Глава 8

ТЕЛЕМЕХАНИЧЕСКИЕ КАНАЛЫ СВЯЗИ И ИХ АППАРАТУРА

Классификация каналов связи

Информация, используемая в системах управления устройствами электроснабже­ния, передается от источника информации до ее приемника по каналам связи.

Каналом связи или каналом передачи информации называется совокупность тех­нических средств и тракта (аппаратуры и линии связи), предназначенных для незави­симой передачи сигналов на расстояние от источника информации до ее приемника. Для организации каналов связи используются линии связи.

Линия связи — это физическая среда, например, провода линии, по которым осу­ществляется передача сигналов. Одна линия связи может быть использована для образо­вания многих каналов связи с независимой передачей сигналов.

Классификация каналов связи осуществляется по различным признакам и пара­метрам.

По видам линий и способам образования в них каналов можно классифицировать каналы следующим образом:

1. физические, образуемые на проводных линиях связи;

2. искусственные — дополнительные каналы на занятых проводных линиях;

3. частотные — на выделенных или занятых проводных цепях;

4. высокочастотные, передаваемые по проводным линиям;

5. высокочастотные, передаваемые по проводам линий электропередачи и сило­вым разветвленным сетям;

6. радиорелейные, выделенные для телемеханики в радиорелейных линиях;

7. радиоканалы.

8. По характеру эксплуатации каналы связи можно разделить на:

9. выделенные, постоянно включенные между двумя пунктами;

коммутируемые, создаваемые по вызову на основе разных каналов и распадаю­щиеся автоматически после окончания передачи.

По физической природе колебаний, используемых для передачи сообщений кана­лы делятся на электрические, электромагнитные, оптические, акустические и т. д.

Для передачи сигналов телемеханики используется практически весь освоенный спектр частот, который делится на ряд диапазонов: 0—300 Гц — подтональный; 300— 3400 Гц — тональный (телефонный); 3400—10000 Гц — надтональный; 10—150 кГц — высокочастотный; 150 кГц—30000 МГц — радиочастотный.

Подтональный диапазон частот используют для передачи сигналов телемеханики по проводным линиям связи импульсами постоянного тока или с помощью узкополос­ных (1—10 Гц) частотных каналов. В тональном диапазоне образуют частотные каналы в выделенных для телемеханики проводных линиях связи, а также для образования вторичных каналов в выделенных для телемеханики высокочастотных телефонных или радиоканалах. Надтональный диапазон используется для уплотнения занятых проводных цепей. Высокочастотный диапазон используется для образования телефонных каналов с возможностью уплотнения их каналами телемеханики, а также для организации кана-

лов связи по высоковольтным линиям электропередачи. Диапазон радиочастот подраз­деляют на поддиапазоны длинных, средних, коротких, ультракоротких (метровых и сантиметровых) волн. Все эти диапазоны используют для образования радиоканалов, а более высокие частоты — как для радиоканалов, так и для радиорелейных линий.

В системах телемеханики, как правило, используют электрические каналы связи. В соответствии с характером и расположением контролируемых объектов выбирается кон­фигурация и структура линий связи. Большинство промышленных и транспортных объек­тов стационарные. Они могут быть сконцентрированы в одном пункте (сосредоточенные объекты) или разбросаны поодиночке на большой территории (рассредоточенные). Орга­низация каналов связи в каждом случае будет иметь свои особенности. Линии связи могут быть радиальными (см. рис. 6.3, а), когда каждый контролируемый пункт соединяется с диспетчерским отдельной линией; цепочечными или лучевыми (см. рис. 6.3, б), у которых рассредоточенные контролируемые пункты КП последовательно присоединяются к общей линии связи без каких-либо пересечений и ответвлений; древовидные одноствольные (см. рис. 6.3, в) и многоствольные (см. рис. 6.3, г), когда к общей линии связи в различных точках подключают рассредоточенные КП с ответвлениями от основных направлений.

Канал связи является ответственной частью системы управления, во многом оп­ределяющей надежность и точность передачи информации.

Устройства телемеханической связи должны обеспечивать:

бесперебойную и безотказную связь между пунктами передачи и приема инфор­мации, что достигается качеством аппаратуры и надежностью линий связи;

высокое качество передачи, соблюдение заданных параметров передаваемых сигналов, помехоустойчивость, что обеспечивается качеством приемно-передающего узла и канала связи в целом;

постоянный контроль состояния всего тракта передачи информации;

готовность к работе в любой момент времени и автоматичность действия.

Резервирование каналов связи телемеханики обычно не требуется, однако для

возможности последующего расширения телемеханизации предусматривают резервные (свободные) пары проводов или жил кабеля связи.

Проводные линии связи

На транспорте и промышленных предприятиях в системах управления, как прави­ло, используются электрические каналы связи, образуемые по кабельным и воздуш­ным проводным линиям.

Воздушные линии — наиболее старый вид проводной связи. Они очень подвержены влиянию внешних условий и помех. Для линий используют стальные и биметалличес­кие (стальные, покрытые слоем меди) провода. Медные провода практически не при­меняют вследствие высокой стоимости. Для магистральных линий используют биметал­лические провода, в которых на высоких частотах затухание сигнала вследствие повер­хностного эффекта почти такое же, как и в медных. Линии со стальными проводами имеют худшие характеристики: больше затухание сигнала, меньше ширина спектра ра­бочих частот. Однако их стоимость значительно ниже, поэтому они широко применяют­ся для телефонии и телемеханики на железнодорожном транспорте.

Кабельные линии, несмотря на их высокую стоимость (в 8—10 раз выше воздушных) получили наибольшее распространение. Это объясняется рядом существенных преиму­ществ кабельных линий, которые заключаются в их высокой механической прочности, помехозащищенности, значительно меньшей зависимости от метеорологических усло­вий и т. д. Кроме того, следует учитывать, что во многих случаях вообще не представляет­ся возможным прокладывать воздушные линии (например, вдоль железнодорожных ли­ний, электрифицированных на переменном токе). Кабельная канализация в этом случае является единственным способом создания физической проводной линии связи.

Каналы связи по кабельным линиям с использованием современных систем пере­дачи наиболее надежны и совершенны. Дальность передачи (с промежуточными усили­телями) может достигать нескольких тысяч километров.

При производстве кабеля отдельные жилы свивают парами, а пары — в четверки. Скручивание пар и четверок позволяет обеспечить симметрию жил (одинаковые емко­сти по отношению к оболочке) и наименьшее значение емкостей между парами. В ре­зультате этого уменьшается взаимное влияние отдельных пар. Такие кабели называют симметричными. Рабочий диапазон частот в симметричных кабелях может составлять несколько сотен килогерц в зависимости от их конструкции.

Известны системы передачи, в которых число каналов достигает 180 на одну пару проводов. Дальнейшее увеличение числа каналов возможно в несимметричных кабелях. Коаксиальные кабели образуют из отдельных коаксиальных трубок, разме­щенных под общей оболочкой вместе с сигнальными парами, а иногда и с четвер­ками кордельной конструкции. Применение коаксиальных кабелей позволяет рас­ширить рабочий диапазон частот до нескольких мегагерц. Так, при работе с частота­ми до 12 МГц в таком кабеле можно образовать до 2700 телефонных каналов или один телевизионный и 1200 телефонных каналов.

Параметры и характеристики проводных линий связи определяются их свойствами, зависящими от материала, площади поперечного сечения проводов, расстояния между ними, изоляции и т. д. Эти свойства определяются первичными и вторичными параметрами.

К первичным параметрам относятся активное сопротивление R, индуктивность L, емкость С и проводимость изоляции (утечка) G, приходящиеся на единицу длины.

Активное сопротивление R, Ом/км зависит от материала и площади поперечного сечения провода.

Индуктивность L, мГн/км учитывает индуктивность каждого провода и взаимную индук­тивность между ними. Индуктивность L зависит от расстояния между проводами, их диамет­ра, материала и частоты (в основном для стальных проводов). Для воздушных линий с мед­ными проводами индуктивность примерно 2 мГн/км, а при стальных проводах — 15 мГн/км. Индуктивность кабельных линий составляет десятые доли миллигенри на 1 км длины.

Емкость С, мкФ/км зависит от диаметра проводов и расстояния между ними, а также от диэлектрической проницаемости изолирующей среды. Для воздушных двух­проводных линий емкость составляет около 0,006 мкФ/км, емкость кабельной линии значительно больше — около 0,03—0,04 мкФ/км.

1

Активная проводимость G, — определяется качеством и состоянием изоля-

Ом-км

ции, а у воздушных линий зависит от атмосферных условий. Если при сухой погоде она

равна 0,1*10^-6 1/Ом*км, то в дождь и туман — 0,5*10 ^-10 1/Ом*км . Проводимость изоляции

кабеля 10^-9 -10^-10 1/Ом*км При постоянном токе и заметно растет с частотой.

К вторичным параметрам линии связи относятся волновое сопротивление Z_c и по­стоянная распространения у, которые являются производными от первичных параметров.

Волновое сопротивление Z_c определяется как отношение напряжения в любой точке линии к току, представляет собой комплексную величину и является производ­ной от первичных параметров: Она представляет собой комплексную величину:

где a — коэффициент затухания напряжения и тока вдоль линии на единицу ее длины, являющийся действительной частью комплексной величины; β — угловой или фазовый коэф­фициент, представляющий изменение фазы колебания на единицу длины линии.

На железных дорогах применяют магистральный кабель связи типа МКПАБ и воз­душные линии связи на линиях, электрифицированных на постоянном токе. На рис. 8.1 проведены зависимости а и Z_c от частоты. Кривые 1 построены для магистрального кабеля типа МКПАБ с диаметром жил 1,05 мм, а кривые 2 — для воздушных линий со стальны­ми проводами диаметром 4 мм. С увеличением частоты коэффициент затухания а быстрее нарастает в кабельных линиях, а волновое сопротивление Z_c быстрее в них спадает.

В проводной связи для измерения мощности сигналов и помех в различных точках линии принято оценивать по логарифмической шкале. За начало отсчета принят услов­ный нулевой уровень, соответствующий мощности Р₀ = 1 мВт. Абсолютным уровнем мощности в какой-либо точке называется

(8.4)

где Р_х — мощность сигнала в точке х линии, мВт.

Очевидно, что при Р_х > 1 мВт абсолютный уровень мощности оценивается поло­жительным числом (р > 0), а при Р_х < 1 мВт — отрицательным (р < 0).

Абсолютный уровень мощности может быть определен также через напряжение и ток:

де U_x, 1_Х — напряжение и ток сигнала в точке х линии, В, А; £/₀, /₀ — напряжение и ток сигнала, соответствующие нулевому уровню мощности, В, А.

При одном и том же абсолютном уровне мощности напряжения и токи могут быть различными в зависимости от сопротивления линии. В проводной связи используются магистральные кабельные линии с Z_c — 200 Ом, воздушные линии со стальными прово­дами, имеющие Z_c = 1200 Ом. Для этих сопротивлений, измеренных на частоте 800 Гц, напряжения при нулевом уровне мощности сигнала соответственно равны 0,7 и 1,1 В.

При передаче по линии вследствие потерь в сопротивлении и изоляции происхо­дит потеря энергии сигнала. В результате напряжение и ток в конце линии оказываются меньшими, чем в начале, происходит затухание сигнала.

Затухание, вносимое участком линии между точками I и 2, определяется выраже­нием (8.7)

где U₁ и I₁ — напряжение и ток сигнала в точке 1; U₂ и I₂ — напряжение и ток сигнала в точке 2.

Аналогичным образом определяется затухание в любых элементах канала связи, например, в фильтрах. Также оценивают и увеличение уровня сигнала в усилителях. Если мощность сигнала на выходе передатчика Р_п, то уровень передачи

(8.8)

При коэффициенте затухания а затухание, вносимое линией длиной I, можно определить по выражению

(8.9)

где Р_пр — мощность на приемнике сигнала в конце линии.

Уровень сигнала в конце линии длиной I можно определить по формуле^

(8.10)

При передаче на сигнал воздействуют помехи. При мощности помехи ее

уровень определяется как:

(8.11)

Надежная работа канала связи может быть обеспечена лишь при достаточном уровне превышения сигнала в месте приема над уровнем помех, не менее чем на р_си. Мощность сигнала в линии не должна превышать величины, при которой сигнал будет оказывать мешающее влияние на другие каналы связи, работающие по этой же цепи или на близком расстоянии от нее. Во избежание этого устанавливают допусти­мый уровень передачи p_доп в начале линии. Наименьший уровень сигнала в точке при­ема должен превышать уровень помехи и равен:

(8.12)

Наибольшее допустимое затухание при передаче сигнала определяется как раз­ность между максимальным уровнем при передаче и минимальным при приеме:

(8.13)

Зная коэффициент затухания а для данной линии и допустимую величину затуха­ния в линии a_дОП, нетрудно определить дальность передачи

(8.14)

Для проводных линий связи стандартом устанавливается уровень помехи p_пом = — 49 дБ (около 2,5 мВ на 600 Ом). Это, так называемая, псофометрическая помеха, за которую принимают условную помеху на частоте 800 Гц, оказывающую на человеческое ухо то же воздействие, что и суммарная помеха, реально существующая в диапазоне звуковых частот.

Иногда уровни величин оценивают натурральным логарифмом соответствующего отношения, при этом их измеряют в неперах:

(8.15)

Затуханием в 1 Нп обладает линия, в которой напряжение или ток в начале линии больше, чем эти же параметры в конце ее, в 2,72 раза.

