1. Тенденции развития современной электрической связи. Структурная схема электросвязи.

В последующие годы связь развивалась по пути цифровизации всех видов информации. Это стало генеральным направлением, обеспечивающим экономичные методы не только ее передачи, но и распределения, хранения и обработки.

Интенсивное развитие цифровых систем передачи объясняется существенными достоинствами этих систем по сравнению с аналоговыми системами передачи: высокой помехоустойчивостью; слабой зависимостью качества передачи от длины линии связи; стабильностью электрических параметров каналов связи; эффективностью использования пропускной способности при передаче дискретных сообщений и др.

В 2002 году развитие местной телефонной связи осуществлялось в основном на базе современных цифровых АТС, что позволило повысить качество и расширить спектр предоставляемых услуг. Коэффициент емкости цифровых станций от общей монтированной емкости местной телефонной сети в 2002г. составил порядка 40% против 36,2% в 2001 году. На 1.01.2003 г. на сетях России действовало порядка 195 тыс. единиц междугородних и местных таксофонов, в том числе 63 тыс. универсальных. Количество таксофонов увеличилось на 13% и составило 127,5 тыс. штук. Прирост числа основных телефонных аппаратов местной телефонной сети составил 1.8 млн. единиц, в основном за счет телефонных аппаратов, установленных у населения. Общее количество абоненнтов сотовой подвижной связи России на конец 2002 года составило 17,7 млн., прирост абонентской базы по отношению к 2001 году – 2,3 раза. В 2002 году за год компьютерный парк России увеличился по сравнению с 2001-м на 20%. Количество постоянных интернет-пользователей увеличилось на 39% и достигло 6 млн. человек. Объём отечественного ИТ-рынка вырос на 9% и составил более 4 млд. долларов. В 2002 году введено в эксплуатацию более 50 тыс. км какбельных и радиорелейных линий связи, 3 млн. номеров автоматических телефонных станций, более 13 млн. номеров подвижной телефонной связи, а также свыше 70 тыс. междугородних и международних каналов.

Особенно быстрыми темпами в мире и у нас в стране идет развитие сети мобильной радиосвязи. По числу абонентов системы мобильной связи уже можно судить об уровне и качестве жизни в данной стране. В этом смысле темпы роста абонентов мобильной связи в России (почти 200 % в год) являются показателем роста благосостояния общества.

Человечество движется по пути создания Глобального информационного общества. Его основой станет Глобальная информационная инфраструктура, составляющей которой будут мощные транспортные сети связи и распределенные сети доступа, предоставляющие информацию пользователям. Глобализация связи и ее персонализация (доведение услуг связи до каждого пользователя) – вот две взаимосвязанные проблемы, успешно решаемые на данном этапе развития человечества специалистами электросвязи.

Дальнейшая эволюция телекоммуникационных технологий будет идти в направлениях увеличения скорости передачи информации, интеллектуализации сетей и обеспечения мобильности пользователей.

Высокие скорости. Необходимы для передачи изображений, в том числе телевизионных, интеграции различных видов информации в мультимедийных приложениях, организации связи локальных, городских и территориальных сетей.

Интеллектуальность. Позволит увеличить гибкость и надежность сети, сделает более легким управление глобальными сетями. Благодаря интеллектуализации сетей пользователь перестает быть пассивным потребителем услуг, превращаясь в активного клиента – клиента, который сможет сам активно управлять сетью, заказывая необходимые ему услуги.

Мобильность. Успехи в области миниатюризации электронных устройств, снижение их стоимости создают предпосылки к глобальному распространению мобильных оконечных устройств. Это делает реальной задачу предоставления услуг связи каждому в любое время и в любом месте.

В заключение отметим, что объем информации, передаваемой через информационно-телекоммуникационную инфраструктуру мира, удваивается каждые 2-3 года. Появляются и успешно развиваются новые отрасли информационной индустрии, существенно возрастает информационная составляющая экономической активности субъектов рынка и влияние информационных технологий на научно-технический, интеллектуальный потенциал и здоровье наций. Начало XXI века рассматривается как эра информационного общества, требующего для своего эффективного развития создания глобальной информационно-телекоммуникационной инфраструктуры, темпы развития которой должны быть опережающими по отношению к темпам развития экономики в целом. При этом создание российской информационно-телекоммуникационной инфраструктуры следует рассматривать как важнейший фактор подъема национальной экономики, роста деловой и интеллектуальной активности общества, укрепления авторитета страны в международном сообществе.

Любая система электросвязи может быть представлена в виде структурной схемы, представленной на рис. 1.1.

Источником и потребителем информации может быть человек, ЭВМ, устройство телемеханики или телеуправления и т.д. Преобразователями информации в сигнал и обратно могут быть: телеграфные и фототелеграфные аппараты, передающая и приемная ТВ-трубки и др.

Каналом электросвязи называют комплекс физических устройств и среду, при помощи которых электрические сигналы передаются из одного пункта связи в другой. Если распространение электромагнитной энергии (электрического сигнала) происходит в свободном пространстве (в диалектической среде), то канал связи называют радиоканалом (радиосвязь, релейная, спyтниковая и лазерная связь). Если канал связи предполагает нaличие границы раздела сред, вдоль которой канализируется электромагнитная энергия, то его называют проводным каналом. Проводные каналы создаются c помощью направляющих систем (линий связи), в качестве которых могут использоваться двухпроводные цепи (коаксиальные и симметричные), или волноводы (волоконно-оптические световоды). Двухпроводные симметричные цепи могут быть организованы как по низкочастотным кабелям городских и сель­ских телефонных сетей (ГТС и СТС), так и c помощью систем передачи (высокочастотные цепи), позволяющих по одной цепи одновременно передать значительное число информации одного или различных видов. Волоконно-оптические свeтоводы, рабо­тающие в оптическом диапазоне волн, позволяют передать очень большие объемы информации.

Для обеспечения надёжной работы направляющие системы оснащают дополнительными элементами и устройствами, кото­рые в совокупности носят название линейных сооружений связи. Совокупность линейных и станционных сооружений составляют единую систему - сеть электросвязи. Сеть электросвязи страны (СЭС) - комплекс технических средств электросвязи, взаимодей­ствующих на основе определенных принципов и обеспечиваю­щих возможности своевременно, качественно и полно удовлетво­рять все потребности населения страны, отраслей народного хозяйства, органов государственного управления и обороны, науки и просвещения, здравоохранения и культуры в разнообразных услугах связи.

