Medii de transfer a semnalelor

2.1. Canalele de comunicaţii.

Informaţia transformată în semal electric este transferată de la emiţător la

receptor prin intermediul mediului de transmisie care formează canalul de comunicaţie.

Elementele componente ale unui sistem de telecomunicaţii sunt: emiţătorul, canalul de

comunicaţie şi receptorul (fig. 5).

Fig. 2.1 Elementele componente ale unui sistem de telecomunicaţii

Canalele de comunicaţii pot fi:

- ghidate: semnalele sunt restricţionate în interiorul mediului şi nu îl pot părăsi

(cu excepţia unor scurgeri reduse); din această categorie fac parte: linia

bifilară, cablul coaxial, ghidul de undă şi fibra optică;

- neghidate sau radio nedirective (transmisii fără fir - wireless); mediul este

atmosfera, oceanul, spaţiul cosmic în care undele electromagnetice generate

de sursă radiază liber în mediul înconjurător; transmisiile fără fir pot fi

realizate cu: unde radio, microunde, în infraroşu (fig. 2.2).

Fig. 2.2 Clasificarea transmisiilor fără fir

Aprecierea comportării unui canal de transmisie se poate face prin raportul S/Z -

semnal/zgomot. Raportul S/Z este influenţat de:

- distorsiunile liniare şi nelineare introduse de canal;

- semnalele parazite introduse.

Canalele de comunicaţii implică un anumit medu de transfer al semnalelor de

informaţie. Pentru canalele ghidate mediul de transfer poate fi: circuitul electric simetric

neecranat sau ecranat (UTP, STP) sau asimetric (cablul coaxial) sau circuit optic (fibra

optică din cablul optic). În cazul canalelor neghidate mediul este atmosfera terestră în

care se propagă undele electromagnetice (unde radio, microunde, infraroşu).

2.2. Linii electrice de transmisie

O linie de transmisie este formată dintr-un sistem de conductoare prin care se

poate transmite energia electromagnetică între două puncte. Astfel, liniile de telefonie şi

cele din sistemele energetice sunt exemple tipice de linii de transmisie. În

Medii de transfer a semnalelor

Ioan D. Oltean

18

telecomunicaţii liniile de transmisie se folosesc la transferul semnalelor la puteri mici

sau la transferul energiei de radiofrecvenţă de la emiţător la antenă în cazul puterilor

mari. Una dintre caracteristicile importante ale unei linii de transmisie este aceea de a

ghida energia de la sursă la sarcină fără pierderi prin radiaţie.

Liniile de transmisie pot fi simetrice (de exemplu linia bifilară) şi asimetrice

(cablul coaxial, liniile plane tip microstrip şi stripline).

Mediul electric de transfer al semnalelor constă în liniile de transmisie de

diferite tipuri şi caracteristici (fig. 2.3).

Fig. 2.3 Linii de transmisie: a) cablu coaxial, b) linie bifilară, c) microstrip, d) stripline, e)

ghid de undă plan

Linii bifilare cu conductori paraleli sau tip panglică (fig. 2.4) reprezintă mediul de

transmisie cel mai simplu. Într-o astfel de linie, fiecare conductor este izolat şi liber în

spaţiu (fig. a). Acest tip de linie este folosit pentru conectarea a două terminale DTE aflate

la distanţă mică (<50m) şi folosirea unei rate de transmisie modestă (<19.2Kbps).

Semnalul (de obicei nivel de tensiune sau curent) este aplicat pe unul din conductoare, iar

referinţa este pământul (masa) (fig. 2.4.a) sau cu referinţa pe celălalt conductor (fig. 2.4.b).

Variantele prezentate în figura 2.4.a şi b sunt predispuse la perturbaţii induse. Reducerea

perturbaţiilor induse pe linie se poate obţine prin transferul simetric al semnalelor în raport

cu potenţialul de referinţă (masa electrică- pământ) folosind la intrarea şi ieşirea liniei

transformatoare de separare cu priză mediană (fig. 2.4.c).

Fig. 2.4 Linii bifilare; a) cu un fir – circuit neechilibrat faţă de pământ; b) cu două fire – circuit

neechilibrat faţă de pământ; c) cu două fire – circuit echilibrat faţă de pământ

Suportul fizic al reţelelor

Ioan D. Oltean

19

Liniile tip panglică cu două fire (fig. 2.5.a) se pot folosi şi pentru interonectarea a două

DTE, dar de obicei sunt utilizate pentru conectarea unui DTE (Data Terminal Equipment)

cu un DCE (Data Communication Equipment - de ex. modem). Astfel de conexiuni

folosesc de obicei mai multe linii utilizând câte un fir pentru fiecare semnal şi un singur fir

pentru masa comună. Setul complet de fire poate fi sub forma unui cablu multifir

(multicore cable) sau cablu plat (panglică – fig. 2.5.c).

