Retele de Calculatoare Legaturi Petru Comunicatii de Date

cap.1 Legaturi pentru comunicatii de date

1

1. LEGATURI PENTRU COMUNICATII DE DATE 1.1 Evolutia sistemelor de comunicatie Inca din cele mai vechi timpuri omenirea a cautat solutii de transmitere a informatiilor la distanta. Ruguri aprinse in locuri inalte, stafete, clopote, tobe, buciume au reprezentat multa vreme o solutie de comunicare. In 1790, francezul Claude Chappe propunea telegraful optic, realizat dintr-un catarg inalt de 4,55 m, pe care erau fixate indicatoare mobile, a caror pozitie putea fi vazuta de la mare distanta. In anul 1837, Samuel Morse inventeaza alfabetul care-i poarta numele si care reprezinta prima codificare binara, cu puncte si linii, a literelor. Alfabetul Morse a permis tranformarea simpla si directa a caracterelor in semnale electrice. Sistemul de comunicatie bazat pe acest principiu s-a numit telegraful electric. In 1876 a urmat telefonul lui Graham Bell (prioritatea este disputata cu Edison, dar Bell a fost primul care a comercializat servicii telefonice). La inceputul secolului XX s-a declansat o noua revolutie in telecomunicatii. Inventarea triodei, in 1906, de catre Lee de Forest a dus la introducerea pe scara larga a electronicii in telecomunicatii. Astfel s-a deschis calea realizarii de statii de comunicatii radio, capabile sa transmita mesaje fara a avea o conexiune fizica intre emitator si receptor. Utilitatea unor asemenea sisteme a fost sesizata mai intai in sfera aplicatiilor militare, pentru ca mai apoi, prin anii '20, sa apara primele statii de radiodifuziune comerciale. Incepand cu anii '50, marcati de aparitia tranzistorului, a circuitelor intregrate si de intrarea in era cosmica, telecomunicatiile (transmiterea informatiilor la distanta) au intrat intr-o noua era.

Odata cu dezvoltarea tehnolgiilor corespunzatoare, s-au extins la scara mondiala facilitatile de transport a unor volume impresionante de date folosind infrastructuri performante cablate, pe fibra optica sau radio (retele fara fir, sateliti de comunicatie). In acest context a devenit posibil accesul utilizatorilor individuali la serviciile publice de date, deservite de o infrastructura mondiala de comunicatie cunoscuta sub denumirea de Internet. Acest concept include atat infrastructura cat si tehnologiile de comunicatie aferente precum si ansamblul serviciilor asociate acestora: accesul la informatii text sau grafice (pagini web), transfer de fisiere (servicii ftp), mesagerie electronica dar si altele mai recente cum ar fi telefonia digitala (VoIP), video la cerere (VoD), difuzarea programelor de radio si televiziune (IPTV).

TRANSMITEREA INFORMATIEI IN RETELELE DE CALACULATOARE

2

Din punct de vedere istoric inceputurile retelelor de comunicatie bazate pe transfer de informatii in format binar se confunda cu primele schimburi de date realizate intre echipamente de calcul sau de procesare. Cateva repere istorice premergatoare trebuie sa ia in considerare primul satelit lansat de Uniunea Sovietica in 1957 sau crearea in Statele Unite a Agentiei de Cercetare pentru Proiecte Avansate (ARPA-Advanced Research Projects Agency) de catre presedintele Eisenhower, in 1958, in cadrul Pentagonului. In 1961 in cadrul MIT (Masuchutes Institute of Technology) se defineste pentru prima data comunicatia bazata pe comutatia de pachete (packet-switching) ca alternativa la comutatia de circuite (bazata pe relee) utilizata in centralele telefonice clasice de catre Leonard Kleinrock. La nivelul retelei de cercetare ARPA, in 1963 (J.R.C. Licklider) se defineste o viziune detaliata a ceea ce inseamna o retea de comunicare mondiala. Prima interconectare a unor calculatoare aflate la distanta a avut loc in 1969 intre mai multe universitati si institute de cercetare (printre care Standford Research Institute, University of Utah, UCLA, UC Santa Barbara). Cu toate neajunsurile acelui moment reteaua astfel creata, numita ARPANET, este unanim considerata ca stramosul Internetului de astazi.

Doi ani mai tarziu, in 1974, Ray Tomlison si Newman pun bazele mesageriei electronice (e-mail) si introduc semnul consacrat, @ , cu semnificatia "la", "pe" - engl. at. Prima versiune comerciala a unei retele de date s-a numit Telnet si s-a constituit pe structura existenta ARPANET (1974). Un moment foarte important in evolutia reteleor de calculatoare a fost anul 1976 cand corporatia Xerox (Palo Alto Research Center) fundamenteaza regulile de comunicare la nivelul unei retele locale de calculatoare, reguli reunite sub denumirea Ethernet si devenite ulterior un standard fundamental de comunicatie locala. Dupa numai un an existau deja peste 100 de calculatoare in cadrul acestei prime retele incipiente de tip Internet.

Internetul modern are la baza un standard de comunicare (protocol) propus de o echipa ARPA (Robert Kahn, Vinton Cerf) si cunoscut sub denumirea de TCP/IP (Transport Control Protocol/Internet Protocol). In 1984 existau peste 1000 de computere interconectate in aceasta maniera. Cresterea rapida a numarului de siteme interconectate s-a datorat intersului crescut al mediului de cercetare din universitati de a avea acces la sisteme cu mare putere de calcul (super-computere) cum a fost cele introduse in aceasta retea de National Science Foundation (NSFNET) in 1986. Serviciile de baza disponibile in retelele de date constau in mesagerie electronica (email), serviciul de stiri (news), transfer de fisiere (ftp - file tranfer protocol) si comenzi la distanta (telnet). Conceputul de World Wide Web (www, "panza de paianjen peste intreaga lume"; de multe ori in jargonul tehnic sa floseste doar denumirea web) a aparut in 1991 in Europa (reteaua de laboratoare de fizica CERN, Tim Berners-Lee) ca un sistem specializat de acces la informatii de interes pentru o anumita comunitate. Primul program de navigare (web browser) a aprut in 1993 sub numele MOSAIC fiind introdus de Universitatea din Illinois (Marc Andreesen), moment la care Internet-ul cuprindea peste 2 milioane de gazde (hosts, host-uri fiind o denumire incetatenita deja in jargonul tehnic) si erau accesibile circa 600 de locatii web.

In conditiile create s-au multiplicat si diversificat serviciile electronice oferite utilizatorilor interconectati ceea ce a determinat ca in paralel sa apara si o explozie a aplicatiilor software care sa faciliteze, intr-o maniera cat mai simpla, accesul public. In domeniul programelor de navigare si acces la servicii anul 1996 marcheza


3

declansarea unei competitii acerbe, marcata inclusiv de conflicte comerciale (ca de exemplu intre Netscape si Microsft in legatura cu practicile neconcurentiale practicate de cei din urma). In perioada respectiva Internetul depasise 12 milioane de gazde si 500.000 de locatii web (numite si site-uri) La inceputul mileniului trei Internetul a depasit 1 miliard de utilizatori existand peste 200 de milioane de gazde (host-uri). [art www.usnews.com]

Intelegand prin comunicatie, la modul cel mai general, un schimb de informatii utile, rezulta ca vehicularea acestora trebuie sa se faca pe baza anumitor reguli de comunicare. Ansamblul acestor regululi sunt cunoscute sub denumirea generica de protocoale de comunicatie.

