Методы и средства передачи информации (Лекция №2)

Рис. 2.10 − Схематичный вид поперечного сечения трехсвязной линии (например, экранированная витая пара) и структура полей волны в ней. Красный цвет − силовые линии магнитного поля, зеленый − электрического

защиты линии). Структура полей в них близка к структуре полей полых цилиндрических волноводов, но с наличием экспоненциально затухающих в поперечной плоскости полей. Подробнее такие структуры, их поля и волны рассмотрим отдельно в соответствующем разделе.

Разделение линий передачи по критерию функционального назначения достаточно условно, так как прямых ограничений на применение той или иной линии передачи − нет. Исключение составляют ситуации, при которых требуется, например, осуществить передачу определенного частотного спектра в определенном частотном диапазоне, который по тем или иным причинам нерационален для конкретного вида линии. Например, если требуется создать канал связи в диапазоне частот 2400…2450 МГц (это реальный канал цифровой передачи данных в стандарте (протоколе) Ethernet), то применение витой пары (т.е. двухпроводной линии) в таком случае весьма нерационально, ввиду больших потерь мощности сигнала в такой линии. Решение задачи возможно и рационально с применением коаксиального кабеля. Если же, требуется реализовать LMDS структуру (LMDS пред-

ставляет собой широкополосную систему беспроводных телекоммуникаций типа «точкамноготочка», которая функционирует в диапазоне частот выше 20 ГГц (конкретный диапазон зависит от страны и местного лицензирования диапазонов). Система LMDS предназначена для одноили двусторонней передачи голоса, данных, Интернет-трафика и видео. На сегодня широко распространенного русского акронима для LMDS не существует, и даже в официальной русскоязычной документации специалисты пользуются для обозначения этой системы именно англоязычным акронимом LMDS. В принципе, LMDS можно перевести как локальная многоточечная распределительная система, но русский акроним такого перевода, повторимся, в

11

профессиональной терминологии пока не существует), то специалисту ясно, что в качест-

ве линий связи внутри устройств обработки и формирования аналоговых сигналов системы рационально применить полые волноводы, как линии обладающие меньшими потерями в этом частотном диапазоне (хотя, с меньшим успехом, можно ограничиться и коаксиальными линиями). В качестве каналов связи между локальными точками доступа в системах LMDS рационально использовать радиолинии, исходя из наилучшего показателя цена/качество передачи сигнала.

Итак, если исходить в «функциональном назначении» из передачи требуемого частотного спектра, то существуют рекомендации по применению того или иного вида линий передачи в определенной частотной области. Причем эти рекомендации сформулированы в виде нормативных документов Международного́ сою́за электросвя́зи (МСЭ, англ.− International Telecommunication Union, ITU) .

МСЭ — международная организация, определяющая рекомендации в области телекоммуникаций и радио, а также регулирующая вопросы международного использования радиочастот (распределение радиочастот по назначениям и по странам). Является специализированным учреждением ООН. Ниже мы обратимся к ряду рекомендаций МСЭ при анализе конструктивных особенностей ряда технических решений линий передачи.

Помимо частотного аспекта, разделение линий передачи по функциональному назначению можно осуществить, исходя из конструктивного назначения линии связи. Например, можно указать рациональный выбор при реализации линий передачи между аппаратами в локальной сети, между электронными блоками в аппаратуре, линий передачи внутри электронных блоков (между узлами в блоке) и линий передачи внутри узлов. Конечно, эти рекомендации будут зависеть (т.е. меняться) от частотного диапазона аппаратуры. При этом в достаточно широкой области частот до нескольких единиц гигагерц, соответствующей уровню развития техники систем цифровой обработки и передачи данных первого десятилетия XXI века, можно дать следующие рекомендации, т.е определенную классификацию линий.

12

Как мы уже отметили, канал связи в диапазоне частот 2400…2450 МГц рационально строить с применением коаксиальных линий, однако по экономическим соображениям (с потерей качества) можно ограничиться применением витой пары (при достаточно коротких, до сотни метров) расстояниях между устройствами (аппаратурой). При больших расстояниях выгоднее применить радиоканалы связи.