Различают три основных типа линий связи: кабельные (КЛС), воздушные (ВЛС) и волоконно-оптические, основанные на использовании оптических кабелей (ВОЛС). Кабельные и воздуш­ные линии относят к проводным линиям, y которых направляю­щие систeмы образуются систeмами проводник-диэлектрик, a в ВОЛС используют световоды (оптические волокна) - диэлектри­ческие волноводы, направляющая система которых состоит из диэлектриков c различными показателями преломления.

Воздушные и кабельные линии относятся к симметричным цепям. ВЛС представляют собой совокупность симметричных цепей из металлических проводов, подвешенных на опорах c по­мощью изоляторов и специальной арматуры. Они имеют продол­жительный срок службы и по своим электрическим характери­стикам позволяют организовать связь на необходимые расстояния c применением систем передачи на частотах до 150 кГц. B на­стоящее время воздушные линии связи заменяют кабельными или волоконно-оптическими.

Проводные линии связи работают в килогерцовом и мегагерцовом диапазоне частот. Кабельные линии обеспечивают надеж­ную и помехозащищенную многоканальную связь на требуемые расстояния.

2. Направляющие системы электросвязи, их частотные диапазоны и назначение. Требования, предъявляемые к линиям связи.

По конструктивным признакам направляющие системы делятся на две группы - системы, в которых распространение электромагнитной энергии ограничивается в поперечном направлении (закрытые системы) и системы, в которых такого ограничения нет (открытые системы) (рис. 1.4, 1.5).

Рис. 1.5 – Классификации НСЭ по конструктивным признакам

Воздушные линии связи и симметричные пары относятся к группе симметричных цепей, т.е. НС этой группы имеют два проводника с одинаковыми конструктивными и электрическими свойствами.

Направляющие системы являются основными элементами кабелей связи, они классифицируются по частотному диапазону их использования (рис. 1.6).

Рис. 1.6 – Частотные диапазоны разных направляющих систем.

Характеристики разных направляющих систем и области их применения приведены в таблице 1.5

3. Основные принципы построения ВСС. Первичная и вторичная сети связи. Магистральная, зоновая и местная сети.

Сеть связи состоит из трех частей: 1) систем передачи информации (линий и аппаратуры); 2) устройств (систем) коммутации; 3) оконечных устройств.

По капитальным затратам наибольший удельный вес занимают линейные сооружения и аппаратура передачи информации, поэтому очень важно выбрать оптимальный вариант построения сети - структуру сети.

Сеть состоит из узлов (пунктов коммутации цепей, каналов) и ребер (линий связи), соединяющих эти узлы между собой.

При построении сети связи исходят из стремления сделать ее экономичной и надежной. Надежность обеспечивается созданием разветвленной сети, применением различных типов линий связи и прокладкой их на различных направлениях. На этих линиях организуется требуемое число каналов с обходными, резервными путями. Необходимо, чтобы каждый узел связи имел два-три обходных независимых пути к другим узлам.

Возможно несколько вариантов построения сети (рис. 2.1):

полносвязное (каждый с каждым), при котором любой узел (узел исходящих и входящих сообщений – УИВС) имеет прямые связи со всеми остальными узлами (рис. 2.1, а);

а)

б)

в)

Рис. 2.1. Варианты построения сетей связи: а - непосредственное соединение; б - узловое; в - радиальное.

узловое, при котором несколько пунктов (районная автоматическая станция - РАТС) группируются в узлы и последние соединяются между собой (рис. 2.1, б);

радиальное (звездообразное), при котором имеется лишь один узел с расходящимися линиями по радиусам к другим пунктам (рис. 2.1, в).

Непосредственное соединение каждого пункта с каждым наиболее надежно, но в технико-экономическом отношении невыгодно. Неэкономична и узловая система. Радиальная система наиболее дешевая, но она не имеет никаких путей резервирования и не обеспечивает непрерывности связи. Наилучшие результаты дает сочетание радиальной и узловой систем. Такая система позволяет создавать разветвленную, устойчивую и в то же время довольно экономичную сеть связи. Принципиальная схема радикально-узловой системы построения сети показана на рис. 2.2. Она характеризуется тем, что одноименные узлы связи (ТС) соединяются линиями не только с нижестоящими узлами (МС), но и между собой. По такой системе организуются прямые связи в обход главных узлов между взаимотяготеющими крупными промышленно-экономическими районами страны, внутри экономических районов и т. д.

Во всех случаях стремятся создать сетку связи, при которой каждый узел связи связан со смежными ближайшими узлами или узлами, имеющими наибольшее тяготение. При этом создаются обходные, резервные пути и обеспечивается два-три независимых выхода к любому узлу связи.

Разновидностью сетевидной сети являются решетчатые (ячеистые) структуры. Они очень надежны, но на их сооружение требуются большие капитальные затраты.

В нашей стране соблюдается производственно-территориальный принцип административно-технического управления.

Рис. 2.2. Структура радиально-узловой сети связи

По различным видам и отраслям связи функционируют управления и осуществляется руководство сверху вниз по производственному принципу. Одновременно действуют республиканские, краевые, областные производственно-технические управления связи, обеспечивающие руководство всеми видами связи в масштабе подведомственной территории.

2.2. МАГИСТРАЛЬНЫЕ И ЗОНОВЫЕ СЕТИ СВЯЗИ

Сеть связи страны (рис. 2.3) состоит из магистральной (уровень транзитных станций - ТС) и зоновых сетей (уровень местных станций – МС) (рис. 2.4). Зоновая сеть организуется в пределах одной-двух областей (или республик, краев). Она подразделяется на внутризоновую и местную (уровень МС). Внутризоновая связь соединяет областной (республиканский, краевой) центр с районами. Местная связь включает сельскую связь (райцентр с колхозами, совхозами и рабочими поселками) и городскую связь. Абоненты зоны охватываются единой семизначной нумерацией, и, следовательно, в зоне может быть до 107 телефонов и находятся на уровне доступа.

