1 VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ – TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA
Fakulta elektrotechniky a informatiky
Metalické sítě Jan Skapa
Ostrava 2011
2 Tato publikace byla napsána v OpenOffice, jenž je volně poskytován pod licencí GPL.
© Jan Skapa mailto:
[email protected]
ISBN …............................
3
Obsah 1 Úvod....................................................................................................................................6 2 Základy IP sítí.....................................................................................................................7 2.1 Technologie, protokoly L1 a L2..................................................................................8 2.1.1 Rámec Ethernetu.............................................................................................8 2.1.2 Prvky L1 a L2..................................................................................................9 2.1.3 VLAN (Virtual LAN)...................................................................................10 3 Otevřená řešení SIPu..........................................................................................................11 3.1 SER, openSER a openSIPS.......................................................................................11 3.1.1 Základní popis..............................................................................................12 3.1.2 Konfigurace SER..........................................................................................13 3.1.3 Konfigurace openSIPS..................................................................................13 3 Evoluce v komunikačních systémech...............................................................................16 4 Optické vláknové komunikace..........................................................................................21 12 Literatura..........................................................................................................................26
4
1
Rozdělení metalických vedení
Metalická (kovová) vedení určená pro přenos můžeme dělit z hlediska kapacity jednotlivých vodičů vůči zemi na vedení – symetrická (dvojice spirálově stočených vodičů v kabelu, dvojice paralelních vodičů zavěšených na izolátorech), – koaxiální (dvojice souosých vodičů). Další možné dělení kabelových vedení je dle jejich uložení na – nadzemní vedení, – závěsná vedení, – zemní kabelové vedení, – podmořské kabely.
2
Symetrické kabely
Symetrické kabely jsou charakteristické shodnými kapacitami jednotlivých žil vůči zemi i vůči sobě navzájem.
Struktura symetrického kabelu: – prvek – vzniká stáčením jednotlivých žil do párů nebo čtyřek, – kabelová duše – vzniká stáčením prvků, – stáčení buď koncentrické, nebo skupinové, – koncentrické stáčení – prvky se stáčejí v protisměrných vrstvách (možnost odpočítat),
5 – –
skupinové stáčení – 1 skupina nejčastěji 25, 50, 100 párů, pro digitální systémy – stíněné skupiny (např. po 7 párech).
Plášť: – slouží k ochraně kabelové duše, – většinou se používá jako materiál olovo (Pb), – alternativou je hliníkový plášť (Al vyšší vodivost než Pb – stínící účinky) – jako ochrana proti vlhkosti (způsobuje korozi) plast, proti poškození pancéřové opláštění. Při stáčení žil do čtyřek se dříve používala tzv. křížová čtyřka. všechny 4 žíly měly stejnou délku skrutu, průřez čtyřkou měl v každém místě mít tvar kříže. Výhodou tohoto uspořádání byly minimální magnetické vazby. Chybami při výrobě však docházelo ke změnám vzájemné polohy jednotlivých žil uzvnitř čtyřky a ke vzniku parazitních kapacitních vazeb. Částečným řešením bylo použití tzv. Dieselhorst-Martinovy čtyřky, která pár a-b kroutí s délkou skrutu l1, pár c-d s délkou skrutu l2 a společně jsou oba páry krouceny s délkou skrutu l3.
Kroucené páry se běžně používají v počítačových sítích pod označením UTP (Unshielded Twisted Pair – nestíněný kroucený pár) nebo STP (Shielded Twisted Pair – stíněný kroucený pár). Kabely tohoto typu mají dostačující vlastnosti pro přenosy přenosovými rychlostmi až 1 Gb/s u kategorie UTP 5e.
6
3
Koaxiální kabely
Koaxiální kabely jsou geometricky přísně symetrické. Jsou tvořeny vnitřním vodičem, umístěném přesně ve středu vnějšího vodiče – dutého válce. Tato přísná symetrie musí být zachována i po navinutí kabelu na buben ve výrobě a opětovné rozvinutí při pokládce. Koaxiální kabely jsou náchylné na ohyby.
7
4
Homogenní vedení konečné délky
Při analýze vlastností obvykle vycházíme z náhradního modelu homogenního vedení. Homogenní vedení znamená, že parametry vedení jsou rovnoměrně rozloženy po celé délce vedení. Element vedení délky dx pak má elektrické parametry, dané obrázkem.