Единицы измерения уровней сигналов связаны следующими соотношениями:

1Нп = 8,68 дБ; 1дБ = 0,115 Нп.

Затухание, вносимое другими элементами, а также увеличение мощности сигна­лов усилителями измеряют также в неперах (Нп) и децибелах (дБ).

Разделение каналов связи

Вьщеление самостоятельных проводных линий для передачи разных видов телеме­ханической информации не всегда возможно, а во многих случаях нерационально по экономическим соображениям вследствие слабого использования каналов по частот­ному спектру и времени. Современные технические средства позволяют осуществлять многократное использование выделенной линии связи. При этом уплотняют уже заня­тые проводные цепи связи.

Искусственные цепи создаются на занятых телефонных линиях. Такой способ уп­лотнения является наиболее простым, доступным и дешевым. Применяются симмет­ричные и несимметричные искусственные цепи.

На рис. 8.2 представлена схема использования несимметричной искусственной цепи для передачи телемеханической информации по проводам, используемым для теле­фонной связи. Для подключения телефонной аппаратуры ТФ на обоих концах линии связи включают дифференциальные трансформаторы Т1 и Т2. Между средними точка­ми подключают аппаратуру телемеханики ТМ, являющуюся источником информации на одном конце и приемником — на другом. Пара проводов телефонной линии является прямым проводом, по которому протекают токи i₁ и i₂, которые в сумме составляют ток устройства телемеханики, т. е. i = i₁ + i₂. Если сопротивления проводов Zj и Z₂ равны, а трансформаторы Т1 и Т2 строго симметричны, то i₁ = i₂. Они создают в трансформаторах равные и противоположно направленные магнитодвижущие силы, поэтому трансформации токов телемеханики не происходит. Ток основной цепи (на схеме показан пунктиром) не ответвляется в цепи ТМ, поскольку при строгой симмет­рии системы напряжение между средними точками трансформаторов равно нулю (как в диагонали сбалансированного моста).

Обратным проводом в этой системе телемеханической связи является земля, что обуславливает ее незащищенность от блуждающих токов, а также ухудшение телефонной связи при ухудшении контакта или изоляции одного из проводов. Такие несимметричные искусственные цепи, имеющие низкую помехозащищенность, применяются очень редко. Широкое применение находят симметричные искусственные цепи (рис. 8.3). Аппара­тура телемеханики ТМ включается между средними точками трансформаторов Tl, ТЗ и Т2, Т4 двух основных цепей, использу­емых для телефонной связи. Если сопро­тивления проводов основных цепей оди­наковы и обмотки трансформаторов w2 и w3 симметричны относительно сред­ней точки, то взаимное влияние основ­ных и искусственных цепей будет от­сутствовать. В симметричной искусствен­ной (фантомной) цепи роль прямого и обратного проводов выполняют пары проводов основных цепей. Внешние ис­точники помех будут наводить в ее про­водах токи i_п одного направления и оди­накового значения. Поэтому в нагрузке (в трансформаторах) токи помех направлены встречно и при идеальной сим­метрии суммарный ток равен нулю. Та­ким образом, защищенность симметрич­ной искусственной цепи от внешних по­мех приближается к защищенности ос­новных цепей.

Частотное разделение каналов связи сообщений аналогично рассмотренному в п. 6.2 частотному разделению элементов сообщений. Каждому источнику инфор­мации выделяется определенный частот­ный интервал физической линии. Неза­висимая передача сообщений по различ­ным каналам обеспечивается применени­ем для каждого канала частотных пере­датчиков и приемников, работающих в заданном интервале частотного спектра. На рис. 8.4 представлена структурная схема передачи сообщений, поясняющая прин­цип частотного разделения каналов сообщений. Частотный передатчик состоит из генера­тора несущей частоты GFj, настроенного на среднюю частоту Д выделенного канала, модулятора UB, полосового фильтра FZ_nep. Приемник включает в себя полосовой фильтр FZ_np, усилитель UW, демодулятор UR. Фильтры приемников выделяют и пропускают с минимальным затуханием токи частот данного канала. Фильтры передатчиков предназна­чены для устранения гармоник, лежащих за пределами полосы данного канала и возни­кающих при модуляции. На вход каждого модулятора передатчика поступает сообщение Д/) в виде управляющего сигнала. Это же сообщение выделяется на выходе соответству­ющего приемника после передачи и соответствующих преобразований.

Многократное частотное разделение (уплотнение) каналов связи широко используется при передаче информации. На рис. 8.5, а приведена структурная схема двукратного частот­ного уплотнения. На ней аппаратура высокочастотных каналов обозначается индексом «в». В системе имеется ряд каналов с достаточной полосой пропускания ∆f (рис. 8.5, б). Каждый из этих каналов уплотняется низкочастотными каналами с частотой F₁, F₂ и т.д. и узкой полосой пропускания AF, представляющими вторичные каналы 1, 2Число вторичных каналов при этом должно быть таким, чтобы выполнялось условие:

к ∆F≤∆f, (8.16)

где к — число вторичных каналов; ∆F — полоса частот вторичных каналов; ∆f — полоса частот первичных каналов.

Обычно этот способ используют для уплотнения телефонных высокочастотных каналов проводных линий, радиорелейных и радиоканалов узкополосными каналами телемеханики, системы передачи данных и другими. Такое уплотнение применяют из-за того, что технически трудно создать узкополосные каналы в высокочастотном и тем более в радиодиапазоне. Для этого требуется высокая стабильность генераторов, филь­тров, сложность и стоимость которых резко возрастает. Вторичное уплотнение каналов позволяет использовать как стандартные высокочастотные каналы связи, например, для телефонной связи, так и стандартную аппаратуру вторичного уплотнения. Временное разделение каналов связи иллюстрируется на рис. 8.6 структурной схемой и временными диаграммами передачи сообщений. Оно заключается в поочередном исполь­зовании линии связи для передачи сообщений от различных источников (1, 2, 3, ... N) информации. Обычно источники и получатели сообщений подключаются к линии пооче­редно с помощью распределителей Р1 и Р2, которые переключаются синхронно и синфаз- но на передающей и приемной сторонах линии связи. Распределитель переключается уп­равляющими импульсами, поступающими на его вход. При получении очередного импуль­са распределитель переключается в следующую позицию, на которой осуществляется пе­редача всего сообщения (рис. 8.6, б) либо отдельной его части, например, одного элемента (рис. 8.6, в). В последнем случае передача всего сообщения происходит за несколько циклов работы распределителя. На временной диаграмме рис. 8. 6, в сообщения передаются от 4-х источников поэлементно в течение 5 циклов работы распределителя.

Если источники информации территориально распределены вдоль линии связи, то у каждого из них и у каждого получателя устанавливается свой распределитель (рис. 8.7). С центрального диспетчерского пункта ДП осуществляется синхронизация всех распреде­лителей. Разделение отдельных сообщений и сигналов выполняется в следующем порядке. Например, в первой позиции распределителя сообщение передает источник 1 на КП1. Диспетчерский пункт принимает это сообщение (а также другие пункты, если это необ­ходимо). После переключения распределителя во вторую позицию информацию передает источник 2, находящийся на КП2 и т. д.

Каналы телемеханики по линиям электропередачи и распределительным силовым сетям

Воздушные линии электропередачи (ЛЭП) напряжением 35—500 кВ широко при­меняются в энергетических системах. Длина ЛЭП обычно составляет от десятков до сотен километров. Такие линии, как правило, имеют очень высокую надежность и в большой степени подходят для образования высокочастотных (ВЧ) каналов связи для служебной телефонии, телемеханики, высокочастотной защиты.

Каналы телемеханики по ЛЭП могут быть образованы в диапазоне частот 30—500 кГц. Применение частот ниже 30 кГц ограничивается высоким уровнем помех, возникающих за счет высших гармоник тока промышленной частоты. Повышенный уровень помех обуслов­лен коронированием проводов, разрядами на поверхности изоляторов, включением и от­ключением ЛЭП и другими причинами.

Наибольшее распространение получило присоединение аппаратуры ВЧ связи к воздушной линии (ВЛ) по схеме фаза—земля (рис. 8.8). Передача информации в этой схеме осуществляется по одному проводу ВЛ и по земле.

Высокочастотный пост связи ВПС представляет собой комплекс устройств, пред­назначенных для образования высокочастотных каналов, которые присоединяются к

BЛ через фильтры присоединения ФП и конденса­торы связи КС. Конденсаторы КС предназначены для отделения аппаратуры высокочастотного поста от высокого напряжения ЛЭП, поэтому изоляция КС рассчитывается на полное напряжение ВЛ. Емкость КС выбирается обычно в пределах 2200—2400 пФ, что является большим сопротивлением для перемен­ного тока частотой 50 Гц, проходящего по ВЛ, и малым сопротивлением для высокочастотных сигна­лов телемеханики.

Высокочастотный пост ВПС соединяется с Рис. 8.8. Схема образования канала фильтром ФП с помощью высокочастотного ко- связи и телемеханики по ЛЭП аксиального кабеля ВК, обладающего малым зату­ханием для ВЧ токов. Фильтр ФП служит для согласования входных и выходных сопротивлений ВЛ и кабельной линии ВК и составляет вместе с конденсатором КС полосовой фильтр, настроенный на частоту сигналов телемеханики. Кроме того, с фильтром присоединения связаны устройства, обеспечивающие защиту обслу­живающего персонала и ВЧ аппаратуры от высокого напряжения в случае пробоя конденсатора КС.

Высокочастотные заградители ВЧЗ предотвращают растекание ВЧ тока за пределы ВЛ. Для переменного тока частотой 50 Гц, протекающего по ВЛ, сопротивление ВЧЗ не­значительно, что достигается соответствующим подбором параметров силовой катуш­ки заградителя L₃, конденсатора С₃ и резистора R, из которых комплектуется ВЧЗ.

Для повышения помехоустойчивости канала связи в последнее время стали приме­нять симметричную цепь связи по схеме фаза—фаза, т.е. между двумя проводами ВЛ. Такая схема обеспечивает значительно меньшее затухание и, следовательно, большую дальность передачи. При этом, однако, количество требуемой аппаратуры увеличивается вдвое.

Выпускаемая заводами аппаратура ВЧ уплотнения ЛЭП является комбинирован­ной и предусматривает возможность образования каналов связи телемеханики, релей­ной защиты и телефонной связи.

Каналы связи по распределительным силовым сетям (РСС) становятся все более перспективными на предприятиях нефтяной, горнодобывающей, угольной промыш­ленности, в коммунальном хозяйстве, т.е. там, где дополнительная прокладка про­водных линий связи затруднена и связана с необходимостью затраты значительных средств. Благодаря своей разветвленности РСС являются удобным средством для пе­редачи телемеханической информации.

Работы по использованию РСС для организации каналов связи ведутся в двух на­правлениях. Первое направление предусматривает только передачу команд объектам управления без сигнализации об исполнении этих команд. Такая передача осуществля­ется в диапазоне 175—3000 Гц. Высокий уровень помех в каналах этого диапазона ис­ключает использование их для телефонной связи. Напряжение выходного сигнала пере­датчика канала достигает 4—5 В, а входной уровень сигнала в точках приема — пример­но 1 В. Затухание сигнала в этом диапазоне частот не превышает 1 Нп на низких часто­тах и нескольких непер на частотах, близких к 3000 Гц.

Для второго направления характерно использование диапазона частот от 10 кГц до 200 кГц. Уровень помех в этом диапазоне значительно меньше, что открывает воз­можность двусторонней передачи сигналов и создания наряду с телемеханическими каналами связи также и телефонных каналов.

Включение аппаратуры телемеханики

в линию связи

По одной паре проводов может осуществляться либо односторонняя (симплекс­ная), либо двусторонняя (дуплексная) связь. Для работы устройств телемеханики при симплексной связи (рис. 8.9) необходимо иметь две пары проводов: в одной из них образуются все каналы, работающие в одну сторону (телеуправление по линии ТУ), а в другой — в противоположную (телесигнализация и телеизмерение по линии ТС). Сред­ние значения частот каналов связи приведены в табл. 8.1. Примечание. Полосы частот канала — 140 Гц, девиация — ±45 Гц.

При симплексной связи для ТС и ТУ можно использовать одну и ту же частоту. Рекомендуется для телеуправления разъединителями применять частоту^, для ТУ под­станциями и постами секционирования — f₄, для ТС станций, подстанций и постов секционирования . Если количество пунктов невелико и имеются резервные в

отводимом для телеуправления спектре, частоты f₁ и f₂ для телеуправления целесооб­разно не применять, так как на этих частотах образуются более высокие помехи, выз­ванные влиянием контактной сети. Кроме того, фильтры приемников и передатчиков на низких частотах более громоздкие и дорогие.

Схема подключения передатчиков и приемников ЧМ-сигналов к

линии связи

При дуплексной связи (рис. 8.10) используется одна общая пара проводов для каналов как телеуправления, так и телесигнализации. В проводных линиях связи каналы с большей частотой используются для ближних пунктов КП, а с меньшей — более удаленными, так как затухание сигналов на нижних частотах меньше и дальность дей­ствия каналов больше.

При дуплексной связи используются частотные каналы телеуправления и теле- сигнализации. Между каналами ТУ и ТС оставляют разграничивающую полосу, что­бы уменьшить влияние высоких уровней передатчиков на низкие уровни приходя­щих сигналов. Примерное распределение частот при дуплексной связи следующее: /j отводится для телеуправления разъединителями контактной сети в системах телеме­ханики с временным разделением каналов связи; f₂ — для ТУ подстанций и постов секционирования в системах с частотным разделением; f₃ и f₄ — разграничивающая полоса; f₅ — резервный канал ТС (или телеизмерения по вызову); f₆ — для ТС разъе­динителей контактной сети; f₁—f_n — для ТС тяговых подстанций и постов секцио- нирвоания в системах с частотным разделением каналов связи.

