Elemente Teoretice DE Transmitere A Informației

ELEMENTE TEORETICE DE TRANSMITERE A INFORMAȚIEI

Considerații generale

INFORMAȚIE reprezintă – “comunicare, veste, știre care pune pe cineva la curent cu o situație”. Pornind de la acest concept, putem afirma că informația reprezintă “știre” sau “veste” și este strâns legată de conceptul de comunicație.

Incă de la început omenirea a conceput numeroase metode pentru a-și comunica necesitățile sau gândurile.

În era comunei primitive, când ființele umane trăiau în mici grupuri distribuite pe arii geografice limitate, comunicația avea loc prin limbaj, gesturi sau simboluri grafice. Pe măsură ce aceste grupuri deveneau mai mari și aria geografică creștea, au început să se dezvolte comunicațile la mare distanță prin semnale vizuale (steaguri, fum), semnale luminoase (focuri), semnale auditive (bucium), porumbei călători.

Prima revoluție a spiritului uman s-a produs în Antichitate când s-a trecut de la comunicarea exclusiv orală la aceea scrisă. Marschall Mc Luhan afirma că “societățile au fost modelate mai mult de caracterul specific al mijloacelor prin care comunică oamenii decât de conținutul comunicării”. Ceea ce conta de fapt era modul de propagare a energiei asociate semnalului intermediar, precum și modul de stocare a informației.

O a doua revoluție a comunicarii interumane se datoreaza lui Gutenberg (1397-1468), după a carui invenție s-a dinamizat circulatia ideilor pe Terra. Astfel, fructele culturii umane au început să fie răspândite cu eficacitate numai atunci când logogramele si fonemogramele s-au aliat într-o simbioză perfectă cu un procedeu tehnologic al multiplicării rapide și acesta a fost tiparul. Până în secolul XIX , cel mai important mijloc de stocare a informației l-a reprezentat cuvântul scris, dar dacă volumul de date putea fi oricât de mare, timpul de transmisie a acestora devenea foarte lung.

A treia revoluție in comunicare se datorează lui Volta (1745-1827), care descoperea în anul 1800 că un flux continuu al unei forte electrice era generat cand se foloseau anumite fluide ca și conductori pentru a produce o reactie chimica între metale sau electrozi. Acestea au condus la inventarea primei celule voltaice, cunoscută sub numele de baterie.

In plus, Volta descopera că prin înserierea celulelor voltaice se obținea o crestere a tensiunii. Tot Volta a avut prima idee de folosire a electricitatii statice a asa-zisului "pistol electric". Acesta consta intr-o bucata de sarma pusa intr-un vas umplut cu gaz metan. Prin trimiterea unei scantei de la un capat la celalalt al sarmei vasul urma sa explodeze. Volta s-a gandit sa-si foloseasca inventia pentru a realiza comunicariile la distanta, chiar adresandu-se numai in sistem binar. Pentru aceasta, o sarma de otel sustinuta de stalpi de lemn urma sa fie intinsa intre Como si Milan, Italia, capatul receptor al sarmei fiind introdus intr-un vas umplut cu gaz metan. La comanda, o scanteie electrica era trimisa de-a lungul sarmei care urma sa detoneze pistolul electric, emitandu-se astfel semnale codate. Aceasta linie de comunicatii nu a fost însă construită niciodată.

În 1837, S. Morse (1791-1872) a realizat un sistem care folosea curentul electric pentru transmiterea de mesaje codificate: telegraful.

In 1876, G. Bell (1847-1922) a conceput un aparat electric care putea transmite glasul uman: telefonul.

Cele două instrumente de comunicare au cunoscut un mare succes. În multe țări s-au creat retele de fire telegrafice sau telefonice. Liniilor aeriene, susținute de stalpi, li s-au adaugat, pentru transmiterea mesajelor de la un continent la altul, cablurile scufundate pe fundul oceanelor.

Alte cercetari au deschis calea telecomunicațiilor care nu mai folosesc firele. In 1873, J.C. Maxwell (1831-1879) a intuit existența undelor produse de oscilația sarcinilor electrice, care se propagă în toate direcțiile cu viteza luminii, transportând energie. Lumina nu ar fi decat o categorie aparte a acestor unde, numite "unde electromagnetice".

In 1888, H.Hertz (1857-1894) a demonstrat aceasta teorie: el a reușit să producă unde electromagnetice invizibile și a stabilit că au exact aceleași proprietăți ca lumina. Acestea sunt undele radioelectrice (sau undele radio), pe care în mod obișnuit le mai numim și "unde hertziene". În urma cercetărilor făcute în domeniul emisiei și recepției de unde radio, G. Marconi (1874-1937) a realizat un sistem care permite transmiterea de semnale morse cu ajutorul undelor hertziene: el a creat in 1896 telegraful fără fir, sau T.F.F.

Pentru a transmite nu numai semnale codificate, dar și cuvinte sau muzică era nevoie de o serie de îmbunătățiri: aventura radiodifuziunii a inceput prin anii ’20.

Dacă undele radio pot transmite sunete la mari distanțe, de ce nu s-ar putea face același lucru și în cazul imaginilor? De la sfârșitul secolului al XIX-lea, cercetătorii au studiat această posibilitate. Dar au înțeles foarte repede că o imagine nu poate fi transmisă ca atare pe unde Hertziene: mai întâi imaginile trebuie descompuse în elemente foarte mici pentru a fi transformate în semnale electrice. La recepționarea semnalelor, imaginea este reconstituită.

În 1926, J.L. Baird (1888-1946) a efectuat prima demonstratie publica de televiziune.

Dezvoltări semnificative ale comunicației prin semnale electrice au avut loc înainte, în timpul și după cel de-al doilea război mondial, prin descoperirea sistemul RADAR (Radio Detection and Ranging) în 1935 de catre Robert Watson-Watt sau descoperirea inginerului român Gogu Constantinescu care a pus la pus la punct SONARUL, de care s-a folosit armata britanică împotriva avioanelor germane.

În această perioadă s-a dezvoltat și teoria generală a transmiterii discrete a informației (Shannon – 1950).

Progresele tehnologice: tranzistori, circuite integrate, microprocesoare, laserii, sateliții de comunicație au făcut ca în prezent, sistemele evoluate de comunicație să permită transportul în orice punct de pe glob a oricărui tip de informație: voce, text, imagini, desene, etc.

Totodată, epoca industrială actuală a însemnat și creșterea gradului de automatizare a proceselor industriale și posibilității de conducere prin calculator a acestora. Această evoluție a condus la necesitatea comunicației între diferite echipamente inteligente și sisteme de calcul, precum și între echipamente (mașini) și operatorul uman.

Natura informațiilor transmise a evoluat deci spre simbolurile utilizate în tehnica discretă, care a înlocuit în mare măsură tehnica analogică de transmitere a informațiilor.

Modelul unui sistem de comunicație

În figura 1.1. se prezintă schema bloc funcțională a unui sistem de comunicație în sensul cel mai larg, având ca obiectiv transmiterea informației în timp și spațiu de la un punct numit sursă sau expeditor, la un alt punct denumit utilizator sau destinatar.

Singura restricție în modelul general din figura 1.1 o constituie natura electrică a semnalelor de intrare și de ieșire, ceea ce implică necesitatea ca o sursă neelectrică de informație să posede un mecanism de conversie a informației într-un semnal electric variabil în timp, ce va fi numit semnal mesaj. La rândul său, canalul de comunicație trebuie să permită transmiterea semnalului electric, dar natura sa poate fi diversă: pereche de fire conductoare , fibră optică, canal radio, etc.

