Лекция №2. Ц ц и и о он н н н ы ы й й к ку у р р с с Лекция
 Скачать 441.08 Kb.
|
|
Методы и средства передачи информации Л Л е е к к ц ц и и о он н н н ы ы й й к ку у р р с с Лекция №2 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. К линиям связи предъявляются следующие основные требования • осуществление связи на требуемые расстояния • требуемая частотная широкополосность, пригодная для передачи определенных частотных спектров, те. определенных видов временных сообщений • защищенность цепей от взаимных влияний и внешних помеха 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. Содержание. 1. Виды линий связи (передачи информации) 2. Свойства различных линий, критерии классификации линий передачи 3. Особенности методов расчета и оценки параметров различных линий В простейшем случае проводная ЛС − физическая цепь, образуемая парой изолированных друг от друга металлических проводников. Отличают неэкрани- рованные проводные линии связи, примером которой служит симметричная двухпроводная линия − в техническом исполнении − витая пара рис. 2.2, аи 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 ив. 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 в соответствующем разделе. Название витая пара (TP − twisted pair) появилось в Проводники Изоляция Проводящий экран Диэлектрическая защитная оболочка Проводящий экран Внутренний (центральный ) проводник (жила) Изоляция жилы в. а. б. Рис. 2.1− Схематичный вид витой пары (асимметричного (б) и коаксильного (в) кабеля зарубежных источниках применительно к линиям передачи цифровых (локальных) сетей передачи данных. Различают экранированные (shielded) и неэкраниро- ванные (unshielded) симметричные линии. Экранированные симметричные линии называют симметричными кабелями. Экран СК служит для защиты линии передачи данных от нежелательных (вредных) внешних, как электрических воздействий, таки 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, таки с диэлектрическим заполнением, или просто в виде диэлектрических структур также различного поперечного сечения, последние называются оптическими волноводами, или оптоволоконными линиями, или просто световодами. В частотном диапазоне, применяемом для передачи цифровой информации в настоящее время, применяются в основном направляющие система в виде кабелей с металлическими проводниками. Рассмотрим основные параметры, характеризующие направляющие структуры всех видов. 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 вх вых U U , где вх U − напряжение на входе линии, х вы 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 (те. погонного или на единицу длины) сопротивления проводника, тек 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 проводника. Оптимальными соотношениями являются для внешнего проводника из меди − 3,6; из алюминия − 3,9; из свинца − 5,2. Это иллюстрирует рис Рис. 2.2 − Схематичный вид металлических волноводов прямоугольного и круглого поперечного сечения 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 коэффициентом затухания α гр линии передачи, т.е. максимально допустимым для данного тракта передачи информации коэффициентом затухания на определенной частоте. Эта частота называется граничной частотой пропускания системы f гр Полоса пропускания системы не превышает граничной частоты пропускания. Рис. 2.3 − Вид зависимости коэффициента затухания коаксиального кабеля от соотношения диаметров проводников ( D / d ) опт D / d α, дБ/км Рис. 2.4 − Вид частотной зависимости коэффициента затухания металлического кабеля, дБ/км α гр гр, Гц Другой важной характеристикой, оказывающей влияние на широкополос- ность 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 (те. импульс − пауза) вид передачи информации, могут привести к потере информации в результате недопустимого искажения формы импульса, увеличению времени получения достоверной информации (увеличивают трафик (трафик 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 проводники 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. 