2. Разновидности линий связи. Основные характеристики оптических и проводных линий связи.

Линия связи - собственно физическая среда, по которой передаются сигналы. Физическая среда передачи данных может представлять собой кабель, т. е. набор проводов, изоляционных и защитных оболочек и соединительных разъемов, а также земную атмосферу или космическое пространство, через которые распространяются электромагнитные волны.

В зависимости от среды передачи данных различают следующие линии связи:

• проводные (воздушные);

• кабельные (медные и волоконно-оптические);

• радиоканалы наземной и спутниковой связи;

• инфракрасные лучи.

Кабельные линии представляют собой достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: элек­трической, электромагнитной, механической, а также, возможно, климатичес­кой. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими бы­стро выполнять присоединение к нему различного оборудования. В системах телекоммуникации и компьютерных сетях применяют три основных типа кабе­ля: кабели на основе скрученных пар медных проводов, коаксиальные кабели с медной жилой, волоконно-оптические кабели.

Скрученная пара проводов называется витой парой (twisted pair). Витая пара изготовляется в двух вариантах: в экранированном (STP - Shiel-ded Twisted Pair) - когда пара медных проводов обертывается в изоляционный экран, и неэкранированном (UTP - Unshielded Twisted Pair) - когда изоляционная обер­тка каждой пары отсутствует. Скручивание проводов снижает влияние вне­шних помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю. Коаксиальный кабель (coaxial) имеет несимметричную конструкцию и состоит из внутрен­ней медной жилы и оплетки, отделенной от жилы слоем изоляции. Существует несколько типов коаксиального кабеля, отличающихся характеристиками и об­ластями применения - для локальных сетей, для глобальных сетей, для ка­бельного телевидения и т. п. Волоконно-оптический кабель (optical fiber) состоит из тонких (5...60 микрон) волокон, по которым распространяются све­товые сигналы. Это наиболее качественный тип кабеля, он обеспечивает пере­дачу данных с очень высокой скоростью (до 10 Гбит/с и выше) и к тому же лучше других типов передающей среды обеспечивает защиту данных от вне­шних помех.

3. Особенности подключения и согласования длинных передающих линий.

Согласование электрических линий связи применяется для обеспечения нормального прохождения сигнала по длинной линии без отражений и искажений. Принцип согласования очень прост: на концах кабеля необ­ходимо установить согласующие резисторы (терминаторы) с сопротив­лением, равным волновому сопротивлению используемого кабеля.

Волновое сопротивление — это параметр данного типа кабеля, зависящий только от его устройства (сечения, количества и формы проводников, тол­щины и материала изоляции и т.д.). Величина волнового сопротивления обязательно указывается в документации на кабель и составляет обычно от 50—100 Ом для коаксиального кабеля до 100-150 Ом для витой пары или плоского многопроводного кабеля. Точное значение волнового сопро­тивления легко можно измерить с помощью генератора импульсов и ос­циллографа по отсутствию искажения формы передаваемого по кабелю импульса. Обычно требуется, чтобы отклонение величины согласующего резистора не превышало 5-10% в ту или другую сторону.

Если согласующее сопротивление Н_н меньше волнового сопротивления кабеля R_B, то фронт передаваемого прямоугольного импульса на прием­ном конце будет затянут, если же R_H больше R_B, то на фронте будет коле­бательный процесс (рис. 2.4).

Поэтому даже присоединенные к одной и той же шине, но в разных точ­ках, компьютеры имеют на своих корпусах разные потенциалы (рис. 2.8). В результате по электрическому кабелю, соединяющему компьютеры, течет выравнивающий ток (переменный с высокочастотными составля­ющими).

