Тема 3.2. Проводные линии связи.

1.Коаксиальный кабель и витая пара.

Коаксиа́льный ка́бель , также известный как коаксиал — электрический кабель, состоящий из расположенных соосно центрального проводника и экрана. Обычно служит для передачи высокочастотных сигналов.

Коаксиальный кабель состоит из:

• 4 — оболочки (служит для изоляции и защиты от внешних воздействий) из устойчивого к ультрафиолетовому излучению солнца полиэтилена или иного изоляционного материала;

• 3 — внешнего проводника (экрана) в виде оплетки, фольги и др.

• 2 — изоляции, выполненной в виде сплошного или полувоздушного диэлектрического заполнения, обеспечивающей постоянство взаимного расположения (соосность) внутреннего и внешнего проводников;

• 1 — внутреннего проводника в виде одиночного прямолинейного (как на рисунке) или свитого в спираль провода, многожильного провода (чаще медного).

Основное назначение коаксиального кабеля — передача высокочастотного сигнала в различных областях техники.

Классификация

1. По назначению — для систем кабельного телевидения, для систем связи, авиационной, космической техники, компьютерных сетей, бытовой техники и т. д.

2. По волновому сопротивлению:

• 50 Ом — наиболее распространённый тип, применяется в разных областях радиоэлектроники. Небольшие потери в кабеле.

• 75 Ом — распространённый тип, применяется преимущественно в телевизионной. Меньше ослабление сигнала, ниже потери в кабеле.

• 100 Ом — применяется редко

• 150 Ом — применяется редко

• 200 Ом — применяется крайне редко.

• Имеются и иные номиналы;

3. По диаметру изоляции:

• субминиатюрные — до 1 мм;

• миниатюрные — 1,5—2,95 мм;

• среднегабаритные — 3,7—11,5 мм;

• крупногабаритные — более 11,5 мм.

4. По гибкости (стойкость к многократным перегибам и механический момент изгиба кабеля): жёсткие, полужёсткие, гибкие, особо гибкие.

5. По степени экранирования:

• со сплошным экраном

  • с экраном из металлической трубки

  • с экраном из лужёной оплётки

• с обычным экраном

  • с однослойной оплёткой

  • с двух- и многослойной оплёткой и с дополнительными экранирующими слоями

• излучающие кабели, имеющие намеренно низкую (и контролируемую) степень экранировки

Наиболее распространённые категории кабеля:

• RG-11 и RG-8 — «толстый Ethernet» ,75 Ом и 50 Ом соответственно. Стандарт 10BASE-5;

• RG-58 — «тонкий Ethernet» (Thinnet), 50 Ом. Стандарт 10BASE-2:

• RG-58/U — сплошной центральный проводник,

• RG-58A/U — многожильный центральный проводник,

• RG-58C/U — военный кабель;

• RG-59 — телевизионный кабель ,75 Ом.

• RG-6 — телевизионный кабель, 75 ом, имеет несколько разновидностей.

• RG-11- магистральный кабель, для больших расстояний, в сложных условиях.

• RG-62 —93 Ом.

2. Волноводы и микрополосковые линии связи.

Волновод — искусственный или естественный канал, способный поддерживать распространяющиеся вдоль него волны, поля которых сосредоточены внутри канала или в примыкающей к нему области.

Типы волноводов:

1. Экранированные. Имеют хорошо отражающие стенки.

2. Неэкранированные. Локализация поля обусловлена явлением полного внутреннего отражения от границ раздела двух сред .

Свойства волноводов

• Основное свойство волновода — существование в нём набора распространяющихся волн (мод), их фазовые скорости зависят от частоты .

• В экранированном волноводе фазовые скорости обычно больше скорости распространения однородной волны в среде(скорость света, скорость звука), эти волны называются быстрыми. При неполном экранировании они могут просачиваться сквозь стенки волновода. Это так называемые утекающие волны. В открытых волноводах, как правило, распространяются медленные волны.

• Каждая мода характеризуется предельной частотой, называемой критической;

• При больших частотах волновод становится сверхразмерным (поперечные размеры волновода значительно превышают длину волны): тогда в нём одновременно распространяется множество мод, которые могут группироваться в лучи. Они периодически то отражаются, то отрываются от стенок волновода. В местах отрыва стенки можно убрать, заменив волноводы последовательно расставленными отражателями. Такие системы относят квазиоптическим волноводам или к квазиоптическим линиям передачи.