Между электронными блоками в электронной аппаратуре этого частотного диапазона можно ограничиться применением двухпроводной линии, например в виде витой пары, что экономически выгодно, однако в ответственной аппаратуре рекомендуется применять коаксиальные линии. Аналогичны рекомендации можно дать при реализации каналов связи между узлами в блоке.

Для создания линий передачи сигналов внутри узлов наиболее приемлемы двухпроводные линии, представляющие собой плоское диэлектрическое основание (его называют «подложка»), на противоположных сторонах которого нанесены проводники в виде медных проводящих полосок. Причем один из проводников может быть образован проводящей поверхностью большой площади, который может покрывать практически всю сторону подложки (рис.2.11). Такие линии называют «несимметричные полосковые линии» (НПЛ). НПЛ обладают рядом полезных (для узлов электронной аппаратуры) свойств, о которых мы будем говорить в соответствующее время. Здесь же заметим, что такие линии по физическим свойствам относятся к двусвязным полевым системам, а соответственно технологическим процессам нанесения проводников на диэлектрик в устройствах относительно низких частот (до единиц ГГц) получили название печатных плат, а для области частот в несколько ГГц − название микрополосковые линии, связывая название и поперечный размер проводящей сигнальной полоски. Заметим, что каждому из частотных диапазонов соответствуют свои виды подложек, определяемые допустимыми диэлектрическими потерями в материале. Так, в области до сотен МГц применяют подложки из стеклотекстолита, а в области частот 5…10 ГГц подложки из поликора − материал Al2O3 − специальное сверх чистое стекло.

13

	1	Распределение обратного
		тока в поперечном сечении
		проводящей поверхности
		печатной платы
iпрямой		iобратный

iобратный

х

0

а)	б)

Рис. 2.11 − Печатная плата с проводящей плоскостью в качестве обратного провода – а и сечение печатной платы – б: 1 – сигнальная проводящая дорожка (прямой провод с током iпрямой); 0 – проводящая поверхность

обратной стороны подложки; iобратный – путь распространения обратного тока в проводящей поверхности

К системе классификации линий передачи можно отнести и разделение линий передачи в соответствии с определенными требованиями МСЭ (рекомендациями, англ. Recommendations), которые не являются обязательными, но широко

поддерживаются во всем мире (По состоянию на март 2011 г. в МСЭ входит 192 страны и более 700 членов по секторам и ассоциациям (научно-промышленных предприятий, государственных и частных операторов связи, радиовещательных компаний, региональных и междуна-

родных организаций), так как облегчают взаимодействие между сетями связи и позволяют провайдерам (Интернет-провайдер́ (иногда просто Провайдер), от англ. Internet Service Provider, ISP, букв. "поставщик Интернет-услуги") — орга-

низация, предоставляющая услуги доступа к сети Интернет и иные связанные с Интернетом услуги) предоставлять услуги поставке оборудования и предоставления информации по всему миру. «Требования» разделены на рекомендации для разных типов линий, длин трасс и частотных диапазонов. Кратко остановимся на них.

Основные требования к СК (напомню, что это обычные витые пары) определены в рекомендации МСЭ-Т G.613. Диаметр жилы СК обычно составляет 0,4...1,2 мм. СК обычно используются в диапазоне частот до 10 МГц.

14

Рекомендации МСЭ по основным параметрам КК приведены в Табл. 2.1.

	Таблица 2.1	Рекомендации по коаксиальным кабелям
	Тип КК	Диаметр проводника	Рекомендация	Рабочая полоса
		внешний / внутренний,	МСЭ-Т	частот, МГц
		мм
	Мини-КК	0,7 / 2,9	G.621	0,2...20
	Малогабаритный КК	1,2 / 4,4	G.622	0,06...70
	Нормализованный	2,6 / 9,5	G.623	0,06...300
	КК

В настоящее время выпускается широкая номенклатура (т.е. определенный набор типовых технических решений) кабелей, отличающихся в зависимости от назначения, области применения, условий прокладки и эксплуатации и пр.