Рис. 2.8. Выравнивающий ток при отсутствии гальванической развязки

Ситуация ухудшается, когда компьютеры подключаются к разным ши­нам заземления. Выравнивающий ток может достигать в этом случае величины в несколько ампер. Понятно, что подобные токи смертельно опасны для малосигнальных узлов компьютера. В любом случае вырав­нивающий ток существенно влияет на передаваемый сигнал, порой пол­ностью забивая его. Даже тогда, когда сигналы передаются без участия экрана (например, по двум проводам, заключенным в экран), выравнива­ющий ток, вследствие индуктивного действия, мешает передаче инфор­мации. Именно поэтому экран всегда должен быть заземлен только в одной-единственной точке.

Грамотное соединение компьютеров электрическим кабелем обязатель­но должно включать (рис. 2.9):

• оконечное согласование кабеля;

• гальваническую развязку компьютеров от сети (обычно трансформаторная гальваническая развязка входит в состав каждого сетевого адаптера);

• заземление каждого компьютера;

• заземление экрана (если, конечно, он есть) в одной-единственной точке.

Не стоит пренебрегать ни одним из этих требований. Например, гальва­ническая развязка сетевых адаптеров часто рассчитывается на допусти­мое напряжение изоляции всего лишь 100 В, что при отсутствии зазем­ления одного из компьютеров может легко привести к выходу из строя его адаптера.

Рис. 2.9. Правильное соединение компьютеров сети (гальваническая развязка условно показана в виде прямоугольника)

Отметим, что для присоединения коаксиального кабеля обычно приме­няются разъемы в металлическом корпусе. Этот корпус не должен соеди­няться ни с корпусом компьютера, ни с «землей» (на плате адаптера он установлен с пластиковой изоляцией от крепежной планки). Заземление экрана кабеля сети лучше производить не через корпус компьютера, а отдельным специальным проводом, что обеспечивает лучшую надежность. Пластмассовые корпуса разъемов RJ-45 для кабелей с неэкранирован­ными витыми парами снимают эту проблему.

При заземлении экрана в одной точке он становится штыревой антенной с заземленным основанием и может усиливать ВЧ-помехи на нескольких частотах, кратных его длине. Для уменьшения этого «антенного» эффек­та используют многоточечное заземление по высокой частоте, т.е. в одной точке экран соединяется с «землей» накоротко, а в остальных точках — через высоковольтные керамические конденсаторы. В простейшем слу­чае на одном конце кабеля экран соединяется с землей непосредственно, на другом конце - через емкость.

4. Эффекты, наблюдаемые при распространении сигналов по длинным проводным линиям.

Здесь все про отражение и тому подобные вещи. Где взять, не знаю . Лекции 2-3.

4. Особенности подключения и заземления длинных передающих линий.

Особенностью систем проводной связи является наличие длинных проводных линий, на которые могут наводиться значительные помехи даже на низкой частоте. Источником наводок могут быть грозовые разряды, линии электропередачи, электротранспорт и т.п.

Проводные линии связи объединяют различные объекты на большой территории. Среди этих объектов часто имеются энергетические и промышленные предприятия, на заземляющих устройствах которых могут кратковременно присутствовать потенциалы в несколько кВ (в отдельных случаях - порядка 10 кВ). Эти потенциалы оказываются приложенными к линиям связи и, следовательно, к входам подключенной к ним аппаратуры.Другой особенностью многих объектов связи является наличие антенно-мачтовых устройств, вероятность грозового разряда на которые зачастую очень высока. Обследование ряда объектов показало, что часто более 50% тока молнии может стекать по экранам кабелей на узел связи. Это создает очень высокий уровень импульсных помех и полей непосредственно в местах размещения аппаратуры. Воздействие мощных помех при грозе, авариях на линиях электропередачи и т.п. способно оказывать разрушительное воздействие на аппаратуру. Менее мощные, но постоянно действующие помехи из-за "плавающего" потенциала местной земли, работы электромеханических реле, воздействия радиосредств и т.п. обычно не приводят к выходу из строя аппаратуры. Однако при этом ухудшается связь по аналоговым и цифровым каналам. В аналоговых каналах происходит искажение передаваемого полезного сигнала. В цифровых - происходит увеличение доли испорченных пакетов и, как следствие, снижение пропускной способности канала. Также возможно возникновение сбоев цифровой аппаратуры из-за воздействия ВЧ-помех. Комплексное решение проблем питания, заземления и ЭМС