Уровень помех при дуплексной связи оказывается более высоким, чем при симп­лексной, вследствие дополнительного влияния передатчиков каналов, работающих в одном направлении, на приемники каналов противоположного направления. В связи с этим дальность передачи при дуплексной связи всегда меньше, чем при симплексной. Кроме того, при дуплексной связи максимально возможное число каналов, работаю­щих в одну сторону при том же спектре частот, всегда меньше, так как часть спектра занята каналами, работающими в другом направлении.

Для уменьшения влияния передатчиков на приемники одного и того же пункта при дуплексной связи их подключают к линии через дифференциальные ДФ или груп­повые фильтры. Однако передатчики все-таки оказывают влияние на приемники про­тивоположного направления соседних пунктов. Чтобы уменьшить это влияние при дуп­лексной связи, нужно обеспечить необходимый разнос частот между каналами, рабо­тающими в противоположных направлениях.

При подключении к линии связи промежуточных пунктов затухание увеличивает­ся из-за того, что часть энергии сигнала рассеивается на внутренних сопротивлениях аппаратуры этих пунктов. Чтобы уменьшить затухание, вносимое промежуточным пунк­том, его подключают к линии через дополнительный резистор R_д (рис. 8.11). Затухание, вносимое в линию промежуточным пунктом, определяется выражением

(8.17)

где Z_n — сопротивление линии, Ом; R_i — внутреннее сопротивление передатчика под номером i, Ом; R_д — сопротивление дополнительного резистора, Ом.

Если при дуплексной связи пункты подключаются через дифференциальную систе­му, необходимо также учитывать вносимое ею затухание. Обычно его принимают 3,5—5 дБ.

Для исключения отраженных волн и уменьшения помех линия по концам должна быть нагружена на сопротивления, равные ее волновому сопротивлению. Поэтому сопро­тивление аппаратуры оконечных пунктов должно быть согласовано с сопротивлением линии связи. Такое согласование осуществляется с помощью специальных устройств.

Основные сведения по аппаратуре частотных

каналов связи

В системах телемеханики электрифицированных железных дорог применяют частотные каналы связи. Аппаратура позволяет образовывать до 19 каналов. Сред­няя частота первого канала 450 Гц, средние частоты других каналов следуют через 180 Гц. Полоса частот каждого канала составляет 140 Гц. В системах телемеханики ЭСТ-62 и МСТ-95 предусмотрено использование до 19 каналов, средние частоты которых приведены в табл. 8.1.

В системе «Лисна» используется 16 каналов связи в тональном (телефонном) диа­пазоне частот. Информация в этой системе к границам удаленных диспетчерских кругов поступает по обходным высокочастотным каналам. Для передачи этой информации от­водятся телефонные каналы, полоса частот которых не позволяет использовать каналы, частота которых превышает 3150 Гц (16 канал). Вместе с тем, в большинстве случаев для передачи телемеханической информации 16 каналов практически достаточно.

Быстрый рост объема передаваемой информации потребовал увеличения числа телемеханических каналов и появления вновь в системе МСТ-95 аппаратуры для обра­зования 17—19 каналов, как было в системе ЭСТ-62.

Аппаратура каналов связи выполняется с частотной модуляцией. На схеме рис. 8.12, с представлен частотно-модулирующий передатчик, включающий в себя: модулятор М, изменяющий частоту генератора в процессе модуляции; генератор Г, создающий несу­щую частоту канала (см. табл. 8.1); каскад предварительного усиления ПУ; полосовой фильтр Ф; выходной усилитель мощности ВУ; линейный блок ЛБ, обеспечивающий присоединение передатчика к линии связи.

Кодовая серия телемеханики с выходного устройства поступает на модулятор М, который изменяет частоту работы генератора Г, в соответствии с поступающими элементами серии. Предварительно усиленные усилителем ПУ частотные импульсы через полосовой фильтр Ф поступает на выходной усилитель ВУ. С усилителя ВУ модулированные и усиленные до необходимого уровня импульсы через линейный блок ЛБ поступают в линию связи.

Приемник ЧМ сигналов (рис. 8.12, б) состоит из следующих блоков: линейного блока ЛБ; полосового фильтра Ф, усилительного каскада У; усилителей-ограничителей У01 и У02 (соответственно для ограничения сигналов с большой и малой амплитудой); дис­криминатора Д; выходного триггера ТГ. Для повышения дальности передачи в комп­лект аппаратуры входят симплексный и дуплексный усилители.

Аппаратура предназначена для работы по проводным воздушным и кабельным линиям связи и может быть использована для передачи сигналов по телефонным каналам высокочастотного уплотнения и радиорелейным линиям. Рассмотренные пе­редатчики и приемники используются также в аппаратуре телеблокировки выклю­чателей контактной сети.

Аппаратура каналов связи системы МСТ-95

Комплект аппаратуры каналов связи, входящий в состав устройств телемеханики МСТ-95, как указывалось ранее, позволяет образовать 19 независимых каналов связи по выделенным проводным воздушным и кабельным линиям. В качестве транзитных могут быть использованы высокочастотные каналы и радиорелейные линии. Возможно использование как симплексной, так и дуплексной связи. При цепочечном расположе­нии КП обычно применяют симплексную связь.

Частотный передатчик, структурная схема которого представлена на рис. 8.13, вклю­чает в себя модулятор М, задающий генератор Г, программируемый счетчик-делитель СД, симметрирующий триггер, преобразователи прямоугольных импульсов в треугольные П/Т и треугольных — в синусоиду Т/С, полосовой фильтр ПФ, ключи для амплитудной модуляции К и выходной усилитель мощности УМ.

В передатчике применен кварцевый генератор, что обеспечивает высокую ста­бильность частоты. Вместе с программируемым счетчиком, шинами установки частоты УЧ и симметрирующим триггером он образует синтезатор частоты каналов. Модулятор М обеспечивает необходимое изменение частоты при нанесении информации. С выхода симметрирующего триггера Т на вход С модулятора М поступает сигнал синхронизации. Благодаря этому сигналу изменение частоты при модуляции осуществляется синхрон­но с ее периодом. Это позволяет синтезировать гармонический частотно-модулирован­ный сигнал со стабильным спектром, что облегчает задачу фильтрации.

С целью формирования синусоидальных сигналов прямоугольные импульсы, по­ступающие с выхода триггера Т, предварительно преобразуются в треугольные, затем в преобразователе «треугольник-синус» Т/С они приобретают синусоидальную форму. При соответствующей настройке величина искажений не превышает 5 %, что допустимо благодаря наличию полосового фильтра ПФ.

При частотной модуляции изменяется частота элементов сигнала, что в процессе преобразования может привести к непредусмотренной амплитудной модуляции (амп­литуды сигналов «1» и «О» будут отличаться друг от друга). Для ее устранения предус­мотрена цепь корректировки амплитуды КА, идущая с выхода модулятора М на вход А преобразователя П/Т. После преобразования сигналы через полосовой фильтр поступа­ют на усилитель мощности УМ. Уровень напряжения передачи устанавливается с помо­щью встроенного в УМ регулятора.

В передатчике предусмотрена возможность амплитудной модуляции при работе с аппаратурой других систем телемеханики (вход AM).

Частотный приемник (рис. 8.14) содержит согласующий входной элемент СВ, полосовой фильтр ПФ, ограничитель амплитуды Ог, частотный детектор ЧД и фиксирующий узел ФУз.

Согласующий входной элемент СВ ослабляет сигналы, спектр которых находится вне рабочего диапазона частот каналов всей системы. Полосовой фильтр ПФ из посту­пившей на его вход суммы сигналов различных каналов и помех выделяет сигналы только своего канала. Его параметры обеспечивают заданную характеристику при дос­таточном подавлении сигналов соседних каналов.

Сигнал с выхода полосового фильтра ПФ поступает на ограничитель амплитуд Ог. Ограничение начинается с уровня сигнала данного канала связи на входе приемника,

равного 3 мВ. Синусоидальный сигнал с непредусмотренной амплитудной модуляцией на входе Ог преобразуется в сигналы прямоугольной формы, свободные от паразитной амплитудной модуляции. Ограничитель Ог подавляет также импульсные помехи.

Ограниченный сигнал поступает на частотный детектор, содержащий два узкополос­ных фильтра. Один из них настроен на частоту^ — 45 Гц, второй — на частоту Уд + 45 Гц (где/₀ — средняя частота канала). Уровень сигналов на их выходах зависимь от поступаю­щей в данный момент частоты. Таким образом, ЧМ сигналы, поступающие на входы частотного детектора ЧД, преобразуются в AM сигналы. Каждый из них поступает на свой детектор и далее — на сумматор, входящий в состав ЧД. С выхода ЧД разность сигналов, свободная от несущей частоты, поступает в фиксирующий узел ФУз. Фиксиру­ющий узел устраняет возможность искажения длительности следующих друг за другом импульсов и пауз и формирует последовательность уровней, соответствующих логичес­ким сигналам «О» и «1», тождественных поступающим на вход передатчика импульсам.

Электрические фильтры

Электрическими фильтрами называются устройства, пропускающие токи одной частоты или полосы частот и задерживающие токи всех других частот. В телемеханичес­ких приемно-передающих устройствах каналов связи электрические фильтры использу­ются широко.

На рис. 8.15 приведены характеристики затухания идеальных фильтров. Фильтры нижних частот (рис. 8.15, а) пропускают без ослабления токи всех частот ниже некото­рой граничной f_гр и задерживают токи всех частот выше ее. Фильтры верхних частот (рис. 8.15, б) пропускают без ослабления токи всех частот выше граничной f_гр и задер­живают токи всех частот ниже ее. Полосовые фильтры (рис. 8.15, в) пропускают без ослабления токи определенной полосы частот между граничными верхней f_{гр В} и ниж­ней f_гр и не пропускают токи всех остальных частот. Режекторные (заградительные) фильтры (рис. 8.15, г) пропускают токи всех частот, кроме некоторой полосы, лежащей между f_{гр н} и f_грв

Реальные фильтры вносят некоторое затухание для токов частот, лежащих в поло­се прозрачности, а затухание токов частот, соответствующих полосе непрозрачности, никогда не достигают бесконечности. Переход от полосы прозрачности к полосе не­прозрачности происходит не скачком, как у идеальных фильтров, а постепенно. При этом за полосу прозрачности принимают полосу ∆f при которой затухание не превы­шает 3 дБ, что соответствует снижению мощности сигнала в 2 раза.

На рис 8.16. приведена характеристика затухания реального полосового фильтра. Затухание а фильтра обычно выражается в децибелах (дБ). Чем выше качество фильтра,

тем круче ветви характеристики, тем ближе она к прямоугольной. Это качество фильтра характери­зуется коэффициентом прямоугольности:

где ∆f — полоса частот фильтра на уровне 3 дБ; ∆f' — полоса частот фильтра на условном уровне 30 или 50 дБ в зависимости от качества фильтра.

Чем ближе характеристика к прямоугольной, тем ближе к единице коэффициент прямоугольнос­

ти. Для качественных фильтров К_п — 0,5 0,7 (по уровню 50 дБ).

Наибольшее применение в устройствах телемеханики получили полосовые фильт­ры. Простейшие полосовые фильтры представляют LC-контуры: последовательный (рис. 8.17, а) и параллельный (рис. 8.17, б). Ток I_к в последовательном контуре (рис. 8.17, в) и напряжение U_K в параллельном контуре (рис 8.17, г) имеют значительную зависи­мость от частоты и достигают максимума I_рез U_рез и при резонансной частоте I_рез. Поло­са прозрачности контура ∆f определяется на уровне 0,7I_рез или U_рез, что соответствует снижению мощности сигнала в 2 раза, т.е. соответствует примерно 3 дБ.

Качество контура характеризуется его затуханием а или добротностью Q=1/a. Обычно

а

одиночный LC-контур не обеспечивает необходимого затухания в полосе непрозрачно­сти (недостаточная крутизна его характеристики, а коэффициент прямоугольности на уровне 30 дБ составляет от 0,05 до 0,15). Поэтому применяют более сложные фильтры с большим числом элементов, т.е. фильтры более высоких порядков.

На рис. 8.18. приведена зависимость полного сопротивления Z последовательного LC-контура от частоты. Если пренебречь активным сопротивлением контура, то его полное сопротивление можно записать:

(8.19)

где x_L — сопротивление катушки L при частоте f; х_с — сопротивление конденсатора С при частоте f

При f= f_рез x_L = х_с, a-Z = 0.

При f= 0 и x_L = 0, х_с -» ∞, aZ — х_с -»∞

При частотах меньших f^_e3 полное сопротивление носит емкостной характер и ведет себя так же как емкость, сопротивление которой х'_с = х, - х_с.

При частотах выше преобладает индуктивное сопротивление x_L, сопротивле­ние контура носит индуктивный характер и ведет себя как индуктивность, сопротивле­ние которой x'_L=x_L-x_c.

Если увеличивать индуктивность и пропорционально снижать емкость так, чтобы не менялась резонансная частота то крутизна характеристики контура будет возра-

стать, т. е. характеристика контура при L = L₂ будет круче, чем при L = Ly, если L₂ > L1 (рис. 8.18).