7 Из рисунка видно, что с ростом частоты скорость распространения волны в линии передачи асимптотически стремится к значению скорости света в свободном пространстве, тек 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. Свойства различных линий критерии классификации линий передачи Классификация линий передачи − те. разделение (или выделение) их пока- 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. f , Гц v , мс м 3 1 8 0 Рис. 2.5 − Примерный вид частотная зависимость скорости распространения электромагнитной волны 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 несвязанных 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. В теории электромагнитного поля известно, что решения однородных уравнений Максвелла (те. 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- Рис. 2.6 − Односвязная (аи многосвязные (б, в) структуры, отличающихся числом проводящих и несвязанных друг с другом поверхностей ЕЕ Е Н Н v Рис. 2.7 − Схематичное изображение структуры полей основного видав прямоугольном волноводе, обозначенном штриховыми линиями х у 9 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 хи 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, 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, те. направлению вектора фазовой скорости (см. рис. 2.8). В каждом поперечном сечении структура 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 Е Н Рис. 2.8 Схематичный вид поперечного сечения двусвязной (коаксиальной) линии и структура полей волны в ней 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 ). В трехсвязных линиях структура поля также плоскопараллельна, например, в виде структуры на рис. 2.10, нов общепринятых идентификаторах (обозначениях) у таких полей нет наименований. В отдельный 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 y x Рис. 2.9 − Схематичный вид поперечного сечения двухпроводной линии например, витая пара) и структура полей волны в ней Электрическое поле, силовые линии Магнитное поле, силовые линии Проводники линий, поперечное сечение защиты линии. Структура полей в них близка к структуре полей полых цилиндрических волноводов, нос 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 (те. 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 представляет собой широкополосную систему беспроводных телекоммуникаций типа точка- многоточка», которая функционирует в диапазоне частот выше 20 ГГц (конкретный диапазон зависит от страны и местного лицензирования диапазонов. Система LMDS предназначена для одно- или 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 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 профессиональной терминологии пока не существует, то специалисту ясно, что в качестве 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 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 Международного союза электросвязи (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 назначениями по странам. Является специализированным учреждением ООН. Ниже мы обратимся кряду 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 (те. 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, те определенную классификацию линий. 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. Такие линии называют несимметричные полосковые линии ( НПЛ ). НПЛ обладают рядом полезных (для узлов электронной аппаратуры) свойство 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 плата 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 Al 2 O 3 − специальное сверхчистое стекло. 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 секторами ассоциациям (научно-промышленных предприятий, государственных и частных операторов связи, радиовещательных компаний, региональных и международных организаций, так как облегчают взаимодействие между сетями связи и позволяют провайдерам ( Интернет-прова́йдер (иногда просто Провайдер, от англ Service Provider , ISP, букв. поставщик Интернет-услуги" ) — организация, 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. Рис. 2.11 − Печатная плата с проводящей плоскостью в качестве обратного провода – аи сечение печатной платы – б 1 – сигнальная проводящая дорожка (прямой провод стоком прямой 0 – проводящая поверхность обратной стороны подложки обратный – путь распространения обратного тока в проводящей поверхности прямой i обратный а) обратный х б) 1 Распределение обратного тока в поперечном сечении проводящей поверхности печатной платы Рекомендации МСЭ по основным параметрам КК приведены в Табл. 2.1. В настоящее время выпускается широкая номенклатура (те. 