Защита по питанию основывается на современной концепции зон защиты (МЭК 1024, МЭК 1312). При этом происходит размещение защитных устройств в три каскада, обеспечивающее последовательное снижение амплитуды и энергии импульсных помех. Многоступенчатая защита организуется также для проводных цепей связи, по которым ожидается приход значительных помех. Для остальных цепей может быть применена одноступенчатая защита в кроссовом исполнении. Во всех случаях предусматривается защита входных каскадов АТС от перегрузки по току.При необходимости применяются дополнительные экраны, фильтры, устройства защитного отключения, оптические развязки и т.п. Основными составляющими комплексного решения являются:

Проведение обследования на объекте.Разработка и реализация мероприятий по модернизации систем питания, заземления и грозозащиты, экранированию, фильтрации, защите от статики и т.п.Корректировка (в случае необходимости) мест размещения аппаратуры и трасс прокладки кабелей по условиям ЭМС.

Подбор устройств защиты от импульсных помех, фильтров, стабилизаторов, разделительных трансформаторов, устройств защитного отключения и т.п.Поясним более подробно основные составляющие комплексного решения

Основную угрозу для цифровой аппаратуры представляют помехи импульсного характера. Они могут воздействовать на аппаратуру по проводным цепям связи (коаксиальным кабелям с антенно-мачтовых устройств, обычным телефонным парам, аналоговым цепям с уплотнением и цифровым проводным цепям). Для их подавления используются устройства защиты на базе нелинейных элементов.

Устройства защиты от импульсных помех в цепях питания размещаются согласно зонной концепции (МЭК 1024, МЭК 1312). Она предусматривает выделение в пределах здания, где располагается узел связи, зон защиты (от I до III в порядке убывания уровней помех). Зоной 0 считается открытая территория за пределами здания, антенно-мачтовые устройства и т.п. Границами зон обычно служат железобетонные стены, играющие роль электромагнитных экранов. Проводные цепи между зонами снабжаются устройствами защиты соответствующего класса. Цифровые устройства, не испытывавшиеся в соответствии со специфическими промышленными нормами, должны размещаться в зоне III. Аналогичным образом организуется защита по входам аналоговых цепей связи, где ожидается высокий уровень импульсных помех, или крутизна фронта импульса велика. Выявление таких цепей происходит на стадии оценки электромагнитной обстановки. При этом различные ступени защиты часто физически реализуются в одном устройстве. В менее критических случаях достаточно применения одноступенчатых устройств (например, в кроссовом исполнении). Обычно такие устройства реализуют защиту входов АТС от импульсных помех, а также от токовой перегрузки. Защита по цифровым интерфейсам связи с информационными системами осуществляется специализированными устройствами для этих интерфейсов (например, для Ethernet различных типов, ISDN, RS 232, 422, 485 и так далее).И, наконец, защита оборудования радиосвязи осуществляется специальными ВЧ устройствами для коаксиальных кабелей. Диапазон рабочих частот для таких устройств - до нескольких гигагерц. Первой фазой реализации комплексного решения является обследование. Ее необходимость продиктована невозможностью полностью решить проблему ЭМС только установкой средств защиты от импульсных помех. В качестве примера рассмотрим уже упоминавшуюся ситуацию, когда происходит грозовой разряд на антенно-мачтовое устройство рядом с узлом связи. Как показывает исследование картины растекания токов, на многих объектах более 50 % тока молнии протекает по оболочкам коаксиальных кабелей на узел связи. В этом случае простая установка защитного устройства не даст практически ничего. Действительно, будет обеспечено только выравнивание потенциала на входе устройства радиосвязи. В то же время, ток в десятки кА сможет по-прежнему растекаться по заземлению узла связи в непосредственной близости от аппаратуры. Создаваемые при этом импульсные магнитные поля могут превышать 1000 А/м. Такие поля способны вывести из строя аппаратуру, создавая наводки непосредственно в ее внутренних схемах, т.е., в обход любых устройств защиты. Для решения проблемы требуется организовать систему заземления мачты, экрана кабеля, устройства защиты и узла связи таким образом, чтобы на узел попадала лишь малая часть тока молнии (по нормам МЭК - до 20%).Дальнейшая разработка мер защиты происходит на базе результатов проведенного обследования. Наряду с установкой устройств защиты от импульсных помех, может потребоваться проведение дополнительных мероприятий по модернизации систем заземления, питания и дополнительному экранированию аппаратуры и цепей. Для борьбы с выносом потенциала используются разделительные трансформаторы (типичное решение при питании НРП с территории электростанций и подстанций). В ряде случаев требуются дополнительные мероприятия по защите от электростатики и радиочастотных полей. Иногда обследование может внести коррективы в выбор помещений для аппаратуры и трасс прокладки кабелей.