В нагрузке, включенной последовательно с LC-конту- ром, при частоте источника в пределах зоны I, носящей ем­костной характер, ток будет опережать напряжение на фазе. В зоне II сопротивление контура носит индуктивный харак­тер, и ток в нагрузке отстает от напряжения. При частоте f_pe3 ток и напряжение совпадают по фазе.

Теперь рассмотрим характеристики двух LC-контуров, резонансные частоты которых f₁ и f₂ отличаются (рис. 8.19). При этом получаем три зоны: в зоне I сопротивления конту­ров носят емкостной характер; в зоне II сопротивление пер­вого контура индуктивноеx_Ly, а второго — емкостное х_c2; в зоне III сопротивление обоих контуров индуктивное, при­чем x_L!| значительно больше х_L2.

Если эти два контура включаются на нагрузку параллельно, то в зонах I и III их токи будут складываться, а в зоне II — вычитаться. Если эти два контура включены в разные плечи дифференциального трансформатора (LI, С1 и L2, С2 на рис. 8.20), то напряжения на них подаются в противофазе, и токи в зонах I и III будут вычитаться, а в зоне II — складываться.

Шестиэлементный дифференциалыю-мостиковый фильтр шестого порядка (рис. 8.20) включает в себя шесть элементов (три индуктивности и три емкости) и дифференци­альный трансформатор. Емкости и индуктивности образуют три последовательных LC-контура (L1.,C1; L2,C2; L3,C3), два из которых включены параллельно в одно плечо дифференциального трансформатора и один контур L2, С2 — в другое плечо. Характеристики сопротивлений контуров приведены на рис. 8.21, а. Наименьшую ре­зонансную частоту fy имеет контур LI, С1, наибольшую f₃ — контур L3, СЗ. В зоне I сопротивление контура L3, СЗ очень большое и ток через него практически на на­грузку не проходит. Токи двух других контуров LI, С1 и L2, С2 носят емкостной характер, но так как контуры в разных плечах трансформатора и напряжения сдви­нуты на 180°, то токи в нагрузке вычитаются, т. е. затухание сигнала в этой зоне большое, а при частоте/_н оно стремится к бесконечности (рис. 8.21, б). В точке п характеристики Zy и Z₂ пересекаются, сопротивления и токи равны, токи в нагрузке направлены встречно, сигнал отсутствует — полное затухание. По мере увеличения частоты от f_н до fy увеличивается разность сопротивлений, а значит и разность токов в нагрузке, т. е. возрастает мощность сигнала.

В зоне II сопротивление Z₃ по-прежнему очень велико и ток в контуре L3, СЗ практически отсутствует. Сопротивление Zy в этой зоне носит уже индуктивный харак­тер, токи первого и второго контуров складываются, а затухание резко снижается.

В зоне III сопротивление Z₁ становится значительным и ток в первом контуре практи­чески отсутствует, а сопротивление Z₃ существенно снижается, носит емкостной характер. Сопротивление Z₂ в этой зоне уже становится индуктивным, т. е. токи второго и

В зоне IV сопротивления всех трех контуров носят ин­дуктивный характер и возрастают с увеличением частоты, а токи снижаются. Так как ток на нагрузке определяется раз­ностью токов второго и третьего контуров, то он резко сни­жается, затухание сигнала быстро нарастает и в точке т при частоте f_{B ∞} оно стремится к бесконечности.

При частотах меньших f_{н ∞} и больше f_{B ∞} токи контуров LI, Cl; L2, С2; L3, СЗ неодинаковы, их разность не равна нулю, поэтому затухание, вносимое фильтром, на этих час­тотах остается достаточно большим.

В аппаратуре каналов связи телемеханики «Лисна» ис­пользуют сдвоенные шестиэлементные дифференциально- мостиковые фильтры двенадцатого порядка (рис. 8.22). Прин­цип их работы аналогичен выше рассмотренному, но они имеют лучшие характеристики затухания.

Активные RC-фильтры быстро вытесняют LC-фильтры.

Последние в диапазоне тональных частот имеют большие размеры и массу, трудоемки в изготовлении, обладают не­достаточной температурой и временной стабильностью.

Вследствие этого, а также в связи с развитием интегральной технологии активные RC-фильтры приобретают большое значение (рис. 8.23). Активными такие фильтры на­зываются потому, что они всегда имеют усилители и обратные связи. Принцип дей­ствия фильтра основан на методе аналогового моделирования математических опера­ций, используемых при передаче. В него входят: сумматор, выполненный на операцион­ном усилителе У01; два интегратора ОУ2 и ОУЗ. В схеме одновременно реализуются функции высокочастотного ВЧ-фильтра, полосового ПФ и низкочастотного НЧ. Так как в каждом звене на выходе включен усилитель с малым выходным и большим вход­ным сопротивлением, можно считать, что звенья полностью развязаны между собой. В этом случае передаточная функция каждого звена не зависит ни от предыдущего, ни от последующего звена и может рассматриваться вне связи с другими.

В практических схемах фильтров, разработанных в виде толстопленочных микро­сборок применены гибридные одновходовые усилители. Настройка частоты и доброт­ности фильтра осуществляется подгонкой пленочных резисторов с помощью лазера.

Сопротивления резисторов R, R₀, Rl, R3 влияют на частоту и добротность филь­тра, а сопротивление резистора R2 — только на добротность. Настройку фильтра начи- нают с настройки частоты. Грубую подгонку частоты осуществляют с помощью резистора R или конденсатора С (при изготовлении филь­тра), точную подгонку — с помощью резисторов R₀ и R3. После настройки частоты необходимую добротность устанавливают с по­мощью резистора R2, включенного последовательно с одним из конденсаторов С.

Для получения фильтров более высоких порядков рассмотрен­ные фильтры включают последовательно.

Цифровые фильтры в последнее время привлекают большое внимание в виду высокой стабильности, независящей от каких-либо параметров схемы (рис. 8.24). Цифровой фильтр содержит входной аналоговый фильтр АФ аналого-цифрового преобразователя АЦП, микроЭВМ (либо микропроцессор), цифро-аналоговый преобра­зователь ЦАП и фильтр нижних частот ФНЧ.

С помощью АФ АЦП выбираются входные сигналы, которые преобразуются в цифровую форму. МикроЭВМ обрабатывает по­ступающие цифровые выборки сигнала по специальной программе. С выхода микроЭВМ цифровой сигнал поступает на ЦАП, где из цифровой формы вновь превращается в аналоговую. Так как работа АФ ЦАП и ЦАП всегда сопровождается появлением паразитных высших гармоник, то они отфильтро­вываются простым фильтром нижних частот ФНЧ.

В таком фильтре средняя частота, добротность, порядок фильтра полностью опре­деляются программой обработки сигнала в микроЭВМ и не зависят от каких-либо па­раметров схемы фильтра, поэтому имеют очень высокую стабильность.

Следует отметить, что для применения в простых устройствах автоматики и теле­механики подобные фильтры достаточно сложны и дороги.

Квазицифровые фильтры наряду с цифровыми имеют практическое применение. В них обработка сигнала осуществляется как бы (квази) цифровая аналоговым способом. В аппаратуре телемеханики МРК на интегральных схемах применены квазицифровые фильтры на основе коммутируемых конденсаторов.

На рис. 8.25, а представлена структурная схема квазицифрового фильтра. С помо­щью схемы управления, на которую поступают стабильные по частоте импульсы от внешнего кварцевого генератора КГ, осуществляется поочередное подключение кон­денсаторов с частотой Nf₀ (N— чис­ло конденсаторов). Вблизи частоты^ схема ведет себя как звено полосо­вого фильтра второго порядка со средней частотой^).

Пусть частота включения каж­дого конденсатора (Cl, С2, СЗ и С4) в точности равно входной час­тоте f_вх = f₍₎, а момент включения первого конденсатора С1 совпадает с моментом перехода входного напря­жения U_BX через нуль (рис. 8.25, б).

Если процесс осуществляется продолжительное время, то на каж­дом конденсаторе устанавливается напряжение U_С , равное среднему напряжению синусоиды на данном отрезке времени, в течение кото­рого включается конденсатор под

номером 1. Так как конденсаторы подключаются последовательно во времени, то и напряжение, поступающее с них на выход U_вых, будет представлять собой последова­тельность прямоугольных разнополярных импульсов.

Если частота входного напряжения U_Bx отличается от частоты переключений кон­денсаторов, то на каждый конденсатор при каждом его включении будет поступать напряжение обеих полярностей, его среднее значение при этом будет стремиться к нулю. Следовательно, на выходе фильтра появляется напряжение только на частоте, совпадающей с частотой переключений конденсаторов.

Характерной особенностью фильтра является то, что кроме основной полосы вокруг f₀ фильтр имеет полосу прозрачности (пропускания) около нуля, а также вокруг частот 2f₀ , Зf_о и т.д., т.е. схема имеет гребенчатую характеристику пропускания (рис. 8.25, в).

Выходной сигнал фильтра имеет несинусоидальную форму, представляет собой последовательность импульсов почти прямоугольной формы. Чтобы получить на выходе синусоидальный сигнал, на входе и выходе квазицифрового фильтра КФ применяются дополнительные аналоговые фильтры АФ1 и АФ2 (рис. 8.25, г). При этом аналоговые фильтры могут быть более простые и менее стабильные, чем в случае чисто аналоговой фильтрации, так как паразитные полосы частот гребенчатой характеристики лежат зна­чительно дальше от основной частоты, чем полосы соседних каналов. Создать аналого­вый фильтр, подавляющий паразитные частоты в этом случае гораздо проще, чем для полосы соседнего канала. Например, пусть f₀ = 3000 Гц, каналы телемеханики на элек­трифицированных железных дорогах отстоят друг от друга на интервал частот 180 Гц, в то время как ближайшая соседняя полоса 2f₀ будет отстоять от f₀ на 3000 Гц, подавить эту полосу сравнительно не очень сложно.

Квазицифровой фильтр должен иметь аналоговую фильтрацию сигнала на входе и выходе. Учитывая, что основная фильтрация сигнала в приемнике осуществляется вход­ным фильтром в дискриминаторе, аналоговые фильтры на входе не применяются.

Генераторы гармонических колебаний

Генераторы тональной частоты представляют собой автоколебательные устрой­ства, с помощью которых энергия источника постоянного тока превращается в энер­гию гармонических незатухающих электрических колебаний. Частота колебаний в таком генераторе определяется параметрами его элементов.

В различных электронных устройствах используют генераторы, выполненные на усилителях с положительной обратной связью, с помощью которой часть энергии вы­ходного сигнала поступает на вход усилителя и суммируется с энергией первичного сигнала. Если энергия сигнала с выхода усилителя вычитается из энергии входного сигнала, то такая обратная связь называется отрицательной.

Коэффициент обратной связи показывает, какая часть энергии выходного сигнала усилителя вновь поступает на его вход по цепи обратной связи:

(8.20)

где U_oc, I_ос — напряжение и ток на входе цепи обратной связи; U_Bblx, I_вых — напряжение и ток на выходе усилителя.

Коэффициент усиления тракта усилитель-обратная связь (при разомкнутой на вхо­де усилителя цепи обратной связи)

(8.21)

где U₁ — напряжение на входе усилителя; К — коэффициент усиления усилителя.

Для возбуждения колебаний в генераторе (рис. 8 26, а) необходимо обеспечить выполнение двух условий:

• баланс фаз, т.е. фаза сигнала на выходе обратной связи должна совпадать с фазой сигнала на входе усилителя;

• баланс амплитуд, при котором — I

В реальных схемах часто 1. В этом случае колебания на выходе усилителя

возрастают, пока из-за снижения коэффициента усиления, вызванного нелинейнос­тью характеристики усилителя, не будет выполнено условие Кп = 1. Это возможно, если усилитель и цепь обратной связи имеют частотно-зависимые характеристики.

В простейшем LC-генераторе (рис. 8.26, б) с индуктивной обратной связью часть энергии с контура LC через обмотку w2 поступает в цепь базы транзистора VT, усили­вается и вновь поступает в LC-контур, восполняя потери в нем и энергию, выделяемую во внешнюю нагрузку.

При подаче на схему напряжения питания в цепи: диод VD — резистор R возникает ток. Потенциал катода диода VD через обмотку w2 поступает на базу транзистора VT, который открывается. Начинается заряд конденсаторов С и С_э. По мере их заряда часть тока ответвляется в параллельные элементы win R₃. При этом в обмотке w2 наводится ЭДС, повышающая потенциал базы транзистора VT, что приводит к его закрытию. Цепь заряда конденсаторов размыкается и они начинают разряжаться. Ток разряда кон­денсатора С, протекающий по обмотке wl, поддерживает ЭДС в обмотке w2, транзис­тор остается закрытым. Конденсатор С_э также разряжается на резистор R₃. По мере уменьшения тока разряда конденсатора С в обмотке wl снижается ЭДС в обмотке w2 и потенциал базы транзистора VT, что приводит к его повторному открытию. Процесс заряда-разряда конденсаторов повторяется. Потери энергии в элементах схемы и на­грузке компенсируются за счет источника питания. Таким образом, колебательный про­цесс носит незатухающий характер, частота его колебаний определяется частотой соб­ственных колебаний LC-контура.