Fig. 2.5 Linii de transmisie simetrice, a) Linii bifilare tip panglică, b) Linii bifilare

torsadate, c) cablu panglică multifilar

Liniile de transmisie paralele prezintă următoarele dezavantaje:

a) diafonia – influenţa semnalelor din circuitele învecinate asupra celor din linia

bifilară, precum şi a acesteaia asupra circuitelor din apropiere;

b) influeţa semnalelor perturbatoare induse datorate radiaţiei electromagnetice a altor

surse de semnale electrice.

Problema principală a interferenţei semnalelor este că aceasta se poate produce numai

în unul din fire (de exemplu în firul de semnal, nu şi în firul de masă) cum receptorul

interpretează diferenţa de semnal dintre cele două fire va rezulta la recepţie alături de

semnalul util şi semnalul de zgomot.

La o linie de transmisie cu conductoare paralele situate la distanţa s (liniea bifilară)

strabătută de curenţii I1 şi I2 (fig. 2.6.a) în jurul conductoarelor apare un câmp magnetic H,

iar între conductoare un câmp electric E (fig. 2.6.b). Atunci când liniile de câmp

intersectează circuite electrice aflate în vecinătate vor induce în aceste circuite tensiuni

perturbatoare.

Fig. 2.6 Linia de transmisii cu conductoare paralele a) Geometria şi curentul din conductoare, b) Liniile de câmp E şi H

E

H

Medii de transfer a semnalelor

Ioan D. Oltean

20

Zgomotul de diafonie care rezultă datorită semnalului perturbator din circitele

învecinate se sumează cu semnalul util transferat pe linia bifilară cu conductoare

paralele (fig. 2.7.a). Reducerea semnalelor perturbatoare poate fi obţinută schimbarea

periodică a sensului curenţlor pe linie (transpoziţie) - (fig. 2.7.b), situaţie în care

tensiunile perturbatoare induse fiind cu sensuri opuse se anulează.

Fig. 2.7 Sensul curenţilor pe linii bifilare, a) Linia cu conductoare paralele, b) Linia cu

conductoare cu poziţii transpuse

2.2.1. Cablurile cu linii bifilare

Cablurile cu linii de transmisii bifilare conţin mai multe perechi de conductoare

paralele sau torsadate (răsucite) cu sau fără ecran electric.

Liniile în cablu simetric au fost folosite în special în telefonia de distanţă în

sistemele de curenţi purtători, având până la 120 de căi în gama 12 - 552 kHz, sau chiar

180 de căi, circuitele pe 4 conductoare. Folosirea lor la frecvenţe mai înalte este

limitată, ca în cazul liniilor aeriene, datorită efectul pelicular şi de radiaţie al

conductoarelor.

Conductoarele din cablu, din cupru sau aluminiu, izolate iniţial cu hârtie apoi cu

material plastic, sunt răsucite în perechi sau câte 4 la un loc, cu scopul de a se realiza o

interferenţă electromagnetică minimă între perechi. În cazul răsucirii a câte 4

conductoare împreună se obţine un coeficient de umplere mai mare cu 40%, dar

diafonia creşte. Liniile sunt grupate în cabluri cu perechi: terţe, cuarte, quinte, etc. În

figura 2.8 se indică modul de grupare a liniilor bifilare în cuartă dispuse în stea.

Capacitatea dintre conductoare este mult mai mare decât la liniile aeriene, efectul

acesteia făcându-se simţit la frecvenţe înalte. Reducerea capacităţii se poate face prin

creşterea distanţei dintre conductoare din cablu, lucru care ar creşte costul şi ar micşora

numărul de conductoare din cablu respectiv.

Suportul fizic al reţelelor

Ioan D. Oltean

21

La cablurile pentru subteran grupul de conductoare este protejat mecanic, fiind

înfăşurat într-o manta de plumb. Întrucât cablul se montează în subteran, pentru

protejarea circuitelor contra apei, se montează o folie de aluminiu în interiorul cablului,

sau se umple cu un gel pe bază de petrol.

Caracteristicile linilor bifilare

Inductanţa L este dată de câmpul magnetic dintre conductoare care apare atunci

când acestea sunt parcurse de curent. Valoarea inductanţei se poate calcula în funcţie de

dimensiunile conductoarelor şi de geometria dispunerii acestora.

Inductanţa şi capacitatea liniei de transmisie depind de următorii factori:

- modul de realizare a liniei de transmisie (a cablului din care face parte linia);

- numărul şi grosimea ecranelor electrice;

- numărul conductoarelor din cablu;

- izolaţia electrică folosită.

