Основы построения инфокоммуникационных систем и сетей.-1

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Контрольные вопросы по главе 4

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.Почему цифровой сигнал должен быть «счетным»?

2.Чему ровна амплитуда дискретного сигнала?

3.Уменьшается ли отношение сигнал-шум при неравномерном квантовании?

4.Назовите причины высокой помехоустойчивости в ЦСП.

5.Какое преимущество реализуется при применении в ЦСП биполярных сигналов?

6.Почему цикловый синхросигнал имеет сложную структуру?

7.В чем суть процедуры согласования скоростей при объединении цифровых потоков?

8.Чем технология SDH принципиально отличается от PDH?

Глава 5

ЛИНИИ СВЯЗИ

5.1 Кабельные линии связи

Основой телефонных сетей, сетей передачи данных, кабельного телевидения являются кабельные линии передачи. В настоящее время на магистральных, зоновых сетях и сетях доступа используются воздушные линии (ВЛ), симметричный кабель (СК), коаксиальный кабель (КК), волоконнооптические линии связи (ВОЛС). Их основные характеристики приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1 – Характеристики кабельных линий связи

В кабельных линиях связи используются разнообразные режимы передачи. Чаще всего применяется однополосный четырехпроводный. При этом встречные цепи (провода) для симметричных кабелей помещаются в разных многопарных кабелях, а в коаксиальных линиях и в ВОЛС в одном и том же. В воздушных линиях применяются двухпроводный и двухполосный режимы передачи.

Требования, предъявляемые к линиям связи:

•дальность действия до 12500 км в России и 25000 км на международных линиях;

•высокая скорость передачи (до 100 Гб/с);

•способность передавать различные виды информации (телевидение, телефония, данные и др.);

•высокая помехозащищенность от внешних и взаимных полей;

•стабильность электрических параметров, надежность связи.

5.2Линии связи на симметричном кабеле

Электрический кабель — это электротехническое изделие, содержащее изолированные друг от друга проводники, объединенные в одну конструкцию. В качестве изоляции используются бумага, полистирол, полиэтилен. Для обеспечения прочности, целостности и защиты от воздействий внешней среды провода заключены в общую герметичную оболочку. Чаще всего оболочка выполнена из пластмассы или металлопластика. Поверх оболочки помещается защитный покров, выполненный из металла или пластмассы.

Число пар проводников в кабеле может быть различным от 1 до 3000. В телефонии при домовой или квартирной разводке используются однопарные кабели ТРП («лапша»). Они объединяются в распределительных коробках (РК). Кабели, которые идут от группы абонентов (подъезд дома, офис учреждения и т. п.), содержат 10 и более пар. Эти кабели объединяются в распределительных шкафах (РШ) (рис. 5.1).

А%&

!К

!К

А%&

!Ш

!Ш

Рис. 5.1 – Схема участка городской телефонной сети

От шкафа к АТС идут кабели с числом пар от 100 до 3000.

В компьютерных сетях при построении локальных вычислительных сетей используются кабели с числом пар равным 4 (кабели UTP-3, UTP-5). В то же время существуют многопарные кабели с большим числом пар.

Примеры поперечных сечений некоторых применяемых кабелей приведены на рис. 5.2.

Рис. 5.2 – Поперечные сечения симметричных кабелей: а) однопарный, б) четырехпарный, в) стопарный;

1 — проводник, 2 — изоляция

В стопарном кабеле (рис. 5.2, в) в каждой из 10 ячеек помещено пять двухпарных кабелей. Кабели, применяемые в компьютерных сетях, называют «витой парой».

Рассмотрим процессы передачи электромагнитных волн по двухпроводной сим-

!

E

E H

Рис. 5.3 – Силовые линии векторов напряженности электрического и магнитного полей

Ð→

Здесь силовые линии поля E начинаются и заканчиваются на проводниках.