La transmiterea prin canalul de comunicație apare o degradare a semnalului datorată perturbațiilor sau distorsiunilor provocate de tehnica de transmisie. Principalele cerințe pentru un sistem de comunicație sunt:

evitarea distorsiunilor

minimizarea efectelor perturbațiilor.

În acest scop, emițătorul va prelucra mesajul inițial, pentru a avea o transmisie eficientă. Principalele operații efectuate sunt:

amplificare

filtrare

modulare

Ultima operație este esențială în adaptarea semnalului mesaj, la caracteristicile canalului. Ea oferă totodată posibilități de reducere a efectelor perturbațiilor și de transmitere simultană a mai multor mesaje.

Există două tipuri fundamentale de modulație:

cu purtătoare continuă ( de regulă sinusoidală)

cu purtătoare tren de impulsuri.

În ambele cazuri, modificarea purtătoarei de către semnalul mesaj se poate face continuu sau discret, ultima procedură fiind preferată, în sensul că permite modularea directă a semnalelor discrete ale sursei. Totuși, folosind tehnici de discretizare în timp (eșantionare) și nivel (cuantizare), se pot transmite și semnale analogice prin tehnici discrete de modulare.

La rândul său, receptorul va fi astfel conceput încât să permită extragerea cât mai fidelă a semnalului mesaj din forma degradată a semnalului de ieșire din canal. Acest lucru se obține în mod esențial prin operația de demodulare, la care se adaugă de asemenea operații de filtrare și amplificare.

În funcție de metoda de modulație folosită și de natura semnalului de ieșire al sursei de informație, sistemele de comunicație se pot împărți în trei categorii:

sisteme analogice de comunicație, care transmit informație analogică folosind metode analogice de modulație;

sisteme numerice (digitale) de comunicație, care transmit informație numerică folosind tehnici numerice de modulație

sisteme hibride de comunicație , care folosesc tehnici numerice de modulație pentru a transmite valori discretizate în timp și nivel ale unor mesaje analogice.

Caracteristicile canalelor de comunicație

Considerații generale

Prin canal de comunicație se înțelege porțiunea din sistemul de comunicație (fig. 1.1.) care transmite o undă electromagnetică și care urmează după modulator și precede demodulatorul.

Undele electromagnetice în funcție de frecvență se clasifică în (figura 1.2):

Figura 1.2

infrasunete  10 Hz

unde audio (perceptibile de urechea umană) 10 Hz … 25KHz

unde radio (lungi, medii, scurte, ultrascurte) 25 KHz … 1GHz

microunde 1 … 300 GHz

luminii infraroșu 0,3 THz … 389 THz

spectrul luminii vizibile 389 THz … 768 THz

ultraviolet 768 THz … 30 PHz

raze X 6 PHz … 600 XHz

raze  XHz … 30000 Xhz

raze cosmice Xhz

Canalul de comunicație implică în plus față de mediul fizic în care se propagă semnalul, o serie de echipamente hardware (adaptoare, conectică, suduri, egalizoare, amplificatoare, receptoare, ș.a.) care pot produce perturbații suplimentare față de cele datorate mediului de transmitere. Un canal “ideal” din punct de vedere al transmiterii unui semnal electric, considerat de exemplu o tensiune u1(t), ar trebui să aibă o funcție de transfer liniară, astfel încât la ieșirea semnalului u2(t) = k u1(t).

Deci:

(1.1)

în care A(ω) = 1 și Φ(ω) = 0 pentru orice funcție din banda semnalului.

Aceste caracteristici ideale nu se întâlnesc în practică. Apar neliniarități, atenuări și distorsiuni de fază care pot afecta definitiv forma semnalului.

O altă problemă o constituie fenomenele de interferență datorate transmisiei simultane a mai multor semnale utile pe același suport.

Însă problema cea mai serioasă în transmiterea datelor pe canale de comunicație rămâne cea a zgomotelor datorate mediului fizic.În funcție de acest mediu se pot deosebi mai multe categorii de canale de comunicație, dintre care cele mai esențiale sunt:

Circuite (linii) fizice independente

Canale radio (propagarea prin atmosferă)

Fibra Optică

Circuite (linii) metalice fizice independente

Este categoria cea mai largă de canale de canale, în care se întâlnesc numeroase tipuri constructive, printre care:

pereche de fire libere (sârme) de cupru sau aliaje (figura 1.3), o astfel de pereche permite crearea a până la 24 canale telefonice,

Figura 1.3

pereche torsadată de fire, în care firele sunt izolate și împletite cu scopul de a reduce interferența. În figura 1.4. sunt prezentate 4 astfel de perechi torsadate de diferite culori

Figura 1.4

cablu telefonic, (figura 1.5) conținând mai multe perechi de fire torsadate, de regulă cu pas diferit, întregul grup fiind îmbrăcat într-un înveliș protector, câteodată cu un ecran suplimentar (masă de protecție). De regulă pe o singură pereche torsadată se pot crea maxim 12 canale ( firele din perechea torsadată au diametrul mic, și deci rezistență mare , mai mare decât a firelor deschise, atenuarea mare implică utilizarea de amplificatoare mai frecvent decât în cazul firelor deschise.), Frecvența uzuală la care se ajunge pe un cablu telefonic este de 268 kHz, dar s-au realizat receptoare ce permit frecvențe de până la 1MHz, pe intervale între receptoare de maxim 2km.

Figura 1.5

cablu coaxial – figura 1.6, constă dintr-un miez cilindric de cupru și un înveliș conductor cilindric între care se află un material dielectric sau aer, în ultimul caz cele două conductoare fiind distanțate prin separatori de plastic plasați la distanțe de ordinul cm. Mai multe cabluri coaxiale pot fi grupate într-un trunchi mai mare. Cablul coaxial permite crearea de 3600-10800 cai telefonice simultane, având o atenuare scăzută chiar la frecvențe mari (1-10 MHz). Chiar viteza de transmitere a semnalului este de circa 10 ori mai mare decât pe o pereche torsadată, la frecvențe peste 4-5 kHz, fiind foarte apropiată de viteza luminii.

Figura 1.6

ghiduri de undă – figura 1.7, sunt tuburi metalice traversate de unde radio de foarte înaltă frecvență (până la 100MHz). Se apreciază că pe un ghid de undă se pot asigura simultam peste 200000 legături telefonice. Sunt adesea întâlnite in parctica pentru direcționarea undelor de foarte înaltă trecvență montat în fata LNB-ului la antenele de satelit.

Figura 1.7

Canale radio (propagarea prin atmosferă)

Mai puțin utilizată în transmiterea de date cu caracter industrial, canalele radio au o mare importanță în tehnica telecomunicațiilor. Se deosebesc aici, în funcție de tipul de antenă utilizat, de frecvență și de modul de propagare, mai multe categorii de canale radio:

cu propagare în linie dreaptă – antena de emisie și cea de recepție sunt reciproc “vizibile”. Comunicațiile de acest tip se fac cu frecvențe relativ joase (3-30 MHz) și sunt specifice telegrafiei fără fir sau radiofoniei pe mare, dar se pot întâlni și în aplicații industriale (telecomanda unei bariere, porți, pod rulant, etc)

microunde radio – care se utilizează practic în transmisiile de radio și TV, ocupând gama de până la 10 GHz, și care utilizează în transmisie difracția la nivelul suprafețelor. Comunicațiile sunt afectate de perturbații atmosferice, variații de temperatură și umiditate.

canale cu disipare troposferică, utilizând antene de mari dimensiuni (18-36 m în diametru), pentru comunicații de până la 1000 Km, bazată pe reflecții în troposferă.

canale radio cu reflexie ionosferică, datorate prezenței unor molecule ionizate în ionosferă (până la 50 km altitudine). În această categorie se transmit semnale de bandă largă la frecvențe sub 50MHz.

transmisii prin satelit – acesta fiind considerat un releu staționar (la înălțime de 35 km) pentru microunde, facilitând transmisii multiple în bandă largă.

