Каналы связи. КАНАЛЫ СВЯЗИ И ИХ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЖИЖЕНКО 821. Каналы связи и их основные характеристики
 Скачать 1.17 Mb.
|
|
КАНАЛЫ СВЯЗИ И ИХ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 1. Параметры двухпроводных направляющих систем Процесс передачи электромагнитной энергии по линиям связи характеризуется двумя явлениями: распространением энергии вдоль цепи и взаимным переходом энергии между цепями. Распространение энергии в двухпроводных системах происходит в межпроводниковом пространстве, сами же проводники выполняют роль направляющих рельсов, задающих направление распространения. Качество передачи по двухпроводным направляющим системам — симметричным и коаксиальным цепям — полностью характеризуется первичными параметрами, которые по физической природе аналогичны параметрам колебательных контуров, составленных из элементов R, L и С. Однако в направляющих системах они равномерно распределены по всей длине цепи. Параметры R и L, включенные последовательно (продольные), образуют суммарное сопротивление Z = R + j L, а параметры G и С (поперечные) образуют суммарную проводимость Y = G + j C (рис. 3.1). Процесс распространения электромагнитной энергии является единым, охватывающим проводники и изоляцию, однако процессы, протекающие в металле проводников и диэлектрике изоляции, рассматриваются отдельно. Под действием переменного поля в проводниках происходит перераспределение электромагнитной энергии по сечению. При этом наблюдаются следующие явления: поверхностный эффект; эффект близости; воздействие на параметры цепи окружающих металлических масс. Поверхностный эффект обусловлен действием электромагнитной волны, распространяющейся по проводу. Силовые линии внутреннего магнитного поля Н, пересекая толщу проводника, наводят в нем вихревые токи I В Т , направленные по закону Ленца против вращения буравчика. Вихревые токи в центре проводника имеют направление, обратное движению основного тока, а у поверхности проводника их направления совпадают. От взаимодействия вихревых токов с основным происходит перераспределение тока по сечению проводника, в результате чего плотность результирующего тока возрастает к поверхности проводника. С увеличением частоты, магнитной проницаемости, проводимости и диаметра провода поверхностный эффект усиливается. Эффект близости связан с взаимодействием внешних полей. Внешнее магнитное поле Н провода а, пересекая толщу провода б, наводит в нем вихревые токи. На поверхности провода б, обращенной к проводу а, вихревые токи совпадают по направлению с протекающим по нему основным током. На противоположной стороне они направлены навстречу основному току. Таким образом, плотность результирующего тока на обращенных друг к другу поверхностях проводников увеличивается, а на отдаленных — уменьшается. Эффект близости прямо пропорционален квадратному корню частоты, магнитной проницаемости, проводимости и диаметру провода и, кроме того, зависит от расстояния между проводниками. С приближением проводников друг к другу действие эффекта близости возрастает. Рассмотрим воздействие на параметры цепи окружающих металлических масс. Магнитное поле, создаваемое током, протекающим по проводникам цепи, наводит вихревые токи в соседних жилах кабеля, в окружающем экране, металлической броне и др. Вихревые токи нагревают металлические части кабеля и создают дополнительные потери энергии, передаваемой по цепи. В коаксиальных цепях вследствие специфичности конструкции силовые линии магнитного поля располагаются в виде концентрических окружностей внутри пары. Электрическое поле также замыкается по радиальным направлениям между внутренним и внешним проводниками. Поэтому в коаксиальной цепи отсутствует внешнее поперечное электромагнитное поле и вся энергия распространяется только внутри цепи. Действие поверхностного эффекта в значительной степени проявляется только во внутреннем проводнике. Перераспределение плотности тока по сечению внешнего проводника обусловлено эффектом близости. Чем выше частота, тем сильнее проявляются эффекты и все поле сосредоточивается внутри коаксиального кабеля, а проводники лишь задают направление распространения электромагнитной энергии. Таким образом, действие поверхностного эффекта и эффекта близости как в симметричных, так и в коаксиальных цепях проявляется в уменьшении эквивалентной площади сечения проводников, что приводит к увеличению их активного сопротивления R и уменьшению внутренней индуктивности L внутр . При достаточно высокой частоте общая индуктивность становится равной межпроводной индуктивности L внешн В отличие от проводников, в которых имеются свободные электроны и действует ток проводимости, диэлектрик изоляции содержит ионы и связанные диполи. Под действием переменного электромагнитного поля в диэлектрике происходят смещение диполей, их переориентация и поляризация. Переменная поляризация обусловливает возникновение и действие токов смещения и вызывает затраты энергии на переориентацию диполей. Чем выше частота, тем сильнее токи смещения и больше потери. Способность диэлектрика к поляризации характеризуется емкостью С, которая зависит только от расстояния между проводниками цепи и диэлектрической проницаемости е изоляции, но не зависит от частоты. Проводимость изоляции G определяет величину потерь в изоляционном