медь. Между тем запасы кварцевого стекла в природе практически не ограничены.
6.2.Электросвязь по направляющим линиям
Всистемах связи по направляющим линия сигналы передаются от единиц герц до 40 ГГц. Так, например, телевизионный сигнал на небольшие расстояния – 10…15 км – можно передавать по коаксиальному кабелю (типа РК-75-4-11) непосредственно по видеочастоте в полосе 50 Гц…6 МГц или даже с постоянной составляющей от 0 Гц…6 МГц.
Ваналоговых системах кабельного телевидения (КТВ) ТВ программы передаются по коаксиальному кабелю с меньшим затуханием (ослаблением сигнала) в полосе частот от 47 до 862 МГц, при этом через каждые 500 метров необходимо в линии общей длинной не более 5 км включать усилители. Для передачи одной ТВ программы со звуковым сопровождением отводится канал с шириной полосы 8 МГц (амплитудная модуляция с частичным подавлением нижней боковой полосы частот).
Цифровые технологии в ТВ стали применяться значительно позже, чем в телефонии. Объясняется это широкой полосой частот, занимаемой ТВ сигналам, которая в 1500 раз шире полосы канала тональной частоты – 4 кГц, отводимой для передачи телефонного сообщения. Преобразованные же в цифровой вид
сигналы имеют скорость CТВ =140 − 270 Мбит/с и CТЛФ =64 кбит/с соответственно. Для обработки цифровых потоков со скоростью CТВ длительное
время просто не было активных приборов. Вторым сдерживающим фактором являлось отсутствие каналов связи со столь большой пропускной способностью. Широкополосные каналы были, но их использование технически и экономически невыгодно. Трудно представить, что для передачи одной программы цифрового ТВ пришлось бы пожертвовать 30 – 100 тысячами аналоговыми телефонными каналами.
Благодаря разработке эффективных методов сжатия (устранения избыточности) – семейства MPEG стандартов и полосносберегающих новых способов цифровой модуляции удалось сократить скорость цифрового потока до 1,5 – 15 Мбит/с в зависимости от степени сжатия, что позволило в полосе 8 МГц вместо одной аналоговой передавать 5 – 6 цифровых программ.
В междугородных и международных многоканальных аналоговых системах передачи (типа К-1920) по магистральному коаксиальному кабелю одна телевизионная программа и 300 телефонных каналов занимают полосу частот 300 кГц…8,5 МГц, а в линии через каждые 6 км включены достаточно сложные необслуживаемые усилители. В аппаратуре К-3600 (по числу организуемых телефонных каналов, либо одного телевизионного и 2000 телефонных каналов) усилители включались через 3 км, т.е. почти 300 промежуточных усилителей на участке протяженностью 900 км (например, Минск-Москва), при этом 3 – 4 из них должны быть обслуживаемыми. Подобных систем в мире было построено на сотни миллионов канало-километров, в том числе по дну океанов и морей.
72
Огромный расход цветных металлов, низкая пропускная способность, сложность в эксплуатации – только часть недостатков таких систем.
Вот почему появление волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) многими оценивается как революционный скачок, сравнимый с переходом от ламповой техники к полупроводниковой и даже более значимый. Действительно, параметры современных высокоскоростных систем с временным разделением каналов на ВОЛС позволяют по одному волокну (а в кабеле их может быть несколько десятков) передавать цифровые потоки со скоростью более 10 Гбит/с (в полосе 10 ГГц при грубой оценке) на расстояние до 100 км между оптическими усилителями. Это эквивалентно передаче почти 500 ТВ программ в цифровом виде или организации примерно 160 тыс. телефонных каналов. Указанные параметры не являются предельными. Среди направляющих линий у волокна нет конкурентов. Только на одном участке его нельзя применять – для подачи радиосигналов от передатчиков к антеннам наземных, радиорелейных и спутниковых систем связи. Здесь используются коаксиальные кабели и волноводы (в зависимости от диапазона частот). За сравнительно небольшой срок ВОЛС почти полностью заменили системы на коаксиальном и симметричном кабелях.
