4. Согласование кабельной линии с нагрузкой

В процессе строительства, пуско-наладочных работ и измерений, проводимых на линиях связи, выявляется один из важнейших факторов, определяющих качество передачи цифрового сигнала. Таким фактором является однородность волновых параметров линии, и, в частности, степень согласования импеданса линии и её нагрузки.

Известно, что, когда кабельная линия подключается к нагрузке, внутреннее сопротивление которой равно характеристическому сопротивлению кабеля, величина отражённого сигнала стремится к нулю. Другими словами, вся совокупность падающих волн тока и напряжения без остатка воспринимается сопротивлением нагрузки.

В случае, когда модуль сопротивления нагрузки оказывается больше модуля волнового сопротивления кабеля, падающая волна создаёт ток, заведомо меньший, чем в случае согласования импедансов. Нагрузка поглощает только часть падающих волн тока и напряжения, а невоспринятые их части отражаются от нагрузки и распространяются в обратном направлении. Отношение отражённой и падающей волн напряжения называют коэффициентом отражения K_U.

K_U = U_О/U_П = (Z_Н - Z_О)/(Z_Н + Z_О) (1.19)

Коэффициент отражения по току определяется аналогичным выражением, но с обратным знаком, что говорит о разности начальных фаз тока и напряжения, равной +90⁰,

K_I = - (Z_Н - Z_О)/(Z_Н + Z_О) (1.20)

В случае согласованной нагрузки напряжение сигнала вдоль кабеля распределяется по синусоидальному закону, с постепенным уменьшением амплитуды к концу линии вследствие потерь в кабеле. Аналогично распределяется и ток, фаза которого оказывается сдвинутой на 90⁰ по отношению к напряжению. При рассогласовании сопротивлений нагрузки и волнового сопротивления кабеля распределение амплитуд напряжения и, соответственно, тока сигнала вдоль линии будет иметь волнообразный характер при их постепенном падении по мере удаления от генератора сигнала.

Предельными вариантами рассогласования нагрузки и импеданса кабеля следует считать его обрыв (режим холостого хода), короткое замыкание или наличие чисто реактивной нагрузки. В указанных случаях амплитуда отражённого сигнала практически равна амплитуде падающего, и в кабеле возникают стоячие волны тока и напряжения сигнала. Узлы и пучности стоячих волн тока и напряжения при этом оказываются сдвинутыми на ¼ длины волны сигнала или на 90⁰. Распределение узлов и пучностей стоячей волны зависит от характера нагрузки, но в любом случае нагрузка не потребляет активную мощность сигнала, которая перераспределяется только в кабеле.

Величины сопротивлений линии в режимах холостого хода и короткого замыкания позволяют просто определить характеристическое сопротивление линии.

Z_хар = (1.21)

Результаты измерений характеристического сопротивления, проводимых со стороны входа и со стороны выхода линии, могут существенно различаться. Данное обстоятельство необходимо учитывать при проведении испытаний кабельных линий.

Необходимо также отметить, что проблемы согласования импедансов не ограничиваются вариантами подключения кабеля к оконечному оборудованию. Максимум проблем возникает при наличии каких-либо неоднородностей в кабельной линии. Неправильно смонтированные муфты, вставки в кабельную линию, выполненные отрезками кабелей других типов, повреждённые участки кабеля, ненагруженные ответвления абонентских линий, нестандартные коммутационные изделия, несонаправленность стыкуемых отрезков кабеля, забытые при реконструкции катушки Пупина… Данный список, хорошо знакомый инженерам, обслуживающим линейно-кабельные сооружения, можно продолжать до бесконечности. Общим в нём является то, что все перечисленные ситуации сводятся к рассогласованию волнового сопротивления кабеля и сопротивления неоднородностей кабельной линии. Результатом, в свою очередь, будет отражение части передаваемого сигнала, наложение отражённого сигнала на информационный сигнал, передаваемый в прямом направлении, и, в конечном счёте, появление помехи, резко снижающей качество передачи.

5. Особенности прохождения импульсного сигнала

по кабельным линиям

Выше рассматривались проблемы передачи по кабелям связи гармонических сигналов. Подобный подход объясняется, в первую очередь, тем, что большая часть кабелей связи была разработана для построения АСП, использующих, как известно, гармонические сигналы. Все категории испытаний, проводящихся в процессе производства и приёмки кабелей, также базируются на использовании гармонических испытательных сигналов. Существующая справочная литература также содержит, в основном, результаты измерений параметров кабелей на постоянном токе и на рабочих частотах соответствующих аналоговых систем передачи.

