2 Організація каналів зв’язку для передавання інформації

Дротові лінії, які використовуються для передавання інформації лише між двома об’єктами називають виділеними, фізичними, або самостійними. Прокладення таких ліній на великі відстані роблять у виключних випадках. На практиці на одній лінії зв’язку формується декілька каналів, для кожного з яких виділяється певна смуга частот.

Лінії зв’язку повинні бути надійними незалежно від типу. Для цього потрібно забезпечити їх міцність та надійність апаратури.

2.1 Дротові лінії зв’язку

Лінії зв’язку поділяють на дротові і кабельні. Перші являють собою металеві дроти, які за допомогою ізоляторів та відповідних засобів закріплені на стовпах і проходять у повітрі. Дріт використовується сталевий, мідний, біметалевий сталево-мідний (сталевий дріт з мідним покриттям), біметалевий сталево-алюмінієвий. Сталева лінія пропускає частоти в діапазоні 3 … 25 КГц, мідна – 6 … 150 КГц. Недоліками повітряних ліній зв’язку є вплив зовнішніх завад, великі втрати енергії у випадку погіршення атмосферних умов, великі витрати матеріалів під час спорудження та необхідність постійного профілактичного обслуговування.

Кабель складається з паралельних дротів, що введені у спільну вологозахисну оболонку. Конструктивно кабелі бувають симетричні та коаксіальні. Симетричними кабелями можуть передаватися сигнали частотою до 550 КГц, а коаксіальними – до 9 МГц.

До первинних параметрів ліній зв’язку відносять: погонний активний опір дроту R [Ом/Км], погонну індуктивність L [Гн/Км], погонну ємність С [Ф/Км] та погонну провідність G [См/Км].

А ктивний опір визначають як:

R = R₀ + R_пе + R_бл + R_м , (2.1)

де R₀ - опір постійного струму;

R_пе - опір поверхневого ефекту;

R_бл - опір ефекту близькості;

R_м - опір втрат у металі.

Під впливом електромагнітного змінного поля у провідниках відбувається перерозподіл енергії за перерізом. При цьому спостерігаються поверхневий ефект, ефект близькості та вплив на параметри ланцюга металевих мас.

Рисунок 2.2 – Ефект близькості

Поверхневий ефект обумовлений дією електромагнітної хвилі, що розповсюджується вздовж дроту. Силові лінії внутрішнього магнітного поля, перетинаючи провідник, наводять в ньому вихорові струми. В центрі провідника вони мають напрямок, зворотний напрямку основного струму, а на поверхні ці напрямки співпадають. Від взаємодії вихрових струмів з основним відбувається перерозподіл струму за перерізом провідника, в результаті чого густина результуючого струму зростає до поверхні провідника.

Зі збільшенням частоти, магнітної проникності, провідності та діаметра дроту поверхневий ефект збільшується. Якщо частота достатньо висока, то струм тече лише поверхнею провідника, що збільшує його активний опір.

Рисунок 2.1 – Явище поверхневого ефекту

Ефект близькості пов’язаний зі взаємодією зовнішніх полів. Зовнішнє магнітне поле дроту а, перетинаючи дріт б, наводить в ньому вихрові струми. На поверхні дроту б, що є найближчою до дроту а, вихрові струми співпадають за напрямком з основним струмом. Аналогічний перерозподіл струмів відбувається і у дроті а.

Таким чином, на найближчих поверхнях дротів а і б густина результуючого струму збільшується, а на протилежних - зменшується. За рахунок ефекту близькості збільшується активний опір ланцюга змінного струму. Ефект близькості пропорційний кореню з частоти, магнітної проникності, провідності та діаметру дроту. Крім того, він залежить від відстані між провідниками.

Оточуючі металеві маси також впливають на параметри ланцюга. Магнітне поле, що утворюється струмом, наводить вихрові струми у сусідніх дротах кабелю, екрані, металевій оболонці тощо. Вони нагрівають металеві частини кабелю і утворюють додаткові теплові втрати енергії. Крім цього, поле вихрових струмів впливає на провідники і змінює їхні параметри.

У коаксіальних ланцюгах внаслідок специфічності конструкції, силові лінії розташовуються у вигляді концентричних кіл. Електричне поле також замикається радіально між внутрішнім та зовнішнім провідниками. Тому в коаксіальному ланцюгу наявне зовнішнє поперечне електромагнітне поле (вся енергія розповсюджується лише в межах ланцюга).

Дія поверхневого ефекту значною Рисунок 2.3 – Концентрація струмів мірою проявляється тільки у

у коаксіальному кабелі внутрішньому провіднику коаксіальної

пари. Перерозподіл густини струму за перерізом визначається ефектом близькості.