Fibra optică

Sistemele de comunicație prin fibre optice constituie mijlocul cel mai eficace de transmisie prin cabluri a semnalelor, ocupând o bandă mare de frecvență, pentru diferite scopuri: telefonie multiplă, transmisiuni de date, transmisiuni video, videotelefon. Nu e de mirare că transmisia prin fibră optică se impune din ce în ce mai mult, mai ales în aplicații industriale, pentru siguranță deosebită și frecvență ridicată. Se pot obține ghiduri de undă cu frecvența luminii (1014…1015 Hz) deci de peste 10.000 de ori mai mari decât în cazul microundelor.

Aceasta se datorează unor caracteristici foarte favorabile ale transmisiunii prin fibre optice și anume:

posibilitatea de transmisiune a radiațiilor laser și cu aceasta a unei lărgimi de bandă de frecvență foarte mare (de la infraroșu până la ultraviolet)

diametru foarte mic al fibrelor optice și ca urmare a cablurilor constituite din fibre optice.

atenuare relativ mică ce ajunge sub 1dB/km.

diafonia foarte redusă între canale

consumul unei materii prime de un cost redus și în volum mic, ceea ce constituie un avantaj net față de cablurile coaxiale.

Linia metalică ca mediu de comunicație

Liniile metalice de transmisie permit transportul energiei electromagnetice, câmpurile energetice fiind ghidate prin și localizate în vecinătatea liniei de transport. Acest lucru presupune utilizarea a două fire conductoare, ce conectează sursa la sarcină. De regulă cuplarea la linie se face prin circuite de tip transformator, care filtrează implicit componentele continue sau de joasă frecvență, dar nu este exclusă transmiterea unei tensiuni continue în linie – folosită pentru alimentarea unor elemente de rețea. Totuși tensiunea continuă se evită datorită fenomenului de electroliză ce poate apărea în zona de contact în contact cu mediul înconjurător.

În mod curent, liniile de transmisie sunt analizate prin metode ale teoriei circuitelor electrice. Totuși, linia de transmisie nu poate fi asimilată unui simplu circuit RLC, datorită faptului că propagarea implică o distribuție a proprietăților electrice. În figura 1.8 se prezintă o schemă de cuadripol elementar care pune în evidență patru parametri electrici caracteristici pentru o pereche de fire metalice, iar în tabelul 1.1 sunt precizate valorile uzuale pentru o linie bifilară aeriană liberă, respectiv pentru o linie bifilară torsadată.

Figura 1.8

Tabelul 1.1

Modelul din figura 1.8 poate fi îmbunătățit dacă se consideră o secțiune infinitezimal de scurtă în circuit și se aplică metode de calcul diferențial. În figura 1.9. sunt marcate componentele electrice ale acestei secțiuni.

Neglijând curentul de izolație, care ar trece prin G, și tensiunea care cade pe secțiunea , relațiile între mărimile electrice sunt:

(1.2)

(1.3)

Figura 1.9

sau după simplificări:

(1.4)

(1.5)

Prin diferențiere și substituire se obține relația:

(1.6)

sau

(1.7)

Aplicând transformata Fourier, se obține:

(1.8)

S-a obținut o ecuație diferențială simplă de ordinul doi în x.

(1.9)

cu soluția generală:

(1.10)

Deoarece când x ∞ , ux(t) 0, este normal ca B(w) să fie 0, și adăugând condiția inițială : u0(ω) = A(ω) la x=0, se obține:

(1.11)

și deci funcția de transfer:

(1.12)

Dar γ, conform (1.8), se poate evalua ca fiind α + jβ pentru ω > 0, respectiv pentru α – jβ pentru ω < 0, unde α reprezintă atenuarea pe unitatea de lungime, iar β defazajul (deplasarea de fază) pe unitatea de lungime.

Se pot verifica relațiile:

(1.13)

(1.14)

În cele ce urmează, aceste expresii vor fi simplificate în funcție de condițiile tipice în care operează liniile.

Închiderea liniei. Impedanța caracteristică

În modelul analizat linia a fost presupusă de lungime infinită. În realitate ea se închide într-un anume punct, printr-o impedanță de sarcină Z. Dacă se aplică transformata Fourier în (1.4), se obține:

iar conform (1.12)

Rezultă:

(1.15)

sau:

(1.16)

Mărimea Z0 nu depinde de x, este o constantă pentru o linie cu parametri cunoscuți și se numește impedanță caracteristică. În orice punct s-ar închide linia prin Z0, nu vor apărea discontinuități – energie care s-ar fi disipat în rezistența și conductanța liniei semi-infinite se va disipa în componenta rezistivă a impedanței terminale Z0, valorile ux(t) și ix(t) rămânând aceleași.

Dacă însă linia se închide cu o altă impedanță, vor apărea reflexii în linie spre sursă. Dacă impedanța sursei diferă și ea de Z0, reflexiile continuă, putând afecta puternic propagarea semnalului.

Pe de altă parte, trebuie menționat că obținerea impedanței complexe Z0 nu este foarte dificilă, în condiții normale de operare componenta rezistivă devenind predominantă.

Linia “fără pierderi”

În cazul în care în linie nu ar exista componente disipatoare de energie (R = 0, G = 0), se obține, conform (1.13) și (1.14):

α =0, β = ω(LC)1/2 ; (1.17)

Conform teoremei de deplasare în complex, o funcție de transfer ca cea din (1.17) semnifică o întârziere în propagarea semnalului de intrare:

ux(t) = u0(t – tgx) (1.18)

cu [s/unitate distanță]

Mărimea tg poartă numele de timp de întârziere de grup și corespunde vitezei de propagare a semnalului.

1/tg = vg [unitate distanță/s]

vg se mai numește și viteză de grup și definește viteza de propagare a unui impuls de tip Dirac. Pe de altă parte, un impuls de durată finită, fig. 1.10 se va descompune în mai multe componente de diferite frecvențe, provocând modificarea semnalului în funcție de distanța parcursă în linie, fenomen numit dispersia semnalului. Acest fenomen afectează în special semnalele numerice (alterarea fronturilor), alterarea respectivă purtând denumirea de distorsiune de fază sau întârziere de grup.

În figura 10 se sugerează că impulsul care se propagă poate fi vizualizat ca un “val” ce alunecă liber de-a lungul liniei cu viteza vg. Fluctuația în tensiune într-un punct x = a, apare ca o funcție de timp; ne putem imagina o cartelă introdusă în “val” în poziția a, înălțimea “valului” putând fi descrisă ca o funcție de timp.

Se constată că întârzierea de grup depinde de caracteristica de fază prin relația:

(1.19)

Pentru o linie “fără pierderi”, tg(ω) este independent de frecvență, pentru că faza e liniară în raport cu frecvența. În mod asemănător, o sinusoidă de frecvență ω0 se va propaga după același model, cu “vârfuri” de tensiune “rostogolindu-se” pe linie. Viteza unui “vârf” va fi denumită viteză de fază vp:

(1.20)

Întârzierea de fază va fi

În cazul liniei “fără pierderi”, vp = vg , ceea ce înseamnă, de exemplu, o purtătoare sinusoidală și benzile ei laterale ce conțin informația se deplasează cu aceeași viteză.

Cablul telefonic multifilar

În cazul unui cablu ce conține mai multe perechi de fire torsadate, strâns împachetate, inductanța este scăzută, dar capacitanța crește. La frecvențe audio, ωL << R, G << ωC și se obține:

(1.21)

(1.22)

Caracteristica amplitudine-frecvență nu mai e uniformă, ceea ce provoacă distorsiuni de atenuare. Fenomenul este asemănător celui ce se produce atunci când, la frecvențe relativ joase (audio), liniile nu sunt încărcate, și deci L << R (efectul lui G e de regulă neglijabil).