Při napájení homogenního vedení signálem s konstantním kmitočtem f jsou napětí U a proud I v místě x dány gamma x − gamma x , U x =a 1 e a 2 e 1 I x = −a 1 e gamma x a 2 e− gamma x . Zc Konstanty a 1 a a 2 lze určit ze známých elektrických poměrů na konci vedení. Pro x=l dostaneme gamma l − gammal , U l =a 1 e a 2 e 1 I l= −a1 e gammal a 2 e− gammal . Zc Jelikož známe l , U l , I l , Z c , gamma , můžeme dopočítat 1 −gamma l a 1= U l −Z c I l e , 2
8 1 a 2= U l Z c I l e gammal . 2 Člen gamma označuje tzv. měrnou míru přenosu gamma= R j omega LG j omegaC =alpha j beta . Reálná složka alpha se nazývá měrný vlnový útlum, imaginární složka beta se nazývá měrný fázový posuv, nebo také koeficient délky vlny, neboť platí pi lambda=2 . beta Délka vlny vyjadřuje vzdálenost, kterou elektromagnetické vlnění ve vedení urazí za délku jedné periody T =1 / f . Délku vedení vždy vztahujeme k délce vlny signálu, který budeme tímto vedením přenášet. Pro velmi vysoké kmitočty (malé délky vlny) se vedení může chovat jako nekonečně dlouhé, kdežto fyzicky velmi dlouhá vedeni (např. vedení velmi vysokého napětí VVN mohou být na frekvencích 5 Hz velmi krátká). Jak je patrné ze vztahu pro napětí v místě x vedení, hrají zde roli dvě složky napětí. První a 1 e gamma x s narůstající vzdáleností od počátku vedení roste. (Nebo taky – klesá s rostoucí vzdáleností od koce vedení.) Představuje rušivou odraženou vlnu. Druhá složka −gamma x s rostoucí vzdáleností od počátku vedení klesá, U ∞=0 . Představuje a2 e hlavní postupnou vlnu. Obě složky se v jednotlivých bodech vedení geometricky sčítají. Charakteristická (nebo taky vlnová) impedance vedení je dána R j omega L j arg Z j phi . Z c= = X jY =∣Z c∣e =∣Z c∣e G j omega C Obvykle je udávána absolutní hodnota charakteristické impedance ∣Z c∣ a fáze phi c . Charakteristickou impedanci lze pro danou frekvenci vypočítat jako geometrický průměr
c
c
vstupní impedance naprázdno a nakrátko, Z c = Z 0p Z 0k , Z 0p=Z c cotgh gamma l , Z 0k =Z c tgh gamma l . Charakteristickoou impedanci lze také změřit jako vstupní impedanci korektně obrazově zakončeného ( Z l =Z c ) vedení konečné délky. Jednotlivé parametry, charakterizující vedení rozdělujeme na – primární – R , L , C ,G , – sekundární – Z c , gamma .
Při vysokých kmitočtech obvykle platí R≪omega L , G≪omega C . Potom L Z c= C a gamma= j omega LC= j beta . To znamená, že vf vedení se chová jako bezeztrátové.
Doposud jsme hovořili o šíření harmonického signálu homogenním vedením. S tímto případem se v praxi téměř nesetkáme, vedením se šíří signály mnohem složitější. Rychlost, kterou se šíří tzv. zázněje – skupiny (grupy) několika harmonických signálů blízkých frekvencí nazýváme skupinovou, nebo také grupovou rychlostí
9 v g=
d omega . d beta
Pro vícenásobmé využití metalických kabelů byla vytvářena na 2 párech (1 čtyřce) tzv. fantomní vedení. Ty nelze vytvářet na místních telefonních okruzích, kde je nutné přenášet stejnosměrný napájecí proud pro mikrofony telefonních přístrojů a stejnosměrné volicí značky.
5
Přeslech
Přeslechem rozumíme nežádoucí přechod malé části hovorových proudů z vedení rušicího do paralně s ním probíhajícího vedení rušeného. Rozlišujeme přeslech na blízkém a vzdáleném konci, podle toho, na kterém konci vedení se projevuje vzhledem k pozici rušicího zdroje.