Микрополосковая линия — несимметричная полосковая линия передачи СВЧ, для передачи электромагнитных волн в воздушной, как правило, в диэлектрической среде, вдоль двух или нескольких проводников, имеющих форму тонких полосок и пластин.

Линии получили название микрополосковые, т.к. в результате высокой диэлектрической проницаемости подложки её толщина и поперечные размеры полосы намного меньше длины волны в свободном пространстве.

В микрополосковой линии распространяется волна квази-ТЕМ и силовые линии электрического поля проходят не только в диэлектрике, но и вне его.

Основным достоинством микрополосковой линии и различных устройств на её основе считается возможность автоматизации производства с применением технологий изготовления печатных плат, гибридных и плёночных интегральных микросхем. Основной недостаток, ограничивающий применение, — возможность применения только при малых и средних уровнях мощности СВЧ колебаний.

Основные параметры

• Волновое сопротивление

• Коэффициент затухания на единицу длины (погонное затухание)

3. Волоконно-оптический кабель.

Опти́ческое волокно́ — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Конструкция

Оптическое волокно имеет круглое сечение и состоит из двух частей — сердцевины и оболочки. Для внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней. Возможны и более сложные конструкции: в качестве сердцевины и оболочки могут применяться двумерные фотонные кристаллы, часто используются волокна с градиентным профилем преломления, форма сердцевины может отличаться от цилиндрической. Такие конструкции обеспечивают свойства: удержание поляризации распространяющегося света, снижение потерь и др.

Классификация:

Оптические волокна могут быть одномодовым(с небольшим диаметром сердцевины) и и многомодовыми( больший диаметр сердцевины). В настоящее время практически все производимые волокна являются одномодовыми.

Существует три основных типа одномодовых волокон:

1. Одномодовое ступенчатое волокно с несмещённой дисперсией, применяется в большинстве оптических систем связи.

2. Одномодовое волокно со смещённой дисперсией, в котором наблюдается минимальное затухание.

3. Одномодовое волокно с ненулевой смещённой дисперсией

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит снижению влияния дисперсии на искажение оптического импульса из-за преломления.

Оптические волокна широко используются

• для освещения.

• для формирования изображения.

• при конструировании волоконного лазера (применяются в промышленности для резки металлов и маркировки продукции)

Тема 3.3.

1. Электромагнитные волны. Распространение электромагнитных волн в среде. Диапазоны радиоволн.

Электромагни́тное излуче́ние (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля .

К излучению относят ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников — движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием.

Электромагнитное излучение подразделяется на:

• радиоволны (начиная со сверхдлинных),

• инфракрасное излучение,

• видимый свет,

• ультрафиолетовое излучение,

• рентгеновское излучение и жесткое (гамма-излучение) (см. ниже, см. также рисунок).

Электромагнитное излучение способно распространяться практически во всех средах. В вакууме излучение распространяется без затуханий на сколь угодно большие расстояния, но в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в пространстве, заполненном веществом.

Основными характеристиками электромагнитного излучения принято считать частоту, длину волны и поляризацию (явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H)

Радиоволны возникают при протекании по проводникам переменного тока соответствующей частоты. И наоборот, проходящая в пространстве электромагнитная волна возбуждает в проводнике соответствующий ей переменный ток. Это свойство используется в радиотехнике при конструировании антенн.

Радиоволны. Ультракороткие радиоволны принято разделять на метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые и субмиллиметровые (микрометровые). Волны с длиной λ < 1 м (ν > 300 МГц) принято также называть микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ).

2. Антенно-фидерные устройства, классификация антенн, параметры антенн.

Антенно фидерные устройства (АФУ) — предназначаются для передачи сигналов в системах радиосвязи, радиовещания, телевидения, а также других радиотехнических системах, использующих для передачи информации свободное распространение радиоволн.

Функции антенн : излучение или прием электромагнитных волн.

• Передающая антенна преобразует энергию волн, поступающих от передатчика к антенне, в энергию свободных колебаний, распространяющихся в окружающем пространстве. Передающая антенна должна обеспечивать рациональное распределение энергии в пространстве.

• Приёмная антенна улавливает энергию свободных колебаний и превращает ее в энергию волн, которая поступает по фидеру на вход приемника. Для приемных антенн диаграмма направленности (ДН) — это зависимость тока в нагрузке антенны, то есть в конечном счете в приемнике, или ЭДС наводимой на входе приемника, от направления прихода электромагнитной волны, облучающей антенну. Направленность антенн повышает качество приёма.