Mai departe se va arăta că distorsiunea de atenuare poate fi redusă prin creșterea artificială a lui L (încărcarea liniei).

Linia “fără distorsiuni”

Presupunând că R și G sunt diferite de zero, se poate calcula atenuarea maximă derivând în raport cu L expresia (1.13).

Se obține:

(1.23)

Ceea ce duce la valorile:

(1.24)

Se constată că prin creșterea lui L până la valoarea specificată, poate fi anulată distorsiunea. Practic, creșterea de inductanță se face prin inserarea la intervale regulate a unor bobine pe miez de ferită, numite bobine de încărcare. Deoarece inductanța nu mai e distribuită uniform de-a lungul liniei, atenuarea poate crește brusc pe anumite frecvențe, ce trebuiesc evitate (așa numitele frecvențe de “tăiere”).

În figura 1.11 se prezintă efectul introducerii de bobine de încărcare (fig. 1.11.a)asupra atenuării α (fig. 1.11.b) și respectiv a defazajului (fig. 1.11.c).

În aceste grafice curba I reprezintă cazul liniei bifilare torsadate, curba II o linie cu încărcare discontinuă, iar curba III cazul încărcării distribuite.

Cablul coaxial

Reprezintă practic singura soluție pentru transmisie în bandă largă pe suport metalic. Datorită spectrului larg de frecvențe transmis, comportarea liniei este mai complexă. În particular, datorită efectului pelicular, rezistența conductorului crește proporțional cu radicalul din frecvență. La frecvențe de peste 10 MHz, se poate considera ω >> R/L ≥ G/C, ceea ce ne permite să asimilăm atenuarea și defazajul cu α = K ; β ≈ ω și impedanța caracteristică cu Z0=.

Într-un astfel de cablu, atenuarea este scăzută, dar se impune utilizarea de egalizoare. Prin natura construcției fizice, impedanța caracteristică Z0 rezultă de ordinul 50…75 Ohm.

Efectul modificării parametrilor

Parametrii primari ai liniei sunt supuși acțiunii factorilor perturbatori din mediul înconjurător și în special variațiilor de temperatură.

Dintre parametrii primari, rezistența este cea mai puternic influențată de temperatură, cu relația:

(1.25)

în care, sunt rezistențele la temperaturile θ, respectiv θ0, iar α reprezintă coeficientul de variație al rezistivității cu temperatura (α = 0,0039 pentru cupru și 0,0046 pentru oțel).

Rezistența și inductanța liniilor este influențată de frecvență. În figura 1.12.a se prezintă variația cu frecvența a rezistenței pentru 1 – oțel cu d = 3mm; 2 – oțel cu d = 5mm; 3 – aliaj oțel-cupru cu d = 3mm; 4 – cupru cu d = 4mm, iar în figura 1.12.b variația inductanței cu frecvența pentru 1 – oțel cu d = 4mm; 2 – aliaj oțel-cupru cu d = 3mm; 3 – cupru cu d = 4mm

Variațiile cu frecvența ale rezistenței și inductanței sunt datorate în primul rând efectului pelicular. Inductanța și capacitatea depind și de realizarea cablului; astfel, pentru linii bifilare, inductanța este direct proporțională, iar capacitatea invers proporțională cu k = ln a/r, unde a este distanța între centrele conductoarelor iar r este raza conductorului, în timp ce la linia monofilară (retur prin pământ), c ≈ 1/ln(2h/r), unde h este înălțimea conductorului față de pământ.

Pentru cabluri și linii aeriene, caracteristicile primare la frecvența de 1kHz și rezistența R0 = 20 ºC sunt sintetizate în tabelul 1.2

Tabelul 1.2

Pe o linie care are ca sarcină impedanța caracteristică nu apar unde reflectate.

În figura 1.13.a sunt prezentate componentele impedanței caracteristice: Z cos φ și Z sin φ, pentru : 1 – cupru cu d = 4mm; 2 – oțel cu d = 5mm; 3 – cablu cupru cu d = 1,4mm.

În figura 1.13.b se prezintă variația în funcție de frecvență a coeficientului de atenuare α [mNp-km]pentru diferite circuite: 1 – oțel cu d =3mm, a ? 20 cm; 2 – oțel cu d =3mm, a = 60 cm; 3 – cablu cupru cu d=0,9mm; 4 – cablu cupru cu d =1,4mm; 5 – cupru cu d = 4mm, a = 20 cm; 6 – cupru cu d = 4mm, a = 20 cm.

Evident, cablurile îngropate au parametrii influențați aproape în exclusivitate de temperatura solului, și ca atare sunt mult mai stabile decât liniile aeriene.

Modificarea parametrilor preliminați ca și zgomotul aditiv în canal provoacă degradarea progresivă a raportului semnal zgomot s/z.

Acest efect poate fi combătut prin includerea unor amplificatoare – repetoare la intervale convenabile.

Pe de altă parte, deviațiile de la caracteristicile ideale ale canalului pot fi combătute cu dispozitive numite egalizoare. Dacă Aa(ω) și Φa(ω) sunt caracteristicile reale ale canalului, atunci se caută să se obțină un egalizor cu caracteristici Ae(ω) și respectiv Φe(ω), astfel încât :

(1.26)

să ducă la un canal cu caracteristicile cât mai apropiate de cel ideal.

Operația de egalizare poate să nu fie pasivă și invariantă în timp, ci adaptivă, modoficându-se în funcție de perturbațiile ce apar pe canal.

Evaluarea performanțelor transmisiei pe canale cu suport metalic

Atenuarea globală

Atenuarea globală, numită și pierderea inserată în sistemul de transmisie, are prioritate în proiectarea și instalarea unui echipament de transmisie. Pe un circuit de tip linie telefonică, valoarea tipică a atenuării este de 10 dB la 1000 Hz pentru o viteză de 1200 bit/s.

S-a utilizat cantitatea de măsură a nivelului “dB” (decibel). În liniile telefonice, prin nivel se înțelege variația relativă a puterii semnalului în diferite puncte ale circuitului. Dacă două puteri P1 și P2 sunt exprimate în aceleași unități de putere (watt, miliwatt), atunci definiția decibelului este:

[dB] = 10 lg (P1 – P2) [dB] (1.27)

Dacă nivelul de putere este raportat la un nivel de referință P0, atunci:

D = 10 lg P1/P0 – 10 lg P2/P0 [dB] (1.28)

Valoarea diferenței de mai sus e independentă de P0 . Prin convenție P0 = 1mW, situație în care P1 și P2 se exprimă îm mW, iar nivelul relativ in dBm:

D1 = 10 lg P1/1mW [dBm] (1.29)

Trebuie reținut însă faptul că diferența dintre P1 și P2 se măsoară în dB nu în dBm.

Pe de altă parte, ținând seamă de relația dintre putere, tensiune și curent, se poate scrie:

P = U2/R = RI2, și în consecință:

[dB] (1.30)

Atenuarea α se poate exprima prin evaluarea raportului semnal/zgomot:

α = -10 lg s/z [dB] (1.31)

Atenuarea și nivelul pot fi exprimate și în altă unitate, Neperul, folosind logaritmi naturali:

α = -1/2 ln s/z [Np] (1.32)

Relația între decibeli și neperi este:

1dB = 8,686 Np ; 1Np = 0,1151 dB (1.33)

Pentru a preciza nivelul semnalului în diferite puncte pe linie, trebuie utilizată o formulă comună. În acest scop, se definește, la capătul liniei, în sensul transmisiei, punctul cu nivel de transmisie 0 dB (0TLP – Transmission Level Point). Punctu 0TLP este punctul în care se aplică maximul de putere. Toate celelalte niveluri de pe circuit se raportează la 0TLP. În mod uzual se folosește prescurtarea 0dBm, pentru a indica mărimea semnalului în dBm raportată la 0TLP.

