Linha de transmissão

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1 Linha de transmissão Um troço elementar de uma linha de transmissão (par simétrico ou cabo coaxial) com comprimento dz pode ser modelado por um circuito: I(z) Ldz Rdz I(z+dz) Parâmetros primários: R [Ω / km]: traduz a resistência dos condutores mais o efeito pelicular; L [H / km]: traduz a energia magnética armazenada no dieléctrico e nos condutores; C [F / km]: traduz a energia eléctrica armazenada no dieléctrico entre os condutores; G [S / km]: traduz a resistência (condutância) transversal do dieléctrico. V(z) dz Cdz Gdz V(z+dz) Modelo de um troço elementar da linha de transmissão Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 8

2 Características da linha de transmissão Parâmetros secundários: Impedância característica Z R + G + jωl jωc Constante de propagação ( R + jωl)( G jωc) γ + Evolução da tensão e corrente ao longo da linha: V I ( f, x) Ae γ x + γ x γ x + γ x ( f, x) ( Ae Be ) Z + Be Linha adaptada: ( ) ω Z c Z f ω π γ Coeficiente de atenuação [Neper / km] α + jβ Coeficiente de fase [rad / km] H l ( f, l ) V V ( f, l ) ( f,) e ( f ) l jβ ( f )l e α Função de transferência de uma linha de comprimento l Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 8

3 Atenuação e atraso da linha de transmissão H l ( f, l ) V V ( f, l ) ( f,) e ( f ) l jβ ( f )l e α Resposta de amplitude (ganho): ( f l) H l, Resposta de fase: [ ( f l) ] arg H l, A Usando Atenuação (db): ( f l) log H ( f l) db, l, ln( e log A α l ) log log ( e [ ] db lα ( f ) α l ( e) ( e) db/np ) τ g ( f ) ( ) { ( )} l darg H f, l l dβ( f ) l v f π df π df g τ Atraso de grupo (s): Atraso de grupo específico (s / km): g ( f ) l v g ( f ) dβ π ( f ) df Crescente com a distância e a frequência Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 8 3

4 Aproximações para os parâmetros da linha Z R + G + jωl jωc ( R + jωl)( G jωc) γ + Aproximação para baixas frequências: G << ω C, ωl << R Aproximação para altas frequências: G << ω C, ωl >> R Há distorção de amplitude e fase Impedância característica: α β Z R jωc R ωc jπ 4 ( ω) e Coeficiente de atenuação: ωrc Coeficiente de fase: ωrc Porém, devido ao efeito pelicular: α α ( f ) R f ( f ) α f f Impedância característica: β α Z R C L ω LC L C Coeficiente de atenuação: G + Coeficiente de fase: L C Não há distorção de fase (variação linear da fase). α é coeficiente de atenuação à frequência f Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 8 4

5 Par simétrico de fios Par simétrico de fios: linha de transmissão constituída por dois condutores isolados - condutor: cobre; isolador: polietileno Cabo de pares simétricos sem blindagem de protecção (UTP) com diferentes níveis de entrelaçamento Pares simétricos com o mesmo nível de entrelaçamento no cabo provocam interferência (diafonia) entre eles Categorias: Shielded Twisted Pair (STP) - Malha de protecção externa reduz as interferências electromagnéticas - Mais caro e difícil de manusear Unshielded Twisted Pair (UTP) Imagem retirada da página de Internet: - Sem protecção externa - Barato e fácil de instalar Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 8 5

6 Parâmetros primários de um par simétrico Parâmetros primários de um cabo com isolamento de polietileno de calibre.5 mm (4 AWG - American Wire Gauge): f (khz) R (W/km) L (mh/km) G (m S/km) C (m F/km) Notas: Capacidade independente da frequência; Indutância tem um decrescimento lento com a frequência; Resistência e condutância crescem com a frequência. Para frequências elevadas R f G << ωc D d D distância entre condutores d raio de cada condutor µ - permeabilidade magnética do material entre os condutores (H/m) ε - constante dielétrica do material condutor (F/m) ρ - resistividade do condutor (Ω.m) l comprimento do condutor A área da secção transversal R C l ρ A πε ln ( D d ) µ D L ln π d Vácuo µ 4π 7 H/m ε 8.85 F/m ρ cobre.7-8 Ω.m Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 8 6

7 Atenuação e atraso em função da frequência Atenuação (db / km) ωrc α α R C L + G L C Atraso de grupo (µs / km) 9 Distorção de fase muito elevada β ωrc 6 AWG 9 AWG 7 4 AWG β ω LC Baixas frequências, Z o 6 Ω. Frequência [khz] Altas frequências, Z o 5 Ω 6 AWG: diâmetro dos condutores.4 mm 4 AWG: diâmetro dos condutores.5 mm 9 AWG: diâmetro dos condutores.9 mm 5 Conclusão: 4 Frequência [khz] O coeficiente de atenuação apresenta uma variação com f tanto nas altas como nas baixas frequências; O atraso de grupo decresce com a frequência atingindo um valor constante para as altas frequências. Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 8 7

