TÁVKÖZLŐ HÁLÓZATOK. Átviteli csatornák. Mérnök-informatikus szak Nappali BSc

Átírás

1 TÁVKÖZLŐ HÁLÓZATOK Átviteli csatornák Mérnök-informatikus szak Nappali BSc

2 Tartalom 1. Átviteli közegek 2. Elektromágneses hullámterjedés 3. Tápvonalak, vezetett hullámú összeköttetés 4. Antennák, rádiócsatorna 5. Zajok, termikus zaj

3 1. Átviteli közegek OSI referencia modell 7 rétege

4 1. Átviteli közegek Vezetékes Optikai Optikai kábel Elektromos Csavart érpár UTP (Unshielded Twisted Airpair) STP (Shielded Twisted Airpair) Koaxiális Alapsávú Szélessávú Vezeték nélküli Optikai Infra Lézer Elektromos Rádióhullám Szórt spektrumú sugárzás Műholdas átvitel

5 1. Átviteli közegek Fiber Optic RJ45 Token Ring Thicknet T-Piece Csatlakozó típusok

6 1. Átviteli közegek Optikai kábel Üvegszál technológia: fényforrás-átviteli közeg-fényérzékelő LED vagy lézerdióda Többmodusú vagy egymodusú ~10 Gbit/s nagyságrendű átvitel Szemléltető példa simplex átvitelre

7 2. Elektromágneses hullámterjedés

8 2. Elektromágneses hullámterjedés Maxwell-egyenletek Az elektromos és mágneses jelenségek leírásához axiómaként szolgálnak Egyszerűbb fizikai törvények segítik a megértésüket, nem levezetés! Gerjesztési törvény (zárt áramkörre) L L Hdl = vdl = JdA rot H = J rot vda ( Stokes tétel ) Nyitott áramkör esetén (pl. kondenzátor lemezei között a fenti formula nem egyértelmű, ki kell egészíteni A A D I.Maxwell egyenlet roth = J + t

9 Faraday indukció törvénye t rot tétel Stokes d t d d t U t U A L A i i B E egyenlet II.Maxwell A B l E A B = + = = Φ Φ = Φ = 2. Elektromágneses hullámterjedés

10 2. Elektromágneses hullámterjedés Maxwell egyenletek: lokális (differenciális) alak I. = + = + II. = III. = 0 IV. Ahol: = = : á éőé = : áűűé = : á = = : á ó

11 2. Elektromágneses hullámterjedés Maxwell egyenletek: globális (integrális) alak. I. II. III. IV..... = ( + ). =. = 0. =. = +. =.. = 0. =. =

12 2. Elektromágneses hullámterjedés Maxwell-egyenletek: anyagegyenletek homogén, izotróp közegben = = = = Ahol: 8, á á [ ] = 1 á : í á = 4 10 : á á [ ] = 1 á : í á

13 2. Elektromágneses hullámterjedés Maxwell egyenletek: jelentés Az elektromos és mágneses mező kapcsolatát írja le. I. Áramjárta vezető körül mágneses mező alakul ki. Jobbkéz II. III. IV. szabály. A mágneses mező örvényes. Változó mágneses tér elektromos teret generál. Balkéz szabály. Az elektromos mező örvénymentes A mágneses tér forrásmentes, az erővonalak önmagukba záródnak. Az elektromos tér forrásos, az erővonalak nem záródnak önmagukba. A jobb- és balkéz szabály

14 2. Elektromágneses hullámterjedés Maxwell egyenletek vákuumra: I. = II. = A villamos térőrősség változása mágneses teret, a mágneses térerősség változása pedig elektromos teret hoz létre. Ennek köszönhetően az elektromágneses hullámok képesek a terjedésre vákuumban, minden villamos vezetőtől távol. Hullámegyenlet homogén, ideális dielektrikummal kitöltött áram és töltésmentes térben: = és =, valamint = = Ahol: = Laplace operátor v a terjedési sebesség, c a fénysebesség