10 Útlum přeslechu na blízkém konci je dán P A p0=10 log s0 [dB], P p0 P kde je výkon signálu na začátku rušicího vedení, s0 P p0 je výkon přeslechového signálu na začátku rušeného vedení. Jelikož je U U2 , P=U⋅I =U⋅ = Z Z můžeme psát U 2s0 Z U Z A p0=10 log cs2 =20 log s0 −10 log cs . U p0 Z cp U p0 Z cp Jsou-li charakteristické impedance obou vedení shodné, druhý člen vztahu je roven nule. Pak lze vypočítat útlum přeslechu na blízkém konci ze znalosti velikosti napětí rušicího signálu a změřeného napětí na blízkém konci rušeného vedení. Útlum přeslechu na vzdáleném konci je dán podobně P A pl=10 log s0 [dB], P pl kde P pl je výkon přeslechového signálu na konci rušeného vedení. Můžeme psát U 2s0 Z U Z A pl =10 log cs2 =20 log s0 −10 log cs . U pl Z cp U pl Z cp Pokud rozšíříme zlomek s napětími, můžeme psát U U Z U U Z A pl=20 log s0 ⋅ sl −10 log cs =20 log s0 20 log sl −10 log cs , U pl U sl Z cp U sl U pl Z cp kde první člen představuje vlnový útlum rušicího vedení. Druhý člen pak vyjadřuje měřený útlum přeslechu, daný napětím signálu na konci rušicího a rušeného vedení. Jalikož je přeslech silně rušivým jevem, vždy se snažíme, aby útlum přeslechů byl co největší.
6
Měření impedance můstkovou metodou
Metoda Wheatstoneova můstku paří do kategori vyvažovacích metod měření, kdy vyvažujeme impedance jednotlivých větví můstku tak, aby napětí mez body v měřicí diagonále bylo nulové. Pro odpory jednotlivých větví platí R1 R3=R2 R4 . Pro napětí v měřicí diagonále platí R4 R3 U BD =U AC − . R1R4 R2 R3
11 Měřenou impedanci obvykle zapojujeme jako R4 , můstek vyvažujeme odporovou dekádou R1 , pomocí odporů R2 a R3 nastavujeme měřicí rozsah můstku. Při měření střídavými proudy se mysí v můstku vyrovnávat nejen reálné, ale i imaginární složky proudu. Můstky pro střídavá měření musejí být konstrukčně uspořádány tak, aby vyloučily vazbu mezi větvemi můstku a nesymetrie vůči zemi. Napěťová citlivost můstku je poměr změny výstupní veličiny v měřicí diagonále z nulové hodnoty při vyváženém můstku k poměrné změně měřeného odporu, kterou se provede rozvážení můstku
C U =U AC
N , 1 N 2
kde
R1 R2 = . R 4 R3 Je zřejmé, že citlivost můstku je přímo úměrná napájecímu napětí. Metoda můstkového měření odoru se používá také ke stanovení délky metalického vedení. Vycházíme z měření odporu celé smyčky. Na koni měřené trasy spojíme 2 žíly a změříme odpor Rab celé smyčky. Známe-li měrný odpor mědi, používané k výrobě sdělovacích kabelů 1 rho Cu = Ω mm^2/m 57 a průměr žíly daného kabelu d , můžeme spočítat měrný odpor žíly (odpor 1 km žíly) jako rho Cu R =1000 l d2 . pi 4 Délka kabelu je potom R l= ab R . 2 l N=
7
Můstkové metody zaměřování poruch 8
Murrayova metoda
Používá se tehdy, jestliže nemají všechny žíly přerušenou izolaci.
12
Poměry v můstku jsou M Rb R y R b Ra− Rx Ra Rb −R x = = = R1 Rx Rx Rx Pro odpor vadného vodiče tedy platí R R R x = 1 ab M R1 a délka žíly k poruše je R l x= x R . l Měření se provádí z obou stran, nebo s prohozenými žilami, aby se co nejlépe lokalizovala porucha. Pokud vycházejí z každé strany rozdílné pozice poruchy, pak to obvykle bývá důsledkem většího počtu chyb – více přerušených žil apod.
9
Varleyova metoda
Používá se v případech, kdy odpor smyčky je velký, např. v případech, kdy se chyba nachází blízko začátku měřeného úseku.
13
Na můstku nastavíme co nejmenší poměr a A= . b Pro vyvážený můstek platí a R − Rx A= = ab . b Rx R1 Odtud bR −aR1 . R x = ab ab Při prohozených žilách (pro kontrolu) platí Rx a A= = , b Rab− Rx R1 ' a pak a RabR1 ' . R x= ab
14
12 Literatura [] ELICER, Karel. Konstrukce sdělovacích kabelů a vedení. 1. vydání. Praha, ČVUT, 1970. 322 stran. [] URL: http://access.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2006042301. T. Hubený Modely symetrických vedení založené na fyzikálních vlastnostech a geometrii kabelu.