Se condideră linia bifilară având conductoare cu diametrul 2a şi distanţa d dintre

acestea (d>>a), conectată cu un capăt la un generator de semnal şi cu celălalt capăt

conectat la rezistenţa de sarcină. Inductanţa proprie L se determină conform relaţiei de

definiţie I

L . La distanţa r de conductorul 1 inducţia magnetică B1(r) produsă de

acesta este r

IrB

2)( 0

1 , iar conductorul 2 produce inducţia )(2

)( 02 rd

IrB

Fluxul magnetic total Φ prin zona cu lăţime dr şi lungime l conturul dat de cablu cu

diametru conductorului interior d=a, diametrul exterior D=b şi cu lungimea l (fig. 2.9)

se calculează cu relaţia:

a

dlIldrrBrB

d

aln)]()([ 0

21

(2.1)

Inductanţa proprie pe unitatea de lungime a liniei pentru d>>a este:

a

dL ln0'

(2.2)

Fig. 2.8 Modul de grupare a liniilor bifilare cuartă în stea

Medii de transfer a semnalelor

Ioan D. Oltean

22

Fig. 2.9 Explicativă la calculul inductanţei liniei bifilare

Capacitatea C asemănător cu condensatorul plan este data de geometria

conductoarelor, distanta dintre acestea şi natura dielectricului εr.

Viteza de propagare vp a undei (energiei electrice) de-a lungul liniei de

transmisii depinde de caracteristicile electrice şi magnetice ale mediului prin care are

loc propagarea. Printr-o linie electrică la care între conductoare se află un material cu

proprietăţi dielectrice viteza undei se calculează cu relaţia:

cVFcv

c

LCv

r

p

rr

p

1

11

00 (2.3)

unde:

00

1

c - viteza luminii,

r - permitivitatea dielectrică relativă a dielectricului; pentru aer: r=1 şi

v=c.

VF – factor de velocitate (VF<1).

Timpul de tranzit td al semnalului printr-o linie de transmisii se poate determina

în funcţie de lungime l a liniei şi de viteza de propagare:

LClv

lt

p

d (2.4)

Impedanţa caracteristică Zo

Într-o linie de transmisii raportul dintre valoarea maximă a tensiunii undei

progresive şi valoarea maximă a curentului este o constantă şi poartă denumirea de

impedanţă caracteristică a liniei - Zo. Această mărime se poate determina în funcţie de

parametrii echivalenţi R, L, C, şi G distribuiţi de-a lungul liniei (fig. 2.10). Conductanţa

G corespunde pierderilor prin mediul dielectric din jurul conductoarelor. În cazul unui

dielectric perfect pierderile sunt nule şi conductanţa G este infinită.

Suportul fizic al reţelelor

Ioan D. Oltean

23

Fig. 2.10 Schema echivalentă a unei linii de transmisie

Valoarea impedanţei caracteristice Z0 se calculează cu relaţia:

C

Gj

L

Rj

C

L

CjG

LjRZ

0 (2.5)

La frecvenţă mare GCRL , şi impedanţa caracteristică devine:

C

LZ 0 (2.6)

În acest caz schema echivalentă a liniei bifilare conţine numai inductanţe L’ şi

capacităţi distribuite C’ de-a lungul acesteia (fig. 2.11).

Fig. 2.11 Schema echivalentă simplificată a liniei bifilare

La transmisia semnalelor armonice prin linii de transmisie fără pierderi valorile

amplitudinilor de tensiunii V(x) şi curentului I(x) de-a lungul liniei sunt date [2] de

ecuaţiile:

)()()exp()exp()(

)()()exp()exp()(

0000

0000

xIxIxjIxjIxI

xVxVxjVxjVxV

(2.7)

Unde exp (-jβx) reprezintă unda care se propagă în sensul pozitiv al axei Ox, iar

exp (+jβx) reprezintă unda care se propagă în sensul negativ al axei Ox.

Constanta de propagare β este dată de relaţia:

LC (2.8)

Medii de transfer a semnalelor

Ioan D. Oltean

24

Valoarea curentului se poate determina în funcţie de tensiunile V(x) şi de

impedanţa caracteristică a liniei:

)]()([1

)(0

xVxVZ

xI (2.9)

Ecuaţiile (2.7) arată că pe o linie de transmisii se propagă două unde.

Considerând un semnal armonic care se aplică de la un generator de pulsaţie ω pe linia

de transmisii se obţine o unda directă în direcţia (-x). În complex tensiunea

corespunzătoare undei directe Vd=V+(x, t) şi a undei inverse se scriu sub forma:

)(

00),( xtjxjtj

d eVeeVVtxV (2.10)

)(

00),( xtjxjtj

r eVeeVVtxV

Atunci când pe linia de transmisii sunt prezente cele două unde de tensiune:

directă Vd şi reflectată Vr, tensiunea de-a lungul liniei este dată de suma contribuţiilor

celor două unde:

)(

0

)(

0),( xtjxtj

rd eVeVVVtxV (2.11)

Parţile reale ale termenilor ecuaţiei (2.11) vor fi în fază de-a lungul liniei în

punctele situate la distanţa 2

. În aceste puncte tensiunile undelor vor fi în fază şi

valorile tensiunii vor fi date de suma amplitudinilor celor două unde:

rdMAX VVV , (2.12)

rezultând maxime de tensiune VMAX.