Магистральная сеть соединяет главный узел (сетевой узел - СУ0) с центрами зон (сетевыми узлами – СУ2, СУ10, СУ12 и т.д.), а также зоны между собой (рис. 2.4). Внутриобластная (внутризоновая) сеть является сетью областного значения.

Эта сеть обеспечивает связью областной центр со своими городами и районными центрами и последние между собой, а также выход их на магистральную сеть (рис. 2.4).

Сеть строится на основе территориально-сетевых (ТСУ) и сетевых (СУ) узлов. Кроме того, сеть связи страны подразделяется на первичную и вторичную.

Рис. 2.3. Структура сети связи страны.

Рис. 2.4. Построение магистральной и зоновой сети.

Первичная сеть — это совокупность всех каналов без подразделения их по назначению и видам связи. В состав ее входят линии и каналообразующая аппаратура. Первичная сеть является единой для всех потребителей каналов и представляет собой базу для вторичных.

Вторичная сеть состоит из каналов одного назначения (телефонных, телеграфных, передачи газет, вещания, видеотелефонных, передачи данных, телевидения и др.), образуемых на базе первичной сети. Вторичная сеть включает коммутационные узлы, оконечные пункты и каналы, выделенные на первичной сети. Вторичные междугородные сети подключаются к первичной сети с помощью соединительных линий между оконечными станциями первичной и вторичных сетей.

4. Построение ГТС, СТС.

В общем случае линейные сооружения городской телефонной сети (ГТС) состоят из абонентских (АЛ) и соединительных (СЛ) линий. Для сокращения расходов на строительство линейных сооружений и повышения эффективности их использования в крупных городах (обычно при емкости сети свыше 10 тыс. номеров) строят несколько районных автоматических телефонных станций (РАТС). Такая сеть называется районированной. При этом линии, соединяющие телефонные аппараты с районной телефонной станцией, называются абонентскими, а линии, соединяющие районные станции между собой, - соединительными.

Связь между районными станциями осуществляется одним из следующих способов: по принципу «каждая с каждой», радиальному, с узлами входящего сообщения, с узлами исходящего и входящего сообщений (рис. 2.5). Первый способ обычно применяется на районированных сетях общей емкостью до 80 тыс. номеров. Второй способ используется для связи РАТС с подстанциями или учрежденческими станциями. На крупных сетях образуются узловые телефонные станции с применением третьего или четвертого способа. Кроме того, для выхода на междугородную сеть РАТС связываются с междугородной телефонной станцией непосредственно или через узловые станции.

Построение сетей АЛ осуществляется различными способами, однако все они могут быть сведены к двум основным системам: шкафной и бесшкафной; в России, как правило, применяется шкафная система.

Рис. 2.5. Построение межстанционных сетей ГТС

Схема устройства линейных сооружений по шкафной системе изображена на рис. 2.6. Здесь показана часть города с распределенными по отдельным кварталам телефонными абонентами. Кроме районной автоматической станции (МС), учережденческих автоматических станций (УАТС1 - УАТС3) и концентраторов (К1 – К5), располагаются места для базовых станций (БС) сотовых систем связи и узлов ввода сигналов кабельного телевидения (КТВ), для которых оператор телефонной сети будет предоставлять информационные транспротные ресурсы. Число пар проводников проложенных кабелей как правило больше числа телефонных абонентов. Это обеспечивает необходимый эксплуатационный запас. Концентраторы К4 и К5 предназначены для обслуживания новых строящихся районов городской застройки. Таким образом сформирована структура транспортной сети абоненского доступа, в которой образованы три кольца.

Включение абонентов в телефонную станцию осуществляется через распределительные коробки (РК) и распределительные шкафы (ШР) (рис. 2.6, б). При этом от телефонной станции в различных направлениях отходят крупные по емкости кабели, которые, разветвляясь на более мелкие, заходят в ШР. Эти кабели вместе с относящимся к ним линейным оборудованием составляют так называемую магистральную сеть. От ШР отходят меньшие по емкости кабели (100—50 пар), которые, разветвляясь, подходят к РК емкостью 10х2. Данные кабели и относящееся к ним линейное оборудование составляют распределительную сеть. От РК к телефонным аппаратам (ТА) абонентов прокладываются однопарные кабели, составляющие абонентскую проводку (рис. 2.6, б).

а)

б)

Рис. 2.6. Построение сети абонентских линий ГТС: а - распределение кабелей по заданиям; б - шкафная система.

Наличие ШР облегчает производство испытания кабелей и дает возможность путем соответствующих переключений в нем соединять любые пары магистрального и распределительного кабелей, что важно при эксплуатации сети, так как на последней обычно имеют место перегруппировки абонентов, появляется необходимость включения новых абонентов, замены цепей в кабелях и т. п.

Кроме того, применение РШ позволяет экономить магистральные кабели. Дело в том, что в РК соответственно их емкости включаются десятипарные распределительные кабели, в то время как число АЛ, включенных в отдельные РК, обычно меньше. Если подвести непосредственно к телефонной станции полную емкость кабелей, включенных в РК, то на значительном расстоянии до телефонной станции образовался бы большой запас кабельных пар, который более или менее продолжительное время оставался бы в значительной мере неиспользованным, что невыгодно. Наличие РШ позволяет иметь эксплуатационный запас кабельных пар магистральной сети значительно меньше запаса в распределительной сети, обеспечивая таким образом экономию емкости магистрального кабеля.

При построении телефонной сети по бесшкафной системе для обеспечения требуемой гибкости сети используется система параллельного включения кабельных жил, сущность которой заключается в том, что одна и та же кабельная пара, идущая от телефонной станции, включается параллельно в несколько РК. Благодаря такому включению достигается уменьшение запасных пар в магистральных кабелях (аналогично распределительным шкафам). Так, например, у кабелей емкостью 20х2 в направлениях А и Б могут идти по семь пар (7х2), причем шесть пар (6х2) могут быть запараллелены и по желанию использованы частично или полностью в направлении А или Б.

При построении телефонных сетей применяется также смешанная система с использованием того или иного способа на тех участках сети, где он является наиболее целесообразным.