LC-генератор с индуктивной обратной свя­зью применяется в аппаратуре каналов связи телемеханики (рис. 8.27). Резонансный усили­тель VT2 включен по схеме с общей базой. Тран­зистор имеет высокое, достаточно стабильное выходное сопротивление, что уменьшает его влияние на колебательный LC-контур, кото­рый подключается к схеме с помощью транс­форматора Т1. Сигнал с контура через транс­форматор Т1 и транзистор VT3 поступает в цепь обратной связи и нагрузку. Транзистор VT3, вы­полняющий роль усилителя сигнала, включа­ется по схеме с общим коллектором и имеет при этом большое входное сопротивление. В

эмиттерную цепь транзистора VT3 включается первичная обмотка wl трансформатора Т2, к обмотке w3 которого подключается нагрузка. Обмотка w2 трансформатора включается в эмиттерную цепь транзистора VT2, образуя замкнутую цепь оброатной связи: обмотка w3 трансформатора Т1, транзистор VT3, обмотки wl и w2 трансформатора Т2, эмит- терная цепь транзистора VT2, его коллектор, контур LC (роль катушки индуктивности L контура выполняет обмотка wl транзистора Т1).

На схеме представлен также модулятор М, выполненный на базе транзистора VT1, который в зависимости от входного сигнала подключает дополнительную емкость С_д к LC-контуру через обмотку w3 трансформатора Т1 или отключает ее. Транзистор VT1 работает в режиме ключа. При высоком потенциале на входе модулятора транзистор VT1 закрыт, емкость С_д отключена от LC-контура. Частота работы генератора опреде­ляется частотой собственных колебаний LC-контура:

(8.22)

При низком потенциале на входе модулятора транзистор VT1 замыкает цепь и подключает емкость С_д к обмотке w3 трансформатора Т1. Таким образом получается дополнительный LC-контур, который подключается к основному с помощью транс­форматора Т1, обмотка w3 которого является индуктивным элементом дополнительно­го контура. Частота работы генератора становится:

(8.23)

Где коэффициент трансформации Т1 (w₁ и w₃ — число витков обмоток транс-

форматора).

В низкочастотных LC-генераторах сложно обеспечить высокую стабильность час­тоты колебаний в широком интервале температур: от —50 до +60 °С. Магнитные матери­алы, применяемые для сердечников дросселей, имеют достаточно высокий темпера­турный коэффициент магнитной проницаемости, в результате чего при изменении тем­пературы меняется индуктивность и частота работы генератора.

RC-генераторы обеспечивают большую температурную стабильность, так как име­ются резисторы и конденсаторы, параметры которых мало зависят от температуры.

Широкое применение в передающей аппаратуре каналов связи нашли RC-ге­нераторы с использованием двойного фильтра на основе Т-образного моста. Такой RC-генератор (рис. 8.28, а) содержит транзисторный усилитель на транзисторах VT1— VT4. Входной каскад усилителя выполнен по дифференциальной схеме на транзис­торах VT1 и VT2 с эмиттерной связью. Дифференциальный каскад имеет два входа: а

и Ь. Сигнал на входе а сдвинут на 180 относительно сигнала на коллекторе транзи-

стора VT1 и на выходе генератора. Транзисторы VT3 и VT4 как эмиттерные повтори­тели не изменяют фазу сигнала, т. е. при поступлении отрицательного потенциала на вход а транзистор VT1 отпирается, каскад VT3—VT4 запирается, на выходе (эмит­тер VT4) появляется нулевой (положительный) потенциал. Между сигналами на входе b и выходе сдвиг фаз равен 0. Двойной Т-образный мост при определенных параметрах на частоте квазирезонанса (условного резонанса) обеспечивает сдвиг фаз между входным и выходным сигналами, равный 180°. Если включить такой мост в схему усилителя со сдвигом фаз 180°, то в ней образуется положительная обратная связь (на рис. 8.28, а выход генератора через Т-образный мост связан со входом а усилителя). Т-образный мост сдвигает сигнал на 180°, усилитель также дает сдвиг на 180°, поэтому общий сдвиг фазы равен 360°, т.е. 0°.

При определенном коэффициенте обратной связи, если коэффициент усиления по замкнутому контуру от входа усилителя до выхода Т-образного моста равен 1, в схеме могут возникать незатухающие колебания на квазирезонансной частоте, т. е. схема становится генератором гармонических колебаний.

Цепь нелинейной обратной связи содержит диодный ограничитель (рис. 8.28, б). В нем диоды VD1 и VD2 включены встречно. При таком включении диоды не пропус­кают токи обоих направлений. Если через них пропустить начальные токи смещения ⁷см1 ^{и г}см2> ^что обеспечивается с помощью резисторов R, R1 и R2, то диодная цепь начинает пропускать токи обоих направлений. Это возможно при условии, что ток сигнала не превышает токи смещений. Как только ток сигнала превысит ток смеще­ния (/_с > /_см2), один из диодов (VD2 при указанном на рис. 8.28, б направлении тока сигнала) закрывается. Изменяя ток смещения, можно осуществлять ограничение тока сигнала /_с на заданном уровне (рис. 8.28, в), а, следовательно, получать на выходе необходимый уровень напряжения U_BUX.

Манипуляция частоты в небольших пределах (+ 45 Гц) осуществляется путем шун­тирования резистора R2 транзистором-модулятором VTM при поступлении на его вход отрицательного сигнала. При наличии на входе положительного сигнала транзистор VTM закрывается, резистор R2 включается в схему Т-образного моста.

Можно также осуществлять манипуляцию путем подключения дополнительного конденсатора с помощью транзистора. Несмотря на высокую стабильность RC-генера­тора, в практических схемах передатчиков тональной частоты с такими генераторами наблюдаются скачкообразные изменения частоты. Это объясняется паразитными связя­ми между выходными каскадами передатчика и задающей частоту RC-цепью.

Для исключения этого влияния может быть использована схема передатчика, пред­ставленная на рис. 8.29, где RC-генератор настроен на удвоенную частоту передатчика. Для этого к выходу RC-генератора подключается пороговое устройство ПУ и счетный триггер Т, являющийся делителем частоты. Прямоугольные импульсы на выходе триг­гера с частотой /_и с помощью полосового фильтра ПФ вновь преобразуются в сину­соидальные, так как ПФ пропускает только первую гармонику из бесконечного ряда,

возникающего при разложении пря­моугольных импульсов. Пороговое устройство ПУ преобразует гармони­ческие колебания на выходе LC-гене­ратора частотой 2f в прямоугольные импульсы той же частоты 2f_и. Триггер Т снижает частоту импульсов в два раза

до значения f_и Паразитное влияние между выходными каскадами передат­чика и RC-генератором практически исключается, так как они работают на разных частотах.

Кварцевые генераторы для ра­боты в тональном диапазоне частот практически не применяются из-за высокой стоимости и больших раз­меров. Промышленностью освоен выпуск однокристальных делителей частоты с большим коэффициентом деления, а так­же микросхем с программируемым коэффициентом деления. Это позволило создать квар­цевые генераторы тональной частоты с программируемым синтезатором частот. В этом случае непосредственно сам кварцевый генератор выполняется на частоту несколько ме­гагерц, стоимость его невелика. На выходе кварцевого генератора включается пороговое устройство, преобразующее синусоидальные колебания в прямоугольные импульсы. Син­тезатор частоты состоит из программируемого делителя частоты, выравнителя и фильтра полосового или нижних частот.

Структурная схема кварцевого генератора соответствует схеме рис. 8.29, на кото­рой вместо RC-генератора — кварцевый и вместо триггера-делителя — программируе­мый делитель частоты.

Простейший кварцевый генератор, схема которого приведена на рис. 8.30, выпол­няется на стандартных TTL-инверторах LI—L4, два из которых L1 и L2 с помощью резисторов R введены в аналоговый режим и представляют собой двухкаскадный уси­литель, в цепь положительной обратной связи которого включен кварцевый резонатор К. Инвертор L3 работает в режиме переключения и выполняет функции порогового устройства. Для такого генератора требуется всего одна микросхема.

Демодуляторы AM- и ЧМ-сианалов

Детектирование AM-сигналов заключается в выпрямлении модулированных ко­лебаний и выделении из спектра выпрямленного колебания низкочастотного полез­ного сигнала с помощью RC-фильтра нижних частот (см. рис. 1.15). При организации каналов в тональном диапазоне частоты несущего и полезного сигналов могут быть достаточно близки, поэтому для детектирования АМ-сигналов применяют двухпо- лупериодное выпрямление. Частота несущего колебания удваивается и ее легче отде­лить в фильтре от полезного сигнала.

Детектирование ЧМ-сигналов в приемных устройствах каналов связи осуществля­ется с помощью дискриминатора (рис. 8.31, а), состоящий из двух колебательных кон­туров LI, С1 и L2, С2, включенных в коллекторную цепь выходного транзистора VT1 приемника. Резонансная частота контура L1, С1 равна f₀-∆f. При поступлении на вход сигнала частотой f₀ —∆f сопротивление трансформатора Т1 резко возрастает и напряже­ние на первом контуре становится наибольшим, а на втором L2, С2 лишь небольшое остаточное. Если на вход детектора поступает сигнал частотой f₀ + ∆f, то максимальное напряжение будет на втором контуре, на первом — остаточное. Напряжения, снимае­мые с обмоток w3 трансформаторов Т1 и Т2, выпрямляется выпрямителями UZ1 и UZ2 и подается на формирующие каскады (транзисторы VT2 и VT3, включенные по дифференциальный схеме). Конденсаторы СЗ и С4 отфильтровывают токи несущей ча­стоты. Когда на вход поступают импульсы частотой f₀-∆f, на выходе выпрямителя UZ1 будет наибольшее напряжение U_1м (рис. 8.31, б), а на выходе выпрямителя UZ2 — небольшое остаточное напряжение U_2о- При этом в дифференциальной цепи (между

точками а и b напряжение направлено от а к Ь) действует напряжение U₂м ⁼ U_1м Ток от точки а течет через переход эмиттер-база транзистора VT3 к точке Ь. Транзистор VT3 открывается, a VT2 закрыт, так как у него на базе высокий потенциал.

При импульсе частотой f₀ + ∆f наибольшее напряжение U_2м будет на выходе выпрямителя UZ2, а на выходе UZ1 — небольшое остаточное U_1о- Напряжение в дифференциальной цепи действует от точки b к а. Ток с выхода UZ2 протекает к точке b через диод VD2, эмиттер-базу транзистора VT2 к точке а и через резистор R1 возвращается на выпрямитель UZ2. При этом закрыт транзистор VT3 и открыт VT2. Если на контуры дискриминатора поступает сигнал с частотой /₀, то напряжения на обоих трансформаторах Т1 и Т2, а следовательно, на выходах выпрямителей UZ1 и UZ2 и в точках а и b будут равны. Ток в дифференциальной цепи отсутствует, т. е. помеха на частоте f₀ не оказывает мешающего действия на выходе дискриминатора. Дискриминатор срабатывает, когда отклонение частоты от f₀ выйдет за пределы ∆f (частота снизится до f_ср или повысится до f_ср2). При этом один из транзисторов закрывается, у него на коллекторе появляется потенциал ~Е_п. Другой транзистор при этом открыт, у него на коллекторе потенциал нулевой (+E_п)- На нагрузке R_H появляется напряжение и возникает ток.

Усовершенствованный частотный дискриминатор, обеспечивающий большую ста­бильность в широком интервале температур, приведен на рис. 8.32. В схеме дискримина­тора использованы два дифференциальных нуль-индикатора на выходе. Потенциал в точке d по отношению к общей точке с выпрямителей UZ1 и UZ2 зависят от напряже­ния на контурах дискриминатора. Если на дискриминаторе от усилителя приемника поступает сигнал частотой. f₀ +-∆f напряжение на выпрямителе UZ1 будет больше, чем на UZ2, в точке d будет отрицательный потенциал. По мере заряда конденсатора СЗ потенциал точки d снижается, что приводит к отпиранию транзистора VT1 током вып­рямителя UZ1, протекающего от точки с к b и далее через резисторы, нулевую шину, переход эмиттер-база, резистор R1. Отпирание транзистора VT1 приводит к отпиранию транзисторного каскада VT5, VT7. На выходе 1 появляется низкий потенциал (сигнал).

Потенциал точки в при протекании тока от точки с повышается, что приводит к отпиранию транзистора VT4, который шунтирует транзистор VT2. Транзисторы VT2, VT6, VT8 запираются, на выходе 2 появляется отрицательный высокий потенциал (сигнал 1).

Если на вход дискриминатора поступает сигнал частотой /₀ + Д/ то большое напря­жение появится на выходе выпрямителя UZ2, что приводит к запиранию транзистора VT1 и отпиранию транзистора VT2 током выпрямителя UZ2. Этот ток, протекая от точки а

к с, снизит потенциал точки а, что приведет к отпиранию транзистора VT3, который шунтирует транзистор VT1. Запирание транзистора VT1 приводит к запиранию каскада VT5, VT7, появлению отрицательного потенциала (сигнала 1) на выходе /. Отпирание транзистора VT2 обеспечивает отпирание каскада VT6, VT8, появлению положитель­ного потенциала (сигнала 0) на выходе 2.

Изменение потенциалов на выходах 7_и 2 приводит к переключению триггера Т и изменению сигналов на его выходах Q и Q , что отображено на временной диаграмме (рис. 8.32, б). Рассмотренный дискриминатор используется в приемниках каналов связи системы телемеханики «Лисна» и устройств телеблокировки.

Частотные приемники и передатчики

системы «Лисна»

В системе телемеханики «Лисна» применяется комплект аппаратуры, позволяю­щий образовывать 16 каналов связи в тональном (телефонном) диапазоне частот. Сред­няя частота первого канала 450 Гц, средние частоты других каналов следуют через интервалы 180 Гц (см. табл. 8.1). Полоса пропускания одного канала равна 140 Гц, между

полосами пропускания соседних каналов 40 Гц отводится под защитный интервал. Ап­паратура выполняется с частотной модуляцией, девиация (отклонение) частоты Д/при модуляции составляет ± 45 Гц. Практически частоту изменяют сразу же на 90Гц относи­тельно нижней f_н. Средняя частота f_ср существует лишь условно.