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 разного типа, несколько симметричных пара 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 пери Таблица 2.1 Рекомендации по коаксиальным кабелям Тип КК Диаметр проводника внешний / внутренний, мм Рекомендация МСЭ-Т Рабочая полоса частот, МГц Мини-КК 0,7 / 2,9 G.621 0,2...20 Малогабаритный КК 1,2 / 4,4 G.622 0,06...70 Нормализованный КК 2,6 / 9,5 G.623 0,06...300 Рисунок 2.12 − Пример конструкции кабеля (кабель КМБ-8/7) Бронеленты Наружный покров Коаксиальные пары Жилы Симметричные пары 16 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 (сталеалюмине- вой) 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 болеем независимо от типа кабеля. 2. К применению допускаются кабели четырех типов парный из неэкрани- рованных витых пар с волновым сопротивлением 100 Ом парный из экранированных витых пар с волновым сопротивлением 150 Ом коаксиальный с волновым сопротивлением 50 Ом волоконно-оптический (см. ниже в этой лекции) сволок- нами диаметром 62,5/125 мкм 3. Типы соединителей модульный контактный RJ-45; 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 (помехо- вые) влияния соседних каналов друг на друга, малая стоимость из-за относительной 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, те. 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 ив 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. Угол полного внутреннего отражения, при котором падающая на границу двух сред световая электромагнитная волна полностью отражается без проникновения во внешнюю среду, определяется соотношением = 1 кр arccos θ n n , где n 1 − показатель преломления сердечника ОВ, n 2 − показатель преломления оболочки ОВ, причем n 1 > n 2 . Чтобы обеспечить эффект распространения световой волны вдоль ОВ, как показано на рис. 2.13, волна должна вводится в волокно под углом коси 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 (риса. У градиентных ОВ показатель прелом- Двухслойное волокно Передатчик Приемник Рис. 2.13 − Принцип распространения оптического излучения 18 ления сердцевины плавно меняется вдоль радиуса от максимального значения на оси до значения показателя преломления оболочки (рис. 2.14, б. В ОВ может одновременно существовать несколько видов волн (мод. В зависимости от характеристик этих мод, ОВ со ступенчатым профилем преломления делятся на два вида многомодовые и одномодовые Количество мод ОВ зависит от значения нормированной частоты 2 2 2 1 n n D − λ π = ν , где D − диаметр сердцевины ОВ, l − рабочая длина волны. Одномодовый режим реализуется при ν < 2,405. Заранее определенными и сравнительно малыми величинами являются рабочая длина волны λ и разность показателей преломления d n = n 1 − n 2 . Обычно ОВ изготавливают с величиной d n = 0,003...0,05. Поэтому диаметр сердцевины одномодовых волокон также является 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 кабеля. Рис. 2.14 − Профиль показателя преломления ступенчатого (аи градиентного (б) ОВ n n 1 n 2 n n 1 n 2 D/2 D/2 D D d, мкм d, мкм а) б) Затухание α ОВ неоднородно для разных длин волн. Зависимость коэффициента затухания ОВ от рабочей длины волны приведена на рис. 2.16. Данная зависимость имеет три минимума, называемые окнами прозрачности. Исторически 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. 1 2 3 4 5 Рис. 2.15 − Конструкция оптического кабеля 1 − ОВ, 2 − полиэтиленовая трубка силовой элемент, 4 и 5 − соответственно внутренняя и внешняя полиэтиленовые оболочки, дБ/км 3 1 0,5 0,85 1,3 1,55 λ, мкм Рис. 2.16. Спектральная характеристика коэффициента затухания ОВ 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. 