Кабельные и воздушные линии связи на основе металлических проводников

ПРОБЛЕМА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

Цепи ЛС постоянно находятся под воздействием сторонних электромагнитных полей различного происхождения. Выделяют две основные группы источников сторонних полей:

• внутренние - соседние физические и искусственные цепи дан­ной линии связи;

• внешние - энергетически и конструктивно не связанные с линией связи.

Внешние источники помех, в свою очередь, по своему проис­хождению делятся на:

• естественные - грозовые разряды, солнечная радиация и пр.;

• созданные человеком - высоковольтные линии передачи, радио­станции, линии электрифицированных железных дорог, электри­ческие сети промышленных предприятий и отдельные энергоем­кие устройства.

Сторонние электромагнитные поля индуцируют в цепях линий связи помехи, которые не только снижают качество передачи, но иногда возбуждают большие напряжения и токи, приводящие к разрушению линий связи и аппаратуры. Указанные воздействия назы­вают электромагнитными влияниями или просто влияниями на цепи линий связи. Данная проблема является общей для всех сис­тем и устройств телекоммуникаций и называется проблемой элек­ тромагнитной совместимости. Сущность ее состоит в том, что в процессе проектирования, строительства и эксплуатации телеком­муникационных устройств и систем необходимо учитывать два противоречивых требования:

• обеспечить достаточную для нормальной работы телекоммуни­кационных систем защиту от воздействия на них сторонних элек­тромагнитных полей;

• ограничить допустимыми значениями уровни влияния электро­магнитных полей проектируемых устройств и систем на другие устройства.

При количественной оценке уровня взаимных влияний обычно рассматривают две цепи: влияющую (создающую электромагнит­ное поле) и подверженную влиянию (в которой индуцируются по­мехи) (рис. 6.6). Ближним концом линии называют тот, к которому подключен генератор, дальним концом - тот, к которому подключе­на нагрузка цепи. Соответственно рассматриваются мощности сиг­налов в цепях: Р₁₀-на ближнем конце влияющей цепи; P_1L-Ha дальнем конце влияющей цепи; Р₂₀-на ближнем конце цепи, под­верженной влиянию; Р_2L_-на дальнем конце цепи, подверженной влиянию.

 

Количественно защищенность от переходных помех из-за вза­имных электромагнитных влияний оценивается рядом показате­лей, в том числе переходным затуханием на ближнем конце линии (Near End Cross Talk-NEXT) A₀=10lg |Р₁₀/Р₂₀|, переходным зату­ ханием на дальнем конце линии (Far End Cross Talk - FEXT) A_L=10lg | P_1L/P_2L |.

 

 

КАБЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

     В настоящее время проводные линии связи широко использу­ются при построении локальных сетей. Данные линии связи стан­дартизированы и обычно называются структурированной кабель­ ной системой (СКС) [6.4,6.10]. Известны СКС категорий 3,4,5 стандартов EIA/TIA-568, TSB-36, TSB-40 специального подкомите­та TR41.8.1. Приведем основные параметры проводки:

• длина горизонтальных кабелей - не более 90 м независимо от типа кабеля;

• к применению допускаются кабели четырех типов: 4-парный из неэкранированных витых пар с волновым сопротивлением 100 Ом; 2-парный из экранированных витых пар с волновым сопротивле­нием 150 Ом; коаксиальный с волновым сопротивлением 50 Ом; волоконно-оптический с волокнами диаметром 62,5/125 мкм;

• типы соединителей: модульный 8-контактный RJ-45; 4-контакт­ный по стандарту IEEE 802.5; коаксиальный BNC; оптический не определен;

• на каждом рабочем месте устанавливается не менее двух ро­зеток;

• разводка кабелей должна соответствовать топологии «звезда».

Общая структура СКС показана на рис.6.11.

РАДИОЛИНИИ

В радиолиниях связи средой распространения электромагнит­ных волн в подавляющем большинстве случаев (за исключением случая связи между космическими аппаратами) является атмо­сфера Земли. На рис. 6.12 приведено упрощенное строение атмос­феры Земли.

    Реально строение атмосферы более сложно и приведенное деление на тропосферу, стратосферу и ионосферу достаточно ус­ловно. Высота слоев приблизительна и различна для разных гео­графических точек Земли. Около 80 % массы атмосферы сосредоточено в тропосфере и около 20 % - в стратосфере. Плотность атмо­сферы в ионосфере крайне мала, граница между ионосферой и кос­мическим пространством является условным понятием, так как следы атмосферы встречаются даже на высотах более 400 км. Считается, что плотные слои атмосферы заканчиваются на высоте около 120 км.

 

 

Типичный вид радиолинии показан на рис.6.13. Линия может состоять из двух оконечных станций, примером таких радиолиний являются линии сетей передачи сообщений массового характера (сети телевизионного и радиовещания). Радиолиния может содер­жать несколько промежуточных переприемных станций. Так стро­ятся линии радиорелейных систем передачи.