În cazul general TLP într-un punct oarecare este raportul (în dB) între puterea semnalului în acel punct și puterea aceluiași semnal în punctul de referință.

Caracteristica de frecvență

Distorsiunile de amplitudine ce apar în atenuarea semnalelor, ca și distorsiunile de întârziere de grup, sunt influențate în mod diferit de variația frecvenței. În figura 1.14.a se prezintă modul în care variază atenuarea cu frecvența respectiv în figura 1.14.b se reprezintă modul în care variază atenuarea cu viteza de propagare de grup pentru o pereche de fire torsadată normală (52pF/m) în gama 1 KHz…10 MHz.

Cauza esențială a schimbărilor în atenuare o constituie modificarea cu frecvența a rezistenței (la cablul coaxial este votba de efectul pelicular). La frecvențe peste 1 MHz atenuarea începe să crească rapid în firele torsadate în vreme ce viteza de propagare, care a crescut față de cea la frecvențe joase, tinde să rămână constantă (aproximativ 20 * 107 m/s). Un rol important îl are evitarea frecvențelor la care poate apărea creșterea bruscă, în “vârf” a atenuării.

Este foarte util să se poată măsura variația cu frecvența a atenuării. În acest scop sunt folosite aparate de măsură specializate ce pot măsura atenuarea unei linii într-un anumit punct.

Ecouri

Ecourile apar atunci când semnalul întâlnește o neregularitate de impeanță și sunt o sursă majoră de perturbații, în special în cazul transmiterilor pe 2 fire. Apariția ecourilor are două consecințe asupra recepției. Mai întâi ecoul se sumează sau scade din semnalul de tensiune original, în funcție de defazajul celor două semnale. Este dependent de frecvență, de distanța până la punctul de reflexie și de viteza de propagare. Dacă semnalul original suferă o întârziere, ecoul nu va suferi aceeași întârziere, apărînd erori supărătoare de tip jitter. Pentru a evita aceste neplăceri, este de dorit ca nivelul ecoului la recepție să fie cel puțin 12dB sub nivelul semnalului recepționat direct.

Din păcate, nu este posibil să se măsoare separat cele două semnale direct și ecou. Pentru a marca totuși prezența ecoului se poate ține seama de faptul că în determinarea caracteristicilor atenuare-frecvență, în cazul apariției unui ecou, semnalul recepționat se va modifica cvasiuniform între valori maxime și minime, pe măsură ce defazajul dintre semnalul direct și cel reflectat se modifică. În figura 1.15 se prezintă o diagramă care pune în evidență diferența dintre cele două semnale. Variația între valorile maxime și minime (dreapta sus) este de 4,5 dB la o diferență de 12 dB între semnale.

Pierderi de retur (ERL)

Gradul de echilibrare al unui circuit se apreciază de regulă prin puterea returnată, în dB, la o frecvență anume sau într-o anumită bandă de frecvențe. ERL e o medie ponderată a puterii returnate pe toate frecvențele în gama 500-2500 Hz. Dacă impedanțele la emisie și recepție sunt notate cu A, respectiv B, atunci definiția pierderii de retur este:

(1.34)

Valoarea recomandată este de cel puțin 42dB pe toate frecvențele între 800 și 2300 Hz. Aceasta corespunde la o impedanță de 600 ± 10 Ω.

Zgomotele

Zgomotele constituie principala sursă de perturbații pe canalele de comunicație, motiv pentru care de multe ori în literatura de specialitate termenul de zgomot se substituie celui de perturbație. Zgomotele sunt perturbații care nu sunt coerente cu niciunul din semnalele utile transmisiei, abordarea lor putând fi efectuată cu metode ale dinamicii stohastice, specifice mărimilor aleatoare. . Considerăm orice semnal aleator (stohastic) ca funcție de două variabile: x(t,a) = x(α)(t), unde α ia valori în spațiul esantioanelor ce pot fi puse în evidență în urma realizării particulare a unui experiment.

O altă mărime reprezentativă în procesul stohastic o constituie valoarea medie a întregului ansamblu de realizări:

(1.35)

Dacă proprietățile unui proces aleator staționar pot fi descrise prin evaluarea valorilor medii asociate pe o singură realizare:

(1.36)

procesul se numește ergodic.

La orice proces ergodic mediile asociate temporal oricărei realizări sunt numeric egale cu mediile determinate statistic pe ansamblul de realizare.

Pornind de la aceste considerații, vom putea împărți zgomotele în două categorii:

zgomote ergodice, care sunt previzibile în medie

neergodice.

La rândul lor, zgomotele ergodice pot fi:

– gaussiene (zgomote ce au în orice moment o distribuție de probabilități normală, cu aceeași dispersie)

– negaussiene.

Un zgomot gaussian cu densitate de putere spectrală constantă poartă numele de zgomot alb. Dacă densitatea de putere variază cu frecvența zgomotul se numește colorat.

Zgomotele neergodice pot fi:

– regulate (atunci când se repetă cu periodicitate)

– neregulate (dacă apariția lor este complet imprevizibilă).

Acestei clasificări pe baze matematice i se poate adăuga o clasificare pe baze tehnice, care ține seama mai puternic de cauzele care provoacă zgomotele, și prin care se deosebesc:

zgomotul de impulsuri

zgomotul de fluctuații

Zgomotul de impulsuri este produs de surse care furnizează energie la intervale discrete de timp (salturi de durată foarte scurtă), urmate de pauze suficient de lungi ca regimul tranzitoriu provocat de un impuls să se încheie. Dacă 2π/τ<<Δf se poate considera că în această bandă spectrul este constant iar impulsul rectangular care aproximează perturbația poate fi înlocuit prin impulsul Dirac ce dă aceeași energie în bandă.

Zgomotul de fluctuații este un zgomot ergodic gaussian, ce poate fi considerat ca fiind format dintr-un număr foarte mare de perturbații de durată foarte mică, ce pot fi substituite prin impulsuri Dirac de durată Δηi:

(1.37)

Trebuie remarcat că tipul de zgomot este hotărât nu numai de natura sursei de zgomot ci și de timpul de răspuns al sistemului supus la zgomot. Cu aceeași sursă de interferență, ieșirea unui circuit poate produce fie un zgomot de impuls, fie de fluctuații, în funcție de τ = k/Δf

Pentru circuite liniare, nivelul la ieșire al zgomotului de impulsuri vi se consideră proporțional cu banda de trecere:

v i = k i · v in · Δf (1.38)

unde vin este amplitudinea zgomotului de impuls la intrare, în timp ce nivelul zgomotului de fluctuații vf va fi:

(1.39)

cu v0 nivelul de zgomot pentru pentru Δf0 = 1 Hz.

Ca o regula generală, densitatea spectrală a zgomotului, indiferent de sursă, scade cu frecvența, dar trebuie să se țină seama nu numai de sursa de zgomot ci și de canal. Astfel nivelul perturbațiilor atmosferice crește cu frecvența pe unde scurte, la transmisii radio, dar scade cu frecvența pe orice tip de circuit fizic.

Un tip special de zgomot este cel care nu-și are originea în canalul de transmisie, ci își are originea în aparatura de emisie-recepție.

Principalul zgomot de acest tip este cel de agitație termică disipat pe rezistoare caracterizat prin tensiunea eficace de zgomot:

(1.40)

unde:

k – constanta lui Boltzmann (1,38 · 10-23 J/ºC),

T – temperatura absolută la care se măsoară zgomotul,

R – rezistența rezistorului.