На рис. 2.12 приведен пример конструкции кабеля для магистральной сети КМБ-8/7. В конструкции кабеля предусмотрено несколько коаксиальных цепей

Бронеленты

Наружный покров

Жилы

Симметричные Коаксиальные пары

пары

Рисунок 2.12 − Пример конструкции кабеля (кабель КМБ-8/7)

разного типа, несколько симметричных пар, а также отдельные изолированные жилы. Изолированные жилы обычно используются для технологических целей.

В отдельный вид линий передачи можно отнести воздушные линии связи (ВЛС). Это, хотя и устаревший, но один из наиболее распространенных на пери15

ферии, недорогой вид линий передачи информации. ВЛС не имеют изолирующего покрытия между проводниками, роль изолятора играет слой воздуха. Проводники выполняются, в основном, из биметаллической сталемедной (сталеалюминевой) проволоки. Внутренний диаметр стальной проволоки обычно составляет 1.2...4 мм, толщина внешнего слоя меди (алюминия) - 0.04...0.2 мм. Проволока подвешивается на деревянных или железобетонных опорах с помощью фарфоровых изоляторов. Используемый частотный диапазон ВЛС не превышает 150 кГц.

В настоящее время проводные линии связи широко используются при построении локальных сетей. Данные линии связи стандартизированы и обычно называются структурированной кабельной проводкой или кабельной системой. Известны кабельные системы категорий 3, 4, 5 стандартов EIA/TIA-568, TSB-36, TSB-40 специального подкомитета TR41.8.1 МСЭ. Приведем основные параметры кабельных систем или проводки:

1.Длина горизонтальных кабелей − не более 90 м независимо от типа кабеля.

2.К применению допускаются кабели четырех типов: 4-парный из неэкранированных витых пар с волновым сопротивлением 100 Ом; 2-парный из экранированных витых пар с волновым сопротивлением 150 Ом; коаксиальный с волновым сопротивлением 50 Ом; волоконно-оптический (см. ниже в этой лекции) с волокнами диаметром 62,5/125 мкм;

3.Типы соединителей: модульный 8-контактный RJ-45; 4-контактный по стандарту IEEE 802.5; коаксиальный BNC; оптический не определен.

4.На каждом рабочем месте устанавливается не меньше 2 розеток;

5.Разводка кабелей должна соответствовать топологии "звезда".

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с линиями связи на основе металлических кабелей. К ним относятся: очень большой частотный диапазон, доступный для передачи данных без искажений информации (другими словами − большая пропускная способность), малое затухание, малые масса и габариты, высокая помехозащищенность, надежная техника безопасности, практически отсутствующие взаимные (помеховые) влияния соседних каналов друг на друга, малая стоимость из-за относитель-

16

ной технологической простоты изготовления (без механической обработки) и отсутствия в конструкции цветных металлов.

В ВОЛС применяют электромагнитные волны оптического диапазона. Напомним, что видимое оптическое излучение лежит в диапазоне длин волн 380...760 нм. Практическое применение в ВОЛС получил инфракрасный диапазон, т.е. излучение с длиной волны более 760 нм.

Принцип распространения оптического излучения вдоль оптического волокна (ОВ) основан на отражении от границы сред с разными показателями преломления в поперечном направлении (рис. 2.13). Поэтому оптическое волокно в поперечном направлении − двухслойное и, в простых случаях, изготавливается из кварцевого стекла в виде цилиндров с совмещенными осями и различными коэффициентами преломления. Внутренний цилиндр называется сердцевиной ОВ, а внешний слой − оболочкой ОВ.

	Двухслойное волокно
Передатчик	Приемник

Рис. 2.13 − Принцип распространения оптического излучения

Угол полного внутреннего отражения, при котором падающая на границу двух сред световая электромагнитная волна полностью отражается без проникно-

		n 2
	вения во внешнюю среду, определяется соотношением θ кр	=arccos		, где n1
			n1

− показатель преломления сердечника ОВ, n2 − показатель преломления оболочки ОВ, причем n1 > n2. Чтобы обеспечить эффект распространения световой волны вдоль ОВ, как показано на рис. 2.13, волна должна вводится в волокно под углом к оси меньшим q кр . Превышение этого угла приведет к проникновению волны во внешнее относительно ОВ пространство.

