3.4. Линии связи в информационных каналах связи.

Линии связи являются одним из основных элементов любого канала, определяющим главные технические характеристики канала связи: надежность, помехоустойчивость, нагрузочная способность. По способу физической реализации линии связи подразделяются на четыре вида:

- проводные,

- оптические,

- радиолинии - оптоволоконные.

В системах управления технологическим оборудованием широкое распространение получили два вида линий - проводные и оптоволоконные. Использование оптических линий затруднено тем, что они требуют размещения приемника с передатчиком в пределах прямой видимости, что далеко не всегда возможно в производственных условиях. Применение радиолиний также проблематично из-за воздействия на канал мощных индустриальных помех с достаточно широкой полосой пропускания, немалую проблему составляют также помехи от многократных отражений радиосигнала от окружающих в основном радио непрозрачных материалов оборудования, зданий, оснащения.

3.4.1. Проводные линии связи.

Конструктивной особенностью таких линий является наличие металлических токопроводящих проводников с соответствующей защитной и электрической изоляцией от окружающей Среды. Как известно, передача цифровой информации на физическом уровне носит импульсный характер, но процесс формирования импульса проходит три стадии: нарастание напряжения на проводнике до заданного уровня амплитуды импульса - передний фронт, сохранение амплитуды импульса в течение его информативной длительности, спад напряжение на проводнике до уровня отсутствия информационного импульса - задний фронт. Аналогично изменяется в проводнике и электрический ток, но со сдвигом по фазе на 90 градусов. Таким образом, вследствие изменения напряжения в линии в течение определенного времени сам процесс передачи энергии от передатчика к приемнику носит волновой характер: возникшая в передатчике электромагнитная волна распространяется вдоль сигнальной линии. Дойдя до приемника, волна частично поглощается приемником, а частично - отражается и возвращается к передатчику, где также частично отражается и возвращается снова к приемнику, естественно с определенной задержкой. Таким образом, в сигнальной линии возникает явление называемое стоячей волной. Данная волна производит искажение основного сигнала. Степень искажения характеризуется коэффициентом стоячей волны:

КСВv = Vмах / V мин, где:

V мах - максимальная амплитуда результирующей волны,

V мин - минимальная амплитуда результирующей волны.

Степень искажения сигнала и соответственно КСВ зависит в первую очередь от несогласованности сопротивления нагрузки линии и волнового сопротивления линии:

КСВ = Zо / R н при Rн < Zо

и

КСВ = Rн / Zо при Rн > Zо

где: Rн - активное сопротивление нагрузки линии,

Zо - волновое сопротивление линии связи.

Очевидно, что наилучшим будет вариант, когда КСВ = 1, т.е. Zо = Rн, в этом случае волна полностью поглощается нагрузкой и ее отражения не происходит. Однако это частный и достаточно редкий случай, так как для построения экономичных систем передачи информации входное сопротивление нагрузки стараются делать как можно больше, а волновое сопротивление линий связи зависит в основном от их конструктивных параметров. Рассмотрим несколько примеров.

а. Коаксиальный кабель.

Схематическое изображение такого кабеля приведено на рис.26.а.

А. б. D d

D

d

1 2 3 1 2 3

Рис.26. Схемы сечений линий связи.

Кабель состоит из наружного проводника 1, внутреннего проводника 3 и разделяющего их слоя диэлектрика 2.Волновое сопротивление такого кабеля равно:

Zо = 138 / К * ln в / а (Ом), где:

а , в - размеры сечения кабеля на рис.23.а.

К - диэлектрическая проницаемость диэлектрика .

Значения диэлектрической проницаемости некоторых изолирующих материалов приведены в таблице 11

Таблица 11.

Материал диэлектрика	К
Воздух Бакелит Ацетилцеллюлоза Оконное стекло Слюда Бумага Оргстекло Полиэтилен Полистирол Фарфор Кварц Тефлон	1 4,4...5,4 3,3...9,9 7,6...8,0 5,4 3,0 2,8 2,3 2,6 5,1...5,9 3,8 2,1

Выпускаемые отечественной промышленностью коаксиальные кабели обычно сопровождаются данными об их распределенной емкости, индуктивности и волновому сопротивлению. Обозначение типов отечественных кабелей состоит из четырех частей:

- букв РК – признак коаксиального кабеля,

- первое число - волновое сопротивление в Ом,

- второе число - номинальный радиус изоляции, мм,

- третье число - вид изоляции (диэлектрика) и порядковый номер разработки:

вид изоляции обозначается: 1 - полиэтилен, 2 - фторопласт, 3 - полистирол, 4 - полипропилен, 5 - резина, 6 - неорганическая изоляция.

В таблице 12 приведены данные некоторых типов отечественных и зарубежных коаксиальных кабелей.

Таблица12..

Марка кабеля	Волновое сопротивление, Ом	Распределенная емкость, Пф/м	Распределенная индуктивность Мкгн/м	Наружный диаметр, мм
РК-50-2-13 РК-50-3-13 РК-50-2-21 РК-75-2-21 РК-75-3-11 РК-75-1,5-11 RG-8A/U RG-11A/U RG-59A/U 214-023 214-076	50 50 50 75 75 75 - - - - -	115 110 105 70 70 70 96,8 67,3 68,9 65,6 12,8	- - - - - - 0,27 0,38 0,36 0,36 1,15	4,0 5,0 4,0 4,0 5,0 3,0 - - - - -

Волновое сопротивление можно рассчитать по известным значениям распределенных емкости и индуктивности:

Zо = L / C (Ом), где:

L - распределенная индуктивность в Гн /м,

С - распределенная емкость в Ф / м.

б. Двухпроводная линия.

Схематическое изображение такой линии приведено на рис. 26.б. Волновое сопротивление такой линии (витая пара, ленточные кабели - шлейфы и т.п.) можно рассчитать по формуле:

Zо = 276 / К * ln D / d (ом), где:

D, d - размеры линии по рис. 23.б.

Как показано выше, наилучшие условия передачи энергии по линии возникают при условии КСВ = 1, В большинстве же случаев КСВ не равен единице.