2.4. Сети сельской телефонной связи и проводного вещания

В сельской местности на территории административного района создаются следующие виды сетей электросвязи, входящие в зоновую (областную) связь:

общего пользования (телефонной связи, факсимильной связи, передачи вещания);

внутрипроизводственные (связь внутри колхозов, совхозов, а также внутри строек и предприятий района);

учрежденчески-производственной связи (связь предприятий различных ведомств).

По месту на сети сельской телефонной связи (СТС) различают станции:

центральную (ЦС), расположенную в районном центре, являющуюся одновременно станцией района;

узловую (УС), расположенную в любом из населенных пунктов сельского района. В эти станции включаются соединительные линии оконечных станций;

оконечные (ОС), расположенные в любом из населенных пунктов сельского района.

Сельская телефонная сеть строится по радиально-узловой системе. Она наиболее экономична и в то же время достаточно надежна. Пример построения СТС приведен на рис. 2.7. Оконечные станции подключаются к центральной и узловым станциям.

Рис. 2.7. Построение сельской телефонной сети связи

В сельском районе, обычно в райцентре, строится радиотрансляционный узел (мощностью 1, 2,5 или 10 кВт). Радиотрансляционная сеть узла обычно состоит из местной (двух- и трехзвенной) сети, обслуживающей все остальные населенные пункты района. Если не представляется возможным охватить системой высоковольтных фидеров населенные пункты, удален­ные от райцентра (высокая стоимость, неудовлетворительные качественные показатели), то в районе сооружается дополнительно несколько усилительных подстанций. В небольших городах и рабочих поселках сеть радиоузла имеет двух- или трехзвенное построение. Трехзвенная сеть применяется на крупных узлах с большой нагрузкой, питающихся от районных усилительных станций. Число станций, их мощность и размещение на территории города определяются в зависимости от конкретных условий и нагрузки.

Наивыгоднейшее число распределительных фидеров двухзвенной сети, питаемой от станций радиоузлов и усилительных трансформаторных подстанций, определяется исходя из местных условий. Обычно оно равно 6—10. Опыт строительства радиотрансляционных сетей показывает, что даже в больших городах распределительный узел должен иметь нагрузку не более 20 тыс. радиоточек, а в городах с малой плотностью застройки и малой этажностью - 6— 8 тыс. радиоточек.

5. Классификация и конструктивные элементы электрических кабелей связи.

Кабель– электротехническое изделие, содержащее совокупность направляющих систем, объединёных в одну конструкцию. Кабель имеет общую металлическую оболочку и защитные покровы. Каждая пара проводов образует электрическую цепь. Современные кабели связи классифицируются по ряду признаков.

Рис. 3.1 – Классификация кабелей связи

Кроме этого кабели классифицируются по типу изоляции, способу скрутки, материалу оболочек, типу броневых покровов. Симметричный кабель содержит симметричные пары с одинаковыми электрическими и конструктивными параметрами. Коаксиальный кабель содержит одну или несколько коаксиальных пар, которые могут отличаться конструктивно.

Основные конструктивные элементы кабеля:

– изолированные проводники (жилы) в СК;

– коаксиальные пары (в КК);

– защитные оболочки;

– броневые покровы.

Проводники кабелей связи должны иметь малое электрическое сопротивление, достаточную гибкость, механическую прочность. Они изготавливаются из меди или алюминия, могут быть сплошными и многожильными, а также биметаллическими. В КК используются ленточные, гофрированные проводники и оплётка (рис 3.2, рис. 3.3).

Изоляция проводников должна иметь большое электрическое сопротивление, большую электрическую прочность (пробивное напряжение). Практически идеальным диэлектриком является воздух, у которого ,,. Изоляция в кабелях связи чаще всего комбинированная и содержит диэлектрик и воздух. Диэлектрик фиксирует взаимное расположение проводников вдоль линии. Для изоляции применяется такие диэлектрики: полиэтилен, полистирол (стирофлекс), фторопласт, в коаксиальных кабелях – специальная керамика. В низкочастотных кабелях используется также кабельная бумага. В кабелях связи используется такие виды изоляции: трубчатая, кордельная (кордельно-бумажная и кордельно-стирофлексная), сплошная и пористая, балонная, шайбовая (рис. 3.4).

Рис. 3.2 – Конструкции кабельных проводников: а) сплошной; б) гибкий; в) биметаллический

Рис. 3.3 – Конструкции внешних проводников коаксиальных кабелей:

а) с продольным швом типа «молния»; б) гофрированный; в) ленточный; г) оплётка

Рис. 3.4 – Типы изоляций кабелей связи

Защитные оболочкигерметизируют кабель, выполняются из полиэтилена, поливинилхлорида, свинца, алюминия, стали.

Броневые покровынакладываются поверх оболочек и предохраняют кабель от возможных повреждений.

Существуют две разновидности брони:

– стальные ленты, намотанные на сердечник кабеля с перекрытием 1,5;

– повив из круглых стальных проволок.

Применение того или иного вида брони или её отсутствие определяется условиями прокладки кабеля.

Типы скруток и строение сердечника кабеля.Жилы в кабеле обычно скручиваются в элементарные группы. При скрутке создаются одинаковые условия для всех пар в кабеле относительно внешних и внутренних влияний, обеспечивается гибкость кабеля, что необходимо при его прокладке. Наиболее распространённые типы скруток:

– парная;

– звёздная (четвёрочная);

– двойная звёздная.

Жилы кабеля скручиваются с определённым шагом в элементарной группе, группы уже с другим шагом скручиваются между собой.

Скрученные в группы изолированные жилы образуют сердечник кабеля. Существуют две основные системы построения сердечника:

– пучковая (проводники образуют пучки, а пучки – сердечник кабеля)

– повивная (проводники располагаются в сердечнике повивами вокруг центрального проводника или кордом)

Скрутка однородная, если все группы одинаковая и неоднородная, если сердечник имеет различные группы, а также разные направляющие системы (коаксиальные и симметричные пары).

Кабельная скрутка обматывается поясной изоляцией из кабельной бумажной ленты, поверх которой наносятся защитные и броневые покровы. Общий вид кабеля приведен на рис. 3.5.

Рис. 3.5 – Общий вид кабеля с защитным покровом

Маркировка кабелей– это определенная система условных обозначений, которые отражают основные классификационные признаки и конструктивные особенности кабелей.