10….12 км − Тропосфера Поверхность Земли км − Стратосфера 70 км − Ионосфера Космическое пространство 0 50 км 10…12 км 120…400 км Рис. 2.17 − Строение атмосферы Земли Реально строение атмосферы более сложное и приведенное деление на тропосферу, стратосферу и ионосферу достаточно условно. Высота слоев приведена приблизительно и различна для разных географических точек Земли. В тропосфере сосредоточено около 80% массы атмосферы и около 20% - в стратосфере. Плотность атмосферы в ионосфере крайне мала, граница между ионосферой и космическим пространством является условным понятием, так как следы атмосферы встречаются даже на высотах более 400 км. Считается, что плотные слои атмосферы заканчиваются на высоте около 120 км. Типичный вид радиолинии показан на рис. 2.18. Линия может состоять из двух оконечных станций. Типичным примером таких радиолиний являются линии сетей передачи сообщений массового характера радиолинии сети телевизионного и радиовещания. Радиолиния может содержать несколько промежуточных станций. Так строятся линии радиорелейных систем передачи данных и информации. Классификация и способы распространения радиоволн приведены в Табл. 2.2 и Табл. 2.3. Деление радиоволн на диапазоны установлено Международным регламентом радиосвязи МСЭ-Р. Радиоволны, излучаемые передающей антенной, прежде чем попасть в приемную антенну, проходят в общем случае сложный путь. На величину напряженности поля в точке приема оказывает влияние множество факторов. Основные из них • отражение электромагнитных волн от поверхности Земли • преломление (отражение) в ионизированных слоях атмосферы (ионосфере Промежуточные станции Оконечная станция Оконечная станция Рис. 2.18 − Типичный вид радиолинии 22 • рассеяние на диэлектрических неоднородностях нижних слоев атмосферы тропосфере • дифракция на сферической выпуклости Земли Кроме того, напряженность поля в точке приема зависит от длины волны, освещенности земной атмосферы Солнцем и ряда других факторов. Процесс распространения Таблица 2.3 Вид радиоволн Основные способы распространения радиоволн Дальность связи Мириаметровые и километровые (сверхдлинные и длинные) Дифракция 2) Отражение от Земли и ионосферы До тысячи км Тысячи км Диапазоны длин волн Таблица 2.2 Вид радиоволн Тип радиоволн Диапазон радиоволн длина волны) Номер диапазона Диапазон частот Вид радиочастот Мириаметро- вые Сверхдлинные км 4 3..30 кГц Очень низкие (ОНЧ) Километровые Длинные 1..10 км 5 30..300 кГц Низкие (НЧ) Гектометро- вые Средние 100..1000 м 6 300..300 0 кГц Средние (СЧ) Декаметровые Короткие 10..100 м 3..30 МГц Высокие (ВЧ) Метровые 1..10 м 8 30..300 МГц Очень высокие (ОВЧ) Дециметровые Ультракороткие см 9 300.3000 МГц Ультравысокие (УВЧ) Сантиметро- вые 1..10 см 10 3..30 ГГц Сверхвысокие (СВЧ) Миллиметровые мм 30..300 ГГц Крайневысокие (КВЧ) Децимилли- метровые 0,1..1 мм 300..300 0 ГГц Гипервысокие (ГВЧ) 23 Гектометровые (средние) 1) Дифракция 2) Преломление в ионосфере Сотни км Тысячи км Декаметровые (короткие) 1) Преломление в ионосфере и отражение от Земли Тысячи км Метровые и более короткие 1) Свободное распространение и отражение от Земли) Рассеяние в тропосфере Десятки км Сотни км 3. Особенности методов расчета и оценки параметров различных линий Интерес к методам расчета или оценки параметров линий передачи в разрезе нашего курса ограничен изучением приемов определения параметров линий передачи, применяемых для расчета передаточных свойств линий как каналов связи. Ограничиваясь анализом электрических характеристик, отметим волновое сопротивление, его абсолютное значение, связанное с геометрическими размерами линии, частотные свойства волнового сопротивления и частотную дисперсию фазовой скорости. Как будет показано ниже, расчет этих параметров двусвязной линии передачи основан на известных (рассчитанных или измеренных) удельных или погонных) характеристиках модели линии продольного сопротивления, поперечной проводимости, продольной индуктивности и поперечной проводимости, которые называют первичные параметры. В свою очередь первичные параметры линии рассчитываются по известным составляющим электромагнитного поля в заданной электродинамической системе, те. в той или иной линии передачи. В односвязных передающих структурах непосредственно следует из расчета структуры полей в них. Электромагнитные поля в любой