Вместе с тем, переход от АСП к ЦСП характеризуется, в первую очередь, тем, что меняется характер передаваемых сигналов. В ЦСП для передачи информации используется случайная последовательность импульсов. В таком сигнале практически отсутствуют стационарные частотные составляющие (несущие). Приводимые в технической литературе спектры цифровых сигналов представляют собой так называемые статистические спектры, то есть усреднённые результаты многократно проводимых замеров уровней групповых сигналов на ряде частот, лежащих в пределах заданного интервала частот. Такой интервал для большинства бинарных и квазитроичных сигналов берётся лежащим в пределах от нуля до тактовой частоты системы. Необходимо напомнить, что тактовой частотой принято считать частоту следования элементарных посылок цифрового сигнала. Численно тактовая частота равна скорости передачи цифровой информации по данному цифровому тракту, каналу или линии.

Из общей теории передачи сигналов известно, что спектр любого импульсного сигнала может быть представлен в виде преобразования Фурье с бесконечным количеством гармонических составляющих.

U(t) = U₀/2 + U₁· Cos(ω₁t +φ₁) + U₂· Cos(ω₂t +φ₂) + U₃· Cos(ω₃t +φ₃) + … (1.22)

Однако импульсные сигналы ЦСП, как уже отмечалось выше, с одной стороны, представляют собой чисто случайные функции (исключение составляют специальные испытательные сигналы в форме кодовых слов или псевдослучайных импульсных последовательностей). С другой стороны, групповые цифровые сигналы имеют жёстко детерминированные скорости передачи. Поэтому спектры этих сигналов представляют собой вполне определённые «каркасы», заполненные случайно распределёнными частотными составляющими. Сколько-нибудь точная оценка спектров возможна только на уровне чисто статистического анализа.

Характер информационных сигналов ЦСП таков, что каждая из гармонических составляющих ряда Фурье может иметь свою, отличающуюся от других, начальную фазу. В этом случае составляющие ряда Фурье не обязательно будут подчиняться выражению (1.22), они в общем виде могут быть представлены в виде суммы синусоидальных и косинусоидальных составляющих. Разложение сигнала в ряд Фурье будет иметь следующий вид:

U_nCos(ω_nt + φ_n) = U_nCosφ_n Cosω_nt - U_nSinφ_nSinω_nt = U_Cos Cosω_nt - U_SinSinω_nt (1.23)

где U_Cos и U_Sin – амплитуды косинусоидальных и синусоидальных составляющих спектра сигнала.

Если в сигнале не наблюдается симметрии косинусоидальных и синусоидальных составляющих, что, фактически, является наиболее общим вариантом структуры цифрового сигнала, то в нём одновременно будут присутствовать сигналы с различными фазами этих составляющих. Когда такой сигнал поступает в линию, его частотный спектр не изменится, а вот амплитуды и фазы различных частотных составляющих будут изменяться по-разному, что, в конечном счёте, и приведёт к появлению искажений формы импульсов. Математически это выражается в виде:

n = ∞

U_n (t) = Σk(ω_n) U_nCos (ω_nt + φ_n + ψ_n) (1.24)

n = 0

Появление дополнительного сдвига фаз ψ_n будет определять фазо-частотные искажения. Для того чтобы минимизировать эти искажения, необходимо выбрать оптимальную фазовую характеристику. Такая характеристика должна представлять собой прямую линию, проходящую через начало координат графика зависимости фазы от частоты. Угол наклона этой прямой различен для различных гармонических составляющих сигнала.

ψ_n = tg α· ω_n· n (1.25)

Где tg α определяет угол наклона фазовой характеристики. Таким образом, для каждой гармоники сигнала начало отсчёта сместится на некоторую величину t + τ, что равносильно простой задержке сигнала.

Идеальные условия

Реальные условия

Рис. 1.5: Частотно-фазовые характеристики передачи сигнала по металлическому кабелю.

Если бы при передаче сигнала отсутствовали частотные искажения, то есть K(ω_n) = Const, а величина t + τ была бы одинакова для всех гармоник, можно было бы говорить о неискажённой передаче сигнала в полосе от f_в до f_н. На рис. 1.5 представлены графики идеальных и реальных условий неискажённой передачи сигнала. Конечно, частотные и фазовые характеристики в реальных условиях отличаются от идеализированных, на низких и высоких частотах имеют место загибы характеристик. Различные составляющие получат различную задержку, что, в свою очередь, приведёт к искажению формы импульса.