Маркировка СК имеет вид:

123456–nxmxd,

где на позициях 1-3 обозначается тип кабеля, позиция 4 отображает тип изоляции токоведущих жил, 5 – тип защитной оболочки, 6 – тип брони, n– количество элементарных групп,m- количество жил в группе,d– диаметр проводника в группе.

Кабели маркируются следующим образом:

МК – высокочастотный кабель;

ЗК – зоновый ВЧ кабель;

КС – высокочастотный кабель сельской связи;

ТЗ – телефонный звёздной скрутки;

Т – телефонный.

Маркировка изоляции:

С – стирофлексная кордельная;

П – полиэтиленовая;

В – поливинилхлоридная;

А – алюминиевая;

С – стальная;

Бумажная ленточная и бумажная изоляция в маркировке кабеля кордельная не обозначается.

Маркировка защитных оболочек и покровов:

П – полиэтиленовая;

В – поливинилхлоридная;

А – алюминиевая;

С – стальная.

Свинцовая оболочка в маркировке не обозначается.

Маркировка броневых покровов:

Г – голый без брони;

Б – броня из плоских стальных лент;

К – броня из круглых проволок.

Алюминиевые и стальные оболочки для предотвращения от действия коррозии покрываются полиэтиленовыми или полихлорвиниловым шлангом, обозначается как или. Поверх брони обычно накладывается защитный джутовый покров, который в маркировке не обозначается. Если кабель имеет экран, то это обозначается буквой «Э».

Пример: симметричный кабель МКСАШ_П–

В коаксиальных кабелях обозначается:

- тип кабеля;

- тип защитной оболочки;

- тип брони;

- количество коаксиальных пар.

Типы коаксиальных кабелей:

- КМ – коаксиальный магистральный;

- МКТ – малогабаритный коаксиальный, телефонно – телевизионный;

- ВК – однокоаксиальный.

Пример: КМГ – 4; МКТСБ – 4

6. Классификация и конструкция волоконно-оптических кабелей связи.

Оптические волокна классифицируются на одномодовые и многомодовые. Последние подразделяются на ступенчатые и градиентные. Одномодовые волокна имеют тонкую сердцевину (6 ... 8 мкм), и по ним передается одна волна; по многомодовым (сердцевина 50 мкм) распространяется большое число волн. Наилучшими параметрами по пропускной способности и дальности обладают одномодовые волокна. У ступенчатых световодов показатель преломления в сердечнике постоянен, имеется резкий переход от п₁ сердцевины к п₂ оболочки и лучи зигзагообразно отражаются от границы «сердечник-оболочка». Градиентные световоды имеют непрерывное плавное изменение показателя преломления в сердцевине по радиусу световода от центра к периферии, и лучи распространяются по волнообразным траекториям. Показатель преломления сердцевины меняется вдоль радиуса по закону показательной функции

n_r=n₀ [1-2Δ(r/a)^u]^1/2, (7.1)

где n_r — максимальное значение показателя преломления на оси волокна, т. е. при r = 0; и - показатель степени, описывающей профиль изменения показателя преломления:

Δ=(n₁^2_n₂²)/2n₁²≈(n₁^_n₂)/n₁= 0,003-0,01, (7.2)

Чаще всего применяются световоды с параболическим профилем. В этом случае и=2 и соответственно

n_r=n₀[1-2Δ(r/a)²]^1/2. (7.3)

Если принять u =∞, то получим известное значение п ступенчатого световода

n₂=n₁[1-Δ]. (7.4)

Направляющей системой оптического кабеля (ОК) является волоконный световод (ВС). Требования к ОК обусловлены условиями его прокладки и эксплуатации. Конструкция ОК должна обеспечивать его прочность в процессе прокладки, монтажа и эксплуатации, предохранять ВС от растягивающих продольных усилий, возникающих при прокладке кабеля.

Конструктивные элементы ОК:

- модуль волоконно – оптический (МВО);

- силовые и армирующие элементы;

- заполняющие элементы;

- защитные покровы;

- броневые покровы;

- жилы дистанционного питания.

МВО – это полиэтиленовая трубка, в которой свободно уложены 1, 2 или 4 волоконных световода (рис. 3.6).

Рис. 3.6 – Модуль волоконно – оптический

Базовыми конструкциями ОК являются конструкции (рис. 3.7):

- с повивной скруткой;

- ленточные.

Рис. 3.7 – Базовые конструкции оптических кабелей

В кабеле с повивной скруткой в центре находится центральный силовой элемент, предохраняющий кабель от продольного растяжения в процессе прокладки, он выполняется из стеклопластика или в виде стального тросика. Вокруг ЦСЭ располагается повив из шести МВО. В ОК с небольшим числом ОВ часть модулей может быть заменена полимерными заполнителями (корделями).

Расположение остальных элементов такое же, как и в электрических кабелях. В ОК не используются свинцовые оболочки, чаще всего применяются тонкие стальные или алюминиевые гофрированные оболочки с защитными полимерными покрытиями. Броня в ОК может быть выполнена из стеклостержней (обозначается «С») или в виде оплётки (обозначается «О»). Большинство современных ОК не имеют жил дистанционного питания. Всё свободное пространство в ОК для его герметизации заполняется гидрофобным заполнителем.