Zgomotul de agitație termică se manifestă și în absența semnalului.

Un alt tip de zgomot se întâlnește în dispozitivele de amplificare. Se numește zgomot de șoc și e datorat naturii discrete a fluxului de electroni și proceselor de transfer de sarcină. Considerând I valoarea medie a curentului prin circuit, eroarea medie pătratică produsă de zgomotul de șoc este:

(1.41)

unde e este sarcina electronului (1,6 · 10-19 C).

Atât zgomotul termic cât și zgomotul de șoc au densitate constantă de putere până la frecvențe de ordinul sutelor de MHz și o distribuție gaussiană a probabilității de amplitudine, care are totuși spectru “alb”, dar o distribuție de probabilitate negaussiană.

Canale cu curenți purtători

La astfel de canale, realizate tot prin fire, se utilizează multiplexarea în frecvență, care constă în utilizarea pentru fiecare canal de benzi de frecvență separate, care le diferențiază și de alte tipuri de canale: telefonie, telegrafie, etc.

Multiplexarea în frecvență este strâns legată de tehnica modulației, pe fiecare canal, semnalul informațional modulând un curent purtător de frecvență egală cu frecvența alocată semnalului. Refacerea semnalului la punctul de reglare se face prin demodulare, cu filtre de bandă.

În raport cu costul unei linii bifilare cu un singur canal telefonic, costul unui canal într-un sistem de 12 canale reprezintă 40%, iar într-un sistem de 60 canale 30%. Pe de altă parte, complexitatea aparaturii de emisie crește.

Alocarea frecvențelor pentru diferite canale se face în conformitate cu recomandările specificației tehnice CS 2.12.2 a M.C.T.I.

Banda de frecvențe utilizată este divizată de regulă în intervale de 4 KHz, în banda 0-4 KHz, zona 300-3400 Hz este alocată convorbirilor telefonice, pentru telemecanică se utilizează banda 0-300 HZ sau 3400-4000 hZ, iar pentru televiziune banda 47-860 MHz

fibra optică ca mediu de comunicație

În anul 1880, Alexander Graham Bell studiază influența variației luminoase asupra curentului produs de o celulă fotovoltaică, punând bazele principiilor de bază ale comunicațiilor optice valabile și în prezent. Prima propunere serioasă de orientare a luminii datează din 1910,când Hondros și Petrus Debye publică un studiu teoretic despre orientarea undelor prin dielectrici în straturi multiple de materiale transparente.

Alte studii sunt publicate în anii 1920 și 1930, care nu atrag încă suficient atenția pentru că aceasta era deja captivată de orientarea microundelor care făcea radarul posibil.

Numai în anul 1953 Abraham van Heel, Harold Hopkins și Narinder Singh Kapany aduc în atenție prin articolele publicate în “De Ingenieur” și “Nature” transmisia printr-o fibră optică flexibilă respectiv “fibroscopul”.

Kapany este cel care va realiza prima fibră optică obținuta din sticla și o va denumi “fiber optics”

Din punctul de vedere al opticii, pentru a obține informații despre un obiect trebuie îndeplinite cel puțin trei condiții și anume:

a) obiectul să fie luminos, adică să emită lumină direct sau indirect

b) lumina care provine de la obiect să fie transmisă către locul unde se face detecția fără pierderi prea mari

c) cantitatea de lumină care ajunge la locul de detecție să fie suficient de mare.

Observăm că mediul prin care se transmite informația optică este de importanță esențială pentru ca semnalul optic transmis să nu fie “mutilat” sau distorsionat.

Progresele tehnice miraculoase au permis realizarea unor ghiduri de undă pentru radiația luminoasă, denumite fibre optice, cu atenuări sub 1 dB / km pentru λ=1300nm …1550 nm și cu avantaje certe ca: probabilitatea de eroare foarte mică, gabarit redus, bandă largă, etc.

Deoarece în transmisia prin fibră optică apar blocuri specifice, se prezintă în figura 1.16. o schemă de principiu pentru un sistem numeric de comunicație folosind fibră optică drept mediu de comunicație ( incluzând și dispozitivele regeneratoare de semnal, asemănătoare repetoarelor utilizate în transmisia pe suport metalic).

Figura 1.16

Pentru a înțelege cum sunt folosite fibrele optice în sistemele de comunicații să ne uităm la un exemplu dintr-un film din Al II-lea Război Mondial, unde 2 vapoare într-o flotă trebuie să comunice una cu alta fără semnale radio sau pe mări agitate. Căpitanul unei nave trimite un mesaj unui marinar pe punte. Marinarul traduce mesajul în cod MORSE (puncte și linii) și folosește semnal luminos (o lampă puternică cu acoperitoare) ca să trimită mesajul celeilalte nave. Marinarul de pe cealaltă navă vede codul MORSE, îl decodează în engleză, și trimite mesajul sus la căpitan. Acum, imaginați-vă făcând asta când vasele sunt fiecare în celălalt capăt al oceanului separate de mii de mile și ai un sistem de comunicații prin fibre optice instalat între cele două nave.

Sistem de transmisie prin fibră optică din figura 1.16 conține următoarele blocuri:

Stația locală ce conține multiplexorul, codorul și transmițătorul (compus din driver si sursa de lumină)

fibra optică

Repetorul ce conține receptorul optic,regeneratorul optic și emițătorul optic

Stația la distanță ce conține detectorul optic, amplificatorul, decodorul și demultiplexorul

În tehnica comunicațiilor este obligatorie și comunicarea în sens invers, dinspre statia aflată la distanță spre stația locală. Principiul de transmitere este identic doar ca se folosește o altă fibră pentru acest scop.

Tehnologiile mai noi permit folosirea unei singure fibre unimod pentru transmisie și recepție cu condiția ca sî se folosească lungimi diferite de undă pentru transmisie, respectiv recepție. De exemplu pentru transmisie să se folosească λ=1550nm iar la recepție λ=1300 nm.

TRANSMIȚĂTORUL

Transmițătorul este ca marinarul de pe puntea vaporului care emite semnalele. Se află în stația locală care multiplexează informația,o codează și o transmite către o sursă de lumină pentru a focaliza lumina în fibră. Laserele au mai multă putere decât LED-urile, dar variază mai mult cu schimbările în temperatură și sunt mai scumpe. Cele mai uzuale lungimi de undă a semnalului luminos este de 850nm, 1300nm și 1550nm (infraroșu și părți invizibile ale spectrului).

REGENERATORUL OPTIC

Cum am menționat mai sus o pierdere a semnalului apare când lumina este transmisă prin fibră, în special pe distanțe lungi (mai mult de 10km), ca un cablu subacvatic. Deci, unul sau mai multe regeneratoare trebuie plasate pe cablu pentru a amplifica semnalul de lumină degradat. Regeneratorul optic constă din fibre optice cu un înveliș special. Porțiunea îmbrăcată este pompată cu laser. Când semnalul degradat întră în înveliș, energia laserului permite moleculelor să devină ele înseși lasere. Moleculele emit apoi un nou semnal luminos mai puternic cu aceleași caracteristici ca semnalul slab primit. Regeneratorul este un amplificator pentru semnalul de intrare.