Как уже отмечалось выше, информационная нагрузка цифрового сигнала лежит в полосе частот от нуля до тактовой частоты системы. Поэтому аппаратура формирования, передачи и приёма цифровых сигналов строится исключительно для работы в указанной полосе частот. Именно в этой полосе и необходимо анализировать факторы, влияющие на качество передачи.

Затухание симметричных кабелей возрастает по мере повышения частоты (см. рис.1.4). При передаче по линии указанная особенность ведёт к появлению искажений формы прямоугольных импульсов в виде увеличения времени нарастания переднего и спада заднего фронтов. При передаче по кабелю форма импульсов сильно искажается, причём спад заднего фронта может в несколько раз превышать спад переднего. Это приводит к попадание переднего и заднего фронтов в соседние и последующие тактовые интервалы. В высокоскоростных системах влияние одного импульса на соседние может сказываться на нескольких десятках соседних тактовых интервалах. Подобные искажения носят название межсимвольных помех, или межсимвольной интерференции, что существенно влияют на качество передачи.

Другим важным фактором, определяющим качество передачи, являются переходные влияния в симметричных кабелях. Мы уже говорили о том, что скрутка проводов пары, производимая в соответствии с возможностями технологического оборудования, а также дефекты монтажа, всегда допускают некоторый разброс симметрии пары, а результате чего пара с высоким уровнем сигнала будет излучать, а пара с низким уровнем – принимать излучаемый сигнал. Известно, что на ГТС и СТС широко используется однокабельная схема построения линии, при которой входящий и исходящий сигналы передаются по парам одного кабеля. В этом случае на вход регенератора будет поступать сумма информационного сигнала, ослабленного и искажённого при прохождении по участку переприёма, и сигнала, наводимого с входа пары противоположного направления. Такие влияния получили название переходных влияний на ближнем конце и являются основным фактором, определяющим качество передачи при построении линии по однокабельной схеме. (Рис. 1.6).

Рис. 1.6: Переходные влияния в симметричных многопарных кабелях связи

Более выгодной с точки зрения обеспечения хороших показателей помехозащищённости является двухкабельная схема организации связи, при которой направления передачи и приёма разносятся в разные кабели. В этом случае помеха от сигнала противоположного направления определяется величиной экранного затухания обоих кабелей и практически не влияет на качество передачи цифрового сигнала. Однако при наличии двух или более систем передачи, работающих по парам одного кабеля, на вход регенератора, подключённого к каждой паре, будет поступать сумма информационного сигнала и сигналов, наводимых от других пар, загруженных другими системами передачи, Такие помехи принято называть переходными влияниями на дальнем конце. (Рис. 1.5). Практика показала, что указанные помехи всегда значительно меньше (на 12 дБ – 15 дБ) переходных влияний на ближнем конце. Это можно объяснить следующим образом. Переходные влияния условно можно разделить на две составляющие: электрическую и магнитную. На ближнем конце векторы этих составляющих сдвинуты относительно друг друга на угол, меньший 90⁰. На дальнем конце, как правило, происходит некоторое «оставание» магнитной составляющей от электрической, угол их сдвига становится больше 90⁰. Соответственно, результирующая этих двух векторов на дальнем конце будет меньше, чем на ближнем конце (рис. 1.7)

а) Н б) Н

Е Е

Рис. 1.7: Векторные диаграммы электрической и магнитной составляющих сигнала на ближнем (а) и дальнем (б) концах линии.

Переходные помехи являются фактором, определяющим качество передачи по парам симметричных кабелей, особенно, когда в одном кабеле работает ряд однотипных систем или функционирует система передачи с высоким уровнем сигнала и спектром, полностью или частично совпадающим с полосой частот ЦСП, работающих по другим парам или четвёркам.

Переходные влияния на ближнем и дальнем концах линии определяются, в первую очередь, конструкцией кабеля и диэлектрическими свойствами изоляции жил, пар и четвёрок. Вместе с тем, условия эксплуатации и, соответственно, состояние кабеля, также является фактором, от которого зависят указанные параметры.

При уплотнении цифровыми системами передачи многочетвёрочных кабелей, таких, например, как различные модификации кабелей МКС, следует учитывать не только переходные влияния между парами одной четвёрки, но и взаимные влияния различных четвёрок. Такие влияния особенно заметны в случае, когда одна или несколько четвёрок уплотнены ЦСП, а остальные – АСП (чаще всего – К 60). При этом помехой поражается ряд высокочастотных каналов АСП. Влияние АСП на ЦСП бывает заметно, главным образом, в случае явных дефектов монтажа линейно-кабельных сооружений. Как правило, ухудшение параметров передачи, в частности, уменьшение переходного затухания, связано с проникновением влаги во внутреннюю полость кабеля или с деформацией (провисанием) четвёрок. Одним из условий сохранения параметров линии на базе кабелей МКС является соблюдение всех технических требований к системе содержания кабеля под давлением.