15 2. Elektromágneses hullámterjedés

16 3. Tápvonalak vezetett hullámú összeköttetés Alacsony frekvenciás áramkörök építőelemeinek és az azokat összekötő vezetékek mérete a működési frekvenciához tartozó hullámhosszhoz képest elhanyagolható. Mikrohullámú tartományban (0, GHz) viszont már összemérhető az alkatrészek méreteivel, így a villamos paraméterek helyfüggése már nem hanyagolható el A fizikai viszonyok leírásához a Maxwell-egyenleteket kell megoldani adott peremfeltételek mellett A távvezeték két egymással párhuzamos vezetőpárból áll; nagyfrekvencián pedig a villamos paraméterek helyfüggőek is: u(x,t) ill. i(x,t), ahol x a távolság

17 3. Tápvonalak vezetett hullámú összeköttetés Elosztott paraméterű modell = + : impedancia [Ω/m] = + : addmittancia [S/m] [R ] =Ω/m: ellenállás [L ] = H/m: induktivitás [G ] = 1/Ωm=S/m: vezetés [C ] = F/m: kapacitás A tápvonal hossza: [l]=m

18 3. Tápvonalak vezetett hullámú összeköttetés A távvezetékre felírva a Kirchoff-törvényeket a távíróegyenletekhez jutunk (általános alak): i. ii.,, = (, ) + (,) = (, ) + (,) Szinuszos = 2 gerjesztésre, állandósult állapotban: = + = + Megoldás:, = +, =, : í. í (á) áú á = ( + )( + ) = + terjedési együttható: : íá, : áé = hullámimpedancia: [ ] = Ω

19 3. Tápvonalak vezetett hullámú összeköttetés Hullámimpedancia: = Ideális tápvonalra: R =0 és G =0, így: = 0, = = = = = = = = = =

20 3. Tápvonalak vezetett hullámú összeköttetés Végtelen tápvonal: Ha a tápvonal homogén és végtelen, akkor a z + pozitív irányú hullám az átvitel irányában halad reflexiómentesen (z - = 0). Illesztett tápvonal (hullámimpedanciás lezárás): Z=Z 0. A tápvonal vége a rá jellemző hullámimpedanciával van lezárva, gyakorlatilag azonos az előbbi esettel, nincs reflexió.

21 3. Tápvonalak vezetett hullámú összeköttetés Illesztésmentes tápvonal: A z + irányú hullám egy része a tápvonal végén lévő inhomogén határfelülethez érkezve visszaferődik (reflexió), másik része pedig továbbhalad (transzmisszió) Transzmisszió: z + Reflexió: z -

22 3. Tápvonalak vezetett hullámú összeköttetés Fesztültség reflexiós tényező: Γ = á() ó () Γ = Bemeneti impedancia = Γ () = () () () Ha = 4 = 2 = 0 4 = = 4 = 0

23 3. Tápvonalak vezetett hullámú összeköttetés A távvezeték mentén a haladó és a reflektált hullámok állóhullámokat alakítanak ki, így egy adott elrendezésben állandó helyű feszültség maximumok (U max ) és minimumok (U min ) figyelhetők meg Feszültség állóhullámarány: = =

24 3. Tápvonalak vezetett hullámú összeköttetés Tápvonal típusok Párhuzamos (Lecher) vezeték Koaxiális Microstrip (például NYÁK lemezen) Csőtápvonal: a hullám egy üreges fém cső belsejében terjed az optikai kábelhez hasonlóan

25 3. Tápvonalak vezetett hullámú összeköttetés Áthallás: az átvivendő jel (hang, beszéd, zene stb.) más idegen áramkörön is észlelhető, hallható. Oka: elektromágneses interferencia két vagy több áramkör között, amelyek között galvanikus, induktív, kapacitív vagy elektromágneses csatolás lehet Immunitás: az áthallási immunitás mértéke (EMC az elektromágneses kompatibilitás immunitási szintje) A jel-zaj viszonyhoz hasonló SNR: Signal-to-noise ratio Közelvégi: ha az áthallott jel és az interferáló jel terjedési iránya különböző Távolvégi: ha az áthallott jel és az interferáló jel terjedési iránya megyegező

26 3. Tápvonalak vezetett hullámú összeköttetés

27 4. Antennák, rádiócsatorna Antenna Átalakító a tápvonal és a szabad tér között A tápvonal hullámimpedanciáját illeszti a szabad tér hullámimpedanciájához Vezeték nélküli rádióösszeköttetés adására és vételére szolgáló eszköz

