Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Современные линии связи для цифровых систем передачи. Учебное пособие для СПО.pdf
СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
_________________________________________________________________
Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ)
И.Б. Елистратова, Л.В. Первушина, Л.В. Семендилова
СОВРЕМЕННЫЕ ЛИНИИ СВЯЗИ
ДЛЯ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ
ПЕРЕДАЧИ
Учебное пособие для СПО
Саратов
Профобразование
2025
УДК 621.391
ББК 32.889
Е51
Рецензенты:
Пальчун Ю.А. — д-р техн. наук, проф.;
Лизнева Ю.С. — канд. техн. наук
Елистратова, Ирина Борисовна.
Е51 Современные линии связи для цифровых систем передачи : учебное
пособие для СПО / И.Б. Елистратова, Л.В. Первушина, Л.В. Семендилова ;
Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информа-
тики. — Саратов : Профобразование, 2025. — 98 с. — (Среднее профессиональное образование). — Текст : электронный.
ISBN 978-5-4488-2496-8
В учебном пособии рассматриваются вопросы, касающиеся физических
процессов в кабельных линиях связи, предназначенных для обмена дан-
ными в компьютерных сетях, центрах обработки данных, в сетях доступа и
магистральных сетях. Изложены основы передачи информационных сиг-
налов по современным линиям связи для цифровых систем передачи, а
также аспекты электромагнитной совместимости. Описаны конструкции и
технические характеристики оптических, твинаксиальных кабелей и кабе-
лей витая пара; проводные, кабельные, беспроводные линии связи.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по спе-
циальности среднего профессионального образования «Инфокоммуника-
ционные сети и системы связи», изучающих дисциплину «Техническая
эксплуатация инфокоммуникационных сетей связи».
Учебное электронное издание
Обложка Я.А. Кирсанов, С.С. Сизиумова, фотобанк Freepik
ISBN 978-5-4488-2496-8 © Елистратова И.Б., Первушина Л.В.,
Семендилова Л.В., 2024
© Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики, 2024
© Оформление. ООО «Профобразование», 2025
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ................................................................................................................................ 4
1. Введение в анализ распространения информационного сигнала
по линиям связи .................................................................................................................... 5
2. Анализ распространения ЭЛМ энергии при квазистационарном
режиме .................................................................................................................................. 9
2.1. Параметры передачи электрических линий связи ............................................... 10
2.2. Согласованный и несогласованный режимы передачи ...................................... 19
2.3. Электромагнитная совместимость ........................................................................ 22
2.4. Кабель витая пара .................................................................................................... 30
2.5. Твинаксиальный кабель ......................................................................................... 35
3. Оптические световоды ................................................................................................... 48
3.1. Анализ распространения ЭЛМ энергии при квазиоптическом режиме ............ 48
3.2. Характеристики многомодовых световодов ........................................................ 73
3.3. Характеристики одномодовых световодов .......................................................... 76
3.4. Типы коннекторов и полировок в оптической связи .......................................... 86
4. Практические задания и вопросы для самопроверки ................................................. 88
4.1. Расчет параметров кабеля витая пара ................................................................... 88
4.2. Расчет параметров оптического кабеля ................................................................ 90
4.3. Оценка оптического бюджета мощности на участках сети связи ..................... 93
Заключение ......................................................................................................................... 96
Список используемых сокращений .................................................................................. 97
Список используемых источников ................................................................................... 98
3
Введение
В учебном пособии для СПО рассматриваются вопросы передачи информационных сигналов по современным линиям связи для цифровых систем передачи. Для организации передачи данных необходимо использовать линии и
каналы связи, которые осуществляют коммуникацию между компьютерами, телефонами и другими средствами связи. Передаваемая информация находится в
физической среде, которая может состоять из различных типов кабелей и проводов, а также окружающего пространства. По каналам связь передается в одну
сторону или в две, если обмен происходит между приемником и передатчиком.
Линии связи, в свою очередь, образовываются от соединения нескольких кана-
лов. Можно выделить следующие линии связи: проводные, кабельные, беспроводные.
Пособие посвящено рассмотрению вопросов, касающихся физических
процессов в кабельных линиях связи, предназначенных для обмена данными в
компьютерных сетях, центрах обработки данных, в сетях доступа и магистральных сетях. В издании уделено внимание следующим линиям связи. Ви-
тая пара — состоит из двух проводов, изготовленных из меди, которые свиты
друг с другом и покрыты неэкранированной или экранированной оболочкой.
Такой способ соединения проводников помогает повысить помехоустойчивость, возможно, что в один кабель заключается сразу несколько витых пар
проводов. Твинаксиальный кабель — состоит из двух центральных проводников
и внешнего проводника. Между основным проводником и экраном располагается изолирующий материал, внешняя часть экрана также покрыта изоляцией.