4. Основные методы организации последовательных и связных интерфейсов.

На практике число нулей или единиц следующих подряд не лимитировано. По этой причине на принимающей стороне при этом рано или поздно возникает проблема синхронизации временных шкал передатчика и приемника. Для решения этой проблемы существует два метода передачи данных: синхронный и асинхронный. Асинхронный метод используется для относительно низкоскоростных каналов передачи и автономного оборудования. Синхронный метод применяется в скоростных каналах и базируется на пересылке синхронизующего тактового сигнала по отдельному каналу или путем совмещения его с передаваемыми данными. При наличии синхронизации приемника и передатчика можно допустить более длинные последовательности нулей или единиц, что способствует повышению пропускной способности.

Начальный и стоп-биты на каждый байт данных снижают пропускную способность канала и по этой причине используются только для низких скоростей обмена. Увеличение же длины блока данных приводит к ужесточению требований к точности синхронизации. При использовании синхронного метода передачи необходимы специальные меры для выделения кадра в общем потоке данных. Для решения этой задачи используется специальная сигнатура. Если такая последовательность встретится внутри кадра, она видоизменяется путем ввода в нее двоичных нулей (bit stuffing). Синхронный приемник нуждается в синхронизирующем сигнале, передаваемом передатчиком. Обычно это реализуется путем введения определенного вида кодирования сигнала, например, биполярного кодирования. В этом случае используется три уровня сигнала: +v соответствует логической 1; -v – логическому нулю, а 0 вольт логическому нулю или единице. Пример такого типа кодирования показан на рис. 2.2.5.

Асинхронный метод передачи:отказ от линии синхронизации осуществляется так: ставится тактовый генератор на последний счетчик. ТГ снабжается резонатором (обеспечивает высокую стабильность).Синхронизируем по фазе: делим ТИ счетчиком. При переполнении сбрасываем, тем самым задавая фазу.Resetдолжен быть одинаков на обеих сторонах.

Выбирается специальный формат кадра (frame)

Синхронный способ передачи. Перед длинным кадром ставят преамбулу.

Основные коды

Код NRZ (Non Return to Zero - без возврата к нулю) - это простейший код, представляющий собой практически обычный цифровой сигнал (правда, возможно преобразование на обратную полярность или измене­ние уровней, соответствующих нулю и единице). К несомненным досто­инствам кода NRZ относятся его очень простая реализация (исходный сигнал не надо ни кодировать на передающем конце, ни декодировать на приемном конце), а также минимальная среди других кодов пропускная способность линии связи, требуемая при данной скорости передачи. При­мер: наиболее частое изменение сигнала в сети будет при непрерывном чередовании единиц и нулей, то есть при последовательности 1010101010..., поэтому при скорости передачи, равной 10 Мбит/с (длительность одного бита 100 не), частота изменения сигнала и соответственно требуемая про­пускная способность линии составит 1 / 200нс = 5 МГц