В зависимости от вида профиля показателя преломления сердцевины различают ступенчатые и градиентные ОВ. У ступенчатых ОВ показатель преломления сердцевины постоянен (рис. 2.14, а). У градиентных ОВ показатель прелом-

17

ления сердцевины плавно меняется вдоль радиуса от максимального значения на оси до значения показателя преломления оболочки (рис. 2.14, б).

n	n
n1	n1
n2	n2

D/2	D d, мкм	D/2	D d, мкм
а)		б)

Рис. 2.14 − Профиль показателя преломления ступенчатого (а)

иградиентного (б) ОВ

ВОВ может одновременно существовать несколько видов волн (мод). В зависимости от характеристик этих мод, ОВ со ступенчатым профилем преломле-

ния делятся на два вида: многомодовые и одномодовые.

	Количество мод ОВ зависит от значения нормированной частоты
ν =	Dπ	n12 − n 22 , где D − диаметр сердцевины ОВ, l − рабочая длина волны.
	λ

Одномодовый режим реализуется при ν < 2,405. Заранее определенными и сравнительно малыми величинами являются рабочая длина волны λ и разность показателей преломления dn = n1 − n2. Обычно ОВ изготавливают с величиной dn = 0,003...0,05. Поэтому диаметр сердцевины одномодовых волокон также явля-

ется малой величиной и составляет 5...15 (обычно 9 или 10) мкм.

Для многомодовых волокон диаметр сердцевины составляет около 50 (обычно 50 или 62,5) мкм. Диаметр оболочки у всех типов ОВ 125 мкм. Диаметр защитного покрытия − 500 мкм. Наружный диаметр кабеля с числом ОВ от 2 ... 32 с учетом всех защитных оболочек и элементов обычно составляет 5..17 мм.

На рис. 2.15 приведен схематичный пример конструкции оптического кабе-

ля.

18

3 4 5

1 2

Рис. 2.15 − Конструкция оптического кабеля: 1 − ОВ, 2 − полиэтиленовая трубка, 3 − силовой элемент, 4 и 5 − соответственно внутренняя и внешняя полиэтиленовые оболочки

Затухание α ОВ неоднородно для разных длин волн. Зависимость коэффи-

циента затухания ОВ от рабочей длины волны приведена на рис. 2.16. Данная зависимость имеет три минимума, называемые окнами прозрачности. Исторически

α, дБ/км

3
1
0,5
0,85	1,3	1,55	λ, мкм

Рис. 2.16. Спектральная характеристика коэффициента затухания ОВ первым было освоено первое окно прозрачности на рабочей длине волны 0,85 мкм. Первые полупроводниковые излучатели (лазеры и светодиоды) и фотоприемники были разработаны именно для данной длины волны. Коэффициент затухания в первом окне значителен и составляет единицы дБ/км.

19

Позднее были созданы излучатели и фотоприемники, способные работать на больших длинах волн (1,3 и 1,55 мкм). Современные системы связи обычно используют второе или третье окно с малыми коэффициентами затухания. Современная технология позволяет получить ОВ с коэффициентом затухания порядка сотых долей дБ/км.

Перейдем к последнему из отмеченных линий (каналов)связи. Рассмотрим радиолинии.

В радиолиниях связи средой распространения электромагнитных волн в подавляющем большинстве случаев (за исключением случая связи между космическими аппаратами) является атмосфера Земли. На рис. 2.17 приведено упрощенное схематичное строение атмосферы Земли.

Космическое пространство

120…400 км

70 км − Ионосфера

50 км

40км − Стратосфера

10…12 км

10….12 км − Тропосфера

0

Поверхность Земли

Рис. 2.17 − Строение атмосферы Земли

20