Sistemele interconectate in scopul comunicarii formeaza o retea de comunicatie. Sistemele interconectate dar amplasate grupat formeaza o retea (network) interna (sau locala, asa cum se va vedea mai tarziu) de tip Intranet (intra-network). Un ansamblu de retele Intranet care comunica intre ele formeaza reteaua Internet (inter-network). La acest nivel putem defini Internetul ca fiind o retea alcatuita din subretele. Avand in vedere extinderea actuala la nivel mondial a Internetului si functionalitatile tehnologice sau de servicii pe care le ofera acesta, ne dam seama ca definitia de mai sus reprezinta doar un punct de plecare, nefiind acoperitoare. 1.2 Modelul de comunicatie in sistemele de date

Analiza notiunilor legate de retelele de calculatoare presupune inainte de toate clarificarea unor aspecte legate de suportul de comunicatie necesar.

Vehicularea informatiilor transmise de ctre o sursa ctre o destinaie, indiferent dac acestea sunt operatori umani sau maini, presupune o abordare complex i o viziune de ansamblu multidisciplinar.

Reteaua de calculatoare reprezinta un ansamblu de calculatoare interconectate prin intermediul unor medii de comunicatie, asigurandu-se in acest fel utilizarea in comun, de catre un numar mare de utilizatori, a unor resurse fizice (hardware), logice (software si aplicatii de baza) si informationale (baze de date) de care dispune ansamblul de calculatoare conectate. Prin notiunea de lucru in retea se va intelege conceptul de interconectare a unor echipamente de calcul care partajeaza resurse. Resursele pot fi date (baze de date), aplicatii (programe de editare texte, programe de gestiune a stocurilor etc.), periferice (imprimante, scannere etc.).

Figura 1.1 Modelul unui sistem de transmitere a informatiei

m S

s E

s+n C

m R D

G P

n p


4

Tehnicile utilizate n transmiterea informaiilor se refera la totalitatea mijloacelor i metodelor de transmisie eficient i de protejare a informaiei mpotriva perturbaiilor.

Modelul general valabil al unui sistem pentru transmiterea informaiei este prezentat n figura 1.1. Semnficaiile blocurilor funcionale din figura 1.1 sunt:

E = emitor G = generator de purttoare C = canal de transmisiuni P = perturbaii S = sursa de informaii R = receptor D = destinatar

n general, prin surs de informaii (S) se va nelege mecanismul prin care se

alege ntr-un mod imprevizibil la nivelul destinatarului, un anumit mesaj ce urmeaz a fi transmis. Sursa de informaii poate furniza o mulime de mesaje (m), dar la un moment dat ea va alege un anumit mesaj pe care-l va transmite, fr ca destinatarul s cunoasc alegerea fcut. n scopul transmiterii mesajelor la distan este necesar un emitor care n cazul cel mai general realizeaz trei operaii:

traducerea codarea modularea

Deoarece natura fizic a mesajelor furnizate de o surs este foarte divers, n general este necesar transformarea acestor mesaje, cu ajutorul unor traductoare, n semnale electrice sau n semnale uor de prelucrat ulterior. Operatiunea se numeste traducere. n scopul mririi eficienei transmisiunii i protejrii informaiei transmise mpotriva perturbaiilor semnalele de la ieirea traductoarelor sunt transformate n semnale elementare prin operatiunea de codare. Pentru asigurarea posibilitii de propagare la distan a semnalului tradus i codat, se genereaz un semnal de nalt frecven (purttoare) care este modulat de informaia mesajului prelucrat anterior prin procedura de modulare. Prin canal de transmisiuni se nelege n general, orice mediu fizic prin care se poate propaga informaia (cablul telefonic, cablu telegrafic, cablu coaxial, canal radio, canal TV, cablu optic). Toate canalele de transmisiuni sunt perturbate de anumite zgomote astfel nct semnalul de la ieirea canalului (r), este o sum intre semnalul transmis de emitor (s) i zgomotul (n) ce apare inevitabil pe orice cale de transmisiune. In transmisiunile binare, zgomotul are caracter aditiv (se sumeaza binar modulo 2 cu bitii transmisi). Receptorul (R) realizeaz operaiile inverse celor asociate emitatorului in scopul recuperarii informatiei initiale:

demodularea decodarea traducerea


5

Receptorul (R) trebuie astfel sintetizat, ca din semnalul recepionat (r) i pe baza cunoaterii statisticii a zgomotului ce poate apare pe canal, s estimeze, dup un anumit criteriu de fidelitate, ce mesaj a transmis sursa. La iesirea receptorului se obtine astfel un mesaj care este, cu o anumita probabilitate, similar cu mesajul transmis si care este numit estimatorul mesajului transmis (m). ntre m i m exist o anumit diferen, numit eroare de estimare. Scopul sintezei receptorului este acela de a realiza o eroare de estimare ct mai mic.

Unul din elementele fundamentale intr-o retea de date este canalul de comunicaie. Un canal de comunicaie poate fi definit ca o cale de vehiculare a informaiei in interiorul unei linii, prin linie de comunicaie nelegndu-se echipamentul fizic si configuraiile aferente utilizate in telecomunicaii. O linie poate contine mai multe canale, circuite sau trunchiuri.

Canalele prezint limitri in ceea ce privete posibilitile de vehiculare a informaiilor, limitri dependente de caracteristicile lor electrice si fizice.

In funcie de posibilitile de vehiculare direcionat a datelor, sunt cunoscute trei tipuri fundamentale de canale: simplex, semi-duplex (half-duplex), duplex (full-duplex).

Considernd o legtura de tip "punct la punct" intre doua puncte, A si B, sunt posibile situaiile: -transmisie intr-un singur sens, de la A ctre B, specifice terminalelor de supervizare. Un astfel de canal este de tip simplex. -transmisia de la A ctre B, sau de la B ctre A, dar alternativ si nu simultan, definete canalele semi-duplex (half-duplex). In cazul circuitelor care utilizeaza doua fire conductoare, linia trebuie comutata pentru schimbarea sensului de transmisie. Comutarea liniei poate fi evitata daca se utilizeaz circuite pe patru fire (sau separearea benzilor de frecventa in cazul transmisiunilor modulate). -transmisia simultana de la A ctre B si de la B ctre A se numete transmisie full-duplex sau simplu duplex. De multe ori un canal full-duplex utilizeaz circuite distincte din punct de vedere fizic (pe patru fire, de exemplu, cate o pereche pentru fiecare sens) dar exista si posibilitatea unei transmisii full-duplex si pe un circuit fizic comun (de exemplu prin divizarea spectrului de frecventa, crendu-se un canal de transmisie si un canal de recepie sau prin utilizarea de radiatii optice cu lungimi de unda diferite in cazul comunicatiilor prin fibra optica).

Un caz particular l constituie transmisia de tip echoplex pe canale full-duplex, care consta in retransmisia napoi a caracterului recepionat, efect similar cu ecoul. Echoplexarea este utila pentru detectarea si corectarea erorilor. De exemplu, caracterele tastate de la o tastatura pot fi verificate prin vizualizare pe un monitor, prin redirecionarea lor de ctre echipamentul receptor (ecou).

simplex

A B

semi-duplex

A B

duplex

A B

Fig. 1.2 Tipuri de canale de comunicatie


6

Transmisia informatiei intre o sursa si una sau mai multe destinatii presupune transferarea datelor, intr-un format adecvat, prin intermediul unor semnale de natura electrica, electromagnetica sau optica adaptate canalului de transport disponibil. Scopul fundamental al unei transmisiuni este acela de a reproduce la echipamentul receptor mesaje cu acelasi continut cu cele care au fost expediate. Canalul de comunicatie poate fi deci privit ca fiind alcatuit din infrastructura de comunicatie (echipamente) si mediul aferent de transmitere a informatiei (semnale electrice pe perechi de conductoare, radiatii luminoase prin fibra optica, unde radio).