Важную роль в работе антенных устройств играет линия передач (фидер), которая передаёт энергию от генератора к антенне (в передающем режиме) или от антенны к приёмнику (в режиме приёма).

Основные требования к фидеру сводятся к его электрогерметичности (отсутствию излучения энергии из фидера) и малым тепловым потерям. В передающем режиме волновое сопротивление фидера должно быть согласовано с входным сопротивлением антенны и с выходом передатчика.

Антенны, применяемые в настоящее время, можно классифицировать:

По назначению

• передающие

• приемные

• приемно-передающие

• антенны для радиосвязи

• и др.

По диапазону использования различают:

• длинноволновые

• коротковолновые

• метровые

• дециметровые

• сантиметровые

По диапазонным свойствам различают антенны:

• узкополосные

• широкополосные

• частотно независимые

По свойствам направленности излучателя и приема различают антенны:

• Направленные

• Ненаправленные:

• Кругового (равномерного) излучения вдоль земли

• Направленного излучения вдоль земли

• Зенитного излучения

• Комбинированного излучения (в зенит и вдоль земли)

Существуют такие величины, характеризующие антенны:

• Мощность излучения (часть подводимой к антенне мощности, расходуемой на создание электромагнитных волн)

• мощности потерь (другая часть мощности, расходуется на нагрев проводов, в изоляторах, в земле и других источниках потерь)

• сопротивления излучения

• сопротивления потерь

• реактивного сопротивления антенн

3.Радиорелейные линии связи.

Радиореле́йная свя́зь— один из видов радиосвязи, образованной цепочкой приёмо-передающих радиостанций. Наземная радиорелейная связь осуществляется обычно на деци- и сантиметровых волнах.

По назначению радиорелейные системы связи делятся на три категории, каждой из которых на территории России выделены свои диапазоны частот:

• местные линии связи от 0,39 ГГц до 40,5 ГГц

• внутризоновые линии от 1,85 ГГц до 15,35 ГГц

• магистральные линии от 3,4 ГГц до 11,7 ГГц

Данное деление связано с влиянием среды распространения на обеспечение надёжности радиорелейной связи.

Атмосферные потери, в основном, складываются из:

• Потерь в атомах кислорода и в молекулах воды.

• Также отрицательно на радиосвязь влияют гидрометеоры, к которым относятся капли дождя, снег, град, туман и пр.

• Влияют антенны соседних станций в пределах прямой видимости (за исключением тропосферных станций).

Принципиальным отличием радиорелейной станции от иных радиостанций является дуплексный режим работы, то есть приём и передача происходят одновременно (на разных несущих частотах).

Радиорелейные сети связи строятся на основе двух технологий: PDH и SDH оборудования. Потоки, предлагаемые радиорелейными линиями с технологией PDH, считаются средне- и низкоскоростными. Для организации высокоскоростных потоков используют технологию SDH. Скорость передачи таких систем уровня STM-16 достигает 2.5 Гбит/с. Для защиты трафика применяются различные схемы резервирования оборудования.

ВОЗМОЖНОСТИ

• протяженность линии радиорелейной связи - до 10000 км,

• емкость - до нескольких тысяч каналов

• скорость передачи данных - до 2.5 Гбит/c.

Технологии, используемые в РРЛ:

Цифровые РРЛ используются не только для организации линий связи, а также для организации Ethernet линий со скоростью передачи до 2,5 Гбит/с связи без использования таких технилогий, как EoPDH, PoSDH. Передача Ethernet кадров без необходимости инкапсуляции их TDM кадры (потоки E1 или E3, фреймы SDH и т.п) возможна благодаря использованию пакетного радиокадра вместо TDM радиокадра в радиоканале. Согласно технологиям, используемым для организации радиокадров различают следующие виды цифровых РРЛ:

• пакетные РРЛ

• гибридные РРЛ

• TDM РРЛ

Преимущества:

• Радиорелейные линии связи требуют гораздо меньших затрат и времени на развертывание, чем ВОЛС, они могут быть проложены оперативно в сложных географических условиях.

• РРЛ наиболее эффективны при развертывании разветвленных цифровых сетей в больших городах и индустриальных зонах, где прокладка ВОЛС слишком дорога или вовсе невозможна, а качество передачи информации по современным РРЛ не уступает ВОЛС.