Кабели СТС, в первую очередь КСПП с диаметром жил 1,2 мм, 0,9 мм и 0,64 мм, особенно их модификации, не имеющие гидрофобного заполнения, имеют тенденцию к сравнительно быстрому ухудшению параметров. Причиной этого являются, в первую очередь, тяжёлые условия эксплуатации, повреждения при механических воздействиях, деформация пар, отклонение от нормы электрических характеристик вследствие старения, проникновение влаги, некачественный ремонт. Упрощение и удешевление конструкции этих кабелей является причиной сравнительно низких показателей защищённости от переходных влияний. Существуют эмпирические формулы величины переходного затухания на ближнем (А_бл) и дальнем (А_д)конце.

А_бл = 63 - 15lg f (дБ) (1.23)

А_д = 60 – 30lg f – 10 lg l (дБ) (1.24)

Где: f –тактовая частота системы передачи (МГц),

l – длина регенерационного участка (км).

На ГТС широко практикуется передача цифровых сигналов по парам многопарных телефонных кабелей типа Т и ТПП. Величина переходного затухания между парами этих кабелей зависит от взаимного расположения пар и может меняться в достаточно широких пределах. Так, например, в многопарном кабеле с послойным повивом жил измерения переходного затухания на частоте 1 МГц (величина, близкая к полутактовой частоте ЦСП ИКМ-30) дали следующие результаты:

• смежные повивы - 71,6 дБ

• через один повив - 73,4 дБ

• через два повива - 75,2 дБ

• через три повива - 78,6 дБ

• через четыре повива - 81,2 дБ

• через пять повивов - 83,1 дБ.

Для кабелей с пучковой скруткой переходное затухание на ближнем конце на частоте 1 МГц составляет:

• для смежных пучков - 71,7 дБ

• через один пучок - 86,3 дБ.

Если многопарный симметричный кабель уплотнён несколькими ЦСП, то взаимное влияние систем передачи приводит к росту уровня переходных помех и, соответственно, к уменьшению длин регенерационных участков.

Ещё одним фактором, определяющим качество передачи, является уровень помех, наводимых в парах кабеля какими-либо внешними источниками. Как уже отмечалось выше, кабели ГТС не имеют специальной экранировки. Кабели СТС, такие, как КСПП, имеют экраны, но величина их экранного затухания не всегда обеспечивает нужный уровень защищённости от помех. Источниками помех могут быть как грозовые разряды, так и наводки от линий электропередачи, электрифицированных железных дорог, промышленного силового оборудования, радиопередатчиков и т.п.

При проектировании и обслуживании кабельных линий необходимо также учитывать воздействие радиопомех, наводимых различными внешними источниками (радиопередатчиками, радиолокационными станциями и т.п.). Следует отметить, что внешние помехи различного рода являются основной причиной падения качества передачи в цифровых радиоканалах.

Наиболее подверженными воздействию наводимых помех являются пристанционные участки кабельных линий, а также межагрегатные соединения непосредственно на узлах связи. На этих участках на качество передачи влияют наводки от всевозможного электрооборудования узлов, включая аппаратуру поддержания кабелей под давлением и даже люминесцентное освещение, от электроинструмента и сварочных аппаратов при производстве ремонтных работ в технических зданиях, работа электромеханических АТС. Так, например, импульсы набора номера, имеющие на выходе телефонных аппаратов амплитуду около 60 В и прямоугольную форму, характеризуются достаточно широким спектром, высшие гармоники которого наводятся на провода пар симметричных кабелей и могут оказать существенное влияние на качество передачи цифровых сигналов. Особенно сильно их воздействие сказывается на передаче многоуровневых сигналов xDSL, спектр которых смещён в область низких частот. Поэтому при проектировании кабельных линий, предназначенных для уплотнения ЦСП, стараются максимально (иногда даже в два раза) сократить длину пристанционных участков, чтобы по возможности оптимизировать соотношение сигнала и помехи на входах регенераторов на этих звеньях линии.

Коаксиальные кабели имеют значительную величину экранного затухания и при точном соблюдении правил монтажа практически не подвержены воздействию переходных и внешних помех. Для линий, построенных коаксиальными кабелями, определяющим фактором является тепловой шум. При анализе работы линий других типов влияние теплового шума можно не учитывать.