электродинамической системе рассчитываются с помощью системы уравнений, которые формулируют в математической форме связь между физическими (феноменологическими, те. экспериментально наблюдаемыми человеком и сформулированными им в виде некоторых устойчиво повторяющихся соотношений (представлений) − законов природы) понятиями − векторами электрического − Е и магнитного − Н полей. В современном представлении законы электромагнитного поля формулируются в виде уравнений Максвелла (аксиоматики, которые для однородных сред в интегральной форме имеют вид: где D – вектор электрической индукции, измеряемый в кулонах на метр квадратный (Кл/м 2 ), характеризующий степень поляризации среды под действием поля Ев соотношении Е D r ε ε = 0 (называется материальное уравнение, где 0 ε = 8,85 10 −12 абсолютная диэлектрическая проницаемость (вакуума) с размерностью фарада на метр (Ф/м) – коэффициент пропорциональности в системе единиц Си, ε r – безразмерная относительная диэлектрическая проницаемость изотропной среды J э – вектор объёмной плотности электрического тока, измеряемый в амперах на метр квадратный (А/м 2 ) и состоящий из двух слагаемых, одно из которых плотность тока проводимости п имеет электромагнитное происхождение, зависит от напряженности электрического поля Е и связан с ней через проводимость среды σ, измеряемую в омах на метр (Ом/м), законом Ома для поля J п = σ Е, а второе слагаемое – плотность стороннего тока J ст, определяемая силами неэлек- тромагнитного происхождения Q – сторонний заряд, измеряемый в кулонах (Кл, равный интегральной сумме объемной плотности ρ сторонних зарядов, измеряемых в кулонах на метр ку- .1) 2 ( э , s D s J l H d t d d d d S S l ∫ ∫ ∫ + = .2) 2 ( , s B l E d t d d d S l ∫ ∫ − = .3) 2 ( , s D Q dV d V S ∫ ∫ = ρ = .4) 2 ( 0 , s B = ∫ d S 25 бический (Кл/м 3 ), распределенных в объёме V, ограниченном замкнутой поверхностью рис 2.19). Уравнения (2.1) и (2.2) описывают связь между циркуляцией вектора F в первом уравнении – это вектор напряженности магнитного поля На во втором – вектор напряженности электрического поля Е по замкнутому контуру l , образованному элементарными векторными (касательными в точке) отрезками d l , и потоком плотности вектора J через поверхность, опирающуюся на этот контур, образованную элементарными площадками d s. Вектор d s = d s · n , где n – нормаль к поверхности S в точке элементарной площадки d s. Нормаль связана с направлением обхода контура l по правилу правого винта (рис. 2.20). Это правило надо понимать так движение по контуру l условно по кругу)ука- зывает направление, соответствующее перемещению винта с правой резьбой, те. поступательному перемещению винта вращающегося почасовой стрелке. Причем плотность вектора J в уравнении (2.1) представляет сумму потоков объемных Рис. 2.20 − Магнитное поле тока проводимости l d l S d s d s J F d s S D B Рис − Электрическое поле статических зарядов плотностей тока проводимости э и тока смещения, определяемого производной повремени от вектора электрического смещения, записываемого как d D / dt . Это, последнее слагаемое в уравнении (2.1) представляет собой в гениальную (для своего времени) догадку Максвелла, чем отличает его первое уравнение от уравнения по закону полного тока. Заметим, что в настоящее время существование токов смещения d D / dt очевидно из уравнения непрерывности (или закона сохранения заряда или иначе первого закона Кирхгофа с учетом третьего уравнения Максвелла, представляющего собой обобщенную формулировку закона Кулона, и независимости операторов дифференцирования повремени и интегрирования по пространству. В уравнении (2.2), которое является формулировкой закона Фарадея, плотность вектора J представляет вектор d B/ dt. Уравнение (2.3) – теорема Гаусса – обобщенная запись закона Кулона – утверждает, что поток вектора электрической индукции (или электрического смещения) через замкнутую поверхность S , ограничивающую объем V, численно равен сумме сторонних зарядов, размещенных в нм. Здесь d s = d s n , где n – внешняя нормаль к поверхности S в точке элементарной площадки ds. Физический смысл этого положения заключается