Performanetele unui canal de comunicatie sunt evaluate in principal prin cantitatea de informatie care poate fi vehiculata printr-o sectiune a canalului in unitatea de timp, parametru numit latime de banda (bandwidth). In cazul transmisiilor analogice latimea de banda are in vedere intervalul din spectrul de frecvente ocupat. La nivelul transmisiunilor digitale evaluarea cantitatii de informatie transferate se face prin volumul de informatie logica vehiculata. Latimea de banda in frecventa este direct corelata cu volumul binar tranferat. Din acest motiv, in cazul comunicatiilor digitale, latimea de banda a unui canal se apreciaza prin cantitatea de informatie binara transferata ntr-o unitate de timp si se masoara in biti/secunda, bps (bits per second). Transferul unui bit intr-o secunda defineste unitatea fundamentala de masura a latimii de banda 1bps (sau 1b/s) cu multiplii specifici: 1Kbps = 10E3 bps, 1Mbps = 10E6 bps, 1Gbps = 10E9 bps. Uneori se utilizeaza o unitate de masura derivata, bytes/secunda, Bps si multiplii corespunzatori (KBps, MBps, GBps). In cazul in care se foloseste ca unitate de masura Bps conversia in bps va tine seama de faptul ca 1B (byte) = 8 biti.

BL = produs (latime de banda distanta maxima intre repetoare)

1850 1900 1950 2000

1015

1012

109

106

103

1

Telegrafie

Telefonie

Cablu coaxial

Microunde

Fibra optica

Optica integrata

BL [bit/sec x Km]

An

Fig. 1.3 Evolutia performantelor liniilor de comunicatie


7

In transmisiunile de date se foloseste pe larg termenul throughput (debit util) care se refera la latimea de banda efectiva, la un moment dat, atunci cnd are loc un transfer de date. Se poate considera ca termenul se refera la debitul informational net sau la informatia efectiv transportata in unitatea de timp, fara a lua in considerare si informatiile ajutatoare care insotesc transferul (delimitatori de secventa, informatii necesare pentru identificare/corectarea erorilor, retransmisii etc.). Factorii care intervin n transferul de date si influenteaza latimea de banda efectiva sunt numerosi, fiind vorba de dispozitivele folosite, tipul de date transferate, topologia retelei, echipamentul utilizat, numarul de utilizatori sau procese concurente, viteza sursei de date, congestii de transmisie etc. Prin urmare, debitul binar net (throughput) este diferit de rata de transfer a canalului de comunicatie.

Calitatea transportului oferit de un canal de poate aprecia si prin parametrul numit cel mai bun timp de transfer (volum binar de date / latimea de banda) sau prin timpul tipic de transfer calculat prin raportul intre volumul de date utile transportat si debitul net (volum binar de date / throughput). Evolutia calitativa a performantelor liniilor pentru transmisiuni de date este prezentata in figura 1.3. Primele medii de transmisie utilizate pentru transmisiuni de date au fost liniile telegrafice care permiteau viteze de aproximativ 30 cuvinte pe minut, adic 15 b/s si deserveau un singur utilizator. In prezent mediile de transmisie utilizate ating performante remarcabile care merg pana la rate de tranfer de ordinul Gbps. Principalele medii de transmisie care prezint interes vor fi descrise in capitolele urmatoare. 1.3 Evaluarea capacitatii de transport a unui canal de comunicatie H.Nyquist a aratat (1924) ca, in cazul transmiterii unui semnal pe un canal de banda limitata (W), in absenta zgomotelor, este posibila reconstruirea completa a acestuia prin extragerea unui numar de esantioane pe secunda egal cu dublul benzii:

NS = 2W [esantione / secunda] (1.1)

Esantionarea cu o frecventa mai mare este inutila deoarece componenetele suplimentare care ar putea fi recuperate au fost deja eliminate prin filtrarea introdusa de canal sau circuit. Pornind de la acest rationament si considerand un semnal avand N nivele discrete, Nyquist a demonstrat teorema care ii poarta numele si care determina viteza maxima de transfer a datelor (D) printr-un mediu de banda limitata ca fiind:

][log2 2 bpsNWD = (1.2)

Pentru o banda de 3 KHz (banda telefonica vocala) si un semnal cu doua nivele (binar) rezulta o viteza maxima de 6 kbps. Pentru a calcula capacitatea teoretica de transport a unui canal de comunicatie (viteza maxima), in prezenta zgomotului, se foloseste teorema lui Schannon.


8

Extinzand cercetarile lui Nyquist, Claude Schannon a aratat ca pentru un canal ideal caracterizat de o latime de banda W (in Hz) si un anumit raport intre puterea de semnal PS (in W) si respectiv puterea de zgomot PN (in W), capacitatea maxima de transport a canalului, in b/s, este:

]/[)1(log2 sbP

PWC

N

S+= (1.3)

De obicei raportul puterilor de semnal si de zgomot, S/N, se exprima in dB,

conversia realizandu-se dupa relatia 1.4.

][log10/ 10 dBP

PNS

N

S= (1.4)

Exemplu: in cazul in care se urmareste transmiterea de date pe un canal telefonic de banda limitata 300-3400Hz, considerand W=3100Hz, S=0,0001W (10dBm) si N=0,0000004W (34dBm), adica un raport S/N=24dB, pe baza formulei lui Schannon se obtine:

kbpssbC 24/24000)2501(log3100 2 =+= (1.5)

Pentru un raport S/N=30dB (corspunzator unui raport al puterilor PS/PN de 1000) rezulta o capacitate a canalului de 30,9 Kbps iar pentru S/N=38dB (corspunzator unui raport al puterilor PS/PN de 6309) rezulta o capacitate a canalului de 39,6 Kbps. Modemurile uzuale de linie telefonica lucreaza cu viteze tipice de 33.6 kbps.

Uneori, deoarece transmiterea datelor binare presupune impachetarea acestora intr-un anumit format, alaturi de biti utili se adauga si informatii de control (biti de start, biti de stop, biti de paritate, sume de control) care grefeaza asupra vitezei reale de transmitere a informatiei utile. Prin urmare, capacitatea de transport a canalului nu este identica cu debitul binar util (throughput) al acestuia. Maniera cea mai simpla de a transmite informatii in format binar pe un canal de comunicatie consta in aloca doua nivele de semnal bitilor 0 si 1. Altfel spus, celor doi biti li se aloca doua simboluri de transmisie (de semnalizare): pulsuri rectangulare cu amplitudini diferite. Daca durata de transmisie a unui bit este Tb (interval de bit) atunci numarul de biti transmisi intr-o unitate de timp se va numi rata de bit sau rata binara sau debit binar. Viteza de succedare a simbolurilor asociate bitilor este aceiasi.

O astfel de transmisie sa numeste transmisie in banda de baza. Numarul de modificari in unitatea de timp ale formei de unda folosita pentru semnalizare este aceiasi ca in secventa de succedare a bitilor.

]/[/1 sbTD b= (1.6)

In cazul in care sistemul functioneaza cu mai multe nivele de semnal, N, nefiind posibila intotdeauna o conversie directa intr-un numar intreg de biti, se


9

opereaza cu notiunea de rata de semnalizare (sau rata simbolurilor sau viteza de modulatie), R, care se defineste ca fiind numarul simbolurilor transmise in unitatea de timp si care se masoara in [Bauds] sau [Bd] (dupa Emile Baudot). Semnificatia fizica a ratei de semnalizare este numarul de schimbari (de nivel sau de alta natura) ale semnalului. Daca T este durata unui simbol (numit si interval semnificativ), atunci rata de semnalizare va fi

][/1 BdTR = (1.7)

Daca un simbol transmis este codificat binar si exista N nivele, cate unul

pentru fiecare simbol, atunci numarul n de biti echivalenti transmisi pe durata unui simbol va fi

NT

Tn

b

2log== (1.8)

Numarul de simboluri transmis in unitatea de timp, R, multiplicat cu numarul

de biti echivalenti pentru un simbol, n, va determina deci numarul de biti echivalenti transmisi in unitatea de timp, adica debitul binar:

NRT

TRnRD

b

2log=== (1.9)

simbol

simbol

bit

11 - a3

10 - a2

Tb

0

1

t

T

a0

a1 t

T

00 - a0

01 - a1

t

1 0 1 1 0 0 0 1

Transmisie binara cu doua nivele

Transmisie binara cu patru nivele

Transmisie binara in banda de baza nivele

Tb=T

N=2

R=1/T

D=1/Tb

2Tb=T

N=4

R=1/T

D=1/Tb=2/T

Fig. 1.4 Transmisiuni cu doua si patru nivele


10

Relatia (1.9) exprima legatura intre debitul binar si rata simbolurilor. Astfel, este evident ca daca se foloseste o transmisie pe 4 nivele, pentru aceiasi rata a simbolurilor, se obtine un debit binar echivalent dublu fata de cazul transmisiei cu 2 nivele. Figura 1.4 evidentiaza aceste situatii.

