Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Методы и средства передачи информации (Лекция №2)

.pdf
Скачиваний:
32
Добавлен:
13.03.2016
Размер:
451.67 Кб
Скачать

Методы и средства передачи информации

Лекционный курс

Лекция №2

Содержание.

1.Виды линий связи (передачи информации)

2.Свойства различных линий, критерии классификации линий передачи

3.Особенности методов расчета и оценки параметров различных линий

1.Виды линий связи (передачи информации)

Передача информации осуществляется на основе передачи сигналов в виде волн различной природы. Чаще всего для передачи информации на относительно большие расстояния применяют электромагнитные волны. Для передачи электромагнитных волн применяют различные структуры, называемые линии связи.

Существующие типы линий связи (ЛС) в зависимости от используемой среды распространения сигналов принято делить на направляющие структуры (к которым относятся и проводные линии связи) и линии в атмосфере (радиолинии).

Клиниям связи предъявляются следующие основные требования[1]:

осуществление связи на требуемые расстояния;

требуемая частотная широкополосность, пригодная для передачи определенных частотных спектров, т.е. определенных видов временных сообщений;

защищенность цепей от взаимных влияний и внешних помех, а также от физических воздействий (атмосферных явлений, коррозии (механического изменения) самой линии и пр.);

стабильность параметров линии, устойчивость и надежность связи;

экономичность системы связи в целом.

[1]С.В.Кунегин. Системы передачи информации. Курс лекций. М.,; в/ч 33965, 1997, - 317 с.

Диэлектрическая защитная оболочка

Проводящий экран

Проводящий экран

 

Изоляция

Проводники

Изоляция жилы

а.

б.

Внутренний (центральный ) провод-

 

 

ник («жила»)

в.

Рис. 2.1− Схематичный вид витой пары (а) симметричного (б)

икоаксильного (в) кабеля

Впростейшем случае проводная ЛС − физическая цепь, образуемая парой изолированных друг от друга металлических проводников. Отличают неэкранированные проводные линии связи, примером которой служит симметричная двухпроводная линия − в техническом исполнении − витая пара (рис. 2.2, а), и экранированные линии, которые чаще называют кабельные лини связи. Кабельные ЛС (кабели связи) образованы проводами с изоляционными покрытиями, помещенными в защитные оболочки. По конструкции и взаимному расположению проводников различают симметричные (СК) и коаксиальные (КК) кабели связи

(рис. 2.2, б и в).

Симметричная цепь состоит из двух совершенно одинаковых в электрическом и конструктивном отношениях изолированных проводников, образующих, так называемую, двухпроводную линию. Свитое исполнение симметричных проводов двухпроводной линии обеспечивает защиту линии передачи данных (или линии связи) от воздействия внешних магнитных полей, что будет показано ниже

всоответствующем разделе. Название «витая пара» (TP twisted pair) появилось в

2

зарубежных источниках применительно к линиям передачи цифровых (локальных) сетей передачи данных. Различают экранированные (shielded) и неэкранированные (unshielded) симметричные линии. Экранированные симметричные линии называют симметричными кабелями. Экран СК служит для защиты линии передачи данных от нежелательных (вредных) внешних, как электрических воздействий, так и механических и климатических воздействий (помех неэлектрического происхождения). При защите от внешних электромагнитных помех экран СК в основном служит для уменьшения влияния электрических, а также от высокочастотных электромагнитных полей. Это будет рассмотрено ниже, в соответствующем разделе курса.

Коаксиальная цепь представляет собой два цилиндра с совмещенной осью (аксиальных), причем один цилиндр − сплошной внутренний проводник (называют − жила), концентрически расположен внутри другого полого цилиндра (внешнего проводника − оболочки). Проводники изолированы друг от друга диэлектрическим материалом. Жила и оболочка образуют проводники двухпроводной линии. Один из них (обычно жила) называют «прямым» проводником, а другой (оболочка) − обратным. По этим проводникам текут встречно направленные токи, что соответствует первому закону Кирхгофа для сечений.

Помимо перечисленных, для целей передачи применяют также направляющие структуры в виде цилиндрических труб (как полых, ограниченных проводящей боковой поверхностью (называемых волноводами различного поперечного сечения, см. рис.2.2), так и с диэлектрическим заполнением, или просто в виде диэлектрических структур также различного поперечного сечения, последние называются оптическими волноводами, или оптоволоконными линиями, или просто световодами.

Вчастотном диапазоне, применяемом для передачи цифровой информации

внастоящее время, применяются в основном направляющие система в виде кабелей с металлическими проводниками.

Рассмотрим основные параметры, характеризующие направляющие структуры всех видов.

3

Рис. 2.2 − Схематичный вид металлических волноводов прямоугольного и круглого поперечного сечения

Коэффициент затухания, обозначается символом α, является погонной (отнесенной к длине) величиной и измеряется в дБ/км (где применяется понятие де-

ци Белл − десятая доля величины Белл, равная 20 lg

U вых

, где U вхнапряже-

U вх

 

 

ние на входе линии, U вых напряжение на выходе линии).