Частотный передатчик (рис. 8.33) включает в себя модулятор, генератор, предвари­тельный усилитель, полосовой двенадцатиэлементный фильтр ПФ, усилитель мощности.

Генератор применяется с двойным Т-образным мостом (транзисторы VT1—VT4). Двойной Т-образный мост составлен из резисторов R, Rl, R2, R' и конденсаторов С, 2С. Положительная нелинейная обратная связь выполнена на диодах VD1, VD2, смеще­ние которых обеспечивается по цепи через резисторы R3, R4, R5.

Модуляция частоты осуществляется с помощью инвертора L2. При низком потен­циале (сигнал 0) на выходе L2 резистор R2 шунтируется, при этом устанавливается верхняя частота f_в = f₀ + 45 Гц. При высоком потенциале (сигнал 1) на выходе L2 резистор R2 включается последовательно с резистором R1, частота работы генератора снижается до нижней^ — 45 Гц.

Такой генератор позволяет обеспечить стабильность частоты в пределах ±0,3 % в диапазоне температур от —40 до +70 С.

Предварительный усилитель выполнен на транзисторе VT5. Двухзвенный диффе- ренциально-мостиковый фильтр обеспечивает затухание в полосе непрозрачности не менее 50 дБ. На выходе фильтра включен двухтактный выходной усилитель на транзис­торах VT6—VT11, обладающий высокой линейностью характеристик и стабильным ко­эффициентом усиления. Выходной трансформатор ТЗ имеет отпайки, что позволяет согласовать выходное сопротивление передатчика и сопротивление линии связи. Манипуляция сигнала генератора передатчика по амплитуде (блокировка) осуще­ствляется с помощью инвертора L1. При появлении на его выходе низкого потенциала (сигнала 0) диоды VD1 и VD2 оказываются закрытыми и положительная обратная связь отключается.

Стабилитрон VD3 обеспечивает стабилизацию напряжения питания генератора.

Частотный приемник (рис. 8.34) состоит из полосового двухзвенного дифференци- ально-мостикового фильтра ПФ. Усилители (транзисторы VTl—VT4), а также усилите­ли-ограничители (VT5—VT8) применены двухкаскадные. При этом каждый каскад вы­полнен на составном транзисторе, содержащем по два транзистора различной прово­димости (например, VTl, VT2). Составной транзистор обеспечивает высокий коэффи­циент усиления.

В приемнике применен стабильный частотный дискриминатор, выполненный по схеме рис. 8.32. Чувствительность приемника при входном сопротивлении 600 Ом со­ставляет около 5 мВ.

Каналы телемеханики по радиорелейным линиям и радиоканалам

В качестве обходных каналов для передачи телемеханической информации наряду с высокочастотными каналами, действующими на проводных линиях связи, применя­ют радиорелейные линии. В отдельных случаях можно использовать радиорелейные ли­нии и для непосредственной связи диспетчерского пункта с контролируемым.

По сравнению с проводными линиями радиорелейные имеют ряд преимуществ. Так при радиорелейной связи не нужны линейные устройства, поскольку все оборудо­вание сосредоточено на оконечных и промежуточных пунктах, располагаемых на рас­стояниях 50—60 км один от другого. Эти линии обладают высокой пропускной способ­ностью, могут быть построены в более короткие сроки, чем воздушные и кабельные, требуют меньших затрат цветных металлов. Их недостаток — сравнительно высокая сто­имость эксплуатации.

Радиорелейные линии представляют собой системы радиосвязи с промежуточны­ми трансляционными пунктами (рис. 8.35). Каждая промежуточная станция ПС прини­мает сигнал от предыдущей, усиливает его и передает на следующую станцию. В случае необходимости на промежуточных станциях осуществляется как вывод информации к прилегающим пунктам, так и ввод ее. В радиорелейных линиях используется диапазон ультразвуковых частот от 30 МГц до 30000 МГц.

Промежуточные станции ПС оборудованы многоканальной аппаратурой уплотне­ния с частотным или временным разделением каналов, передающей и приемной аппа­ратурой А сверхвысокой частоты, фильтрами передачи ФП и приема ФПр, антенно­фидерными устройствами АФ, а также устройствами электропитания и вспомогатель­ным оборудованием.

Через фильтр передачи ФП к антенне подводятся колебания сверхвысокой часто­ты от передатчиков нескольких стволов — широкополосных радиоканалов. Каждый ствол

работает на своей частоте. Антенна про­межуточной станции АФ_ПС принима­ет сигналы всех стволов, которые по­ступают на фильтр приема ФПр, где разделяются по стволам. Сигнал каж­дого ствола усиливается, демодулиру- ется и затем осуществляет управление передатчиком данного направления, т.е. отданной ПС к следующей.

На промежуточной станции мо­жет быть установлена аппаратура уп­лотнения, допускающая выделение части каналов для связи с местными объектами. Как правило, на одной ли­нии применяют до 6—8 высокочастот­ных стволов, в каждом из них с помо­щью аппаратуры уплотнения можно получить несколько сотен телефонных каналов или один канал телевидения.

Как и на проводных линиях при­меняют частотное и временное уплотнение сигналов ствола. При частотном уплотне­нии используют ту же высокочастотную аппаратуру, что и для уплотнения проводных линий. Один из высокочастотных каналов при необходимости может играть роль об­ходного для телеуправления и телесигнализации в устройствах электроснабжения. При временном уплотнении каналов радиорелейной линии обеспечивается возможность многократного выделения любого числа каналов на промежуточных пунктах. Благода­ря этому иногда возможно использовать радиорелейные линии для передачи телеме­ханической информации в пределах диспетчерского круга, прилегающего к диспет­черскому пункту. Телесигналы с каждого контролируемого пункта поступают в теле­фонный канал, при этом не нарушается связь диспетчерского пункта с другими КП.

Наряду с радиорелейными линиями возможно применение радиоканалов для уп­равления удаленными небольшими группами объектов ( например, разъединителями контактной сети). Применение радиоканалов основано на использовании временных подсистем телемеханики МРК-85.

Связь диспетчерского пункта ДП с контролируемым КП может осуществляться по одному частот­ному радиоканалу f₁ (рис. 8.36, а) для поочередной передачи сигналов ТУ и ТС (дуплексная связь) или по двум каналам на частотах f₁ и f₂, по которым сигналы ТУ и ТС переда­ются одновременно (симплексная связь) (рис. 8.36, б). Из-за высокой дефицитности и стоимости радио­каналов симплексная связь в боль­шинстве случаев неприемлема.

На рис. 8.37 представлена схе­ма организации радиальной радио­сети управления объектами элект­роснабжения контролируемых пун­ктов, территориально разнесенных

вокруг диспетчерского пункта, например, на крупном железнодорожном узле. В этом случае целесообразно организовать радиосеть по радиальному принципу с использова­нием одной несущей частоты f₁ для нескольких радиостанций, одна из которых являет­ся управляющей и устанавливается на диспетчерском пункте, а остальные — управляе­мые, располагаются на контролируемых пунктах КШ—KI17V.

Такие сети могут быть реализованы на основе средств радиосвязи в диапазоне мет­ровых волн (MB), на одной из частот, не занятых в ремонтно-оперативной радиосвязи.

При использовании метрового диапазона волн в составе оборудования радиосети целесообразно использовать на ДП стационарные радиостанции типа РС-23М (РС-23) и на КП носимые радиостанции РН-12Б.

Волоконно-оптические линии и сети связи

Количество сообщений, которое может быть передано по проводным частотным каналам связи, ограничено рабочей полосой частот, используемых для передачи ин­формации. Расширение этой полосы в сторону высокочастотных диапазонов неэффек­тивно в связи с резким увеличением при этом потерь энергии.

Значительное расширение рабочей полосы частот становится возможным при ис­пользовании волоконно-оптических линий связи (BOJ1C). Волоконно-оптическая связь является областью техники, которая возникла в результате объединения оптической связи — передачи информации в виде модулированного пучка света и волоконной оптики — распространения света внутри гибких оптических волокон. Это объединение обусловило широкое внедрение средств волоконно-оптической связи в различных от­раслях производства.

Первая ВОЛ С на железных дорогах России была создана в J985 г. на участке Ленинград—Волховстрой Октябрьской железной дорог и. До 1992 г. она была наиболее протяженной ВОЛС не только на железнодорожном транспорте, но и среди ВОЛС Министерства связи. Протяженность ее составляла 120 км. Созданная ВОЛС обеспечи­вала организацию двух линейных трактов со скоростью передачи информации 8,448 Мбит/с каждый. Многолетний опыт эксплуатации этой ВОЛС позволило оценить пре­имущества применения новых средств связи, целесообразность и эффективность со­здания железнодорожных ВОЛС.

По сравнению с медными жилами кабелей связи оптические волокна, используе­мые в волоконно-оптических кабелях (ВОК), обладают следующими преимуществами:

• большой пропускной способностью;

• защищенностью от внешних электромагнитных воздействий;

• отсутствием взаимных влияний между сигналами, передаваемыми по различ­ным оптическим волокнам ВОК;

• малыми потерями энергии сигнала при его распространении;

• электробезопасностью;

• экономичностью;

• высокой степенью защищенности от несанкционированного доступа к переда­ваемой информации;

• небольшой массой и габаритами;

• экономией дефицитных цветных металлов.

К недостаткам ВОЛС можно отнести высокую стоимость оптического интерфейс­ного оборудования.

В 1993 г. на участке Санкт-Петербург—Москва за четыре месяца была построена ВОЛС с использованием одномодового ВОК. Короткие сроки строительства линии свя­зи были достигнуты благодаря использованию технологии подвески кабеля на опорах контактной сети (рис. 8.38). В МПС имеется опыт проектирования и реализации различ­ных способов прокладки (подвески) ВОК; непосредственно в грунте, в полиэтилено вом трубопроводе, в кабельном желобе, подвеска самонесущего кабеля на опорах кон­тактной сети и высоковольтных линий автоблокировки. Наиболее распространенным способом прокладки ВОК на электрифицированных участках железных дорог является его подвеска на опорах контактной сети.

Успешный опыт эксплуатация BOJIC на железных дорогах страны, необходимость развития информационных технологий отрасли позволили разработать концепцию теле­коммуникаций железнодорожного транспорта до 2005 г., основу которой составят BOJ1C, общая протяженность которых должна достигнуть 45—50 тыс. км или 50 % эксплуатаци­онной протяженности железных дорог. Введена в эксплуатацию ВОЛ С на направлении Москва—Воронеж—Новороссийск—Адлер протяженностью свыше 2000 км.

Локальные вычислительные оптические сети (ЛВОС) получили в последние годы широкое распространение во всех подразделениях транспорта, в том числе и в электро­снабжении, в связи с интенсивным внедрением компьютеров, созданием автоматизи­рованных рабочих мест (АРМ) и распределительных информационных систем.

Главная цель создания локальных сетей — повышение производительности труда за счет автоматизации всех форм деятельности работников железнодорожного транс­порта. Локальные сети относятся к классу распределительных систем обработки дан­ных, объединяющих вычислительно-информационные средства отдельных подразделе­ний, предприятий, информационно-вычислительных центров дистанций (в том числе, энергодиспетчерских пунктов дистанций электроснабжения), сосредоточенных на ог­раниченной территории.

Локальные сети строятся на базе общей передающей среды, через которую прохо­дит обмен информацией между абонентами. В большинстве существующих на железных дорогах локальных сетей в качестве передающей среды используются симметричные или коаксиальные кабели, обеспечивающие скорость передачи информации от 10 до 100 Мбит/с. При скоростях передачи выше 100 Мбит/с становится целесообразным использовать волоконно-оптические кабели и переходить к ЛОВС. Потребность в таких сетях возникает в местах обработки и хранения больших потоков информации, таких как ГВЦ МПС и дорожные ИВЦ.

Локальные вычислительные оптические сети являются удачным итогом синтеза наиболее передовых информационных технологий, поэтому новые перспективные ло­кальные сети целесообразно разрабатывать с применением волоконной оптики. С ВОЛС локальные вычислительные оптические сети роднит одинаковая передающая среда, но существенное отличие состоит в масштабах степени разветвленности и количестве око­нечных устройств, что не позволяет механически перенести в ЛВОС применяемые на ВОЛС технические и иные решения.

Типовая схема системы связи, использующей ВОЛС, показана на рис. 8.39. Анало­говый сигнал, генерируемый оконечным оборудованием данных (ООД), например телефоном, приходит на узел коммутации, где аналого-цифровой преобразователь АЦП

(на рис. 8.39 — кодер) осуществляет кодирование сигналов в цифровой поток. Битовый поток используется для модуляции светового потока в оптическом передатчике, который передает серию оптических импульсов в оптическое волокно. Повторитель, состоящий из оптического приемника, усилителя и оптического передатчика, предназначен для усиле­ния ослабевающего в процессе передачи распространения оптического сигнала, а также для восстановления формы оптического сигнала до первоначальной. Повторитель, вос­станавливающий форму сигнала, называется регенартором. Если приемная и передающая станции удалены на большое расстояние друг от друга, например, на несколько сот километров, то может потребоваться несколько промежуточных повторителей.

На приемной стороне импульса света преобразуются обратно в электрический сиг­нал при помощи электрического приемника. Цифровой поток с оптического приемника поступает на декодер, который преобразует его обратно в аналоговый сигнал ООД.