Exemplul prezentat asociaza bitilor sau grupurilor de biti amplitudini diferite pentru pulsurile de semnalizare deci este de fapt o modulatie in amplitudine. Deoarece in cazul transmisiilor digitale amplitudinea ia doar valori discrete, ea se numeste transmisiune cu comutarea amplitudinii, ASK (Amplitude Shift Keying). In mod similar se pot asocia frecvente obtinandu-se o transmisiune cu comutarea freceventei - FSK (Frequency Shift Keying) sau faze in cazul transmisiunilor cu comutarea fazei PSK (Phase Shift Keying). Cu cat secventele transmise grupeaza mai multi biti, cu atat este necesar un numar de nivele mai mare (2n, unde n este numarul de biti grupati) si separarea acestor nivele la receptie devine mai dificila. Deoarece nivelele absolute sunt afectate de zgomote, o solutie practica consta in evaluarea unui nivel prin diferenta fata de nivelul receptionat anterior (modulatie diferentiala) sau chiar transmiterea pe canalul de comunicatiei direct a sensului modificarii formei de unda ( +/-, crestere/scadere) cum se intampla in cazul modulatiei sigma-delta sau CVSD (continuously variable slope delta modulation).

Semnalul care este transmis pe canalul de comunicatie poate fi considerat ca

fiind alcatuit dintr-o alaturare a pulsurilor asociate bitilor sau grupurilor de biti si poarta denumirea de forma de unda de semnalizare sau, uneori, semnal de linie. Desi formula lui Schannon determina capacitatea teoretica a unui canal, in practica capacitatea scade si datorita altor factori, cum ar fi interferenta dintre doua simboluri transmise consecutiv, numita interferenta intersimbol (figura 1.5). Acest aspect va fi abordat intr-un capitol ulterior.

1.4 Medii fizice de de transmisie

Mediile ghidate de transmisie utilizate in mod curent pot fi grupate in doua mari categorii: medii ghidate si medii neghidate. Mediile ghidate sunt cele care ofera o cale de propagare in afara careia semnalul nu poate sa existe intr-o forma utilizabila, ramanand dependent de mediu. Principalele medii ghidate de transmisie sunt:

Impuls semnalizare Semnal la iesirea canalului

t

A

Fig. 1.5 Principiul interferentei intersimbol

Zona interferenta


11

o transmisiuni pe cabluri coaxiale o transmisiuni pe cabluri cu perechi de conductoare torsadate

- ne-ecranate: UTP (Unshielded Twisted Pairs) - ecranate: STP (Shielded Twisted Pairs), ScUTP (Screened UTP) sau FTP

(Foiled Twisted Pairs) o transmisiuni pe fibra optica:

- multimod - monomod

o transmisiuni prin ghiduri de unda

Transmisiunile neghidate sunt cele la care propagarea nu este restrictionata la un spatiu fizic, intelegand-se de obicei prin aceasta propgarea in aer liber. Principalele medii de transmisie neghidate sunt:

o undele radio o microunde o radiatia laser o radiatia infrarosie

1.4.1 Cabluri coaxiale

Cablurile coaxiale sunt realizate dintr-un conductor central mbrcat intr-o manta conductoare, spaiul dintre ele fiind izolator (material plastic PVC, teflon sau aer). Mantaua exterioara poate fi continua (folie conductoare) sau intretesuta (impletitura). Mai multe linii coaxiale pot fi nmnunchiate intr-un cablu de-a lungul cruia pot exista si perechi de conductoare rsucite utilizate pentru vehicularea semnalelor de control. Datorita modului de realizare a cablurilor coaxiale influenta reciproca a doua canale adiacente (diafonie) este extrem de redusa chiar la frecvente mari ale semnalului. Aceasta se datoreaza distribuiei sarcinilor electrice ctre interiorul conductorului exterior si exteriorul conductorului central. Datorita efectului redus al diafoniei si zgomotelor semnalul util poate fi refcut chiar daca are un nivel sczut, ceea ce nu este posibil in cazul transmisiilor clasice folosind perechi de conductoare. Circuitele in cablu coaxial permit o viteza de propagare ridicata care variaz foarte puin cu frecventa, ceea ce implica existenta unor distorsiuni de ntrziere reduse. In cazul transmisiunilor binare, debitul binar scade cu cresterea distantei datorita atenuarii semnalului electric. Lungimea maxima de propagare este limitata prin standardele de comunicatie de timpul de propagare, cu precadere in cazul comunicatiilor bazate pe cerere si raspuns.

In figua 1.6 este prezentata structura unui cablu coaxial. Desi cablurile

coaxiale sunt similare din punt de vedere constructiv, ele pot avea impedante diferite (rezistenta conductorului in semnal) estimate printr-o scala de grade radio (RG radio grade). De exemplu, varianta 10BASE2 Ethernet (sau Thinnet) utilizeaza RG-58, ce ofera o impedanta de 50 de ohmi ceea care la nivel fizic se traduce printr-o viteza a semnalului de 10Mbps pentru o lungime de 185 de metri. Mai exista si varianta 10BASE5 Ethernet (Thicknet sau cablu galben) ce ofera o impedanta de 75 de ohmi care la nivel fizic se inseamna o viteza a semnalului de 10Mbps pentru o lungime de 500 de metri.


12

Avantajul cablurilor coaxiale consta in faptul ca ofera posibilitatea unor comunicatii de banda larga pe distante relativ mari echipamentele fiind conectate la o magistrala unica folosind conectoare adaptoare in forma de T. Aceste conectoare fac ca sistemele conectate sa apara ca fiind, unul dupa altul, in cascada (figura 1.7). Mediul de comunicatie se comporta ca ca un ghid de unda si din acest motiv trebuie asigurata adaptarea de impedanta la capetele liniei (folosind conectoare de capat sau terminatoare) dar si la nivelul punctelor de inserare a echipamentelor de date. Ele a fost folosite initial ca medii de transmisie dedicate pentru retelele de date tip Ethernet, dar treptat au fost inlocuite cu medii de transmisie mai performante. Principalele dezavantaje ale acestui cablu care a dus la inlocuirea sa aproape totala sunt urmatoarele: este relativ fragil si fara o rezistenta mecanica deosebita, are un cost ridicat, o dimensiune a cablului semnificativa (grosime de 1 cm sau mai mult in functie de tip) si nu in ultimul rand dificulatatile de a asigura adaptarea de impedanta a magistralei de comunicatie. Lipsa adaptarii de impedanta determina fenomene de reflexie si refractie a undelor electromagnetice. Pentru adaptare la capetele liniei de comunicatie se folosesc conectoare de capat sau terminatoare.