Классификация и способы распространения радиоволн приве­дены в табл.6.2 и 6.3. Деление радиоволн на диапазоны установ­лено Международным регламентом радиосвязи ITU-R.

Радиоволны, излучаемые передающей антенной, прежде чем попасть в приемную антенну, проходят в общем случае сложный путь. На значение напряженности поля в точке приема оказывает влияние множество факторов. Основные из них:

• отражение электромагнитных волн от поверхности Земли;

• преломление (отражение) в ионизированных слоях атмосферы (ионосфере);

• рассеяние на диэлектрических неоднородностях нижних слоев атмосферы (тропосфере);

• дифракция на сферической выпуклости Земли.

Кроме того, напряженность поля в точке приема зависит от длины волны и освещенности земной атмосферы Солнцем и ряда других факторов.

	Таблица 6.2
Вид радиоволн	Основные способы распростра­нения радиоволн	Дальность связи, км
Мириаметровые и километ­ровые (сверхдлинные и длин­ные)	Дифракция. Отражение от Земли и ионо­сферы	До тысячи. Тысячи
Гектометровые (средние)	Дифракция. Преломление в ионосфере	Сотни. Тысячи
Декаметровые (короткие)	Преломление в ионосфере и отражение от Земли	Тысячи
Метровые и более короткие	Свободное распространение и отражение от Земли. Рассеяние в тропосфере	Десятки.   Сотни

 

Та блица 6.3
Вид радиоволн	Тип радиоволн	Диапазон радиоволн (длина волны)	Номер диапазона	Диапазон частот	Вид радио­частот
Мириаметровые	Сверх­длинные	10...100 км	4	3...30 кГц	Очень низкие (ОНЧ)
Километровые	Длинные	1...10 км	5	30...300 кГц	Низкие (НЧ)
Гектометровые	Средние	100...1000 м	6	300...3000 кГц	Средние (СЧ)
Декаметровые	Короткие	10...100 м	7	3...30 МГц	Высокие (ВЧ)
Метровые	Ультра­короткие	1...10М	8	30...300 МГц	Очень высокие (ОВЧ)
Дециметровые		10...100 см	9	300...3000 МГц	Ультра­высокие (УВЧ)
Сантиметровые		1...10см	10	3...30 ГГц	Сверх высокие (СВЧ)
Миллиметровые		1...10 мм	11	30...300 ГГц	Крайне высокие (КВЧ)
Децимиллимет- ровые		0,1...1 мм	12	300...3000 ГГц	Гипер высокие (ГВЧ)

 

                      

 

 

Характеристики линий связи

Типы характеристик и способы их определения

К основным характеристикам линий связи относятся:

• амплитудно-частотная характеристика;

• полоса пропускания;

• затухание;

• помехоустойчивость;

• перекрестные наводки на ближнем конце линии;
• пропускная способность;

• достоверность передачи данных;

• удельная стоимость.

В первую очередь разработчика вычислительной сети интересуют пропускная способность и достоверность передачи данных, поскольку эти характеристики прямо влияют на производительность и надежность создаваемой сети. Пропускная спо­собность и достоверность — это характеристики как линии связи, так и способа передачи данных. Поэтому если способ передачи (протокол) уже определен, то известны и эти характеристики. Например, пропускная способность цифровой линии всегда известна, так как на ней определен протокол физического уровня, который задает битовую скорость передачи данных — 64 Кбит/с, 2 Мбит/с и т. п.

Однако нельзя говорить о пропускной способности линии связи, до того как для нее определен протокол физического уровня. Именно в таких случаях, когда только предстоит определить, какой из множества существующих протоколов можно использовать на данной линии, очень важными являются остальные характеристи­ки линии, такие как полоса пропускания, перекрестные наводки, помехоустойчи­вость и другие характеристики.

Для определения характеристик линии связи часто используют анализ ее реак­ций на некоторые эталонные воздействия. Такой подход позволяет достаточно про­сто и однотипно определять характеристики линий связи любой природы, не прибегая к сложным теоретическим исследованиям. Чаще всего в качестве эталон­ных сигналов для исследования реакций линий связи используются синусоидаль­ные сигналы различных частот. Это связано с тем, что сигналы этого типа часто встречаются в технике и с их помощью можно представить любую функцию вре­мени — как непрерывный процесс колебаний звука, так и прямоугольные импуль­сы, генерируемые компьютером.

КАБЕЛЬНЫЕ И ВОЗДУШНЫЕ ЛИНИИ СВЯЗИ НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОВОДНИКОВ

Существующие линии связи (ЛС) в зависимости от ис­пользуемой среды распространения сигналов принято делить на проводные и радиолинии.

К линиям связи предъявляются следующие основные требо­вания:

• осуществление связи на практически требуемые расстояния;

• широкополосность и пригодность для передачи различных видов сообщений;

• защищенность цепей от взаимных влияний и внешних помех, а также от физических воздействий (атмосферных явлений, корро­зии и пр.);

• стабильность параметров линии, устойчивость и надежность связи;

• экономичность системы связи в целом.