Для повышения пропускной способности волокон применяются волоконно-опти­ческие системы передачи (ВОСП) информации с уплотнением по длине волн Xj — X_N (рис. 8.40). Они организуются по однокабельной, двухволоконной, многополосной схеме.

На передающие станции сигналы цифровых систем передачи (ЦСП) информации поступают в оборудование сопряжения (ОС) и далее на оптические передатчики (ОПер), излучающие оптические сигналы с длинами волн λ₁ — λ_N. С помощью волнового мульти­плексора (МП) осуществляется ввод оптических несущих волн в волокно тракта передачи. В тракте приема осуществляется их разделение с помощью волнового демультиплексора (ДМ) и преобразование с помощью оптического приемника (ОПр) в электрический сиг­нал, поступающий на оборудование сопряжения (ОС) с цифровой системой приема (ЦСП).

Оптические сигналы, передаваемые по волокну, имеют очень малое затухание. Характерной особенностью потерь в волокне является то, что они носят избиратель­ный характер, то есть на некоторых длинах волн X затухание волокон имеет минимум, который называют «окном прозрачности». В настоящее время используются три «окна прозрачности» с длинами λ₁ = 0,85 мкм, λ₂ — 1,31мкм, λ3 = 1,55 мкм.

Использование диапазона 0,85 мкм обеспечивает возможность получения предель­ных значений коэффициента затухания в волоконно-оптическом кабеле (ВОК) поряд­ка 3 дБ/км. Использование диапазона 1,3 мкм позволяет уменьшить величину коэффи­циента затухания до 1 дБ/км в градиентном волокне и до 0,5 дБ/км в одномодовом волоконно-оптическом кабеле. Диапазон 1,55 мкм позволяет получить коэффициент затухания в одномодовом волокне до 0,2 дБ/км.

Ведутся исследования по освоению диапазонов длин волн 2—4 мкм, что позволит дос­тичь коэффициента затухания в одномодовом кабеле до нескольких тысячных долей дБ/км.

Совокупность последовательно соединенных оптических волокон линейного и стан­ционного кабелей, а также оборудование сопряжения, включающего в себя разъемные и неразъемные оптические соединители, линейные и станционные соединительные устройства, образуют элементарный кабельный участок (ЭКУ).

Упрощенная схема ЭКУ одного из направлений передачи показана на рис. 8.41.

Модулированное оптическое излучение на станции А от источника вводится в одноволоконный станционный кабель (СК) через оптический соединитель (ОС). Ана-

логично подключается СК через ОС к фотоприемному устройству (ФПУ) на станции В. Одноволоконные СК подключаются к линейному кабелю (ЛК) методом сварки, что уменьшает потери мощности. Сварные соединения размещаются и фиксируются в спе­циальных устройствах стыкования станционных и линейных кабелей (УССЛК). Эти ус­тройства обеспечивают защиту соединений и каждого волокна от повреждений, а так­же хранения его запаса, необходимого для выполнения операций по сварке.

Соединения линейного кабеля также выполняются методом сварки. Сварные со­единения располагаются в герметизированных муфтах.

Совокупность элементарных кабельных участков ЭК^ образует ВОЛС, для созда­ния которой применяются различные типы кабелей, кабальная арматура, оборудова­ние и линейные сооружения. На рис. 8.42 приведена структура ВОЛС с использованием различных типов ВОК, оборудования и сооружений, показывающая разнообразие спо­собов организации ВОЛС и используемых для этого технических средств.

В состав волоконно-оптических линий связи входят: линейные (магистральные, зоновые, городские) и станционные кабели; кабельная аппаратура и оборудование; кабельные сооружения. Некоторые ВОЛС не содержат станционных кабелей. Например, при прокладке ВОЛС в тоннелях метрополитена используют кабели с негорючей обо­лочкой, что позволяет вводить их непосредственно в помещения, где установлено сете­вое оборудование. ВОК могут прокладываться по ЛЭП вместе с грозозащитным тро­сом, в кабельных каналах, в траншеях и бестраншейным способом вдоль дороги, а также могут подвешиваться на опорах. При прокладке кабелей в каналах выполняют смотровые колодцы, в которых располагают соединительные муфты.

Центральная коммутационная станция, которая может быть оснащена радио­связью, волоконно-оптическими кабелями связывается с городскими и местными коммутационными станциями, а также с административными зданиями, имеющи­ми локальные сети.

При прокладке (подвеске) и монтаже ВОЛС необходимо соединять (сращивать) друг с другом отдельные кабели, выполнять их разветвления на несколько кабелей меньшей емкости. Для этого в местах соединений и разветвлений кабелей устанавлива­ют соединительные муфты, которые делятся на проходные и разветвигельные. Частота установки муфт зависит от строительной длины кабелей, которая может изменяться от сотен метров до нескольких километров. Например, невозможно протянуть очень длинный отрезок кабеля через кабельную канализацию. Потребность в установке соединительных муфт возникает также при ремонтах поврежденного кабеля.

Волоконно- оптические кабели

Волоконно-оптический кабель (ВОК) состоит из нескольких волокон и упрочня­ющего материала типа пластика, стекловолокна или металла. Кабели общего назначе­ния не имеют огнестойких свойств, поэтому могут быть проложены только в огнестой­ких кабелепроводах.

Оптоволокно (или просто волокно) состоит из тонкой сердцевины для передачи светового сигнала, окруженной прозрачной оболочкой для удержания света внутри сер­дцевины (рис. 8.43). Сердцевина и оболочка имеют разные показатели преломления света, соответственно п₁,n₂ . Если показатели преломления оболочки выбираются все­гда постоянной величины, то показатель преломления сердцевины в общем случае мо­жет зависеть от радиуса R. На рис. 8.43 показаны пути прохождения по волокну двух лучей 1 и 2, попадающих в волокно под разными углами. Угол ϴ_А является максималь­ным, при котором вводимые излучения из свободного пространства испытывают пол­ное внутреннее отражение и распространяются по волокну. При этом угол падения ϴ_С на границу двух сред будет критическим, при котором преломленный луч идет вдоль границы сред (0₂ =90°). Если угол падения на границу меньше критического угла падения ϴ_С (луч 2), то при каждом внутреннем отражении часть энергии сигнала преломляется и уходит в оболочку, что приводит к затуханию светового сигнала. Если же угол падения больше критического, то при каждом отражении вся энергия сигнала от границы воз­вращается в сердцевину, благодаря полному внутреннему отражению. Лучи, траектории которых полностью лежат в оптически более плотной среде, называются направляемы­ми. Поскольку энергия направляемых лучей не рассеивается наружу, то такие лучи мо­гут распространяться на большие расстояния.

Мода — это каждый световой луч, распространяемый в волокне, или его световой путь. Применяют одномодовые или многомодовые волокна. В одномодовом волокне ди­аметр светонесущей жилы составляет 8—10 мкм и сравним с длиной световой волны X. В таком волокне при достаточно большой длине распространяется только один луч (одна мода). В стандартном многомодовом волокне диаметр светонесущей жилы состав­ляет 50 и 62,5 мкм, что значительно больше длины волны передачи. Это приводит к распространению множества различных типов световых лучей — мод. Большинство ус­тройств волоконной оптики используют область инфракрасного спектра в диапазоне от 0,8 до 1,6 мкм в основном в трех окнах прозрачности: 0,8; 1,310 и 1,55 мкм.

На рис. 8.44 показана общая картина распространения света по разным типам световодов: многомодовому ступенчатому (со ступенчатой характеристикой), много­модовому градиентному (с плавной характеристикой) и одномодовому ступенчатому.

По характеристикам зависимости мощности входного и выходного импульса Р от времени t (t₁ соответствует моменту появления импульса на входе, t₂ ^— на выходе волокна) видно, что одномодовое ступенчатое волокно обеспечивает прохождение импульса с наименьшим искажением и затуханием. В многомодовых волокнах на их выходах наблюдается дисперсия (рассеяние) волн, так как они перемещаются по пу­тям разной длины и с разной скоростью. Таким образом, различные волны на выходе волокна будут в разное время.

Минимальная длина волны, при которой волокно поддерживает только одну рас­пространяемую моду, называется длиной волны отсечки. Этот параметр характерен для одномодового волокна (рис. 8.44, в). Если рабочая дайна волны меньше длины волны отсечки, то имеет место многомодовый режим распространения света. В этом случае появляется дополнительный источник дисперсии — межмодовая дисперсия, ведущая к уменьшению полосы пропускания волокна.

По оптическому волокну передается не просто световая энергия, но также полез­ный информационный сигнал. В результате дисперсии происходит уширение импульсов. При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться, накладывать­ся друг на друга, так что становится невозможным их выделение при приеме. Чем мень­ше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну.

Одномодовое волокно — оптоволокно с очень узкой сердцевиной с диаметром 10 мкм и меньше служит для скоростной передачи информации на большие рассто­яния. Благодаря тому, что диаметр сердцевины невелик, световой луч отражается от поверхности сердцевины гораздо реже, в результате этого — дисперсия меньше. Про­пускная способность одномодового волокна составляет около 5 Гбит/с.

Многомодовое волокно — оптоволокно с диаметром сердцевины от 50 до 125 мкм. Этот наиболее распространенный тип волокна способен передавать несколько мод (не­зависимых световых лучей) с различными длинами волн. Однако большой диаметр сер­дцевины приводит к тому, что световой поток отражается от поверхности сердцевины чаще, а это чревато сильной дисперсией. Дисперсия ограничивает пропускную способ­ность и расстояние между повторителями. Пропускная способность многомодового во­локна составляет примерно 2,5 Гбит/с.

Конструкция волоконно-оптического кабеля должна отвечать следующим требова­ниям:

• защищать волокна от повреждений и разрушений в процессе производства, прокладки и эксплуатации;

• обеспечивать постоянство характеристики оптического волокна в процессе все­го срока службы кабеля на уровне характеристик некаблированного волокна;

• обеспечивать прочностные характеристики кабеля такие же, как у электричес­кого кабеля с тем, чтобы с ними можно было одинаково обращаться и использовать одни и те же механизмы для прокладки кабеля;

• обеспечивать идентификацию волокон кабелей при их соединении в про­цессе монтажа.

Основное отличие конструкции ВОК от электрических кабелей заключается в том, что они должны содержать упрочняющие (силовые) элементы. Сердечник электрическо­го кабеля, состоящий из медных жил, может использоваться в качестве несущего нагруз­ку элемента, так как медь может удлиняться более чем на 10 % без разрушения. Иначе ведут себя оптические волокна, которые разрушаются при удлинении в несколько про­центов. Волоконно-оптический кабель для защиты волокон от повреждений и дополни­тельных потерь из-за микроизгибов в процессе прокладки и эксплуатации конструирует­ся с упрочняющими элементами, чтобы выдержать нагрузки растяжения и нагрузки от температурных расширений и укорочений. Это требует, чтобы большая часть сечения ВОК состояла из прочностных и поддерживающих элементов. Поэтому конструкции оп­тических кабелей включают в себя компромисс между компактностью и прочностью.

По назначению сети волоконно-оптические кабели связи можно разделить на четыре группы: междугородные, городские, объектовые и монтажные. Назначение междугородных и городских кабелей такое же, как и соответствующих электричес­ких кабелей. Объектовые кабели служат для передачи информации внутри объекта, в частности, поста электрической и диспетчерской централизации, сортировочной горки, поезда, административных зданий. Применение этих кабелей особенно перс­пективно при создании: микропроцессорных систем автоматики и телемеханики; внутренних сетей кабельного телевидения; различных информационных сетей на станциях, в отделениях дороги; локальных вычислительных сетей. Внутриобъекто- вые кабели в сочетании со светодиодными датчиками могут использоваться для ди­станционных и телеизмерений различных параметров.

Для защиты оптических волокон от механических воздействий в процессе изго­товления, прокладки и эксплуатации кабелей возможны два конструктивных решения: наличие пустот между элементами сердечника кабеля, дающих им свободу перемеще­ния; применение демпфирующих слоев между элементами.

В настоящее время используется пять типов кабелей с различной компоновкой кабельного сердечника (рис. 8.45): кабели повивной скрутки (рис. 8.45, о); пучковой скрутки (рис. 8.45, б); с профильным сердечником (рис. 8.45, в); ленточные кабели (рис. 8.45, г); кабёлис сердечником в виде общей для всех волокон центральной трубки (рис. 8.45, д).

Оптические волокна 5 образуют одно- или многоволо­конные модули /, которые скручиваются вокруг кабельного сердечника 2 или собираются в пучок 4 из многоволоконных оптических модулей. Пластмассовая оболочка оптического кабеля 3 защищает сердечник кабеля от механических, теп­ловых и химических воздействий, а также от влаги.

Профильный сердечник 9 кабеля позволяет размес­тить волокна 5симметрично относительно упрочняющего элемента 2 (рис. 8.45, в). Оп­тические волокна могут располагаться в лентах б, которые слоями заполняют среднюю часть кабеля (рис. 8.45, г). Вместо лент среднюю часть кабеля может Заполнять пучок оптических волокон 7, помещенных в центральную трубку 8.

Скрутка оптических модулей может быть спиральная или SZ-скрутка, показанная на рис. 8.46. При SZ-скрутке величина радиуса кривизны изменяется вдоль оси кабеля и достигает максимума в точках смены направления скрутки. Эта скрутка обеспечивает более высокую стойкость к растягивающим усилиям. До середины строительной длины кабеля применяется направление скрутки Sj, далее — Z₂.