На современных сетях связи абонентский участок остается узким местом по пропускной способности и эффективности использования физической линии. Эту проблему частично удалось разрешить путем разработки новых технологий (систем) цифровой абонентской линии (xDSL). Они позволяют по медной паре организовать передачу цифровой информации с максимальной скоростью до 2 Мбит/с от абонента и до 55 Мбит/с – к абоненту на расстояние от 300 м до 3 км в зависимости от типов применяемой системы и кабеля, а также скорости передачи. Это стало возможным благодаря применению высокоэффективных новых видов цифровой модуляции. Имеются сообщения о еще большей достигнутой скорости передачи.
Рассмотрим диапазоны частот, используемых для радио- и телевизионного вещания, а также особенности распространения радиоволн этих диапазонов.
6.3. Линии радиосвязи
Наряду с проводными в телекоммуникации особенно широко используются линии радиосвязи. Напомним процесс возникновения и распространения в пространстве электромагнитного поля, который относится к наиболее сложным явлениям природы. Более подробно эти вопросы будут рассматриваться в курсе «Электромагнитные поля и волны». Сегодня мы на основании известных из средней школы понятий электрических и магнитных полей рассмотрим несколько упрощенную картину. На рис. 6.10 изображена предельно упрощенная модель процесса образования и изменения электрической составляющей электромагнитного поля, излучаемого проводом.
73
Рис. 6.10. Упрощенная модель процесса образования и изменения электрической составляющей электромагнитного поля
Ток в проводе, т.е. перемещение зарядов на всей длине провода и во всем его сечении, условно заменен в этой модели перемещением положительного и отрицательного сосредоточенных зарядов. Электрическое поле, окружающее провод со всех сторон, также условно заменено одной силовой линией только с правой стороны (силовая линия показана пунктиром, направление поля от положительного заряда к отрицательному указано стрелками). Посредине провода включен источник электродвижущейся силы. Цифры от 1 до 13 соответствуют состоянию рассматриваемого процесса в различные моменты: момент 1 соответствует началу процесса; ЭДС равна нулю. В момент 2 появляется ЭДС и вызывает движение зарядов с полярностью, указанной на рисунке; одновременно во внешнем пространстве появляется поле от положительного заряда к отрицательному, силовая линия которого расширяется со скоростью света в направлении перпендикулярном проводу, как показано для моментов 3 – 5. В моменты 6 – 8 ЭДС, пройдя через максимум уменьшается и заряды с концов провода стекают обратно к его середине.
В момент 9 полупериод изменения ЭДС заканчивается и она уменьшается до нуля; заряды при этом сливаются, компенсирую друг друга и поле от них отсутствует. Силовая линия излученного поля замыкается, продолжая отдаляться от провода. Во втором полупериоде изменения ЭДС в моменты 10 – 13 и далее процесс повторяется, но полярность ЭДС и соответственно направление силовой линии меняется на обратные, и т.д.
Таким образом, волны магнитного и электрического полей являются неразрывными составляющими единого процесса излучения электромагнитных волн. При этом излучателем может служить как рамка из провода, так и
74
разомкнутый провод с источником тока посредине. Излучатель типа рис. 6.10 является симметричным вибратором и широко применяется в технике связи.
Направления электрического и магнитных полей в пространственно бегущей электромагнитной волне лежат в плоскости, перпендикулярной направлению движения волны. Более наглядно взаимосвязь между направлением электрической и магнитной составляющих E и H и направлением движения волны показаны на рис. 6.11. Направление полей соответствует «правилу буравчика»: при повороте от вектора E , расположенного вертикально (ось z ) к вектору H , лежащему в горизонтальной плоскости (ось y ), продвижение буравчика совпадает с направлением
распространения волны (ось x ).
Рис. 6.11. Электрическая и магнитная составляющие электромагнитного поля
На рис. 6.11 электрическая составляющая во все моменты остается в вертикальной плоскости. Пространственная ориентация этой составляющей служит признаком свойства волн, называемого поляризацией. Волна, показанная в данном примере, называется вертикально поляризованной. В зависимости от способа получения волн, поляризация может быть также горизонтальной или наклонной. Если в процессе распространения волн поляризация не изменяется, то она называется линейной.