Коэффициент затухания зависит от проводящих свойств материалов проводников и изоляционного материала. Наилучшими свойствами (малым сопротивлением) обладают медь и серебро. Коэффициент затухания зависит также от геометрических размеров проводников, так как с ростом частоты колебаний распределение зарядов по сечению проводника становится все более неравномерным, причем ток протекает в основном в поверхностном слое проводника. Это эквивалентно уменьшению эффективного сечения проводника, что приводит к росту удельного (т.е. погонного или на единицу длины) сопротивления проводника, т.е. к росту тепловых потерь. Поэтому СК с бóльшими диаметрами проводников обладают меньшим коэффициентом затухания.

Известно (это расчетные соотношения), что коэффициент затухания КК (помимо материала) зависит от соотношения диаметров внешнего D и внутреннего d проводника. Оптимальными соотношениями являются для внешнего проводника из меди − 3,6; из алюминия − 3,9; из свинца − 5,2. Это иллюстрирует рис.2.3

4

α, дБ/км

(D/d)опт D/d

Рис. 2.3 − Вид зависимости коэффициента затухания коаксиального кабеля от соотношения диаметров проводников

Важной характеристикой, оказывающей влияние на широкополосность системы связи, является зависимость коэффициента затухания линии передачи от частоты (рис. 2.4). Если частотный диапазон усилителей тракта системы связи (передачи информации) существенно превосходит частотный диапазон линии передачи (возможный частотный диапазон применения данной линии передачи), то частотный диапазон тракта передачи информации определится граничным ко-

эффициентом затухания αгр линии передачи, т.е. максимально допустимым для

данного тракта передачи информации коэффициентом затухания на определенной

частоте. Эта частота называется граничной частотой пропускания системы fгр.

α, дБ/км

αгр

fгр

f, Гц

Рис. 2.4 − Вид частотной зависимости коэффициента затухания металлического кабеля

Полоса пропускания системы не превышает граничной частоты пропускания.

5

Другой важной характеристикой, оказывающей влияние на широкополосность системы связи, является частотная зависимость скорости распространения

электромагнитной волны v. Эта зависимость определяет временные искажения информационных сигналов на приемной стороне за счет временных сдвигов поступления сигналов на различных частотах (смотрите разложения временных зависимостей сигналов, например прямоугольных импульсов, в частотный спектр). Временные искажения сигналов, например прямоугольных импульсов в системах, использующих бинарный (т.е. импульс − пауза) вид передачи информации, могут привести к потере информации в результате недопустимого искажения формы импульса, увеличению времени получения достоверной информации (увеличивают «трафик» (трафиќ (от англ. traffic — «движение», «транспорт», «торговля»): сетевой трафик — объём информации), за счет объемов (повторных посылок) передаваемых данных для достоверного получения необходимого − заведомо меньшего объема информации.

Причина частотной зависимости (говорят частотной дисперсии) скорости распространения электромагнитных волн в основном связана с погонными потерями в направляющей структуре (линии связи). Эта связь будет подробно рассмотрена в следующих лекциях. Пока же, заметим, что погонные потери растут с ростом удельного сопротивления проводников, потерями в диэлектриках заполнения промежутков между проводниками. Как отмечалось выше, с ростом частоты удельное сопротивление растет, однако на очень высоких частотах электромагнитная волна практически не попадает в проводник и поэтому потери на тепло уменьшаются, одновременно уменьшается влияние потерь на скорость распространения волны в линии. В целом, противоположные физические процессы определяют сложный характер процессов распространения электромагнитных волн в различных линиях. Примерный вид частотной зависимости (дисперсии) скорости распространения электромагнитной волны в двухпроводной линии показан на рис. 2.5.

6

 

 

 

 

v , м/c

 

 

 

 

 

c 0

=

1

3 10 8 м

 

ε 0

µ 0

 

с

f , Гц

Рис. 2.5 − Примерный вид частотная зависимость скорости распространения электромагнитной волны

Из рисунка видно, что с ростом частоты скорость распространения волны в линии передачи асимптотически стремится к значению скорости света в свободном пространстве, т.е. к скорости волны в радиолинии.

Заметим, что линии передачи характеризуются еще рядом электрических параметров, среди которых один из важнейших − так называемое, волновое сопротивление. Эта характеристика взаимной связи амплитуд электрической и магнитной составляющих электромагнитной волны. Название «сопротивление» − чисто формальное, связанное с размерностью этого коэффициента. Определение − волновое − указывает на область применения понятия. В воздушной радиолинии волновое сопротивление равно 120π Ом. Данная характеристика для линий разного вида будет теоретически получена ниже в соответствующем разделе курса.