RECEPTORUL OPTIC

Receptorul optic este ca marinarul de pe vapor care primește semnalul. Aflat în statia la distanță, urmat de amplificator și decodor, primește și decodează semnalele luminoase, astfel ca după demultiplexor informația recepționată este aceeași cu informația transmisă (transmisii de date, TV, sau telefon)

De ce sistemele din fibre optice sunt revoluția telecomunicațiilor? În comparație cu firul metalic convențional, fibra optică este:

mai ieftin – câteva mile de cablu optic sunt mai ieftine decât aceeași lungime de fir de cupru;

mai subțire – fibrele optice pot fi trase în diametre mai mici decât firul de cupru;

capacitate purtătoare mai mare – pentru că fibrele optice sunt mai subțiri decât firele de cupru, mai multe fibre pot fi adunate într-un cablu de același diametru. Aceasta permite mai multe linii telefonice prin același cablu sau mai multe canale TV;

mai puțină degradare a semnalului – pierderea de semnal pe fibre optice este mai mică decât pierderea pe firele de cupru;

semnale luminoase – spre deosebire de semnalele electrice din cupru, semnalele electrice din fibră nu interferează cu celelalte fire din cablu. Aceasta înseamnă o conversație telefonică mai bună sau o recepție TV mai bună;

putere mică – fibrele optice se degradează mai puțin, pot fi folosite transmițătoarele mai mici;

semnale digitale – fibra optic este ideală pentru transmiterea semnalelor digitale (foarte folosite pentru rețelele de calculatoare);

neinflamabil – pentru că nu trece curent electric prin fibre, nu există riscul de foc;

greutate mică – o fibră optică este mai ușoară decât un cablu de cupru, ocupă mai puțin spațiu în pământ;

flexibile – fibrele optice sunt atât de flexibile, pot transmite și primi lumină, sunt folosite în camere digitale flexibile în următoarele scopuri:

– imagine medicală;

– imagine mecanică;

– instalații.

Din cauza acestor avantaje, fibrele optice sunt folosite în foarte multe industrii, mai ales în telecomunicații și rețele de calculatoare. De exemplu, dacă ai da un telefon din Europa în SUA sau invers, și semnalul a fost ricoșat de un sistem de comunicații, adesea auzi un ecou pe linie. Cu fibra optică transatlantică ai o conexiune directă fără ecouri.

CABLURI CU FIBRĂ OPTICĂ

Prin fibră optică simplă înțelegem un mediu optic transparent, de mare lungime, cu secțiunea transversală circular simetrică și indicele de refracție constant sau radial variabil, separat de un alt material cu indicele de refracție constant și mai mic, pentru ca la suprafața de separare să se producă reflexia totală a radiației luminoase, fără pierderi figura 1.17. O fibră optică poate fi asociată cu un ghid de undă dielectric folosit pentru propagarea energiei electromagnetice la frecvențe optice.

Principiul de transmitere al luminii prin fibră optică se bazează pe efectul de refracție al luminii ce respectă legea lui Snell.

Legea lui Snell

Raportul dintre sinusul unghiului de incidență și sinusul unghiului de refracție este egal cu raportul dintre vitezele de propagare dintre cele două medii. Acesta este egal cu o constantă, care reprezintă raportul dintre indicele de refracție al celui de-al doilea mediu și indicele de refracție al primului mediu, de exemplu știm ca viteza luminii în apă este mai mică decât viteza luminii în aer. În figura 1.18 este reprezentată poziția aparentă, față de poziția reală, a unei baghete cufundată în apă, respectiv într-un mediu cu indice de refracție diferit față de primul mediu, în cazul nostru aerul:

Conform legii lui Snell avem:

(1.42)

unde:

θ1 – unghiul de incidență

θ2 – unghiul de refracție

v1, v2 – vitezele luminii în cele două medii

n1, n2 – indicii de refracție ale celor două medii. Întâlnim următoarele cazuri: raza de lumină evadează, este absorbită sau se reflectă total (figura 1.19)

O fibră optică este un ghid de undă dielectric (nu conduce electricitatea), fabricată din sticlă sau din plastic. Fibra este construită din trei regiuni distincte figura 1.20:

– miez circular de diametru d având indicele de refracție uniform nc

– înfășurare sau înveliș protector cu indice de refracție n

– teacă sau cămașă

nc – constant sau variabil

n – constant și diferit de nc

nc > n – lumina fiind constrânsă să circule prin miez

Lumina lansată sub unghiul θ1 va fi propagată în miez cu unghiul θ2 față de axul central. Razele incidente sub un unghi mai mare decât θ1 nu vor fi refractate intern, ci refractate în învelișul protector sau reflectate înapoi în aer figura 1.21.

Unghiul de propagare este legat matematic de apertura numerica AN, mărime ce exprimă puterea luminoasă ce are acces în fibră:

(1.43)

Ca și la propagarea undelor electromagnetice, doar anumite moduri se pot propaga în fibra optică. Numărul de moduri M depinde de lungimea de undă λ după relația:

(1.44)

Numărul M scade pe măsură ce diametrul miezului scade pentru o lungime de undă și o apertură dată. Când diametrul ajunge de ordinul lungimii de undă (2…4μm), prin fibră se propagă o singură rază, în așa-numitul monomod (single-mod) figura 1.22.a.

În operarea multimod, diametrul firului este suficient de mare (50…70μm), ca să permită propagarea în mai multe moduri, fiecare având timpi și viteze de propagare diferite – figura 1.22.b.

Un semnal optic care traversează fibra suferă o reducere în amplitudine și în banda de frecvență. Reducerea benzii este provocată de dispersie. Ea are două surse: dispersia de mod și dispersia de material.

Dispersia modală constă în împrăștierea impulsului datorită diferitelor lungimi ale traseelor parcurse de razele luminoase provocate de reflexii multimod.

Dispersia de material se datorează dependenței neliniare a indicelui de refracție a miezului de lungimea de undă a sursei. Dispersia (reducerea benzii) crește în funcție de lungimea fibrei și se exprimă în MHz/km.

Ea crește liniar până la 1,5 km, apoi proporțional cu rădăcina pătratică a lungimii. Pentru situația când se transmit impulsuri, dispersia se exprimă în ns/km.

Fibrele multimod se împart în două categorii: cu indice fix (step-mode) numite și fibre optice cu discontinuitate FOD și respectiv cu indice gradat (graded-index), numite și fibre optice gradate FOG.

Fibrele din prima categorie (FOD) au un miez cu indice de refracție uniform. În acesta se produc frângeri bruște ale razei la contactul dintre miez și înveliș. Aceste fibre au dispersie ridicată, ce duce la o reducție de bandă de aproximativ 30ns/km..

În fibrele cu indice gradat (FOG) – figura 1.22.c indicele de refracție al miezului descrește parabolic de la centru spre exterior. În acest fel, refracțiile permanente fac ca raza de lumină să se propage ca o sinusoidă prin miez. Razele de lumină parcurg traseele mai lungi (cele din zona cu indice de refracție redus) cu o viteză sporită, și ca atare dispersia scade, putându-se obține chiar performanțe de ordinul 1ns/km.

Semnalele care traversează o fibră optică suferă deasemenea o pierdere în amplitudine. Această atenuare se datorează ciocnirii cu ionii metalici prezenți în fibră și a prezenței apei sub formă de radicali OH– , și depinde de lungimea de undă a radiației ce se propagă.

Cum se propagă lumina în fibra optică

Fasciculul luminos captat în fibra optică este menținut în aceasta datorită fenomenului de reflexie internă totală a luminii pe suprafața laterala a fibrei. Lumina “aleargă” prin fibra urmarindu-i toate curburile figura 1.23.

Există fibre groase (cu diametrul de ordinul 100μm) și fibre subțiri ( cu diametrul de ordinul a 1μm și mai putin). Strict vorbind, traiectoria fasciculului se poate reprezenta numai în cazul fibrelor groase, când lungimea de undă a luminii este mai mică decât diametrul fibrei.

În cazul propagarii luminii prin fibre subtiri , optica geometrica este neputincioasă și trebuie apelat la reprezentările ondulatorii. Câmpul undei luminoase ce se propagă printr-o fibră subțire umple întregul volum al fibrei și o parte din el iese in spațiul imediat înconjurător.