Для предотвращения распространения влаги подлине кабеля свободное простран­ство между элементами сердечника заполняется специальным гидрофобным компаун­дом (гелем). Если продольная водонепроницаемость не требуется, например, для кабе­лей внутренней прокладки, то необходимость в заполнении сердечника компаундом отпадает. Для предотвращения нежелательного воздействия компаунда на силовые эле­менты и оболочку кабеля сердечник изолируют от внешних элементов кабеля несколь­кими слоями тонкой пластмассовой пленки.

Упрочняющие элементы в оптических кабелях могут располагаться в сердечнике, оболочке или там и там. Упрочняющие элементы наиболее часто изготовляются из ста­ли, арамидной пряжи (кевлара), стеклопластиковых стержней и синтетических высо­копрочных нитей. Выбор материалов для упрочняющих элементов зависит от допусти­мого радиуса изгиба кабеля, доступных механических нагрузок, диапазона температур, в котором должен эксплуатироваться кабель.

Оболочка оптического кабеля служит для защиты сердечника кабеля от механи­ческих, тепловых и химических воздействий. Наибольшее применение в качестве мате­риала оболочек получили полиэтиленовые и поливинилхлоридные (ПВХ).

Кабели с полиэтиленовой оболочкой используются при их наружной прокладке. Номинальная толщина полиэтилена составляет 2 мм.

Поливинилхлоридная оболочка применяется для кабелей внутренней прокладки в производственных зданиях и для кабелей наружной прокладки в агрессивных средах.

Электронные компоненты систем оптической связи

Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ), применяемые в волоконно-опти­ческих системах, предназначены для преобразования электрических сигналов в опти­ческие. Последние должны вводиться в оптоволокно с минимальными потерями. Про­изводятся самые разнообразные ПОМ, отличающиеся по конструкции, а также по типу источника излучения. Одни работают на телефонном диапазоне частот с макси­мальным расстоянием до нескольких метров, другие передают сотни и даже тысячи мегабит в секунду на расстояния в несколько десятков километров.

Главным элементом ПОМ является источник излучения, к которому предъявля­ются следующие требования:

— излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности волок­на (0,85; 1,31 и 1,55 мкм);

5. источник излучения должен выдерживать необходимую частоту модуляции для обеспечения требуемой скорости передачи информации;

6. источник излучения должен быть эффективным, то есть большая часть его излу­чения должна попадать в волокно с минимальными потерями;

7. источник излучения должен быть достаточно мощным, чтобы сигнал можно было передавать на большие расстояния, но не на столько, чтобы излучение могло повредить волокно или оптический приемник;

8. температурные изменения не должны влиять на функционирование источника излучения;

9. стоимость источника излучения должна быть относительно невысокой.

В настоящее время используются два основных типа источников излучения: по­лупроводниковые лазерные диоды и светодиоды. Оба типа источников излучения весь­ма компактны и хорошо сопрягаются со стандартными электронными цепями. Лазер­ные диоды, выпускавшиеся 10 лет назад, обладали значительно меньшей надежностью по сравнению со светодиодами. Однако в настоящее время, благодаря совершенствова­нию конструкций и технологии изготовления, удалось значительно повысить надеж­ность лазерных диодов и приблизить их к светодиодам по времени наработки на отказ, которое составляет до 50000 часов и более (5—8 лет).

На рис. 8.47 представлена структурная схема передающего оптоэлектронного мо­дуля, составными элементами которого являются:

электрические интерфейсы ввода информации;

электрические преобразователи для преобразования поступающих электричес­ких сигналов в оптические;

источник излучения светового луча, на который накладывается световой сигнал;

блоки оптического и температурного мониторинга для контроля параметров источника излучения и поддержания их в заданных пределах с помощью блоков охлаж­дения и тока накачки;

внутренний модулятор для формирования оптических модулированных потоков;

аттенюатор для осуществления снижения уровня излучения до необходимой величины;

оптические интерфейсы для вывода информации и ввода ее в оптический кабель.

В конструкцию ПОМ входит специальный держатель, который позволяет закре­пить и защитить составные элементы передатчика.

Приемные оптоэлектронные модули (ПРОМ) служат для преобразования оптичес­кого сигнала, принятого из оптоволокна, в электрический. Основными функциональ­ными элементами ПРОМ являются:

• фотоприемник, преобразующий полученный оптический сигнал в электричес­кую форму;

• каскад электрических усилителей, усиливающих сигнал и преобразующих его в форму, удобную и пригодную к дальнейшей обработке;

• демодулятор, воспроизводящий первоначальную форму электрического сигнала.

На рис. 8.48 приведены структурные схемы аналогового (рис. 8.48, а) и цифрового

(рис. 8.48, б) ПРОМ. Аналоговые. ПРОМ принимают аналоговый оптический сигнал, а на выходе выдают электрический аналоговый сигнал. К аналоговым приемникам предъяв­ляют требования высокой линейности преобразования и усиления сигнала при мини­муме побочных частот, в противном случае возрастают искажения сигнала. На протя­женных линиях с большим количеством приемо-передающих узлов искажения и по­бочные шумы накапливаются, что снижает эффективность аналоговых многоретранс­ляционных линий связи.

При цифровой передаче информации не требуется очень точная ретрансляция форм импульсов. Цифровой приемник (рис. 8.48, б), включающий «Цепь принятия ре­шения» или дискриминатор, имеющий установленные пороги на принятие сигналов О и 1, который распознает, какой сигнал пришел, устраняет шумы и восстанавливает необходимую амплитуду сигнала. Правильное выделение нужного сигнала может про­исходить при большом уровне шумов.

Различают синхронные и асинхронные режимы приема-передачи цифрового сиг­нала. При синхронном режиме поток информации между передатчиком и приемником носит непрерывный характер. Таймер блока регенерации приемника выделяет в прихо­дящей серии импульсов специальные сигналы — синхроимпульсы, на основе которых приемник регулярно настраивает или подстраивает свои часы (таймер).

При асинхронном режиме данные передаются в виде организованных последова­тельностей импульсов — пакетов. В промежутках между пакетами линия молчит — сиг­нала нет. При этом режиме приемник имеет свой независимый таймер. Принимая на­чальные импульсы пакета (преамбулу), таймер настраивает «Цепь принятия решений» так, чтобы определение приходящего импульса выполнялось на его середине. Электри­ческий сигнал, который выдает «Цепь принятия решения», идет на частоте таймера. Так как у разных таймеров есть погрешность, то, по мере принятия последующих им-

пульсов пакета, момент определения приходящего импульса плавно смещается в одну из сторон относительно середины приходящего импульса. Для правильной индентифика- ции всех импульсов пакета важно, чтобы смешение за время принятия пакета не превы­сило 0,5 импульса. Это приводит к ограничению максимальной длины пакета. Чем мень­ше погрешность таймера, тем больше длина пакета, используемого для передачи.

Повторители и оптические усилители являются ретрансляторами оптических сиг­налов. По мере распространения оптического сигнала происходит его ослабление, а также уширение импульсов из-за дисперсии. Любой из этих факторов может оказаться причиной ограничения максимальной длины безтрансляционного участка волоконно- оптической связи. Если же максимальная допустимая длина между приемником и пере­датчиком превышает действительную, то необходимо в промежуточных точках линии связи добавлять один или несколько ретрансляторов. В общем случае ретранслятор вы­полняет функцию усилителя оптического сигнала, и дополнительно (при цифровой передаче) восстанавливает форму импульсов, уменьшает уровень шумов и устраняет ошибки. Такой ретранслятор называется регенератором.

В локальных волоконно-оптических сетях ЛВОС повторители значительно больше распространены, чем оптические усилители, в то время как при построении оптичес­ких магистралей оптические усилители играют незаменимую роль.

Повторитель (рис. 8.49, а) преобразует оптический сигнал в электрическую фор­му, усиливает, корректирует, а затем преобразовывает обратно в оптический сигнал, то есть повторитель можно рассматривать как последовательное соединение приемного и передающего оптических модулей.

Аналоговый повторитель в основном выполняет функцию усилителя сигналов. При этом вместе с полезным сигналом усиливается также входной шум. Однако при цифровой передаче повторитель наряду с усилением может выполнять регенерацию сигнала, свойственную цифровому оптическому приемнику (рис. 8.48, б). Обычно блок регенерации охватывает «Цепь принятия решения» и таймер. Блок регенерации вос­станавливает прямоугольную форму импульсов, устраняет шум, рассинхронизирует передачу так, чтобы выходные импульсы совпадали с соответствующими синхроим­пульсами таймера. Повторитель может и не содержать таймера и восстанавливать пря­моугольную форму импульсов по определенному порогу, независимо от того, на ка­кой скорости ведется передача. Такие повторители применяются в локальных сетях, где имеет место асинхронный режим передачи.

Оптический усилитель (ОУ), в отличие от повторителей, не осуществляет опто­электронного преобразования, а сразу производит усиление оптического сигнала (рис. 8.49, б). Оптические усилители не производят также регенерацию оптического сигнала. Они в равной степени усиливают как входной сигнал, так и шум, а также вносят собственный шум в выходной оптический канал. ОУ имеют более высокую надежность, чем повторители. Они не привязаны к скорости передачи информации, в то время как повторители выполняются для работы на определенной скорости. Имен­но на эту скорость настраивается таймер повторителя. Повторитель работает с одним сигналом. ОУ может усиливать несколько оптических сигналов на разных длинах волн в пределах определенного интервала, который называется зоной усиления. Это позво­ляет увеличивать пропускную способность линий связи, на которой установлены ОУ, без добавления новых волокон.

Кабельная арматура и оборудование

В состав волоконно-оптических линий связи входят: линейные и станционные ка­бели; кабельная арматура и оборудование; кабельные сооружения.

К кабельной арматуре относятся: муфты и организаторы (всех типов); стойки, применяемые при подвеске кабелей по крышам зданий; различного рода кронштейны для крепления кабелей при их прокладке в тоннелях и по стенам зданий, для подвески на опорах контактной сети железных дорог; высоковольтных и сигнальных линий авто­блокировки, линий электропередачи; промежуточные и оконечные анкеровки; подцер-

живающие зажимы; ролики, используемые при подвеске ВОК; реперные столбики для обозначения трассы и мест установки муфт подземных ВОЛС.

Муфта обеспечивает защиту и запас волокна; восстановление целостности обо­лочки кабеля. Выбор конструкции муфты определяется условиями эксплуатации ВОК: подвеска на опорах ЛЭП, контактной сети и линий автоблокировки; прокладка в грун­те, желобах, тоннелях; монтаж кабеля внутри помещений. Основой муфты является полимерный или металлический корпус в форме цилиндра или параллелепипеда.

Организаторы волокон предназначены для обеспечения соединения волокон ка­беля в установленном порядке, минимального увеличения затухания волокон в местах их соединения, повторного соединения волокон при изменении схемы связи.

Различают следующие типы организаторов: барабан с боковыми лепестками; под­дон с загнутыми вверх и внутрь краями; несколько разводных колец. Организаторы крепятся в корпусе муфты на защелках, винтах или шпильках, с помощью липкой ленты или резиновой стяжки. Организаторы используются также в коммутационно­распределительных устройствах.

Кронштейны, анкеровки, зажимы различных типов используются при подвеске ка­белей, прокладке их по стенам зданий. Анкеровки должны обеспечивать сохранность и эксплуатационную надежность ВОК в зоне подвески и не ухудшать их конструктивных элементов и не вызывать разгерметизации оболочки. На рис. 8.50 приведена кабельная арматура, используемая при подвеске ВОК на опорах линии автобокировки.

Оборудование ВОЛС включает в себя оптические распределительные коммутаци­онные устройства: распределительные коробки, панели, шкафы, оптические кроссо­вые устройства. Расшивка оптических волокон линейных кабелей и их соединение с сетевым оборудованием может быть выполнена тремя способами (рис. 8.51): непосред­ственное оконцевание; оконцевание с помощью сварки; оконцевание с помощью сварки и соединение с волокнами станционного ВОК.

На рис. 8.52 показана разделка оптических волокон 3 линейного кабеля 1, вво­димого через герметический ввод 2 в распределительную коробку 4. Оптические волок­на линейного кабеля свариваются с волокнами 9 небольшой длины (пигтейлами). Мес­то сварки /защищается термоусаживающейся защитной гильзой 6. Технологический

запас волокна и защитные гильзы укладываются во внутреннем организаторе (соедини­тельной спайс-пластине 5). Обычно каждая коробка комплектуется полностью или час­тично пигтейлами заводского производства с различными типами коннекторов 10 и оп­тических розеток 7 /. Распределительные коробки выполняют функции разветвительных муфт или кросса от линейного кабеля к станционным, проложенным внутри здания.

Оптические кроссовые устройства используются при построении оптических узлов с большим количеством волокон (больше 100) входящих линейных ВОК. Кроссовое подключение характерно тем, что оптические волокна линейных или станционных ка­белей, а также оптические шнуры разделываются на задней панели устройства, а ком­мутация (кросс-коммутация) окончаний этих волокон осуществляется на передней панели при помощи коммутационных шнуров.

Кабельные сооружения подземных ВОЛС включают: кабельную канализацию, ко­лодцы кабельной канализации; коллекторы, трубопроводы, желоба, муфты и т. д.

Воздушные ВОЛС не содержат кабельных сооружений за исключением вводов ВОК в здания, называемых кабельными пробками (рис. 8.53). Совмещение узла анкеровки кабеля с вводом возможно только в том случае, если высота провеса кабеля над проез­жей частью или пешеходными дорожками не менее 4,5 м.