La jumătatatea distanţei dintre maximele de tensiune undele sunt în antifază şi

valorile tensiunii vor fi date de diferenţa amplitudinilor celor două unde:

rdMIN VVV , (2.13)

rezultând minime de tensiune VMIN.

Raportul dintre cele două valori extreme corespunzătoare maximilor şi

minimelor de tensiune poartă numele de coeficient sau raport de undă staţionară de

tensiune SWR (VSWR - Voltage Standing Wave Ratio):

rd

rd

MIN

MAX

VV

VV

V

VSWR

(2.14)

Valorile coeficientului de undă staţionară ),1( SWR . Atunci când Vi=0,

rezultă că SWR=1, deci nu există unde reflectate şi transferul energiei este maxim, iar

când SWR rezultă că rd VV şi pe linia de transmisii există unde staţionare.

Suportul fizic al reţelelor

Ioan D. Oltean

25

Modificarea impedanţei unei linii de transmisie

Atunci când o linie de transmisii este terminată pe o impedanţă Z diferită faţă de

impedanţa caracteristică ( 0ZZ ) se produce o modificare (transformare) a impedanţei.

Considerând că sursa generează o unda directă (rel. (2.10)) pe linie apare şi unda

reflectată atunci când 0ZZ . Amplitudinea undei reflectate depinde diferenţa dintre

cele două impedanţe, respectiv de factorul Г care poartă numele de coeficient de

reflexie. Valoarea coeficientului de reflexie se stabileşte cu relaţia:

0

0

ZZ

ZZ

(2.15)

Din relaţia (2.15) rezultă că coeficientul de reflexie 0 atunci când 0ZZ ,

deci nu sunt unde reflectate, iar transferul de energie este maxim.

La o linie de transmisii impedanţa caracteristică are un caracter preponderent

rezistiv, deci 0, 000 XiarRZ . În acest caz coeficientul de reflexie Г are valoarea:

22

0

22

0

)(

)(

XRR

XRR

(2.16)

Pierderile de reflexie RL (Return Loss) care apar ca urmare a neadaptării

impedanţei liniei cu impedanţa sarcinii se calculeză pe baza puterilor directe Pd şi

reflectate Pr sau în funcţie de coeficientul de reflexie Г:

lg20lg10d

r

P

PRL [dB] (2.17)

Atenuarea semnalului transferat prin liniile de transmisie se datorează

pierderilor de natură electrică, respectiv în rezistenţa electrică a conductoarelor

(pierderilor în cupru) şi piederilor în materialul dielectric aflat între acestea. Pierderile

electrice şi dielectrice duc la transformarea în căldură a unei părţi din puterea sursei de

semnal.

Pierderile în rezistenţa electrică a conductoarelor PCu sunt proporţionale cu

pătratul curentului care le străbate ( 2IRP CuCu ). Rezistenţa conductoarelor creşte

odată cu frevenţa datorită efectului pelicular (skin effect). Ca urmare a efectului

pelicular pierderile se majorează la creşterea frecvenţei de transmisie.

Pierderile în dielectric la liniile de transmisie sunt la fel ca cele din

condensatoare proporţionale cu tgδ al materialului dintre conductoarele pe care are loc

transmisia semnalului.

Pierderile prin radiaţie şi prin inducţie se manifestă prin transferul unei părţi din

energia vehiculată prin lina de transmisii în mediul aflat în vecinătate. Pierderile prin

inducţie se manifestă numai atunci când mediul din vecinătate este conductor electric şi

în acesta se induce o parte din energia transferată pe linie.

Atenuarea semnalului care este tranferat pe linii de transmisie, ca urmare a

pierderilor proprii liniei se stabileşte ţinînd seama de existenţa undelor directe şi

reflectate de-a lungul liniei. Reducerea valorii semnalelor pe o linie de transmisii se

evaluiază prin introducerea unui coeficient α denumit coeficientul de atenuare al liniei.

Acest coeficient arată că la distanţa (1/α) faţă de sursa de semnal amplitudinea undelor

Medii de transfer a semnalelor

Ioan D. Oltean

26

de tensiune scade cu (1/e), iar puterea acestora cu (1/e)2. Atenuarea care este

proporţională cu lungimea liniei se exprimă în dB/lungime (exemplu: dB/m, dB/100 m,

sau dB/ km).

În reprezentarea undelor dispunerea spaţială a acestora se face prin termenii xje pentru unda directă şi xje pentru unda reflectată, iar atenuarea prin xje .