Ð→

Силовые линии поля H непрерывны и замкнуты вокруг проводников с током I.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Поскольку структура двухпроводной линии открытая, то часть силовых линий уходит от системы проводников. Это способствует взаимодействию поля симметричной линии с другими соседними проводниками (наводки) и излучению электромагнитной энергии,

Векторы E и H перпендикулярны друг другу и вектору Пойнтинга П , харакплотность потока мощности в каждой точке среды распространения

электромагнитной волны. Поэтому основная волна двухпроводной линии является поперечной электромагнитной волной ТЕМ или Т.

Рассмотрим параметры такой волны:

1

Фазовая скорость для среды без потерь — Vф = √µ ε, где ε, µ — абсолютные

Нетрудно увидеть, что среда с потерями обладает дисперсией, когда фазовая

Зависимость фазовой скорости от частоты приведена на рис. 5.4.

V!

1

m e

ω

Рис. 5.4 – Зависимость фазовой скорости TEM волны в среде с потерями

также зависит от частоты при большой проводимости диэлектрика, что может наблюдаться на линиях с большим сроком действия, и подверженного действию влаги.

На высоких частотах волновое сопротивление постоянно и равно

√

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Затухание в симметричной двухпроводной линии определяется несколькими факторами:

•омические потери, которые увеличиваются с частотой благодаря поверхностному эффекту;

•потери за счет излучения и наводок на соседние металлические проводники, которые тоже возрастают с увеличением частоты;

•потери в диэлектрической среде, связанные с ее неидеальностью, наличием проводимости σ (tg δ ≠ 0). Эти потери также возрастают с частотой.

.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Вприкладной теории симметричных кабелей пользуются эквивалентными схемами (рис. 5.5).

к $%&'ой линии !"язи

Рис. 5.5 – Эквивалентная схема симметричной двухпроводной линии

На этой схеме сама линия характеризуется погонными параметрами: реактивностями L и C, активным сопротивлением R (омические потери) и активной проводимостью G (потери в диэлектрике). Связь с другими линиями учитывается с помощью емкости Ccв и проводимости gcв (емкостная связь через электрическое поле) и взаимоиндукции Mcв и сопротивления Rcв (индуктивная связь через магнитное поле).

Для линии без потерь эти параметры, которые называют первичными, выражаются так:

где d — диаметр проводов, r — расстояние между ними.

В линиях с потерями выражения для G и практически не меняются, а выражения для R и L существенно усложняются.

Среди волновых параметров, которые называют вторичными, чаще всего пользуются комплексным коэффициентом распространения

√

γ˙ = α + ι β = (R + ι ω L) (G + ι ω C)

и комплексным волновым сопротивлением

√

Z˙B = (R + ι ω L)/(G + ι ω C).

Эти параметры в отличие от тех, что были приведены выше для ТЕМ волны, могут учитывать поверхностный эффект и эффект близости других проводников. Однако качественные зависимости для фазовой скорости, волнового сопротивления и затухания в линии остаются теми же. Для примера на рис. 5.6 приведены типичные зависимости для затухания и волнового сопротивления симметричной двухпроводной линии для разных значений диаметра медного провода d.

α, "#/км

25

d = 0,4 мм

d = 0,7 мм

f

Рис. 5.6 – Частотные зависимости затухания и волнового сопротивления симметричной линии

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Приведенные зависимости доказывают, что обычные двухпроводные линии можно использовать в диапазоне до 300–500 МГц, но при этом надо решать задачу компенсации частотных искажений.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Рассмотрим подробнее явление взаимного влияния электромагнитных полей в многопарных кабелях (рис. 5.7). Здесь в первой линии имеется источник сигнала U10. При прохождении сигнала по линии во второй линии за счет наводки возникает ЭДС ∆Uэ. Напряжение ∆Uэ приводит к появлению токов на ближнем IOЭ и на дальнем ILЭ концах.

Одновременно за счет наводки по магнитному полю во второй линии появляется ток IМ. Самое интересное заключается в том, что на ближнем конце токи наводок IOЭ и IМ синфазны, в то время как на дальнем конце они противофазны. Эти фазовые соотношения показаны на рис. 5.8.