In cazul cablurilor coaxiale utilizate in retelele locale (Ethernet) comunicatia are loc alternativ in cele doua sensuri, fiind astfel de tip semiduplex. Pentru conectarea mediilor de transmisie la echipamenetele de date se utilizeaza conectori specializati (mufe), pentru cablurile coaxiale acestia fiind de tip BNC (British Naval Connector dupa unii autori, Bayonet Nut Connector dupa altii existand si alte interpretari).

Retelele de comunicatie bazate pe cablu coaxial se preteaza unor arhitecturi organizate in jurul unei magistrale unice la care sunt atasati clientii retelei (gazde) prin intermeniul conectoarelor T. Deoarece distanta maxima de comunicatie este

H1 H2 H3 Hn

Conector de capat

Magistrala de comunicatie pe cablu coaxial

Gazde

H0

Conector T

Fig. 1.7 Retea de comunicatie pe cablu coaxial

Fig 1.6 Cablu coaxial , conector BNC tip T


13

determinata pe baza timpului necesar unui pachet de date sa calatoreasca intre doua gazde, cele mai indepartate, si depinde de viteza de propgare a undei electromagnetice (marime constanta) si atenuarea semnalului, rezulta ca pentru extinderea distantei de comunicatie este necesar un echipament care sa preia datele de pe un segment si sa le transmita pe altul (repetor activ, router). 1.4.2 Cabluri torsadate

Cablul UTP (cablu torsadat neecranat, Unschielded Twisted Pairs) este disponibil in diferite forme, dimensiuni si grade radio. Pentru transmiterea datelor intre echipamentele de calcul, cablul UTP folosit este alcatuit din patru perechi de conductoare. Cele patru perechi de fire au opt conductoare izolate si rasucite cate doua (procedeu numit torsadare). Torsadarea reduce efectul de degradare a semnalului cauzat de interferenta cu radiatiile electromagnetice (EMI - interferente electromagnetice sau RFI - interferente ale frecventelor radio) la fel ca si in telefonie. Pasul de torsadare permite definirea gamei de frecvente perturbatoare care trebuie eliminata. Spirele conductoare alaturate care iau nastere prin torsadare sunt similare unor spire de bobina care isi anuleaza reciproc curentii (de sensuri contrare) care apar prin inductie (efevt de antena). Cu cat debitul binar este mai mare cu atat gama de frecvente ce trebuie rejectata este situata mai sus in spectrul de frecvente si deci pasul de torsdare va trebui sa fie mai mic (figura 1.8).

In standardul Ethernet 10/100Mbps folosit in retelele locale de calculatoare,

numai patru din cele opt conductoare sunt folosite: o pereche de conductoare ofera suport pentru transmisii intr-un sens (TD+, TD-; transmission data) iar cealalta pentru transmisii in sens invers, respectiv receptie (RX+, RD-; received data). Acest tip de cablu are o impedanta de 100 de ohmi si o grosime de 0.43 de centimetri. In standardul Ethernet 10/100 BASE T aceasta inseamna o viteza de transmitere a informatiei cu 10Mbps (Ethernet) sau 100Mbps (Fast Ethernet) pe o distanta de pana la 100 de metri. Transmisia este de tip duplex. Conductoarele neutilzate pentru comunicatia de date sunt destinate telefoniei digitale care este de fapt echivalenta tot cu un transfer de date. Aceste perechi pot fi utilizate insa pentru a realiza un alt canal de comunicatie pe acelasi mediu fizic. In standardul Ethernet 1000Mbps Gigabit

pas

Curent indus

Camp electromagnetic extern

Pereche de conductoare torsadate

Fig.1.8 Mediu de comunicatie cu perechi de conductoare torsadate


14

toate cele opt conductoare sunt utilizate, perechile fiind bidirectionale si identificate ca A+/A-, B+/B-, C+/C-, D+/D-.

Unele din avantajele acestui cablu ar fi faptul ca este ieftin, usor de instalat suportand curbari si indoiri, este subtire. In prezent este cel mai utilizat mediu de transmisie in retelele locale (LAN). Principalele dezavantaje sunt: susceptibilitatea la interferente electrice in comparatie cu alte tipuri de cabluri, distanta de transmisie a informatiei relativ scazuta. Pentru interconectarea mai multor echipamente este obligatorie utilizarea unuor dispozitive dedicate de interconectare (hub).

Conectorii utilizati sunt de tip RJ45 (Registered Jack 45) cu 8 contcate (asemantori cu conectorii pentru aparate telefonice care sunt mai mici si au 4 contacte, RJ11) Pentru interconectare exista standarde de cablare specifice (TIA / EIA 568 A/B). Ele contin specificatiile pentru interconectarea dispozitivelor de retea cu mediul de transmisie.

Cablul STP (cablu torsadat ecranat, Shielded Twisted Pairs) prezinta un strat conductor suplimentar, de tip ecran, in jurul firelor torsadate. Aceste straturi de ecranare acopera atat fiecare pereche de conductoare cat si, separat, intregul cablu printr-un ecran aflat imediat sub invelisul extern. Scopul acestei ecranari este acela de a permite cablurilor torsadate sa functioneze in medii predispuse la perturbatii electromagnetice (EMI) si/sau interferente radio (RFI). Ecranul impiedica patrunderea radiatiei externe perturbatoare dar si emisia electromagnetica datorata efectului de antena al conductoarelor proprii.

Acest tip de cablu are o impedanta de 150 de ohmi, este mai scump, mai greu de instalat si mai gros decat cablul UTP-ul (aprox. 1cm) dar protectia la interferente electromagnetice este net mai buna. Ecranul acestui tip de cablu trebuie conectat la un potential de referinta nul (impamantare) la ambele capete pentru a functiona corect, in caz contrar induce un nivel ridicat de zgomot.

1 TX+ Transmit Data+

2 TX- Transmit Data-

3 RX+ Receive Data+

4 n/c Not connected

5 n/c Not connected

6 RX- Receive Data-

7 n/c Not connected

8 n/c Not connected

Fig. 1.9 Cablu UTP Fast Ethernet, conector RJ45


15

Cablurile ScUTP/FTP sunt modele hibride de cabluri STP si UTP. Aceste tipuri de cabluri sunt asemanatoare cu cablul UTP dar sunt acoperit cu un ecran metalic (Screened Twisted Pairs) sau cu o folie de metal (Foiled Twisted Pairs) ce realizeaza ecranajul. Impedanta tipica pentru acest tip de cablu este de 100 sau 120 de ohmi. Cablurile torsadate sunt standardizate prin performantele pe care trebuie sa le asigure si nu prin parametri fizici. In acest sens sunt definite mai multe categorii de performanta. Acest fapt este un avantaj important deoarece, indiferent de producator, ne asteptatam la performante similare pentru cabluri din aceiasi clasa. Principale organisme cu atributii in domeniul standardizarii (ANSI, FCC, EIA) au definit standarde pentru cablare sau pentru elemente de infrastructura dar si categorii de performanta pentru cabluri. Initial au existat cinci serii de test pentru a stabili categoriile de performanta pentru cablurile torsadate ulterior adaugandu-se si altele. Acestea de performanta sunt uzual numerotate de la 1 la 7, iar cablul care corespunde uneia este identificat ca fiind de Categoria x sau Cat x unde x reprezinta numarul seriei de teste care a fost trecut cu succes. Cat 1 si Cat 2 au fost rapid abandonate (1995) find considerate perimate datorita slabelor performante. Cablurile care se utilizeaza inca astazi sunt Cat 3 (16 Mhz latime de banda, 10Mbps viteza pana la 100m) si Cat 5 (100 Mhz latime de banda, 100/155/256 Mbps cu distante de pana la 100m). Cat 4 putea oferi o latime de banda de 20Mhz, dar aceasta categorie intermediara s-a dovedit a fi neeconomica. Cat 5e este o extensia a lui Cat 5 care permite conexiuni 100BaseT pe 350m sau 1000BaseT pe distante reduse. Cat 6 poate fi utilizate in retele de viteza ridicata, tip Gigabit in timp ce Cat 7 a fost proiectat pentru viteze de 10Gbps. Atunci cand cablurile TP se folsesc pentru a conecta doua echipamente este necesar ca cele doua perechi pentru transmisie respectiv receptie sa fie inversate (transmisia unuia sa ajunga la receptia celuilalt), rezultand cablul cross-over (inversor). Atunci cand se folosesc echipamente dedicate de interconectare inversiunea respectiva este realizata in interiorul echipamentului (hub, switch) cablul folosit fiind de tip 1:1 (straight through, cablu direct). Echipamentele moderne au capacitatea de a determina singure perechea emitatoare respectiv receptoare, functie numita Auto-sensing, Auto-MDI/MDI-X, Universal Cable Recognition sau Auto-uplink. In afara cablurilor mentionate exista si varianta roll-over (inversare in oglinda). 1.4.3 Fibre optice Fibrele optice folosesc ca purttor de informaie radiaia electromagnetica din spectrul vizibil 1014 - 1015 Hz. Ele permit o mult mai larga lrgime de banda si o capacitate net superioara altor medii de transmisie. Principiul transmiterii datelor prin fibre optice este prezentat in figura 1.8.