Atenuarea de inserţie a unei linii de transmisii corespunde efectului cumulat al

atenuării liniei şi a atenuării de reflexie.

Cabluri cu perechi torsadate

Din anul 1990 s-a adoptat norma 10 BASE T pentru transmisii în banda de bază

la 10 Mbiţi/s folosind perechi torsadate sau cablu UTP (Universal Twisted Pair) având

caracteristicile următoare:

- cablu multi-perechi, perechi neecranate individual;

- diametrul conductoarelor: 0,4 – 0,6 mm;

- impedanţa caracteristică:Z0= 100 ± 15Ω în domeniul de frecvenţe 1-16 MHz;

- lungimea maximă a unui segment de cablu: aprox. 100 m;

- atenuare mai mică decât 11,5 dB în banda de frecvenţă 5-10 MHz;

- viteza de propagare a semnalului: cc

vr

p 585,0

.

Cabluri cu perechi torsadate (cu câte două conductoare răsucite) sunt soluţiile

economice pentru transferul semnalelor analogice AF (telefonie) şi pentru transmisiile

de date cu rate de până la sute Mbps la liniile de comunicaţii cu l≤100 m. La distanţe

mai mari transferul se poate face dar cu rate de transfer mai scăzută. Aceste cabluri sunt

întâlnite cu abrevierea UTP (din limba engleză - Unshielded Twisted Pair) sau STP

pentru cele ecranate (Shielded Twisted Pair). Perechea este formată din două

conductoare identice torsadate uniform pe unitatea de lungime (tipic, 40 răsuciri/m).

Prin tăsucirea conductoarelor, la fiecare buclă, tensiunile perturbatoare induse au sensuri

opuse (fig. 2.12.a). În conductoarele perechii care transmit semnalele de la emiţător (Tx)

spre receptor (Rx) curenţii perturbatori induşi I având sensuri opuse (+I şi –I) efectele

lor se anulează la intrarea receptorului Rx (fig. 2.12.b).

a) b)

Fig. 2.12 Sensul mărimilor perturbatoare la o linie UTP, a) Fluxul magnetic, b)

Curentul I dintre emiţător şi receptor

Interferenţele la perechile din cablul cu fire torsadate sunt reduse prin metodele

de transmisie folosite. În sistemul de perechi semnalele sunt la fel ca imaginea în

oglindă, fiind transmise simultan semnalele TX+ şi respectiv TX-. Deoarece firele au

aceiaşi lungime şi aceiaşi construcţie acestea sunt străbătute de semnale cu aceiaşi

viteză. Prin aceasta semnalele parazite din exterior se suprapun peste semnalele din

ambele fire la fel. Prin folosirea unui amplificator diferenţial semnalele cu amplitudini

egale şi cu polarităţi opuse efectul acestora se anulează. În acelaşi mod se anulează şi

Suportul fizic al reţelelor

Ioan D. Oltean

27

semnalele de curent induse de câmul magnetic exterior. Acest tip de cablu poate fi

considerat cu auto-ecranare la semnale perturbatoare exterioare.

Pentru un sistem digital full-duplex cu tranmisie simetrică sunt necesare două

perechi de de conductoare torsadate şi ecranate individual şi pe ansamblu.

Izolaţia conductoarelor şi cea a cablurilor UTP este policlorura de vinil (PVC) şi

polimer fluor-carbon. PVC-ul este un material plastic foarte flexibil, dar inflamabil.

Proprietăţle dielectrice îl recomandă la cablurile UTP până la categoria 5. La cablurile

CAT-6 şi CAT-7 se foloseşte izolaţie din polyolefin (mult mai scumpă).La cablurile de

reţea pe lângă firele de cupru izolate se foloseşte un fir cord (fir metalic) pentru

creşterea rezistenţei mecanice la solicitări de alungire (fig. 2.13.b).

Pentru a se putea face distincţie între perechi culoarea izolaţiei conductoarelor

este diferită, respectiv o culoare primară şi una secundară cu o dispunere tipică în

conector (tabelul 2.1).

Capacitatea proprie a conductoarelor izolate şi răsucite (perechea) este

C=40…160 pF/m, permiţând o bandă de frecvenţă şi o rată de transfer bună.

Secţiunea conductoarelor este cea care determină căderea de tensiune şi în

funcţie de aceasta rezultă distanţa maximă recomandată.

Fig. 2. 13 Cablu cu perechi torsadate a) Formarea perechilor torsadate, b) Părţi componente.

La varianta de cablu STP se foloseşte un ecran în jurul conductoarelor şi al

perchilor de conductoare pentru a reduce efectul perturbaţiilor de natură

electromagnetică (fig. 2.14).

Fig. 2. 14 Secţiune prin cablu STP.