8 Carga (Pupinização) do par simétrico de fios Quando a reactância indutiva é maior que a resistência e o efeito pelicular é desprezável não há distorção do sinal (amplitude e fase) - altas frequências. Ideia: criar as mesmas condições nas baixas frequências. Para combater a distorção de amplitude introduzem-se bobinas de carga (- mh) em pontos intermédios da linha (- metros de distância); Atenuação (db) 4 Linha não pupinizada Linha pupinizada f c 4 Frequência (khz) Atenuação constantenão há distorção de amplitude A resposta na banda de voz (analógica) é fortemente melhorada mas o efeito nas frequências elevadas (transmissão digital) é devastador! f c π L p indutância das bobinas d p distância entre as bobinas CL p d p Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 8 8

9 Diafonia (crosstalk) Diafonia: A proximidade dos pares no cabo vai originar interferências mútuas entre os diferentes pares; Este fenómeno tem origem no acoplamento capacitivo entre condutores e no acoplamento indutivo; Dois tipos de diafonia: NEXT - Near End X-Talk (Paradiafonia) FEXT - Far End X-Talk (Telediafonia) V s (t) Par perturbador Par perturbado Cálculo da densidade espectral do sinal de paradiafonia (NEXT): S p 3 ( f ) S( f ) X ( f ) S( f ) χ f p p V p (t) Paradiafonia Telediafonia V t (t) 4 AWG :.7 χ p -9 khz -3 Cálculo da densidade espectral do sinal de telediafonia (FEXT): S t α ( f )l ( f ) S( f ) X ( f ) S( f ) χ f le χ t 4 AWG : t - khz - t A acção deste fenómeno cresce com a frequência: Para os lacetes de assinante analógico o seu efeito é desprezável (banda de transmissão entre os 3 e 34 Hz); Para os lacetes digitais (podem usar bandas superiores a khz) o efeito da diafonia é problemático. Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 8 9

10 Aplicações dos pares simétricos de fios Transmissão analógica: lacete do assinante na rede telefónica. Transmissão digital: lacete do assinante na RDIS (suporta canais B e um canal D - 44 Kbit/s); lacete do assinante baseado na tecnologia ADSL - 4 Mbit/s (download) e Mbps (upload); redes locais (LANs) para ritmos até Mbit/s (e.g. Ethernet, Token Ring). Categorias importantes em redes de computadores são: categoria 3 (6 MHz) LANs Ethernet a Mbit/s (Base-T); categoria 5 ( MHz): o entrelaçamento é mais apertado e possui melhor isolamento que o par de categoria 3. Utilização em LANs Ethernet a Mbit/s (Base-T); categoria 5e recomendado para LANs Ethernet a Gbit/s (BASE-T) categorias 6 (5 MHz) e 7 (6 MHz); Todas as categorias mencionadas referem-se a pares simétricos sem blindagem (UTP) Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 8

11 Cabos Coaxiais Constituído por dois cabos condutores (interno e externo) com o mesmo eixo e separados por um dieléctrico - A cobertura protectora de plástico - B malha de cobre (condutor externo) - C isolador (dieléctrico) - D núcleo de cobre Condutor interior d d Elevada imunidade a interferências (devido à estrutura do cabo); Largura de banda elevada (centenas de MHz); Dieléctrico ε r Condutor exterior ε r - constante dielétrica relativa Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 8

12 Parâmetros dos cabos coaxiais Parâmetros primários: l R ρ A Parâmetros secundários: Impedância característica: aproximação para altas frequências: ωl >> R C ln πε ( d d ) 6 d Z ln ε r d 5 Ω - redes de dados 75 Ω - redes de distribuição por cabo L µ d ln π d Não introduz distorção de fase Coeficiente de atenuação: α ( f ) a + b f + cf db/km Distorção de amplitude Coeficiente de fase ( f > khz): β ε r ( ω) ω LC ω c Para./4.4 mm com f em MHz a.7, b 5.5, c.5 α ( f ) α f f α é coeficiente de atenuação à frequência f v g β ω LC c ε r τ g ε c r Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 8

13 Atenuação dos cabos coaxiais Atenuação (db / km) /4.4.6/9.5 Frequência [MHz] A sua utilização deve evitar-se para frequências inferiores a 6 khz devido a: distorção de atraso; degradação das propriedades diafónicas (interferência elevada). Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 8 3

14 Aplicação / normalização dos cabos coaxiais Passado Redes telefónicas: meio de transmissão dos sistemas de transmissão analógica de grande distância (e.g. sistemas FDM de grande capacidade - até 8 canais telefónicos com uma frequência máxima de 6 MHz - rec. G333 do ITU-T); Presente Redes Metropolitanas (MANs) e Redes Locais (LANs) RG-58 Thin Ethernet (Base) RG-8 Thick Ethernet (Base5) Redes de distribuição de televisão por cabo RG-6 terminação da rede RG- longas-distâncias Cabos normalizados pelo ITU-T: d /d 3.6 atenuação mínima Tipo.6/9.5./4.4.7/.9 Rec. ITU-T G 63 G 6 G 6 d.6 mm. mm.7 mm d 9.5 mm 4.4 mm.9 mm d/d Impedância característica Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 8 4