28 4. Antennák, rádiócsatorna Elektromágneses hullámok kialakulása Párhuzamos LC rezgőkör elektromágneses tér Ha a kondenzátor lemezeit szétnyitjuk, nyitott rezgőkört kapunk A nyitott rezgőkör szintén rezgőképes Az erővonalak elhagyhatják az áramkört és elektromágneses hullámokat hoznak létre Az elektromágneses hullámok a levegőben fénysebességgel terjednek: c= m/s A nyitott rezgőkört antennának nevezzük

29 4. Antennák, rádiócsatorna Zárt rezgőkörben az erővonalak szóródása csekély, így a kisugárzás gyenge Nyitott rezgőkörben az erővonalak szóródása nagy, így a kisugárzott energia is nagyobb Az elektromágneses tér által szállított energiasűrűség: = ynting vektor

30 4. Antennák, rádiócsatorna Az elektromágneses hullámok kiterjedése Az antenna elektromágneses sugárzó A terjedés: =, = á, = éé, = á á á

31 4. Antennák, rádiócsatorna A Hertz-dipólus A kondenzátorlemezek dipólusként viselkednek 1888-ban Heinrich Hertz kísérlete dipólussal: két rúd közé váltakozó feszültséget kötött A rudak végein fém gömbök helyezkednek el Lineáris antennaként viselkedik, a nyílt rezgőkörben C és L elosztott paraméterűvé válik, nem lokalizálódik A rezgőkör sajátfrekvenciája: = Mivel L és C nagyon kicsi, így a sajátfrekvencia nagy Szemléltetés

32 4. Antennák, rádiócsatorna Izotróp (indirekt) antenna: Minden irányban azonos teljesítményt sugároz. A gyakorlatban ilyen antenna nem létezik, csak elméleti megfontolás Direkt antenna: irányított antenna (Yagi) Irányhatás: a főirányban kisugárzott teljesítmény-sűrűség és a feltételezett azonos teljesítményt kisugárzó izotróp antenna teljesítmény-sűrűségének a hányadosa. =, : = á 4 Nyereség: a főirányban kisugárzott teljesítmény-sűrűség és az azonos bemenő teljesítményű izotróp antenna teljesítménysűrűségének a hányadosa =, : = ő 4

33 4. Antennák, rádiócsatorna Iránykarakterisztika: direkt antenna sugárzási teljesítménysűrűségének a térbeli eloszlása Síkszög: az ívhossz és a sugár viszonya (radián - r) =, : í, á Térszög: a kimetszett gömbfelület és a sugárnégyzet viszonya (steradián sr) =, : öü

34 4. Antennák, rádiócsatorna Wave length Frequency Designations Transmission Media Propagation Modes Representative Applications Frequency 1 cm 10 cm Extra High Frequency (EHF) Super High Frequency (SHF) Wave guide Line-of-sight radio Satellite, Microwave relay, Earth-satellite radar. 100 GHz 10 GHz 1 m 10m 100m Ultra High Frequency (UHF) Very High Frequency (VHF) High Frequency (HF) Coaxial Cable Sky wave radio Wireless comm. service, Cellular, pagers, UHF TV Mobile, Aeronautical, VHF TV and FM, mobile radio Amateur radio, Civil Defense 1 GHz 100 MHz 10 MHz 1 km Medium High Frequency (MF) Ground wave radio AM broadcasting 1 MHz 10 km 100km Low Frequency (LF) Very Low Frequency (VLF) Wire pairs Aeronautical, Submarine cable, Navigation, Transoceanic radio 100 khz 10 khz

35 4. Antennák, rádiócsatorna Rádióhullámok terjedési módja (hullámhosszfüggő) Direkt hullám (ezzel foglalkozunk részletesebben) Földről reflektált hullám Felületi hullám Diffrakciós terjedés Troposzferikus szórás Ionoszferikus hullám (térhullám)

36 4. Antennák, rádiócsatorna Direkt hullám Közvetlen rálátás szabad térben, akadálytalanul (az energia 98-99%-a) T: adó (Transmitter), R: vevő (Receiver) A teljesítmény-sűrűség r távolságra: S = Vett teljesítmény: =, : = felülete Szabadtéri csillapítás: = = - az antenna