Medii de transfer a semnalelor

Ioan D. Oltean

28

În anii 1970 şi ’80 a crescut interesul pentru utilizarea cablurilor cu perechi

torsadate şi în domeniul comunicaţiilor de date. În acest sens s-au stabilit normative

pentru aplicarea cablurilor UTP în comunicaţii de date până la 100 Mbps.

Standardul EIA-568 clasifică cablurile UTP în cinci categorii după cum

urmează:

Categoria I (CAT-1)- cabluri folosite în telefonia analogicã clasică (Low-speed

data and analogue voice);

Categoria a II-a (Low Speed Data) (CAT-2)- cabluri folosite în telefonia

analogicã şi digitală care oferã transmisii de date la viteze reduse;

Categoria a III-a (High Speed Data) (CAT-3)- cabluri folosite în realizarea

reţelelor locale cu rate de transfer de pânã la 10 Mbps;

Categoria a IV-a (Low Loss, High Performance Data) (CAT-4) - cabluri cu

performanţe ridicate din punct de vedere al atenuării şi al vitezei de transmiei;

sunt folosite în reţele cu rate de transfer de ordinul zecilor de Mbps.

Categoria a V-a (Low Loss, Extended Frequency, High Performance Data)

(CAT-5)- cabluri folosite în relizarea reţelelor locale cu rate de transfer de pânã

la 100 Mbps.

Viteze de transfer limită ale cablurilor UTP sunt următoarele:

CAT-3 10Mbit/s

CAT-4 20Mbit/s

CAT-5 100 Mbit/s

CAT-5e/6 350 Mbit/s

CAT-7 1 Gbit/s

Cel mai raspândit cablu este cel de categoria 5 care permite utilizarea

protocoalelor Ethernet la 100 Mbps. Acesta foloseşte conductoare cu diametrul d=0.405

sau d=0.644 mm (22 sau 24 AWG) şi impedanţa caracteristică Z0=100 Ω.

Cablurile UTP sunt reglementate prin standardul American TIA/EIA. Una dintre

ultimile versiuni a standardului EIA/TIA este 568B. La capete se folosesc conectoare

RJ-45 modulare. Pinii 1 si 2, 3 si 6, 4 si 5, 7 si 8 se conectează la câte o pereche de

conductoare. Nerespectarea standardului de conectare conduce la o creştere a diafoniei.

Culorile pentru izolaţia conductoarelor şi poziţia acestora în standardul TIA 568B este

dată în tabelul 1.2.

Tabelul 2.1 Culorile conductoarelor şi poziţia în conectorul RJ-45

Nr. pereche Culoarea

primară

Culoarea

secundară

Poziţia în

conector

1 Albastru

alb 4, 5

2 Portocaliu

alb 2, 1

3 Verde

alb 6, 3

4 Maro alb 8, 7

Ecranarea electromagnetică se realizează prin folosirea unui ecran conductor

electric care înconjoară conductoarele prin care are loc transferul semnalelor (fig. 2.15).

Unele cabluri STP (shielded twisted pair) cum ar fi cablurile tip 1 - IBM au un

ecran în forma de împletitură. În plus fiecare pereche individuală este în înfăşurată într-

o folie de ecranare. Pentru Ethernet se utilizează uzual ecranajul CAT 5.

Suportul fizic al reţelelor

Ioan D. Oltean

29

Fig. 2.15 Transferul semnalelor prin conductoare ecranate

Unele variante ale ecranării CAT 5 au o folie completă de ecran în jurul celor

patru perechi, în timp ce altele au folii de ecranare în jurul fiecărei perechi. Acestea sunt

denumite STP (screened twisted pair) sau FTP (foil twisted pair).

La realizarea legăturii de date cu cablu UTP distanţa de transfer poate fi de până

la 100 m. Distanţa poate ajunge la 150 m dacă se folosesc cabluri din CAT 5.

Avantajele cablului UTP

- permite conectarea uşoară a dispozitivelor;

- se pot folosi atât la transferul semnalelor de voce, cât şi de date;

- varianta STP reduce perturbaţiile electromagnetice;

Dezavantajele cablului UTP

- cablul UTP este susceptibil la perturbaţii;

- atenuarea cablului UTP este relativ mare;

- cablul STP este rigid fiind mai dificil de folosit.

2.3. Cablul coaxial La cablurile de transfer a semnalelor cu linii bifilare cu conductori paraleli şi

neecranate frecvenţa maximă este limitată în special datorită diafoniei. La frecvenţe

înalte se manifestă, de asemenea, efectul pelicular şi de radiaţie al firului (lungimea

firului este de acelaşi ordin de mărime cu lungimea de undă, linia comportându-se ca o

antenă care radiază energie în spaţiu). Aceste efecte conduc la creşterea pierderilor şi

influenţe reciproce între circuitele învecinate.