При сложении в пространстве волн равной длины и с линейной но не совпадающей поляризацией результирующее поле определяется векторным сложением его составляющих.
Как известно, переменные токи с неодинаковой фазой в обмотках электрических машин создают вращающееся магнитное поле; это явление лежит в основе действия электродвигателей переменного тока. Аналогично в случае, если излучение волн с разной поляризацией создано токами, взаимно сдвинутыми по фазе, то поляризация волн также не остается линейной: в процессе распространения вектор E вращается, и конец при его графическом изображении описывает спираль. Если в процессе вращения величина вектора электрической составляющей не изменяется, то поляризация волны называется круговой. Если при повороте на 360° поле изменяется и по величине, то поляризация называется эллиптической.
75
Структурная схема линии радиосвязи приведена на рис. 6.12. Сигналы электросвязи, подлежащие передаче, преобразуются радиопередатчиком в радиочастотные сигналы, которые излучаются передающей антенной в открытое пространство в виде радиоволн. Радиоволны – это электромагнитные
колебания с частотами до 3 1012 Гц, распространяющихся в пространстве без искусственных направляющих сред. Далее радиоволны принимаются антенной радиоприемника и преобразуются в нем сначала в сигнал электросвязи, а затем в соответствующие сообщения. Протяженность радиолинии и возможное число сигналов, передаваемых по ней, зависят от многих факторов: диапазона используемых частот, условий распространения радиоволн, технических данных радиопередатчиков, радиоприемников, антенн и др.
Рис. 6.12. Схема линии радиосвязи: 1- радиопередатчик; 2- передающая антенна; 3- приемная антенна; 4- радиоприемник
Ценным качеством радиолиний является возможность их быстрой организации и сравнительно невысокая стоимость. Немаловажным является также тот факт, что радиолинии используются для связи с любыми подвижными объектами (кораблями, поездами, самолетами, космическими летательными аппаратами), а также для связи их между собой.
Линия радиосвязи может состоять из нескольких или многих участков (интервалов), в пределах которых передача сигналов происходит согласно рис. 6.13. В этом случае сигналы, переданные из одного пункта, принимаются в другом, усиливаются и передаются дальше в третий пункт и т.д. такие линии называются радиорелейными линиями (РРЛ).
Рис. 6.13. Схема радиорелейной линии связи
76
Приведенная на рис. 6.13 РРЛ обеспечивает двухстороннюю передачу сигналов. Каждый оконечный пункт РРЛ, называемый оконечной станцией, имеет радиопередатчик и радиоприемник для одновременной передачи и приема сигналов. Передача и прием производятся на разных частотах, поэтому передающая аппаратура не мешает работе приемной. На каждой промежуточной станции имеется, по крайней мере, по два радиопередатчика и радиоприемника для одновременного приема и передачи сигналов в двух направлениях.
Радиоволны, используемые для радиорелейной связи (начиная с частоты 2 ГГц), распространяются прямолинейно, подобно лучам света. Поэтому и станции друг от друга должны находиться в пределах прямой «радиовидимости», обычно не превышающей 40 … 60 км. Это расстояние зависит, в основном, от высоты поднятия антенн над землей. Общая протяженность РРЛ может достигать нескольких тысяч километров. По таким линиям можно передавать одновременно тысячи телефонных сигналов или несколько программ телевизионного вещания.
Неоспоримым преимуществом РРЛ перед кабельными линиями является простата сооружений, особенно в труднодоступных и необжитых районах.
Рис. 6.14. Схема спутниковой радиолинии
77
Разновидностью радиорелейных линий являются спутниковые радиолинии (рис. 6.14). Радиосигналы с земной передающей станции излучаются в направлении искусственного спутника Земли (ИСЗ), где принимаются, усиливаются и вновь излучаются в сторону Земли. На Земле строятся оконечные станции с параболическими антеннами и устройствами наведения на антенну спутника. Спутниковые линии передачи являются широкополосными, они позволяют передавать телевизионные программы в отдельные районы страны значительно дешевле и с более высоким качеством, чем по наземным радиорелейным или кабельным линиям, а также организовать связь с труднодоступными районами, к которым протягивать наземные линии сложно и дорого, а иногда и просо невозможно.
78