Distanta maxima de transmisie a informaiei optice depinde de atenuarea fasciculului luminos. Aceasta atenuare depinde la rndul ei de doua elemente:

- calitatea radiaiei luminoase emise (lungime de unda, putere, coerenta), fiind utilizate trei lungimi de unda: 850 nm, 1300 nm, 1500 nm

- calitatea fibrei optice si a mbinrilor acesteia.


16

Fig. 1.10 Principiul comunicatiilor pe fibra optica

Performanta de a transporta radiatia luminoasa la distante mari este determinata de nivelul de atenuare al fibrei. Acesta a evoluat continuu dupa cum se observa mai jos.

- 1966: 500 1000 dB/km - 1970: 20 dB/km la 850 nm - 1976: 0.47 dB/km la 1300 nm - 1979: 0.2 dB/km la 1550 nm - 1986: 0.158 dB/km la 1550 nm.

Atenuarea depinde si de lungimea de unda a radiatiei luminoase utilizate asa

cum se poate observa in figura 1.9. Cele mai bune performante se obtin in banda de 1550 nm.

Din punct de vedere istoric, in dezvolatrea comunicatiilor pe fibra optica pot fi evidentiate cateva repere evolutive dupa cum urmeaza:

o 1965: fundamentarea teoretica a transmiterii datelor folosind fibre optice de catre Charles KAO si George HOCKHAM

o 1976: s-au realizat primele legturi intre instituii, cu distante de 7 km intre repetoare si viteze de 34 sau 45 Mbps la 850 nm

o 1983: Biarritz Videocoms realizeaza unul din primele experimente pentru distribuia TV prin cablu optic conectand peste de 1000 de abonai, pe baza tehnologiei de 850 nm, cu diode cu laser i fibre multimodale.

o 1986: devine functionala legtura submarina Marseilles-Corsica care acoperea o distanta de 400km, viteza de transfer fiind de 280 Mbps, cu 8 repetoare, tehnologie 1300 nm, linie terestr la 1.6Gbps

o 1988: intra in exploatare sistemul transatlantic TAT 8 la viteza de 280 Mbps, tehnologie 1300 nm, 70 km distana dintre repetoare, 8000 circuite telefonice conectate optic.

o 1990: prima legtura submarina Almeria (Spania) - Melila (Africa), 200 km, 140 Mbps, 1550 nm.

o 1991: un nou sistem de comunicatie optica transatlantica, TAT 9, atinge 560 Mbps, foloseste tehnologia 1550 nm, 130 km distana dintre repetoare, 60.000 circuite telefonice conectate optic.

o 1995/1996: alte sistemele transatlantice TAT 12 i TAT 13: 5 Gbps, 370.000 circuite, amplificare optic.

o 2000: generalizarea comunicatiilor pe fibra optica pana la nivelul retelelor locale la viteze uzuale de 1 Gbps.

Transmitator

Receptor

Fibra optica


17

Fibrele optice pot avea o gama variata de forme, dimensiuni si domenii de lungimi de unda transportate. Tipic un cablu cu fibre optice are structura din figura 1.10.

Axa centrala a fibrei este ocupata de catre un mediu optic pur care are capacitatea de a transporta in siguranta radiatia luminoasa pe distante mari. Lipsa semnalelor electrice si a conductoarelor de cupru flexibile face ca transmisiunile bazate pe fibre optice sa fie relativ sigure din punctul de vedere al interferentelor electromagnetice. Spre deosebire de cablurile de cupru, in cazul fibrelor optice nu este posibila introducerea zgomotelor prin metodele clasice. Mediul optic este aproape intodeauna sticla sau un material plastic cu calitati optice superioare. Un fascicol luminos emis la un capat al fibrei va fi recuperat la capatul opus, semnalul purtator de informatie fiind unda luminoasa. Cablurile optice contin grupuri de doua sau mai multe fibre (figura 1.12). Deoarece fascicolul luminos se propaga de la o sursa catre receptor, rezulta ca o fibra poate transporta informatia intr-un singur sens. Pentru o transmisie duplex sunt necesare cel putin doua fibre. In cazul in care se utilizeaza lungimi de unda diferite, doua radiatii luminoase pot calatori pe aceiasi fibra cu conditia ca elementele opto-electronice utilizate la emisie si receptie sa aiba capacitatea de a le separa, ceea ce presupune costuri suplimentare sub acest aspect. Mai multe fibre alcatuiesc un cablu optic.

Diametrul fibrei optice variaza de la 5 microni pana la cateva sute de microni. In cazul fibrelor optice care au diametrul miezului mult mai mare decat lungimea de unda a luminii transmise, fasciculul luminos circula prin fibra reflectandu-se continuu la suprafata de separare dintre miez si invelis. Fasciculele care patrund in fibra sub diferite unghiuri sunt reflectate de un numar variabil de ori, pe masura ce se deplaseaza de la un capat la celalalt al fibrei si, in consecinta, nu ajung la capatul

0,2

0,6

1,0

1,4

1,8

0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8

Banda de

850 nm

Banda de

1300 nm

Banda de

1550 nm

Lungime de unda [um]

Atenuare

[dB/Km]

Fig. 1.11 Variatia atenuarii cu lungimea de unda pentru o fibra optica


18

indepartat cu aceeasi relatie de faza ca in momentul inceperii propagarii. Unghiurile diferite de intrare sunt numite moduri de propagare (sau, pe scurt, moduri), iar o fibra care transporta mai multe moduri se numeste fibra multimod. Propagarea multimod face ca razele care parcurg fibra sa interfereze atat intr-o maniera constructiva cat si intr-una distructiva. Acest efect este numit imprastiere (dispersie) modala a intarzierii. Fibrele care transporta un singur mod se numesc monomod. Figura 1.13 prezinta modurile de propgare in fibra optica.

Fig. 1.12 Cablu cu fibre optice Fibra multimod

Transmisiunea multimod este datorata propagrii unui grup de fascicule luminoase emise de catre un LED. Un LED nu este o sursa de lumina foarte concentrata, fasciculul emis avand o imprastiere mare si prin urmare necesita o cale de transmisie optica destul de larga. Aceasta rata de dispersie impune limitele maxime ale lungimii efective a fibrei optice.