Таким чином, поверхневий ефект і ефект близькості проявляються, як у симетричних, так і коаксіальних ланцюгах, у зменшенні еквівалентної площини перерізу провідників, що призводить до збільшення їх активного опору та зменшення внутрішньої індуктивності.

Для кабельної лінії враховують всі чотири складових, а для повітряних лише перші дві, тому що R_бл та R_м дуже малі.

Активний опір постійного струму R₀ залежить від діаметра дроту, матеріалу, температури тощо. Опір змінного струму вираховується членом R_пе.

Індуктивність L залежить від відстані між дротами, діаметра дроту (зменшується зі збільшенням діаметра) і, менше, від матеріалу дроту та частоти струму.

Ємність дротів С залежить від відстані між дротами, діаметра дроту та матеріалу ізолятора. Для повітряної лінії LС = 1, для кабелю LС = ε.

Провідність ізоляції G, яка визначає втрати енергії, залежить від типу ізоляції, частоти струму та кліматичних умов. Для повітряних ланцюгів на втрати впливають ожеледь, іній тощо.

До вторинних параметрів дротових ліній зв’язку відносять: хвильовий опір Ζ_x та постійну передавання γ. Ці параметри характеризують умови розповсюдження електромагнітної енергії лінією зв’язку і залежать від первинних параметрів та частоти.

У лініях невеликої довжини значення струму практично однакове на початку та в кінці лінії. Якщо лінія довга, то падіння напруги в різних точках лінії будуть мати різні значення. Опір, яким замінюють відрізану частину безкінцевої довгої лінії, так що у будь-яких точках лінії, що залишилась, значення струму і напруги будуть такими самими, називають хвильовим або характеристичним опором і позначають Z_x. В загальному випадку:

. (2.2)

На частотах, більших 10 КГц, приблизно можна врахувати:

. (2.3)

Опір, що вимірюється на початку лінії, є вхідним:

, (1.4)

де U_вх та І_вх - відповідно напруга та струм на початку лінії.

Вхідний опір лінії залежить від хвильового опору, згасання сигналу в лінії та навантаження в кінці лінії. Він співпадає з хвильовим в узгодженому режимі, коли Z_н = Z_вх . В цьому випадку відсутнє відбивання хвиль і збільшується к.к.д.

Постійна передавання або коефіцієнт розповсюдження:

, (2.5)

де α - коефіцієнт згасання, що характеризує зменшення струму чи напруги;

φ - коефіцієнт зсуву фази, що означає зміну фази напруги та струму сигналу.

Згасання електромагнітної енергії в лінії, що навантажена на хвильовий опір, відбувається за експоненціальним законом:

, (2.6)

, (2.7)

де l - довжина лінії;

U₁ , U₂ - напруга відповідно на початку та в кінці лінії;

І₁ , І₂ - струм відповідно на початку та в кінці лінії.

Згасання визначають у неперах:

. (2.8)

Якщо лінія має згасання 1 непер, то струм і напруга в кінці лінії зменшуються в 2,718 рази.

Згасання також визначається у децибелах:

. (2.9)

Таблиця 2.1 – Питоме згасання для повітряних ліній зв’язку

Тип лінії зв’язку	Діаметр дроту, мм	Відстань між дротами, мм	Діапазон частот, КГц	Питоме затухання, дБ/Км
Сталева	3	200	0,3 … 10	0,09 … 0,9
			10 … 30	0,9 … 0,74
	4	200	0,3 … 10	0,09 … 0,8
			3 … 30	0,34 … 1,36
		600	0,3 … 10	0,09 … 0,65
Біметалева (мідь – сталь)	3,2	200	0,3 … 10	0,045 … 0,135
		600	0,3 … 10	0,03 … 0,09
	4	200	0,3 … 10	0,045 … 0,135
		600	0,3 … 10	0,03 … 0,09
Мідна	4	200	0,3 … 10	0,02 … 0,045
			5 … 150	0,034 … 0,18
		600	0,3 … 10	0,18 … 0,45
			5 … 300	0,18 … 0,25

Для коаксіальних кабелів питоме згасання визначається за емпіричною формулою:

(2.10)

де f – частота сигналу, МГц.

Н а якість і довжину зв’язку суттєво впливає також взаємний вплив між ланцюгами, а також зовнішні джерела електромагнітних полів.

Розрізняють два види переходів енергії: на ближньому (де розташоване джерело) та на дальньому (де приймач) кінцях. Перша з них називається перехідним згасанням на ближньому кінці (рисунок 2.4):

Рисунок 2.4 – Вплив між ланцюгами зв’язку

, (2.11)

а друге - перехідним згасанням на дальньому кінці:

, (2.12)

Поряд з цим розглядають захищеність ланцюгів - різницю між рівнями сигналу P_c та завади P_з у даній точці ланцюга:

(2.13)

Для ланцюгів з незмінними параметрами захищеність дорівнює:

(2.14)