Пример маркировки оптических кабелей

маркоразмер
марка
тип
вид
ОКЛБг–Н–3–ДА13–34Е–0,40Ф3,5/0,30Н19–12/0
1	2	3	4	5	6	7	8	9
номер позиции

1. Вид кабеля – Оптический Кабель – ОК

2. Область использования – Линейный (для магистральных, Зоновых и городских сетей связи) – Л

3. Тип брони – Бг (гофрированная стальная лента, наложенная продольно)

4. Шланг выполнен из материала Нераспространяющего горение – Н

5. Номер разработки – 3

6. Тип силовых элементов и защитных покровов. Силовые элементы – центральный силовой элемент (ЦСЭ) – Диэлектрический (стеклопластиковый) стержень и высокомодульные Арамидные нити –ДА. Тип защиты покровов – 13 (оболочка и шланг из пластмасс, нераспространяющих горение, броня – сталь)

7. Структура построения сердечника оптического кабеля (ОК). [Количество оптических модулей (ОМ) в ОК] х [Количество оптических волокон (ОВ) в ОМ] – 3х4. Тип оптического волокна – одномодовое, соответствующее рекомендации G.652 ITU–Т – Е

8. Оптические характеристики ОВ. [Максимальный индивидуальный коэффициент затухания (МИКЗ) на длине волны 1310 нм (ф) – 0,40 дБ/км и коэффициент хроматической дисперсии на этой длине волны – 3,5 пс/(нм•км)] / [МИКЗ на длине волны 1550 нм (н) – 0,30 дБ/км и коэффициент хроматической дисперсии на этой длине волны – 19 пс/(нм•км)]

9. [Общее количество ОВ в кабеле – 12 (двенадцать)] / [количество жил дистанционного питания (ДП) в кабеле – 0 (ноль)]

Пример приведен для случая использования в кабеле одномодового оптического волокна. В случае использования в кабеле с аналогичной конструкцией многомодовых оптических волокон позиции номер семь и восемь условного обозначения кабеля изменять свой вид.

Например, если в кабеле используется многомодовое ОВ (G.651ITU–T), работающее на длине волны 850 нм и имеющее, например: МИКЗ–3,0 дБ/км и ширину полосы пропускания не менее 500 МГц•км, то условное обозначение кабеля примет вид:

ОКЛБг–Н–3–ДА13–34М–3,ОВ500–12/0

7. Основные уравнения электродинамики. Теорема и вектор Умова-Пойтинга.

Общие положения

Строгое решение задачи распространения электромагнитной энергии по направляющим системам, образующим разнообразные кабели связи требует применения средств электродинамики и решения уравнений Максвелла. Методы электродинамики позволяют решить все задачи передачи, излучения, поглощения в любой направляющей системе и в любом частотном диапазоне. НС имеет достаточно сложную структуру, поэтому их при анализе вводится ряд допущений и роцесс распространения энергии разбивается на независимые процессы:

передачу;

излучение;

поглощение.

Каждый из этих процессов определяет те или иные свойства НС. При анализе НС параметры среды усредняются по объему, среда обладает следующими свойствами:

- изотропностью, т.е

- линейностью, т.е.;

однородностью, т.е. параметры среды не зависят от координаты.

При анализе НС анализируются гармонические колебания, т.к.

сигнал любой формы может быть представлен супперпозицией гармонических составляющих в виде ряда Фурье.

Уравнения Максвелла (первое и второе) обобщают основные законы электродинамики: закон полного тока и электромагнитной индукции. Уравнения записываются в интегральной (4.1) и дифференциальной форме (4.2).

; (4.1)

;

; (4.2)

.

Для гармонических колебаний справедливо

(4.3)

Обозначим , где- комплексная диэлектрическая проницаемость, соотношение мнимой и действительной частей которой определяет свойства среды:

- проводник;

- диэлектрик.

Кроме уравнений (4.1) и (4.2) используются уравнения (4.3) и (4.4).

; (4.4)

Уравнения (4.4) означают, что электрическое поле имеет заряды, а магнитные заряды не существуют. Силовые линии электрического поля начинаются и заканчиваются на зарядах, от зарядов они расходятся (или сходятся) в окружающее пространство. Силовые линии магнитного поля всегда направлены по нормали к металлическим поверхностям, линии магнитного поля параллельны к проводящим поверхностям. В соответствии с (4.2) изменяющееся во времени магнитное поле порождает переменное электрическое поле и наоборот. Процесс распространения электромагнитного поля поясняется на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1- Распространение электромагнитного поля

Энергетические соотношения для электромагнитного поля

Рассмотрим баланс энергии электромагнитного поля. Запас энергии в объеме определяется суммой электрической и магнитной энергии:

(4.5)

где первое слагаемое – энергия электрического поля, а второе – магнитного. Это выражение аналогично известной формуле для колебательного контура:

Используя выражение Максвелла можно получить выражение:

(4.6)

где ds – элемент поверхности, ограничивающий объем V.

Это выражение известно как теорема Умова-Пойтинга. Левая часть выражения характеризует расход электромагнитной энергии в единицу времени. Первое слагаемое правой части представляет поток энергии в единицу времени через замкнутую поверхность S объема V в окружающее пространство. Энергия, распространяющаяся в единицу времени через поверхность, перпендикулярную направлению потока энергии, определяется величиной называется вектором Пойнтинга. Второе слогаемое определяет энергию внутри объема, которая преобразовалась в тепло.

Изменение запаса энергии, находящейся в некотором объеме V, происходит за счет расхода энергии внутри объема и распространения ее за пределы этого объема. Теорема Умова-Пойнтинга устанавливает связь между напряженностями полей Е и Н на поверхности какого-либо объема с потоком энергии, входящей в объем или выходящей из него. Зная величины Е и Н на поверхности НС можно определить поглощаемую и распространяющуюся электромагнитную энергию.

Рассмотрим одиночный проводник в полярной системе координат. Составляющие электромагнитного поля на его поверхности формируют вектор Пойнтинга, который можно разложить на составляющие, определяющие распространение энергии вдоль линии и в направлении перпендикулярном к проводнику (излучение, тепловые потери).

а) б) в)

Рис. 4.2 – Составляющие вектора Пойнтинга: а) распространение, б) излучение, в) поглощение.

Продольная составляющая Пr определяет распространение энергии вдоль линии. Радиальная составляющая определяет излучение энергии в свободное пространство, в СК и КК она обуславливает взаимные влияния. Эта же составляющая, направленная внутрь проводника определяет тепловые потери.

Приведенный анализ позволяет сделать важный вывод: в НС энергия распространяется в пространстве ограниченном проводниками, проводники только направляют энергию в нужном направлении. Если к проводникам линии подключить генератор, то между проводниками возникнет переменное электромагнитное поле. Это поле, окружая проводники, движется вдоль них со скоростью, близкой к скорости света. Одновременно по линии протекает ток. Напряженность электрического поля Е соответствует напряжению U, а напряженность магнитного поля – току І.

Рис. 4.3 – Токи протекающие (Iпр) и токи смещения (Iсм): а) в кабеле; б) в конденцаторе; в) в атмосфере; г) в волноводе.