Оптоволоконный кабель — это кабель, в котором используется тонкое стекло-
волокно, роль внутренней изоляции выполняет пластиковая или стеклянная
оболочка, которая не позволяет свету выходить, она образовывает полное внут-
реннее отражение.
В разделах книги рассмотрены современные линии связи, используемые
в настоящее время согласно существующим стандартам. Один из разделов по-
священ практическим заданиям и вопросам для самопроверки.
4
1.
,
;
,
ЕI
ЕI
IIIHdl
асм
пр
смпр
⋅=
⋅=
+==∫
ε
σ
Введение в анализ распространения информационного сигнала
по линиям связи
я передачи информационного сигнала от источника сообщений до
Дл
получателя сообщений необходимо выполнить многократные преобразования
сигнала, в том числе для согласования параметров сигнала с параметрами
линии связи. Для обеспечения условий передачи по линиям связи требуется,
чтобы линии связи обладали наличием как минимум двух сред с разными
параметрами (рисунок 1.1). В физическом смысле среду можно
охарактеризовать тремя параметрами:
− удельным электрическим сопротивлением ρ, или удельной
электрической проводимостью σ;
− абсолютной магнитной проницаемостью μ;
− абсолютной диэлектрической проницаемостью ε.
Рисунок 1.1 – Граница раздела между средами передачи
Связь параметров среды с характеристиками распространяющейся
электромагнитной волны можно представить с помощью уравнений Максвелла:
закона полного тока и закона электромагнитной индукции.
Согласно закону полного тока, если в некоторой точке пространства
существует переменное электрическое поле, то в окрестности точки создается
переменное вихревое магнитное поле, т.е. полный ток равен сумме токов
проводимости и токов смещения.
Закон полного тока можно описать линейным интегралом напряженности
магнитного поля по любому замкнутому контуру равным полному току:
(1.1)
где Iпр – ток проводимости;
Iсм – ток смещения;
Е – напряженность электрического поля;
Н – напряженность магнитного поля.
5
Согласно закону электромагнитной индукции электродвижущая сила,
HjrotE
ErotH
ωµ
σ
−=
= ,
.
,
HjrotE
EjErotH
ωµ
ωεσ
−=
+=
,
,
SНф
BdS
dt
d
dt
dФ
Еdl
а
⋅⋅=
∫−=−=∫
µ
которая возникает в замкнутом контуре при изменении магнитного потока,
проходящего через поверхность, ограниченную данным контуром, равна
скорости изменения этого потока с противоположным знаком.
(1.2)
где Ф – магнитный поток,
S – площадь замкнутого контура.
Таким образом, можно сделать вывод, что созданное сторонними
источниками изменяющееся во времени электромагнитное поле может
существовать вне источника за счет собственной энергии путем преобразования
электрической энергии в магнитную и обратно.
Знание структуры электромагнитного поля в каждой точке позволяет
понять физические процессы и определить основные параметры
взаимодействия электромагнитной волны и передающей среды.
Уравнения, представленные в интегральном виде, в связи со сложностью
решения представляют в дифференциальном виде. В дифференциальном виде
данные уравнения представлены ниже:
(1.3)
.
Данная система уравнений может быть использована для описания
режимов работы передачи сообщения по линии связи в различных режимах.
Для работы в квазистационарном режиме система уравнений выглядит
следующим образом:
. (1.4)
При анализе работы передачи сообщения по линии связи в
квазистационарном режиме необходимо учитывать следующее:
− наличие двух проводников для передачи волны в прямом и обратном
направлениях;
− ограниченный диапазон частот до 109 Гц;
6
− длина электромагнитной волны должна быть больше поперечного
HjrotE
EjrotH
ωµ
ωε
−=
= ,
.
∫
= ЕНdSП
сечения направляющей среды;
− по направляющей среде распространяется поперечно-
электромагнитная волна типа Т.
Таким образом, в квазистационарном режиме работают линии связи, у
которых формируется граница раздела между проводящей средой и
диэлектрической. Проводящая среда характеризуется большой
проводимостью, а диэлектрическая среда – диэлектрической
проницаемостью. К таким направляющим средам относятся симметричные и
коаксиальные линии связи. Данные линии связи также называются
электрическими.
Система уравнений (1.3) для квазиоптического режима изменяется в
соответствии с уравнением (1.5).
. (1.5)
При анализе работы передачи сообщения по линии связи в
квазиоптическом режиме необходимо учитывать следующее:
− ограниченный диапазон частот от 1012 до 10
− длина электромагнитной волны должна быть меньше поперечного
сечения направляющей среды;
− по направляющей среде распространяются как поперечно-
электромагнитная волна типа Т, так и продольные волны.
В квазиоптическом режиме работают световоды, у которых формируется
граница раздела между двумя диэлектрическими средами с разными
диэлектрическими проницаемостями.