В значительной степени повлиять на качество передачи может наличие неоднородностей кабельных линий, причиной которых являются повреждения кабеля, кабельных муфт, врезки кабелей с другим диаметром жил и т.п. Подобные неоднородности, так же, как и рассогласование входного сопротивления аппаратуры с волновым сопротивлением кабеля приводят к отражению передаваемого сигнала и, следовательно, к появлению помех в линии вследствие наложения отражённого сигнала на передаваемый информационный сигнал.

Очевидно, что при проведении измерений параметров передачи, мониторинге сети, проведении пуско-наладочных и ремонтных работ необходимо учитывать перечисленные выше факторы и предусмотреть процедуры измерения параметров среды передачи. К ним, в первую очередь, относятся следующие измерения, проводимые в полосе частот данного линейного или стыкового сигнала:

• рабочего затухания кабеля;

• переходного затухания на ближнем и на дальнем конце;

• характера и уровня шумов в свободной паре.

Следующим этапом может быть, в случае необходимости, рефлектометрия контролируемого участка кабельной линии. Вопросы измерений параметров кабелей подробно освещаются в следующей главе.

Подводя итоги всему, изложенному выше, можно сделать следующие выводы.

1. Стыковые сигналы и сигналы на выходе линейных окончаний большинства ЦСП представляют собой бинарные, квазитроичные или многоуровневые сигналы прямоугольной формы. Спектры таких сигналов содержат значительные как низко-, так и высокочастотные составляющие. Энергетические спектры наиболее распространённых стыковых и линейных сигналов приведены в гл. 1.

2. Известно, что крутизна фронтов прямоугольных импульсов определяется уровнем высокочастотных составляющих цифровых сигналов. Частотная характеристика линии передачи определяется как свойствами среды передачи, так и схемотехническими решениями и выбором комплектующих изделий. Металлические кабели за счёт своих реактивных параметров подавляют высокочастотные составляющие, в различной степени уменьшая амплитуды и изменяя фазы соответствующих гармоник. В результате, наиболее распространённые в существующей практике квазитроичные сигналы могут на выходе участка кабеля принимать вид последовательности положительных и отрицательных импульсов весьма малой амплитуды с сильно затянутыми фронтами, причём задний фронт оказывается затянутым значительно больше, чем передний. Этот фактор определяет межсимвольную интерференцию цифрового сигнала. На информационный сигнал, кроме того, накладываются всевозможные перечисленные выше помехи.

3. Спектры групповых стыковых и линейных сигналов существенно отличаются от приводимых в технической литературе спектров одиночных импульсов. Анализ спектров производится чисто статистическими методами и базируется на результатах экспериментальных исследований спектральных характеристик указанных сигналов.

4. Измерения параметров кабелей по методикам, рекомендованным для строительства, ремонта и паспортизации кабельных линий, базирующиеся на контроле прохождения синусоидального измерительного сигнала, не позволяют получить необходимую исчерпывающую информацию о характере прохождения по данному кабелю импульсного сигнала.

5. Теория и, в значительной степени, практический опыт разработки, производства и эксплуатации регенераторов цифровых сигналов, показал, что достаточно анализировать процесс передачи сигналов в полосе, лежащей в пределах от нуля до тактовой частоты системы. Вместе с тем, следует отметить, что в пределах спектра групповых цифровых сигналов, как правило, невозможно обеспечить идеальное согласование волновых сопротивлений кабелей и импедансов аппаратуры систем передачи, работающих по этим кабелям. Это можно объяснить тем, что внутреннее сопротивление аппаратуры при передаче сигналов различных позиций (нулей и единиц с различными уровнями) будет отличаться. Таким образом, неизбежно будет иметь место определённая степень отражения сигналов в местах соединения аппаратуры и кабеля.

6. Постепенное увеличение соотношения «помеха-сигнал» (другими словами, накопление помехи) по мере увеличения числа переприёмов сигнала путём простого усиления и последующей трансляции в кабель, является одним из факторов, ограничивающих число промежуточных усилителей и, соответственно, длину линии передачи, что характерно для аналоговых систем передачи. Для оптимизации передачи цифрового сигнала по линиям связи необходимо применить принципиально иной метод ретрансляции. Таким оптимальным методом передачи цифровых сигналов является их регенерация (полное восстановление) на каждом участке переприёма. При этом в качестве такого участка берётся не только отрезок соединительной линии между узлами сети, но и любой стык в составе аппаратурного комплекса ЦСП.