Непрерывность тока, протекающего по линии обеспечиваются протеканием тока проводимости в проводниках и тока смещения в диэлектрике (как это происходит в конденсаторе). В различных НС и в различных частных диапазонах преобладают или токи смещение или токи проводимости.

8. Физические процессы распространения электромагнитной энергии вдоль однородной симметричной цепи. Поверхностный эффект и эффект близости.

Электромагнитные процессы в проводниках и диэлектриках

Физические среды отличаются своими электромагнитными свойствами. Металлы и диэлектрики существенно отличаются проводимостью. Для упрощения анализа НСС часто используется понятие идеального проводника () и идеального диэлектрика (). В идеальном проводнике существует только ток проводимости, а в идеальном диэлектрике – только ток смещения.

Металлы практически во всех диапазоне частот являются проводниками, в диэлектриках (полиэтилен, полистирол и др.) на всех частотах преобладают токи смещения. Естественные среды (почва, вода, лёд) обнаруживают свойства проводников в области низких частот, а в области высоких частот действуют как диэлектрики. Потери электромагнитной энергии в при распространении в диэлектриках незначительные. Скорость распространения электромагнитной энергии в диэлектрике определяется , гдекм/с – скорость света в свободном пространстве. При распространении плоской волны в диэлектрикеивзаимно перпендикулярны, а отношение Е к Н определяет сопротивление среды распространяющейся волне, т.е. волновое сопротивление. Волновое сопротивление свободного пространстваОм, а волновое сопротивление диэлектриков определяется

Если по проводнику протекает переменный ток, то в нем возникает поверхностный эффект (скин-эффект), сущность которого ясна из рисунка 4.5.

Рис. 4.5 – Явление поверхностного эффекта: а) линия тока, магнитного поля и вихревых токов; б) деление токов; в) вытеснение тока на край проводника

Вследствие поверхностного эффекта ток с ростом частоты вытесняется на края проводника, т.е. протекает только по поверхности проводника, что приводит к увеличению его сопротивления при увеличении частоты. Переменный ток распространяется по сечению проводника неравномерно и затухает пропорционально ,- коэффициент затухания в металле. Поверхностный эффект характеризуется эквивалентной глубиной проникновения. Эквивалентная глубина проникновения- это такая глубина проникновения поля в проводник, при которой напряженность поля (или плотность тока) уменьшается в=2,718 раз.

,

тогда ,- коэффициент вихревых токов.

При увеличении частоты глубина проникновения уменьшается, т.е. поверхностный эффект с ростом частоты возрастает. Поверхностный эффект в большей степени проявляется в проводниках с большим удельным сопротивлением.

С поверхностным эффектом связаны эффект близости и эффект действия окружающих масс. Эффект близости проявляется в симметричной паре (рис. 4.6). В этом случае происходит перераспределение плотности токов в проводниках.

Рис. - 4.6 – Эффект близости в симметричной паре.

В кабеле всегда располагается несколько симметричных пар, есть другие металлические элементы. В этом случае возникает перераспределение электромагнитных полей, приводящее к изменению распределения плотности токов, что также увеличивает сопротивление цепи.

9. Первичные параметры цепи. Частотные зависимости.

Первичные параметры цепей воздушных линий

Воздушные линии - это двухпроводные цепи. При определении первичных парамет­ров цепи считаются уединенными. Первичные параметры относятся к 1 км длины. Так сопротивление постоянному току исходя из определения R₀ = , ρ₀ - удельное сопротивление, l - длина линии в км, S - сечение в мм².

Тогда для 1 км двухпроводной цепи

R₀=2550 , (3.1)

d - диаметр провода в мм.

Сопротивление зависит от температуры для металлических проводников в форме:

R'₀=R₀[1 + α'(t⁰-20⁰)], (3.2)

R₀ - сопротивление при 20º С.

Приведем значения сопротивления двухпроводной цепи постоянному току [Ом/км] при диаметре d=4 мм для:

обыкновенной стали - 22 Ом/км,

медистой стали - 23,3 Ом/км,

меди мягкой - 2,8 Ом/км,

меди твердой - 2,84 Ом/км,

алюминий - 4,66 Ом/км,

биметалл (сталь-медь) - 4 Ом/км,

Сопротивление линии с учетом эффекта близости вычисляется по формуле

, (3.3)

функция F(x) - табулируется или представляется в виде графиков, x = |ka|= |k| ,.

Индуктивность двупроводной цепи с однородными круглыми проводами [28]

, Гн/км (3.4)

а - расстояние между проводами, d - диаметр провода, Q(x) - функция, учитывающая по­верхностный эффект, график её дан в [1], x = |k|d . Первое слагаемое - это внешняя индук­тивность, второе - внутренняя.

Емкость двухпроводной цепи рассчитывается по формуле

, Ф/км (3.5)

ε _r - относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Коэффициент 1,05 - вводится для воздушной цепи и учитывает присутствие изолято­ров. Как видно емкость не зависит от частоты.

Проводимость изоляции между проводами воздушной цепи определяется многими факторами. Поэтому ее определяют по эмпирической формуле:

G = G0+kf, См/км (3.6)

G0 - проводимость постоянному току, k - некоторый коэффициент учитывающий со­стояние изоляции, ƒ - частота переменного тока, Гц.

G0 ≈ 0,01·10-6 См/км, k ≈ 0,05·10-9 - при сухой погоде

G0 ≈ 0,05·10-6См/км, k ≈ 0,25·10-9 - при сырой погоде.

Первичные параметры цепей симметричных кабелей

Кабели отличаются от воздушных линий тем, что расстояние между жилами соизме­римо с диаметрами жил и с расстояниями до соседних пар. Поэтому здесь большую роль иг­рает эффект близости. Кроме того весь пучок жил скручивают, вследствие чего длина жил превышает длину кабелей.

Сопротивление кабельной пары постоянному току рассчитывается по тем же форму­лам, что и для воздушной линии, но с учетом удлинения при скрутке, т.е.

