Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Современные линии связи для цифровых систем передачи. Учебное пособие.pdf
Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций
Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«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
Новосибирск
2024
УДК [621.315.2:621.391.029.7](075.8)
ББК 32.889
У
тверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ
Рецензенты: докт. техн. наук, проф. Ю.А. Пальчун;
канд. техн. наук Ю.С. Лизнева
Елистратова, И. Б. Современные линии связи для цифровых систем
передачи : учебное пособие / И. Б. Елистратова, Л. В. Первушина, Л. В.
Семендилова ; Сибирский государственный университет телекоммуникаций и
информатики, кафедра фотоники в телекоммуникациях. – Новосибирск, 2024. –
99 с.
В посо
бии изложены особенности передачи информационных цифровых
сигналов по медно-жильным и оптическим линиям связи; физические
процессы, возникающие при передаче электромагнитного излучения; основные
параметры передачи, вопросы электромагнитной совместимости; конструкция
и технические характеристики оптических, твинаксиальных кабелей и кабелей
витая пара.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по
направлению подготовки 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и
системы связи», для слушателей курсов повышения квалификации
специалистов предприятий телекоммуникационного профиля.
© Елистратова И.Б., Первушина Л.В.,
Семендилова Л.В., 2024
© Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики, 2024
2
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
3.4 Типы коннекторов и полировок в оптической связи …………………
86
4 Практические задания и вопросы для самопроверки …………………….
4.3 Оценка оптического бюджета мощности на участках сети связи ……
88
93
Заключение ……………………………………………………………………..
Список используемых сокращений …………………………………………...
96
97
Список используемых источников……………………………………….........
98
режиме …………………………………………………………………………
3.2 Характеристики многомодовых световодов …………………………..
3.3 Характеристики одномодовых световодов ……………………………
4.1 Расчет параметров кабеля витая пара………………………………
4.2 Расчет параметров оптического кабеля ……………………………….
48
73
76
88
90
3
Введение
В данном учебном пособии 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 каналов. Можно выделить
следующие линии связи: проводные, кабельные, беспроводные.
Данное 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 пособии уделено внимание следующим линиям связи.
Витая 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 стекловолокно, роль внутренней изоляции выполняет
пластиковая или стеклянная оболочка, которая не позволяет свету выходить,
она образовывает полное внутреннее отражение.
В разделах пособия рассмотрены современные линии связи,
используемые в настоящее время согласно существующим стандартам. Один
из разделов пособия посвящен практическим заданиям и вопросам для
самопроверки.
4
1 Введение в анализ распространения информационного сигнала
,
;
,
ЕI
ЕI
IIIHdl
асм
пр
смпр
⋅=
⋅=
+==∫
ε
σ
по линиям связи
Для передачи информационного сигнала от источника сообщений до
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
−=
+=
,
,
S
Н
ф
BdS
dt
d
dt
d
Ф
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
15
Гц;
− 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).
(1.6)
7
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
Рисунок 1.2 – Вектор Пойнтинга
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
).(
:)(
CjGU
dx
dI
LjRI
dx
dU
ω
ω
+⋅=
+⋅=
xx
xx
eDeC
xI
eBeAxU
γ
γ
γγ
⋅+⋅=
⋅+
⋅=
−
−
)(
:)(
2 Анализ распространения ЭЛМ энергии при квазистационарном режиме
В квазистационарном режиме с учетом системы уравнений (1.4) и
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.
Рисунок 2.1 – Анализ взаимодействия электромагнитной волны и
направляющей среды в квазистационарном режиме
Телеграфные уравнения представлены системой уравнений (2.1):
(2.1)
Решение телеграфных уравнений представлено системой (2.2)
, (2.2)
где A, B, C, D – коэффициенты, рассчитанные с учетом физических и
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
σ
µω
⋅
⋅
=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;
μ
– абсолютная магнитная проницаемость среды;
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.
2.1 Параметры передачи электрических линий связи
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