Cablul coaxial se compune dintr-un conductor monofilar sau multifilar

înconjurat de o manta cilindrică (ecran). Spaţiul dintre mantaua cablului (tresa) şi

conductor, este ocupat de un dielectric (izolaţie internă) cu permeabilitate electrică

relativă εr (fig. 2.16). Ansamblu format este acoperit de o izolaţie exterioară cu rol de

protecţie.

Fig. 2.16 Cablul coaxial, a) Constructie, b) Secţiune.

Cablul coaxial a apărut în urma utilizării ecranului cablurilor simetrice drept al

doilea conductor. Aceste cabluri au devenit mediul de transmisie pentru sistemele de

transmisii de date, telefonie cu curenţi purtători şi CATV. Cablul coaxial este folosit, de

asemenea ca mediu de transmisie pentru reţelele locale de tip Ethernet. Pentru realizarea

transmisiilor de date este folosit cablul coaxial în bandă largă care are o impedanţă de

Medii de transfer a semnalelor

Ioan D. Oltean

30

50 Ω. La cablul coaxial conductorul central realizat din fir de cupru masiv sau liţat este

înconjurat de conductorul cilindric exterior care constituie referinţa de semnalului

(conductorul de masă) care se transmite prin acest mediu.

Efectul de ecranare nu este eficient la frecvenţe joase, câmpurile magnetice

externe de joasă frecvenţă putând pătrunde prin conductorul exterior şi induce semnale

în cel interior, motiv pentru care cablurile coaxiale nu se folosesc la frecvenţe sub 60

kHz. În cablurile telefonice ce conţin şi perechi de fire în cablu simetric, se recurge la

ecranarea magnetică a cablurilor coaxiale, prin învelirea cu fâşii de permalloy.

Ecranarea dublă se practică folosind un ecran din împletitură de cupru (fig. 2.16.a)

şi un ecran din folie, de cupru sau de aluminiu (fig. 2.17.b). Ultima varianta asigură o

ecranare superioară fiind recomandată pentru CATV.

Fig. 2.17 Construcţia cablului coaxial a) ecranarea simplă, b) ecranarea dublă

În cazul ideal spaţiul între doi conductori ar trebui să fie aer. În practică însă, acesta

este un material dielectric solid sau de tip fagure, material caracterizat prin pierderi

dielectrice reduse la frecvenţă mare şi având o permitivitate dielectrică relativă r..

Cablul coaxial poate fi folosit pentru comunicaţii la sute de metri şi cu o rată de 10 -20

Mbps.

Distanţarea conductoarelor din cablu se poate face cu elemente de distanţare

dispuse intermitent la distanţa x. Distanţierele dintre conductoare din material dielectric

cu permitivitate r sunt de formă cilindrică, sferică sau benzi în spirală sau elice plasate

la intervale regulate la distanţa x = 20…60 mm (fig. 2.18). Spaţiile dintre distanţiere

fiind cu aer au permitivitate 0. Valoarea perimivităţii echivalente rezultă din medierea

spaţială a celor două valori 0 şi r. Aceasta variantă constructivă se foloseşte, în

general, la liniile de transmisie fixe pentru distanţe scurte.

Fig. 2.18 Construcţia unei linii coaxiale cu distanţiere între conductoare

2.3.1. Caracteristicile electrice ale cablului coaxial

Dintre caracteristicile constructive ale cablului coaxial se pot menţiona: felul

conductorului central (liţat sau masiv) cu diametrul d, conductorul de ecranare (bandă

Suportul fizic al reţelelor

Ioan D. Oltean

31

sau împletitură) cu diametrul exterior D, dielectricului dintre conductoare caracterizat

prin permitivitatea relativă r.

Inductanţa proprie a cablului coaxial. Cablul conectat cu un capăt la un

generator de semnal, iar capătul celălalt este conectat la rezistenţa de sarcină. Inductanţa

proprie L se determină conform relaţiei de definiţie I

L . Fluxul magnetic Φ prin

conturul dat de cablu cu diametru conductorului interior d=a, diametrul exterior D=b şi

cu lungimea l (fig. 2.19) se calculează cu relaţia:

a

blIldrrB

b

aln

2)( 0

(2.18)

Inductanţa proprie pe unitatea de lungime a cablului este:

d

DL ln

2

0'

(2.19)

Fig. 2.19 Geometria cablului coaxial folosită la calculul fluxului magnetic

Capacitatea pe unitatea de lungime a cablului coaxial C’ corespunde capacităţii

unui condensator cilindric având armături cu diametrele d şi D:

d

DC r

ln

2' 0 (2.20)

Parametrii electrici ai cablului coaxial depind de caracteristicile constructive

menţionate anterior. Pentru o linie de transmisii asimetrică (cablu coaxial) care transferă

semnalul de la sursa de semnal la sarcină (fig. 2.20.a) se obţine o schemă echivalentă cu

inductanţe L’Δx şi capacităţi distribuite C’ Δx dispuse de-a lungul liniei de lungime l,

aşa cum se indică în figura 2.20.b. În schema echivalentă a cablului s-au neglijat

rezistenţele conductoarelor şi conductanţa dielectricului, care au în general valori mai

mici decât reactanţele inductive şi capacitive. La liniile de transmisie asimetrice

schema echivalentă conţine parametri L’ şi C’ sunt uniform distribuiţi pe unul dintre

conductoare şi în raport cu celalalt conductor considertat ca referinţă.