37 4. Antennák, rádiócsatorna Antenna típusok Egyszerű dipól-antenna A. UHF/VHF direkt B okos UHF/VHF C. Parabola D. Hagyományos direkt UHF/VHF

38 4. Antennák, rádiócsatorna Antenna típusok Egydipólos panel Ernyőantenna Toronyantenna

39 5. Zajok, termikus zaj Zajok osztályozása zavarforrás eredete alapján

40 5. Zajok, termikus zaj Info Forrás m(t) Üzenet a forrástól n(t) zaj Adó Tx s(t) Leadott jel Csatorna Kommunikációs blokkdiagram Vevő r(t) Rx Kapott jel Vett üzenet m ~ ( t ) Info Címzett

41 5. Zajok, termikus zaj Belső eredetű zaj: a természet saját maga által produkált elektromágneses folyamatok Zavarként jelentkezik, véletlenszerű, sztochasztikus folyamat Leírása a statisztikus fizika feladata Belső eredetű zajtípusok: Sörétzaj Árameloszlási zaj Generációs-rekombinációs zaj Villódzási (flicker-zaj) Termikus zaj (bővebben ezzel foglalkozunk)

42 5. Zajok, termikus zaj Sörétzaj: oka az áramkörben folyó áram statisztikus ingadozása, a töltéshordozók valamilyen potenciálrétegen történő véletlenszerű áthaladása folytán Árameloszlási zaj: ahol áramok adódnak össze vagy ágaznak el, szintén statisztikus jellegű Generációs-rekombinációs zaj: félvezetőkben a lyukelektron párok véletlenszerű keletkezése ill. rekombinálódása folytán Flicker zaj: alacsony frekvencián jelentkezik, spektruma a frekvenciával fordítottan arányos

43 5. Zajok, termikus zaj Termikus zaj Töltött részecskék hőmozgásából adódik Mindenhol jelen van Planck-féle sugárzási törvény írja le: = (. 30 ) 1 Ahol: : íé űűé h = 6, áó = 1,38 10 áó :, = : ú hőéé Gauss-eloszlású folyamat (fehérzaj), várható értéke 0, szórásnégyzete pedig az egységni ellenálláson leadott zajteljesítmény Spektrális eloszlása 30 GHz-ig állandó, a felett csökken

44 5. Zajok, termikus zaj Ekvivalens zajhőmérséklet: a B sávban fellépő zajteljesítmény hőmérsékletben kifejezett értéke =, = 1,38 10 áó B: sávszélesség Berendezés minőségi jellemzője: a kimenetén megjelenő jel-zaj viszony Négykapu teljesítmény-erősítése: = =

45 5. Zajok, termikus zaj = + + = + + = : áéé Bemenetre redukált saját zaj hőmérséklete: a négypólus (kétkapu) átviteli hatása úgy vehető figyelembe, mintha megnövekedett volna a bemeneti zajhőmérséklet a T red bemenetre redukált zajhőmérséklettel = + + = + + = = =

46 5. Zajok, termikus zaj Négypólus zajtényezője: a kimenő és a felerősített bemenő zajlteljesítmény aránya, ha bemenő zajforrás referencia-hőmérséklete T 0 =290K = = ( ) = 1 + Láncbakapcsolt négypólusok eredő zajtényezője és (eredő redukált) zajhőmérséklete: = , = ,

47 5. Zajok, termikus zaj A csillapító: a T hőmérsékletű csillapító (vezeték, kábel) ha a bemenetére csatlakozó elem is T hőmérsékletű kbt teljesítményű zajt termel (mint minden normál, disszipatív elem). =, : íá = + = ( 1) Zajtényező: = h = = 290 : = A jel-szaj viszony: Signal-to-noise ratio [] = 10

48 Fizikai előtagok

49 A decibel Logaritmikus mérőszám Legtöbbször arányra használjuk Feszültség vagy áram jellegű egységre [] = 20 lg = 10 [] Teljesítmény jellegű egységre [] = 10 lg = 10 [] Figyelem! db-skálában dolgozva a logaritmus azonosságait kell alkalmazni!