zelo draga. Občutljivost na fizične poškodbe – Optično vlakno je dimenzijsko zelo majhno in zato občutljivo na mehanske poškodbe. do poškodb lahko pride tako pri polaganju, kot terminiranju ali nepravilnem ravnanju z optičnih kablom. Optični konektroji so zelo občutljivi na prašne delce, zato jih je treba zaščititi s posebnimi pokrovčki, kadar niso uporabljeni. Pogostost poškodb zaradi divjih živali – neverjetno, ampak določeni sestavni deli optičnih kablov so očitno zelo privlačni za različne vrste živali. V Sloveniji niso redki primeri, ko optični kabel nagrizejo polhi. V ZDA so kevlarske prevleke izjemno privlačne za določene vrste ptic, da si iz njih gradijo gnezda, ter nakljuvajo kabel, da pridejo do kevlarja. Vsaj pet vrst mravelj v ZDA se hrani s plastičnimi zaščitnimi prevlekami optičnih kablov. Znani so tudi primeri, ko so morski psi nagrizli podmorske optične kable v bližini repetitorjev. Znano je še mnogo drugih zelo nenavadnih primerov ko so za poškodbe optičnih kablov krive živali.

3.5 Energetski vodi Energetski vodi sicer v svoji primarni vlogi ne služijo telekomunikacijam, vendar so tehnolgije, ki zmorejo preko energetskih vodov prenašati tudi informacije stare vsaj pol stoletja. Ker so zelo specifičen prenosni medij, jih v tej vlogi ne bomo podrobneje obravnavali, je pa pomembno da se zavedamo, da je njihova uporaba v komunikacijske namene danes vse prej kot redka.

Tehnologija za prenos komunikacijskih signalov po energetskih vodih deluje tako, da oddajnik komunikacijski signal preko induktivnega sklopa inducira v vod in ga tako prišteje nizkofrekvenčni napetosti (50 Hz). Na drugem koncu je sprejemnik sposoben iz vsote napetosti izločiti komunikacijski signal, ki je bistveno višjih frekvenc kot osnovna napetost. Kapacitete, ki jih dosegajo te tehnologije so danes na nizkonapetostnih vodih (do 380 V) primerljive s tehnologijami xDSL, na srednjenapetostnih (20 ali 35 kV) so malo nižje, vendar ne bistveno, na visokonapetostnih (110 kV in več) pa je informacijo sicer možno prenašati, vendar le nekaj 100 b/s, saj razmere na teh vodih (predvsem korona) ne omogočajo izvedbe zmogljivejšega komunikacijskega kanala. Oprema, ki je potrebna za komunikacije preko visokonapetostnih vodov je tudi zelo specializirana in draga, ter se uporablja zgolj za signalizacijo za potrebe nadzora energetskega omrežja. Tehnolgija komuniciranja preko energetskih vodov se v grobem loči na dve skupini: PLC (Powerline Communication) – to je ozkopasovna komunikacija, ki je namenjena predvsem telemetriji na energetskih omrežjih BPL (Broadband ower Powerline) – Širokopasovna tehnologija, ki je po svojem delovanju zelo podobna xDSL tehnologiji in se lahko uporablja tudi za izgradnjo dostopovnega dela omrežja za dostop do interneta. V zadnjem času se ta tehnologija uveljavlja kot nosilna tehnologija koncepta SmartGrid in bo v prihodnosti verjetno podpirala celovit nadzor nad energetskimi omrežji do končnih uporabnikov. Najverjetneje bo v prihodnosti ključna tudi za nadzor in upravljanje gospodinjstev in drugih porabnikov, ki bodo vključeni v distribuirano proizvodnjo električne energije.