Medii de transfer a semnalelor

Ioan D. Oltean

32

Fig. 2.20 a) Circuit de transmisii cu cablu coaxial b) Schema echivalentă

Datorită unei distribuţii a câmpulul electric şi magnetic în interiorul cablului

coaxial coaxial (fig. 2.21) şi al conectării conductorului exterior (ecranul) la potenţialul

de referinţă (masă), câmpul electric este orientat radial între cele două conductoare (de

la d la D - fig. 2.21.a), iar liniile de câmp magnetic sunt de formă circulară în jurul

conductorului cu diametrul d care transferă semnalul (fig. 2.21.b).

Fig. 2.21 Distribuţia câmpului electric (a) şi magnetic (b) în interiorul cablului coaxial

Factorul de velocitate VF depinde de materialul dielectric folosit la construcţia

cablului coaxial. Pentru materialele folosite la principalele tipuri de cabluri valorile

factorului VF sunt indicate în tabelul 2.2.

Tabelul 2.2 Factorul de velocitate VF pentru dielectrici

Materialul dielectric Codificare VF

Polietilen solid PE 0,66

Polietilen spumă PF 0,79...0,88

Politetraflouretilena PTFE 0,7

Polietilenă cu spaţii de aer ASP 0,84

Aer 1

Impedanţa caracteristică Z0 a liniei de transmisii se determină cu relaţia:

C

LZc (2.21)

Suportul fizic al reţelelor

Ioan D. Oltean

33

Calculul impedanţei caracteristice Zc în funcţie de geometria cablului (d, D) şi de

caracteristicile dielectricului r, se face prin înlocuirea în (2.21) a relaţiilor (2.19) şi

(2.20):

d

D

d

D

d

D

C

LZ

rrr

c lg138

ln60

ln2

1

0

0

(2.22)

Valorile impedanţei caracteristice Zc sunt tipizate, cele mai utilizate fiind: 50,

52, 75 sau 93 .

Atenuarea introdusă de cablul coaxial depinde de caracteristicile dielectricului,

permitivitatea r şi dependeţa acesteaia de frecvenţă şi de raportul d

D. Valorile optime

ale raportului (D/d) a perechii coaxiale se determină prin minimizarea expresiei

atenuării.

Pentru r=1 (dielectric aer) se obţine raportul optim (D/d)=3,6, care corespunde

unei impedanţe caracteristice de 77 .

Pierderile rezistive ale cablului coaxial cresc proporţional cu pătratul frecvenţei.

Deoarece atenuarea creşte neliniar cu frecvenţa, acest parametru este indicat de către

producători la anumite valori ale frecvenţei (de exemplu: 10 MHz, 100 MHz, 200 MHz,

500 MHz, 800 MHz).

Caracteristicile unor cabluri coaxiale cu impedanţa caracteristică de 50 se

prezintă în tabelul 2.3.

Tabelul 2.3 Caracteristicile unor cabluri coaxiale cu Z0= 50

Codul 50-3-1 50-7-2 50-12-1

Z0 [] 503 502 502

d [mm] 0,9 2,28 3,58

D [mm] 2,95 7,25 11,5

Dielectric Polietilenă Polietilenă Polietilenă

C [pF/m] 100 100 100

At [dB/100m]

f [MHz]

10 5 2,8 1,9

100 17 8,5 5,5

200 22 12 8,2

500 40 21 14

800 54 28 19

Dext [mm] 5 10,3 15

Echivalenţă RG58CIU RG213U

Medii de transfer a semnalelor

Ioan D. Oltean

34

ANEXA 1

Tabelul 1 Caracteristici ale cablurilor coaxiale Tip cablu Diametru

int.

Nr.fire/d

Diametru

ext.

D

Z0

[Ω]

C’

[pF/m]

Atenuare [dB]

la frecventa

Avantajele cablului coaxial

- Este uşor de utilizat şi de instalat;

- Preţul de cost este redus în comparaţie cu alte tipuri de cablu;

- Permite efectuarea de transmisii de bandă largă: date, radio, TV sau video;

- Premite folosirea în aplicaţii la frecvenţe până la ordinul GHz;

- Atenuare redusă.

Dezavantajele cablului coaxial

- banda de frecvenţă este mai redusă decât la cablul optic;

- conectorii coaxiali sunt mai scumpi şi mai dificil de instalat.