2.Свойства различных линий, критерии классификации линий передачи

Классификация линий передачи − т.е. разделение (или выделение) их по ка- ким-то признакам в литературе, как правило, не проводится. Соответственно не существует и общепризнанных критериев такой классификации. Тем не менее, можно выделить ряд признаков для осуществления определенной группировки типов линий передачи (данных), которые могут несколько формализовать процесс их изучения, расчета и применения в тех или иных технических условиях.

Приведенная последовательность представления разделов классификации линий передачи также весьма условна и не претендует на однозначность.

7

Разделение линий передачи по критерию структуры полей электромагнитных волн в них. Это различает линии по виду дифференциальных уравнений (Максвелла), описывающих поля в них, и по оптимальным методам интегрирования этих уравнений.

Различение линий по структуре полей в конечном итоге возникает из различия граничных условий на поверхностях, ограничивающих область распространения электромагнитных волн в них. При этом выделяют, так называемые, односвязные и многосвязные структуры, отличающихся числом проводящих и не связанных друг с другом поверхностей, представленных на рис. 2.6 в виде поперечных сечений. На рисунке односвязной области соответствует позиция а, двусвязной − позиция б, трехсвязной – в.

Рис. 2.6 − Односвязная (а)и многосвязные (б, в) структуры, отличающихся числом проводящих и не связанных друг с другом поверхностей

В теории электромагнитного поля известно, что решения однородных уравнений Максвелла (т.е. при расчете структуры собственных волн) в односвязных линиях передачи соответствуют полям, у которых возможна одна из составляющих (это может быть или вектор напряженности электрического поля, или вектор напряженности магнитного поля) ориентированная в направлении распространения волны. Пример структуры поля основной (говорят − низшей) волны в прямоугольном волноводе приведен на рис. 2.7. Взаимное положение векторов элек-

 

 

 

Е

 

 

Н

Рис. 2.7 − Схематичное изображение структуры

х

Н

Е v

 

полей основного вида в прямоугольном волно-

 

Е

 

воде, обозначенном штриховыми линиями

 

у

 

 

 

 

8

трической Е и магнитной Н составляющих электромагнитного поля основной (ТЕ 01) волны соответствует распространению волны по направлению вектора фазовой скорости v. Идентификация ТЕ 01 волны указывает, что эта волна имеет составляющую вектора Е, «лежащую» в плоскости перпендикулярной распространению волны, говорят, в поперечной плоскости. Волна называется поперечной (плоской) электрической. Сам символ ТЕ происходит от английского transversal electrical −поперечный электрический. Индексы 01 указывают на число вариаций (изменений) векторов поля в поперечной плоскости вдоль осей х и у, соответственно. У основной волны прямоугольного волновода в плоскости ху вдоль оси х поле имеет постоянную амплитуду, а в направлении оси у изменяется по закону синуса от нуля при у = 0 и при у = а до единицы при у = а/2, где а− ширина поперечного сечения прямоугольного окна волновода вдоль оси у.

Заметим, что кроме ТЕ существуют и ТМ (transversal magnetic) волны. Число вариаций поля вдоль осей теоретически не ограничено, но применяются, как правило, низшие виды (с минимальным числом вариаций).

Решения однородных уравнений Максвелла при расчете структуры собственных волн в многосвязных линиях передачи соответствуют плоскопараллельным полям, у которых и электрические и магнитные составляющие лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, т.е. направлению вектора фазовой скорости (см. рис. 2.8). В каждом поперечном сечении структура

Е Н

Рис. 2.8 −Схематичный вид поперечного сечения двусвязной (коаксиальной) линии и структура полей волны в ней

поля постоянна. Такие волны обозначают символом ТЕМ (transversal electrical magnetic). Волны имеют один и тот же вид практически во всем частотном диапазоне. Вектор Е направлен от одной проводящей поверхности к противоположной, причем ортогонален к обеим в точках пересечения, а вектора Н − касательные к

9

силовым линиям в виде концентрических окружностей, охватывающих центральный проводник.

К двухсвязным системам относятся и двухпроводные линии и их практическая реализация − витая пара. В этих линиях структура полей также имеет плоскопараллельный вид, приведенный на рис. 2.9 (в плоскости ху).

Проводники линий,

Электрическое поле,

силовые линии

поперечное сечение

y

 

Магнитное поле, силовые линии

x

Рис. 2.9 − Схематичный вид поперечного сечения двухпроводной линии (например, витая пара) и структура полей волны в ней

Втрехсвязных линиях структура поля также плоскопараллельна, например,

ввиде структуры на рис. 2.10, но в общепринятых идентификаторах (обозначениях) у таких полей нет наименований.

Вотдельный класс линий передачи обычно выделяют оптоволоконные линии. По физической природе оптоволоконные линии связи представляют собой цилиндрический диэлектрик (для выполнения линий низкого качества пригодны даже полиэтиленовые цилиндрические структуры), не требующий проводящих экранов (экраны применяют в таких структурах для обеспечения механической

10