Dupa a anumita distanta parcursa, dispersia face ca o parte din raza emisa de LED sa se reflecte in peretele interior al mediului de sticla. Cand se intampla acest lucru, impactul are loc sub un unghi foarte mic. In consecinta, lumina nu trece in stratul de protectie, ci este reflectata de perete sub un unghi complementar. Aceasta reflexie plaseaza razele dispersate pe o directie de coliziune cu razele din fasciculul initial ramase pe calea de transmisie axiala. Aceste raze transporta in continuare acelasi semnal informational ca si raza ramasa aliniata cu axa centrala a fibrei. Deoarece razele sunt astfel supuse unor reflexii multiple, pentru ca viteza luminii este constanta (300.000 Km/s), rezulta ca transmisiunea axiala ajunge la capatul fibrei inaintea reflexiilor multiple ale aceluiasi semnal. Aceasta dispersie multimodala determina determina si interactiuni la nivel fotonic, modurile multiple se vor intersecta inevitabil pe axa centrala si vor interfera cu alte transmisiuni de semnale. Datorita dispersiei modale doar o parte din energia emisa va fi recuperata la receptie, cu alte cuvinte, transmisiunile multimod sunt predispuse unor atenuari importante. Aceste limitari le fac utilizabile in special pe distante scurte unde ofera un raport pret/performanta rezonabil. Fibra optica tipica utilizata in mod obisnuit in retelele de calculatoare are diametrul de 62,5 microni si ofera suport pentru comunicatii multimod comandate de un LED. Tipic se ating viteze de 100Mbps pe distante de 10Km si 1Gbps pe 1Km. Deoarece vehicularea informatiei presupune transmiterea unor impulsuri luminoase, s-a descoperit ca se poate reduce semnificativ efectul


19

dispersiei modale daca impulsurile transmise au o forma speciala (definita prin reciproca cosinusului hiperbolic) numite solitonuri.

Fibra monomod Daca diametrul miezului fibrei este doar de cateva ori mai mare decat lungimea de unda a luminii transmise, va fi favorizata propagarea a doar unui singur fascicol (sau mod) si nu va aparea nici o interferenta intre raze. Aceste fibre, numite fibre monomod, sunt mediile utilizate in majoritatea sistemelor de transmisie. Fibra monomod utilizeaza o dioda laser cu injectie (ILD Injection Laser Diode). Laserele sunt binecunoscute pentru fasciculele lor extrem de focalizate si coerente. Si aceste raze sufera dispersii dar acestea sunt aproape insesizabile pe distantele din domeniul retelelor LAN. Intr-un sistem de fibre optice monomod fasciculul laser transporta informatia in lungul fibrei, reflexiile fiind nesemnificative. Prin urmare, fascicolul purtator transmis ramane aliniat cu axa centrala a fibrei de-a lungul intregului drum prin mediul respectiv. Pentru a reduce cat mai mult probabilitatea reflexiilor se utilizeaza medii optice cu indice de refracte n variabil dupa un anumit profil (figura 1.13), astfel incat, pe masura ce raza se apropie de marginea fibrei parasind traseul axial ea sa sufere o reflexie progresiva datorita modificarii corespunzatoare a indicelui de refractie al mediului. Pentru a determina ca modurile de propagare sa se intoarca catre directia axiala inainte de a atinge suprafata de

Propagare mono-mod (mod unic)

n1

n2

n1

n2

n1

n2

50u

50u

5u

Propagare multimod cu indice de refractie de tip treapta

Propagare multimod cu indice de refractie de tip gradual

Fig. 1.13 Moduri de propgare in fibra optica


20

separatie se pot realiza fibre optice a caror indice de refractie nu este constant ci variaza in sectiune dupa in profil progresiv.

Utilizarea diodelor laser presupune costuri mai ridicate si necesita stabilizarea puterii emise cu temperatura dar permite obtinerea unor rate de transfer ridicate, limitate in principiu doar de proprietatile de comutatie ale fotodetectorului (uzual la aproximativ 1 sau 10Gbps), distantele acoperite fiind de ordinul zecilor sau sutelor de km. Fibrele optice monomod au in general un diametru intre 5 si 10 microni si un strat protector de 125 de microni. La distante de 60Km se pot atinge viteze de 1Gbps iar la 10Km 6Gbps.

Dispersia lungimilor de unda la emisia radiatiei luminoase pentru sursa laser (monomod) si LED (multimod) este prezentata in figura 1.14.

1.4.4 Transmisiuni prin ghiduri de unda Un ghid de unda este un tub metalic cu o seciune determinata si prin care se propaga unde radio de nalta frecventa. Exista doua tipuri principale de ghiduri de unda: rectangulare si circulare.

Ghidurile de unda rectangulare sunt utilizate pentru racordarea antenelor la echipamentele asociate, rareori fiind utilizate pentru distante mai mari de cteva sute de metri. Ghidurile circulare pot transmite frecvente superioare celor rectangulare. Ele pot avea structuri speciale: de exemplu pot conine un conductor de cupru spiralat, nconjurat de un strat subire de fibra de sticla si un nveli carbonic. Aceasta structura este protejata de un nveli de otel si rigidizata cu rini epoxidice. O astfel de structura permite atenuarea modurilor de propagare nedorite. Interiorul ghidului de unda este uneori presurizat cu aer uscat sau cu azot pentru a elimina umiditatea din mediul de propagare care ar putea atenua microundele. Ghidurile de unda nu sunt flexibile ele avnd forme prestabilite.

850 nm

Intensitate luminoasa

40 nm 50%

850 nm

Intensitate luminoasa

2 nm 50%

LASER LED

Fig. 1.14 Dispersia lungimii de unda pentru diverse surse luminoase


21

Un sistem folosind ghiduri de unda vehiculeaz tipic frecvente intre 2 si 110GHz. Atenuarea in ghidurile de unda creste cu creterea frecventei, fiind semnificativa la peste 100 GHz. Aceste semnale se pot propaga si neghidat dar pentru a reduce interferentele si pierderile precum si pentru a directiona puteri semnificative de semnal se prefera ghidarea undei prin elementele descrise.

1.4.5 Medii neghidate de transmitere a informatiei

Asa cum s-a aratat principalele transmisiuni neghidate a informatiei se refera la undele radio (inclusiv domeniul microundelor), radiatiile laser si radiatiile infrarosii. Transmisiunile care utilizeaza semnale purtatoare sub 1GHz sunt considerate in mod curent transmisiuni radio el cele peste 1GHz sunt transmisiuni prin microunde.

A.Transmisiuni radio

Transmisiunile ghidate prezentate necesita existenta unui mediu de propgare intrinseca (conductoare, fibre optice, ghiduri de unda). In practica este necesara de multe ori depirea unor obstacole naturale ceea ce a determinat utilizarea undelor electromagnetice radio ca suport de transmisie. Undele radio au avantaje importante datorita posibilitati de propagare prin aer sau vid, pot transporta date, pot traversa obstacole. Ele sunt utilizate atat pentru transmisii terestre ct si pentru transmisii prin satelit atunci cand se urmareste conectarea unor zone greu accesibile. Existenta undelor electromagnetice au fost dedusa teoretic de fizicianul britanic James Clerk Maxwell in 1865 si au fost generate si studiate pentru prima data de fizicianul german Heinrich Hertz in 1887. Ele sunt caracterizate de frecventa f si lungimea de unda (lambda). Viteza de propagare a undelor electromagnetice in vid este viteza luminii:

fc = (1.10)

Fig. 1.15 Ghiduri de unda


22

Viteza de propagare a undelor electromagnetice (viteza luminii) in vid este

cunoscuta si este de 3 x 108 m/s. Asadar cunoscand frecventa se poate determina lungimea de unda si invers. Un semnal cu frecventa de 2,4 GHz, frecvent utilizat in comunicatiile radio, va avea de exemplu o lungime de unda de 12,5 cm.

In figura 1.14 este reprezentata maniera de identificare a undelor radio in spectrul electromagnetic.