, Ом/км (3.7)

χ меняется в зависимости от диаметра повива D. Если D=30÷80 мм, то χ=[1,01÷1,07]. Сопротивление кабельной пары переменному току

, Ом/км (3.8)

Здесь G(x) и Н(х) определяются по графикам и учитывают близость проводов. Параметр Р тип скрутки:

Р=1 при парной скрутке (рисунок 3.1)

Рисунок 3.1 – Парная скрутка

Р=2 при двойной парной скрутке (рисунок 3.2)

Рисунок 3.2 – Двойная парная скрутка

Р=5 при звездной скрутке (рисунок 3.3)

Рисунок 3.3 – Звездная скрутка

ΔR - дополнительное сопротивление, возникающее из-за вихревых токов и учитыва­ется при ƒ>30 кГц, в соответствии, например, с таблицей [1].

Приведем зависимость активного сопротивления от частоты (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 – Зависимость активного сопротивления от частоты

Индуктивность кабельной пары:

, Гн/км (3.9)

χ - коэффициент укрутки. Т.е. это такая же формула, что и для воздушной линии. При диа­метре повива D=30÷80 мм, то χ=[1,01÷1,07]. Покажем зависимость L от частоты (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5 – Зависимость индуктивности от частоты

Емкость кабельной цепи с учетом влияния соседних жил:

Ф/км (3.10)

Здесь χ– коэффициент укрутки, ψ - коэффициент учитывающий увеличение емкости за счет сближения жил [1]. εр - результирующая диэлектрическая проницаемость для комби­нированных изоляций пар:

. (3.11)

εr1 - относительная диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков, εr2 - отно­сительная диэлектрическая проницаемость воздуха, V1 - объем диэлектрика, V2 - объем воз­духа. ψ -зависит от d1/d, d1 - диаметр изолированной жилы и d - диаметр голой жилы.

Проводимость изоляции в кабельных линиях во много раз меньше, чем у воздуха и она определяется как

G = ωСtgδр, См/км (3.12)

С - емкость цепи [Ф/км], tgδp - тангенс угла потерь комбинированной изоляции:

. (3.13)

10. Вторичные параметры цепи. Частотные зависимости.

Распространение энергии по линии,ток и напряжение в любой точке цепи определяются её волновым сопротивлением и постоянной распространения.

Волновое сопротивление – это сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль однородной линии без отражения, согласованной на концах (). Волновое сопротивление зависит от первичных параметров цепи и частоты.

Волновое сопротивление характеризует количественное соотношение между волной напряжения U(напряженностью электрического токаE) и волной тока (напряжённостью магнитного поляH), т.е.или. При определении волнового сопротивления рассматривается только падающая волна, т. е. отражённая волна отсутствует. Появление в линии каких-либо неоднородностей приводит к изменению структуры поля в этом сечении, изменению векторови, а, следовательно, к изменениюв этом сечении, появлению отражённых волн.

Волновое сопротивление цепи в общем случае рассчитывается по формуле

. (4.17)

В однородной линии величина постоянна в любой точке цепи, и в диапазоне используемых в конкретной НС частот практически не зависит от частоты.

В общем случае является комплексной величиной и носит емкостной характер.

Коэффициент распространения является комплексной величиной и представляется в виде :

. (4.18)

Теперь 4.16 имеют вид:

. (4.19)

Модуль (4.19) определяет уменьшение абсолютного значения тока или напряжения вдоль линии. Угол характеризует изменение фазы тока или напряжения вдоль линии.

Коэффициент затухания.Электромагнитная волна, распространяясь вдоль линии уменьшается по амплитуде от генератора к нагрузке, что объясняется потерями энергии в цепи. Как следует из (4.16) мощность, амплитуда тока и напряжения уменьшаются вдоль линии по экспоненциальному закону (рис. 4.7).

Рис. 4.6 - Характер изменения мощности тока и напряжения вдоль линии

Различают два вида потерь - в проводнике и в диэлектрике. В проводнике возникают тепловые потери, в диэлектрике энергия расходуется на его поляризацию диэлектрика. Оба вида потерь возрастают с ростом частоты.

Потери в линии характеризуются коэффициентом затухания , выражение для которого можно получить из (4.18):

. (4.20)

Действительная часть коэффициента распространения показывает уменьшение электромагнитной энергии в конце линии по сравнению с её началом

; . (4.21)

Логарифмируя обе части выражений (3.15) получаем:

; .

Затухание цепи обычно представляется в децибелах (дБ) (при использовании десятичных логарифмов) или в неперах (при использовании натуральных логарифмов).

; (дБ);

; (Нп).

Между децибелами и неперами выполняется соотношение

1 Нп=8.686 дБ; 1 дБ=0.115 Нп.

Затухание является погонным параметром, измеряется на длину линии

1 км (дБ/км), с ростом частоты затухание возрастает.

Коэффициент фазы характеризует изменение фазы волны или напряжения при распространении электромагнитной волны вдоль линии, является погонным параметром, измеряется в радианах (рад/км) или градусах (град/км), определяется из (4.18):

. (4.22)

Скорость распространения энергии по цепям связи. Электромагнитная энергия распространяется по цепям связи с определенной скоростью и зависит от первичных параметров линии, определяется выражением.

Таким образом, затухание цепи определяет качество и дальность связи, а коэффициент фазы – скорость движения энергии вдоль линии.

Кроме скорости распространения энергии при анализе используются понятия фазовой и групповой скоростей. Фазовая скорость определяет скорость движения поверхности равных фаз в НС (или скорость движения волнового фронта); групповая скорость при передаче сигналов определяет скорость распространения максимума огибающей группы составляющих сложного сигнала, т.е. она характеризует скорость распространения группы волн.

Скорость распространения энергии с ростом частоты увеличивается, в области высоких частот она практически не зависит от частоты, , где С – скорость света в свободном пространстве, эта скорость всегда меньше скорости света. Для ТЕМ - волн фазовая скорость не зависит от частоты, определяется

. (4.23)

Для волн Е(ТМ) и Н(ТМ) фазовая скорость зависит от частоты и определяется

,

где - критическая частота, при которой прекращается распространение энергии по НС.

Зависимость фазовой скорости от частоты указывает на наличие дисперсии в НС. Это обозначает, что различные типы волн в НС распространяются с различными скоростями. В двухпроводных линиях дисперсия отсутствует, дисперсия проявляется в волноводах и световодах.