Анализ взаимодействия электромагнитной волны, переносящей
информационный сигнал, с направляющей средой учитывает возможность
определения количества энергии, протекающее за единицу времени и
ограниченное единицей площади поперечного сечения направляющей среды.
Расчет количества энергии осуществляется с помощью вектора Пойнтинга,
представленного выражением (1.6). Необходимо учитывать, что волна
распространяется как в прямом (осевом) направлении, так и в радиальном и
тангенциальном направлениях, т.е. когда происходит ответвление волны от
основного направления (рисунок 1.2).
15
Гц;
(1.6)
7
Рисунок 1.2 – Вектор Пойнтинга
ϕ
ϕ
π
rdН
r
E
z
П ⋅⋅=
∫
2
0
∫
⋅⋅=
π
ϕ
ϕ
2
0
rdH
z
E
r
П
∫
⋅⋅=
π
ϕ
ϕ
2
0
/
rdHEz
r
П
Согласно рисунку 1.2 расчет мощности волны, распространяющейся по
осевому направлению в единицу времени и единицу поверхности
направляющей среды, определяется выражением (1.7); мощности волны,
поглощаемой средой, – выражение (1.8); а мощность, распространяющаяся вне
направляющей среды, – выражением (1.9).
, (1.7)
, (1.8)
. (1.9)
8
распространения ЭЛМ энергии при 2. Анализ
).(
:)(
CjGU
dx
dI
LjRI
dx
dU
ω
ω
+⋅=
+⋅=
xx
xx
eDeCxI
eBeAxU
γγ
γγ
⋅+⋅=
⋅+⋅=
−
−
)(
:)(
квазистационарном режиме
квазистационарном режиме с учетом системы уравнений (1.4) и
В
выражений для расчета мощности электромагнитной волны (1.7) – (1.9), а
также уравнения Кирхгофа для анализа взаимодействия направляющей
среды и электромагнитной волны разрабатываются телеграфные уравнения.
На рисунке 2.1 представлены все основные факторы, учитываемые при
анализе.
Рис
унок 2.1 – Анализ взаимодействия электромагнитной волны и
направляющей среды в квазистационарном режиме
Т
елеграфные уравнения представлены системой уравнений (2.1):
(2.1)
Р
ешение телеграфных уравнений представлено системой (2.2)
A, B, C, D – коэффициенты, рассчитанные с учетом физических и
где
, (2.2)
геометрическом параметров направляющей среды и параметров
электромагнитной волны;
γ – коэффициент распространения.
В системе уравнений первые слагаемые характеризуют прямую волну, т.е.
волну, распространяющуюся в осевом направлении, а вторые слагаемые –
волну, распространяющуюся в обратном направлении.
К электрическим линиям связи относятся симметричные и коаксиальные
кабеля связи. В симметричных кабелях связи располагаются однотипные пары
9
проводников, т.е. с полностью одинаковыми конструктивными и физическими
σµω
⋅⋅
=Θ
a
2
параметрами. Допустимое минимальное количество пар в кабеле – две.
Силовые линии электромагнитного поля в симметричных парах
распространяются на большие расстояния, поэтому данное поле получило
название открытое. В коаксиальных кабелях в паре проводников отличаются
конструктивными параметрами, т.е. различают внутренний проводник,
представляющий сплошной проводник меньшего диаметра, и внешний
проводник, имеющий больший диаметр и полую конструкцию. Таким образом,
в коаксиальном кабеле силовые линии электромагнитного поля сосредоточены
внутри пары и поле носит название – закрытое.
При передаче информационного сигнала по линии связи необходимо
учитывать эффекты, вызванные формированием вихревых полей. К таким
эффектам относятся «скин» эффект и эффект близости. «Скин» эффект, или
поверхностный эффект, характеризуется вытеснением основного поля на
поверхность проводника, причем данный эффект прямо пропорционален
частоте сигнала и проводимости материала. С увеличением частоты рабочий
ток вытесняется из толщины проводника и при работе на высоких частотах ток
сосредотачивается в изоляционном материале, а проводники задают
направление движения тока [6].
По формуле (2.3) производится расчет глубины проникновения поля в
толщину проводника θ.
, (2.3)
где ω – угловая частота;
– абсолютная магнитная проницаемость среды;
μ
а
σ – удельная проводимость среды.
Причем в электрических линиях связи основная плотность тока за счет
«скин» эффекта и эффекта близости при работе на высоких частотах
концентрируется в изоляционном материале на взаимно обращенных
поверхностях проводников.
.1. Параметры передачи электрических линий связи
2
К параметрам передачи электрических линий связи относятся следующие
параметры [6]:
− сопротивление R;
− индуктивность проводников L;
− емкость C;
− проводимость изоляции G.
Активное сопротивление проводников определяется как сумма
сопротивлений на постоянном токе, сопротивлений за счет «скин» эффекта,
сопротивлений за счет эффекта близости и также необходимо учитывать
10