Principala caracteristică a unei fibre este valoarea pierderilor de radiatie în aceasta raportată la lungimea fibrei. Pierderile se masoara in decibeli pe kilometru (dB/km).

Să considerăm o porțiune de fibră de un kilometru. Presupunem că la inrarea în ea ajunge lumina de intensitate I1, iar la iesire se inregistreaza intensitatea I2.

Pierderile în fibra reprezinta N decibeli, mărimea N determinandu-se din formula:

(1.45)

Dacă de exemplu, pierderile sunt de 10db/km (N=10), aceasta înseamnă că, la parcurgerea porțiunii de un kilometru, intensitatea luminii scade de 10 ori. Este clar că dintr-o asemenea fibră nu trebuie facută o linie de transmisie.

În prezent există fibre cu pierderi și mai mici, de exemplu de 0,2dB/km în gama spectrală 1,2 –1,6 μm unde raportul I1/I2= 1,05. Asemenea fibre se confectionează din sticla de cuarț dopată cu germaniu sau bor.

LĂRGIMEA DE BANDĂ

Limitările lărgimii de bandă a sistemelor de fibre optice provin din două surse principale:

dispersia modală a întârzierii

dispersia de material

Dispersia modală a întârzierii este esențială în cazul fibrelor multimod. De exemplu la un LED care emite lungimea de undă de 800 nm și cu o dispersie de 50 nm, impulsurile sunt împrăștiate cu 5nm/km. Rezultă o limitare a lărgimii de bandă la 50-100 MHz/km.

Dispersia de material provine din variația vitezei luminii prin fibră în funcție de lungimea de undă a luminii. În figura 1.24 se prezintă spectrul de dispersie (a) și produsul bandă-distanță pentru același tip de fibră. Se constată că lungimea de undă la care atenuarea e minimă (λ=1,3μm) este foarte apropiată, deși nu are lungimea de undă la care dispersia e minimă (timp de propagare sincron) – λ=1,4 μm.

În figura 1.25 se prezintă caracteristica atenuare-lungime de undă pentru o fibră monomod de siliciu dopată cu germaniu.

Se observă două puncte de minim în jurul valorilor lungimii de undă de 1,3 și 1,5. Aceste puncte de pierderi minime reprezintă ținta eforturilor actuale de dezvoltare în industria fibrei optice.

După cum s-a menționat, transferul de putere în fibra optică depinde de apertura numerică (AN). Acest lucru se poate urmări pe graficele din figura 1.26.

Este necesar să se facă câteva precizări și în legătură cu cablurile cu mai multe fibre optice. Există două tipuri constructive de bază:

cablul strâns împachetat (tight-buffer)

cablul cu folii (loose-tube).

În cablul strâns împachetat, fiecare fibră este încapsulată într-un înveliș care o protejează împotriva forțelor externe, este rigid și atenuarea în fibre este influențată de tensionarea datorată montării cât și de variațiile de temperatură. Se utilizează doar pentru aplicații de transmitere la mică distanță și în spații închise. În cablul cu folii, fiecare fibră are o cămașă de protecție cu un diametru convenabil, mai mare decât al fibrei. Fibrele sunt ceva mai lungi decât cablul și ca atare nu sunt influențate de tensiuni interne provocate de montaj. Este posibil ca mai multe fibre să se grupeze într-un mănunchi (buffer) cu înveliș protector separat, iar mai multe manunchiuri să formeze cablul.

Într-un mănunchi fibrele trebuie cuplate astfel încât o sursă luminoasă să acționeze doar asupra miezului activ. În figura 1.28 se prezintă un mod de grupare în mănunchiuri (buffere).

Se recomandă ca într-un mănunchi (buffer) să se amplaseze între 7 și 19 fibre într-o configurație hexagonală.

Performanțele optime ale detectoarelor se obțin la o lungime de undă (0,8 – 0,9 μm) diferită de cea la care atenuarea în fibră e minimă (1,3 ; 1,5 μm). Alegerea combinațiilor sursă – fibră – detector trebuie făcută cu multă atenție pentru a obține un compromis satisfăcător al performanțelor.

Criteriul general de apreciere al performanțelor este cel al marjei (rezerva de transmisie), care ține seama atât de performanțele sursei cât și de cele ale detectorului.

În figura 1.29 se prezintă într-o diagramă care raportează puterea (sursă – detector) la viteza de transmisie. Formula utilizată pentru a determina puterea minimă necesară recepției corecte este:

(1.46)

M – numărul de fotoni minimi pentru detecția corectă,

h – constanta lui Plank (6,62606896(33) x 10-34 J·s = 4,13566733(10) x 10-15 eV·s)

f – frecvența optică a transmisiei (f = c/λ)

D – viteza de transmisie în biti / secundă

Conectarea fibrelor optice este o problemă mult mai delicată decât conectarea firelor metalice. Operația esențială la conectarea fibrelor constă în alinierea perfectă (aducerea miezurilor în linie). Există mai multe tipuri de conectare, tipurile de conectoare fiind tratat într-un capitol separat.

Instalarea cablurilor cu fibră optică implică și ea tehnici specifice, dar nu foarte diferite de tehnica pozării cablurilor metalice. Mai întâi trebuie preinstalați conectorii, apoi secțiunile de cablu , cu singura grijă ca la montare să nu se aplice tensiuni externe mari asupra cablului. Traseul trebuie ales cu multă grijă, pentru ca o deteriorare punctiformă duce la sacrificarea întregului tronson.

Dacă montarea cablurilor se face în exteriorul incintelor, se recomandă îngroparea. În cazul în care solul este pietros se recomandă îngroparea acestora în tub de protecție sau în pat de nisip. Există însă și situații când cablul urmează un traseu aerian. Precauția ce trebuie luată în acest sens este ca să nu se depășească tensiunea externă maxim admisă.

Utilizarea fibrei optice duce la schimbări spectaculoase în tehnica transmiterii de date. Dacă ne referim doar la gabarit, un singur exemplu: un cablu cu diametrul de 75 mm conținând 900 de perechi de fire de Cu, poate fi înlocuit de o fibră optică cu numai 0,8 mm, având aceeași capacitate de transmitere a informației.

Costul fibrei a ajuns comparabil cu cel al cablurilor metalice convenționale și tinde să scadă. Avantajele oferite de Fibra optică sunt multiple:

Posibilitatea de a transmite date cu viteză foarte mare (> Gbit/s)

Imunitate aproape totală la interferențe electromagnetice

Diafonii foarte reduse

Atenuare foarte mică

Separarea electrică dintre emițător și receptor

Probabilitate foarte mică de eroare

Calitate superioară a semnalului transmis

Nu perturbă alte medii de comunicație

Dezavantajele sunt legate de montarea mai dificilă și necesitatea unei tehnologii aparte.

BIBLIOGRAFIE

Blackmann, N.H. – Noise and its effects on comunication, McGraw-Hill, New York, 1996

Freeman, J.J. – Principles of noise, Wiley, New York, 1958

Howell,D – Optical communication system, Telecomunications, sept. 1978

King, R – Electrical noise, Chapman and Hall, Londra , 1966

Martin, J – Transmission Media , Prentice Hall, Englewod Cliffs, 1976

Middleton, D – Introduction to statistical communication theory McGraw-Hill, New York, 1967

Piquenard, A – Radio wawe propagation, MacMillan, Londra, 1976

Tugal,D., Tugal,O – Data transmission, McGraw-Hill, NY, 1982

Yeh,L.P. – Fiber optic communication systems, Telecommunications, Sept. 1978

Radu Dobrescu – Informație și transmitere de date – Institutul politehnic Bucuresti – 1992

11.