Часто возникает путаница в применениях терминов «провод», «кабель» и «линия связи». Провод - конструктивный элемент, пред­ставляющий собой проводник (проводники) той или иной конструкции в изолирующем покрытии. Кабель - законченная конструкция, со­стоящая из одного или нескольких проводов, заключенных в общие экранирующие, защитные и прочие покровы. Линия связи - инженер­ное сооружение, состоящее из проложенного по определенной гео­графической трассе кабеля связи, при необходимости снабженная устройствами защиты от внешних влияний (грозоразрядники и т.п.), а также усилительными и регенерационными пунктами.

Рассмотрим проводные ЛС. В простейшем случае проводная ЛС - физическая цепь, образуемая парой металлических проводни­ков. По конструкции и взаимному расположению проводников разли­чают симметричные и коаксиальные провода и кабели связи (рис.6.1).

Симметричный провод состоит из двух совершенно одинако­вых в электрическом и конструктивном отношениях изолированных проводников. В зарубежных источниках его часто называют «витая пара» (Twisted Pair-TP). Различают экранированные (shielded) и неэкранированные (unshielded) симметричные провода.

 

                                                                                 

 

Коаксиальный провод (от англ. co-axial - соосный) представля­ет собой два цилиндра с совмещенной осью, причем один ци­линдр-сплошной внутренний проводник концентрически располо­жен внутри другого полого цилиндра (внешнего проводника). Про­водники изолированы друг от друга диэлектрическим материалом. Рассмотрим основные параметры симметричных и коак­сиальных кабелей (СК и КК).

 Наилучши­ми свойствами (малым сопро­тивлением) обладают медь и серебро. Коэффициент затуха­ния зависит также от геометри­ческих размеров проводников. СК с большими диаметрами про­водников имеют меньший ко­эффициент затухания. Коэффи­циент затухания КК зависит от соотношения диаметров внеш­него и внутреннего проводника (рис.6.2). Оптимальными соот­ношениями являются (материал внешнего проводника): 3,6 для меди, 3,9 для алюминия, 5,2 для свинца.

Очень важной характери­стикой, фактически определяю­щей широкополосность системы связи, является зависимость коэффициента затухания от частоты (рис.6.3). Если определен гра­ничный коэффициент затухания а_гр (обычно он определяется воз­можностями усилителей или регенераторов (см. § 5.4)), то данному коэффициенту соответствует граничная частота пропускания сис­темы /ф. Полоса пропускания системы не превышает граничной частоты пропускания.

Частотная зависимость скорости распространения (v, км/мс). показана на рис.6.4. С ростом частоты скорость распространения увеличивается, приближаясь к скорости света в вакууме v_c~300 км/мс. Данный параметр зависит также от свойств диэлектрика, приме­няемого в кабеле.

Волновое сопротивление (Z_B, Ом) - сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль однородной линии без отражения, т.е. при условии, что на процесс передачи не влияют несогласованности на концах линии. Волно­вое сопротивление СК зависит от удельных значений емкости и индуктивности кабеля. Для КК волновое сопротивление определяется как Z_y =(1/2π)ZIn(D/d), где Z-волновое сопротивление диэлек­трика, D и d - соответственно диаметры внешнего и внутреннего проводников.

Основные требования к СК определены в рекомендации ITU-T G.613. Диаметр жилы СК обычно составляет 0,4...1,2 мм. Как пра­вило, СК обычно используются в диапазоне частот до 10 МГц. Ос­новные параметры КК приведены в табл.6.1.

 

Тип КК	Диаметр проводника внутренний/внешний, мм	Рекомендация ITU-T	Рабочая полоса частот, МГц
Мини-КК	0,7/2,9	G.621	0,2...20
Малогабаритный КК	1,2/4,4	G.622	0,06...70
Нормализованный КК	2,6/9,5	G.623	0,06...300

В настоящее время выпускается широкая номенклатура кабе­лей, различающихся назначением, областью применения, усло­виями прокладки и эксплуатации и пр.

На рис.6.5 приведен пример конструкции кабеля для магист­ральной сети КМБ-8/7. В конструкции кабеля предусмотрено не­сколько коаксиальных цепей разного типа, несколько симметрич­ных пар, а также отдельные изолированные жилы. Последние обычно используются для технологических целей.

 

 

 

 

Воздушные ЛС (ВЛС) не имеют изолирующего покрытия между проводниками, роль изолятора играет слой воздуха. Проводники выполняются, в основном, из биметаллической сталемедной (ста-леалюминевой) проволоки. Внутренний диаметр стальной проволо­ки обычно составляет 1,2...4 мм, толщина внешнего слоя меди (алюминия) 0,04...0,2 мм. Проволока подвешивается на деревянных или железобетонных опорах с помощью фарфоровых изоляторов. Используемый частотный диапазон ВЛС не превышает 150 кГц.