в том, что полное количество силовых линий электрического поля (или электрической индукции) пронизывающих замкнутую поверхность S, охватывающую распределенный внутри непроизвольным образом заряд, не зависит от формы поверхности, те. силовые линии электрического поля начинаются и замыкаются на сторонних зарядах противоположного знака. Принято считать, что силовые линии начинаются на зарядах положительного знака. Теорема Гаусса по существу следует из закона Кулона для точечного заряда q, поле которого в свободном пространстве обладает цен- , п ∫ ∫ ρ − = V S dV dt d ds J (2.5) тральной симметрией относительно точки размещения этого заряда (рис. 2.21), если к полям системе зарядов применить принцип суперпозиции. С учетом сказанного ясно, что уравнение (2.4) утверждает вихревой характер силовых линий магнитной индукции (те. то, что они замкнуты сами на себя. Это согласуется с отсутствием в природе магнитных зарядов. Физический смысл электромагнитные поля приобретают в результате установления их связи с энергией, поскольку всякое техническое применение сил поля или их измерение (в широком смысле − это их регистрация ) связано с извлечением энергии из него. В теории электромагнитного поля в в к к а а ч ч ее с с т т в в ее д д о о п п о о л л н н и и - - т т ее л л ь ь н н о о г г о о п п о о с с т т у у л л а а т т а а к уравнениям (2.1) – (2.4) принимаются выражения для плотности энергии электромагнитного поля Практическое применение накопленных человечеством знаний относительно закономерностей явлений электромагнетизма и электромагнитных полей связано с созданием и применением различных устройств (технических решений, реализующих процессы, основанные на этих явлениях. Интегральный вид записи уравнений Максвелла, как правило, малопригоден для решения практических задач анализа полей. Для этих целей более удобен дифференциальный (точечный, те приведенный к точке пространства) вид представления связей между составляющими поля, который мы обсудим в соответствующее время. Здесь же ограничимся замечанием относительно особенностей применения уравнений Максвелла D S q n Рис. 2.21 − Пояснение к закону Кулона (2.6) для анализа (иначе говоря, расчета) полей в различных направляющих структурах, те. линиях передачи. Алгоритмы (те. система применяемых уравнений и методов их решения, рекомендуемые для анализа полей во всех применяемых линиях передачи к настоящему времени разработаны. Ограничим рассмотрение алгоритмами, применяемыми в двухсвязных структурах, которые соответствуют освоенным в коммерческой и бытовой сферах частотным диапазонам. Как мы уже знаем, двусвязные линии характеризуются плоскопараллельной структурой электромагнитного поля, а это значит, что в поперечной плоскости линии передачи поле описывается системой уравнений на плоскости (те. уравнения рассматриваются в двумерной области. Однако главная особенность таких линий заключается в возможности независимого рассмотрения электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля, что соответствует уравнениям Максвелла в виде Уравнения (2.7) и (2.9) отличны от (2.1) и (2.2) отсутствием слагаемых, содержащих производные, которые объявляются равными нулю. Такое допущение оправдано для частот, которым соответствуют соотношения Е J σ э = >> t D ∂ ∂ и 0 0 → ∂ ∂ µ µ = ∂ ∂ t H t B r . В реальных устройствах линий этим неравенствам соответствуют частоты до единиц ГГц, включительно. Итак, исходя из существования ) 9 2 ( 0 , l E = ∫ d l ) 10 2 ( 0 , s B = ∫ d S ) 7 э 2 ( , s D Q dV d V S ∫ ∫ = ρ = двух независимых систем уравнений (одна для поля Е, а другая для поля Н, расчет электромагнитных полей в двусвязных линиях сводится к независимым расчетам структур квазистатического электрического поля и стационарного (те. поля постоянных токов) магнитного поля в поперечном сечении линии. В результате решения этих задач рассчитываются погонные продольные сопротивления и поперечные проводимости, на основе которых уже определяются вторичные параметры линий − волновое сопротивление и постоянная распространения электромагнитной волны в них. Решение этих задач будет рассмотрено ниже в данном курсе. |