Figura 1.14 Utilizarea spectrului de frecventa in comunicatii

Cu cat banda de frecventa a semnalului este mai larga cu atat el poate transporta mai multi biti in unitatea de timp (debit binar). Evaluarea eficientei transmisiei intr-o anumita banda poate fi exprimata prin numarul de biti transportati raportat la latimea de banda disponibila (in biti/Hertz). Derivand relatia (1.10) in raport cu lungimea de unda, se obtine:

2

c

d

df= (1.11)

de unde, trecand la diferente finite, rezulta

2

=c

f (1.12)

relatie care permite determinarea benzii de frecventa a unui canal de comunicatie radio, banda care la randul ei influenteaza in mod direct debitul binar care poate fi transportat.

Modul de utilizare a spectrului electromagnetic de catre diverse categorii de aplicatii este reglementat de o agentie internationala, ITU-R (International Telecommunication Union) WARC (World Administrative Radio Conference). Exista insa si alocari nonconforme acestor recomandari, cum sunt, de exemplu,

f(Hz): 100 10

2 10

4 10

6 10

8 10

10 10

12 10

14 10

16 10

18 10

20 10

22 10

24

radio microunde infrarosu UV raze X raze gama

lumina vizibila

104 10

5 10

6 10

7 10

8 10

9 10

10 10

11 10

12 10

13 10

14 10

15 10

16 f(Hz)

Cablu coaxial

Sateliti

AM

FM

TV

Microunde

Optic

Cablu torsadat


23

reglementarile FCC (Federal Communication Commission) in SUA, ceea ce face ca anumite echipamente sa nu functioneze oriunde in lume.

Transmisiile radio uzuale folosesc o banda ingusta de frecvente, f/f


24

In anumite conditii transmisiunile radio exploateaza reflexia troposferica. Troposfera se afla la altitudine inferioara ionosferei (10 km fata de 50 km) si este mult mai stabila. Reflexia troposferica a undelor radio este utilizata in transmisiuni pe distante de pn la 1000 km, reflexia propriu-zisa permind transmisia dincolo de orizontul vizibil. Semnalul recepionat este o sumare a mai multor unde reflectate. Circuitele care utilizeaz reflexia troposferica necesita antene de diametre mari (intre 18 si 36m) si o mare putere de emisie comparativ cu utilizarea microundelor, de exemplu. Propagarea este insa afectata de condiiile atmosferice si de fenomenul de fading (suprapunere), costurile de exploatare fiind superioare celor necesare in cazul utilizrii altor medii.

Domeniul frecventelor foarte inalte si ultra inalte (VHF-very high frequency,

UHF-ultra high frequency) este rezervat transmisiunilor radio FM si de televiziune, avand propritati optime de acoperire pentru arii restranse, in limita orizontului vizibil. La frecvente suficient de mari, peste 1GHz, undele electromagnetice capata proprietati foarte bune de propagare directiva si sunt larg utilizate in transmisiunile de date moderne. Din acest motiv ele sunt tratate distinct, ca microunde.

Utilizarea undelor radio pentru transmisiuni de date este foarte raspandita asa cum se va vedea in capitolele urmatoare: retele wireless, comunicatii bluetooth, sisteme satelit, retele de comunicatie celulare etc. B. Transmisiuni prin microunde

Legaturile de comunicaie care folosesc microunde suporta sute de canale de comunicatie tip voce, date sau televiziune, capacitatea lor fiind insa inferioara cablurilor coaxiale. Spectrul de frecvente alocat este cuprins intre 1 GHz si 15 GHz.

Datorita directivitatii lor microundele sunt afectate mai putin de interferente dar necesita vizibilitate directa intre punctul de emisie si cel de receptie. Luand in calcul curbura pamantului, pentru antene situate la inaltimea de 100m, distanta acoperita este de 80km. Microundele necesita relee intermediare pentru retransmisie situate uzual la distante de 30-50km si cu vizibilitate directa intre antenele acestora. Sunt necesare mai puine amplificatoare intermediare dect in cazul cablurilor coaxiale (care necesita amplificare la fiecare 2-6 km), motiv pentru care sunt preferate pentru transmisiunile TV la mare distanta. Un canal TV este echivalent cu 1200 canale

Destinatii

Reflexii ionosferice

Propagare directa

Sursa

Ionosfera

Suprafata terestra

Fig. 1.18 Propagarea semnalelor radio


25

telefonice si pot utiliza alternativ aceeai banda de frecventa in funcie de vrfurile de solicitare. Antenele de microunde trebuie riguros orientate ctre antena corespondenta, fr obstacole intermediare. Unghiul fascicolului de radiaie este de aproximativ 1 iar diametrul tipic al antenei este de 3m. Umezeala si temperatura pot modifica gradul de atenuare a radiaiei de microunde iar spontan pot sa apar reflexii datorate interpunerii diverselor obiecte (aparate de zbor, stoluri de pasri, etc.). Variaiile de atenuare pot fi compensate automat la recepie.

Utilizrile principale sunt in transportul de date, distribuia semnalelor TV si radio pe arii largi si telefonie civila si militar.

C. Transmisiuni Laser

Transmisiile bazate pe laser intr-un mediu LAN fara fir pot fi considerate ca fiind similare cu cele care folsesc fibre optice la care lipseste cablarea prin fibre optice. Mai multe statii se pot interconecta cu o unitate de acces care transmite si receptioneaza semnale laser in numele unui grup de statii. Cand laserele sunt utilizate in acest mod, dispozitivele laser trebuie sa fie plasate in zone cu vizibilitate optica (de obicei aproape de plafon), cat mai departe posibil de interferente si obstacole. Laserele pot fi utilizate si pentru a interconecta retele LAN cablate, aflate la distante de maximum cateva sute de metri. In cazul utilizarii transmisuinilor laser in aer liber trebuie avute in vedere posibillele interferente atmosferice (particole de apa, ceata, fulgi de zapada) care determina fenomene optice ce pot altera fasciculul. Comunicatiile care folosesc ca suport de transport radiatia laser care se propaga in aer liber are o utilizare foarte restransa, o alternativa mult mai fiabila ramanand insa transmisunile radio. D. Transmisiuni in infrarosu

Aceasta tehnologie de transmisie fara fir, in infrarosu, utilizeaza ca suport de transmisie domeniul de frecvente situat la limita vizibila a spectrului electromagnetic. Chiar daca fasciculele de radiatii infrarosii nu pot penetra solide opace, ele pot fi reflectate de acestea. Exista doua tehnologii uzuale: infrarosu difuzat si infrarosu direct. Infrarosu difuzat se refera la emiterea unei radiatii infrarosii omnidirectional, acoperind astfel zona de interes in care se afla receptorii. Tehnologia in infrarosu consta in tramsmiterea unui fascicul directionat catre o destinatie. Zona deservita este limitata la conul de acoperire iar puterea necesara la emisie este mai redusa deoarece radiatiile sunt focalizate (prin sisteme optice) evitand difuzarea semnalului in afara zonei de interes. Acest principiu este utilizat la telecomenzile celor mai multe dispozitive electronice casnice, dar si pentru conectari unidirectinale pe distante scurte: tastatura fara fir, mouse fara fir, porturi IrDA.

Un exemplu particular il constituie sistemul IrDA (Infrared Data Association). Acesta defineste un set de standarde care specifica felul in care se transmit datele, fara fir, prin intermediul radiatiei infrarosii. Specificatiile IrDA se refera atat la dipozitivele fizice implicate in comunicatie, cat si la protocoalele folosite. Dispozitivele IrDA comunica folosind LED-uri cu emisie in infrarosu cu lungimea de unda de 875 nm.

Interfetele IrDA fac legatura intre echipamente de calcul (PC) si diverse dispozitive, mai mult sau mai putin mobile, dotate cu porturi IrDA: telefonul mobil, laptop, palm, un alt calculator (PC), imprimante. In capitolul 3 este descris acest standard de comunicatie.

Documents

Retele de Calculatoare Legaturi Petru Comunicatii de Date