материале. С увеличением частоты проводимость изоляции увеличивается, так как возрастают потери энергии, затрачиваемой на переориентацию диполей. Зависимость первичных параметров от частоты f показана на рис. 3.2. Для оценки эксплуатационно-технических качеств линий передачи при проектировании удобно контролировать вторичные параметры передачи двухпроводных линий: коэффициент распространения γ; волновое сопротивление Z B Коэффициент распространения у учитывает потери энергии при передаче: Действительная часть γ называется коэффициентом затухания α и измеряется в неперах (1 Нп = 8,69 дБ; 1 дБ = 0,1 Б = 0,115 Нп). Мнимая часть γ характеризует изменение фаз тока, напряжения или мощности на участках цепи 1 км; она обозначается β и измеряется в радианах или градусах. С увеличением частоты коэффициент затухания α возрастает вследствие увеличения потерь в металле на вихревые токи и диэлектрике на поляризацию (возрастают R и G). Коэффициент фазы возрастает практически по линейному закону. Волновое сопротивление цепи характеризует соотношение между электрической и магнитной составляющими падающей или отраженной электромагнитной волны, распространяющейся по линии: Волновое сопротивление Z B свойственно цепи данного типа, постоянно по длине однородной цепи и определяется первичными параметрами: Модуль волнового сопротивления уменьшается от √𝑅/𝐺 на постоянном токе до √𝐿 / С в области высоких частот. Фаза волнового сопротивления Ф в = 0 на постоянном токе и высоких частотах; на средних частотах она имеет экстремум на частоте, близкой к 800 Гц, равный 45°. Отрицательный характер фазы свидетельствует о емкостном характере цепи. Кроме указанных параметров может использоваться скорость распространения электромагнитной энергии: 2. Взаимные влияния между цепями связи На качество и дальность связи помимо процесса распространения электромагнитной энергии по цепям решающее влияние оказывают мешающее взаимное влияние между цепями, а также внешние источники электромагнитных полей. Переход энергии с одной цепи на другую обусловлен электромагнитным взаимодействием между ними и проявляется в виде переходного разговора или шума. В качестве оценки взаимного влияния между цепями принято переходное затухание: где P 1 — кажущаяся мощность в начале влияющей цепи; Р 2 — кажущаяся мощность в рассматриваемой точке цепи, подверженной влиянию. При рассмотрении влияния различают два вида переходов энергии: на ближнем (где располагается источник сигнала) и дальнем (где расположен приемник) концах. Переходное затухание на ближнем конце: Перекрестное затухание на ближнем конце определяет устойчивость кабеля в том случае, когда наводка образуется в результате действия сигнала, генерируемого передатчиком, подключенным к одной из соседних пар на том же конце кабеля (Near End Cross Talk, NEXT). Чем меньше значение NEXT, тем лучше кабель. Для витой пары категории 5 показатель NEXT должен быть не менее 27 дБ на частоте 100 МГц. Переходное затухание на дальнем конце: Переходное затухание на дальнем канале позволяет оценить устойчивость линии в том случае, когда передатчик и приемник подключены к разным концам кабеля (Far End Cross Talk, FEXT). Этот показатель должен быть лучше, чем NEXT, так как до дальнего конца кабеля доходит сигнал, ослабленный затуханием в линии. Наряду с А 0 и А L широко используется параметр А 3 — защищенность цепей (ACR). Разность между уровнями полезного сигнала и помехи в рассматриваемой точке (рис. 3.3) составляет: А 3 = Р С – Р п . В случае симметричных цепей (воздушные линии, симметричный кабель) переход энергии с влияющей цепи обусловлен наличием у нее внешнего электрического и магнитного полей, под действием которых оказываются проводники 3, 4 цепи, подверженной влиянию. Электрическое поле влияющей цепи наводит в проводниках цепи, подверженной влиянию, заряды Q 3 и Q 4 . Если Q 3 ≠Q 4 , то во второй цепи возникает ток, пропорциональный разности потенциалов U 1 между проводниками первой цепи. Такой вид влияния называется электрическим влиянием и определяется коэффициентом электрической связи: где g 12 — активная составляющая электрической связи, обусловленная асимметрией потерь в диэлектрике между первой и второй цепями; С 12 — емкостная связь, обусловленная асимметрией ча- стотных емкостей между цепями. Под действием магнитного поля влияющей цепи, вызванного протеканием по ней тока, в проводниках цепи, подверженной влиянию, возникают продольные ЭДС е 3 и е 4 . При замыкании цепи их разность Е 2 вызывает появление влияющего тока. Такой вид влияния называется магнитным влиянием и количественно определяется коэффициентом магнитной связи: где r 12 — активная составляющая магнитной связи, обусловленная асимметрией активных потерь в металле; m 12 — индуктивная связь, обусловленная асимметрией частичных индуктивностей. Токи, возникающие из-за электрического и магнитного влияний, направляются к ближнему и дальнему концам цепи, подверженной влиянию, причем на ближнем конце они складываются и характеризуются электромагнитной связью на ближнем конце N 12 , а на дальнем конце вычитаются и характеризуются электромагнитной связью на дальнем конце F 12 : С увеличением частоты и длины цепи электромагнитные связи увеличиваются, а значит, взаимные влияния между цепями также увеличиваются. Соответственно переходные затухания уменьшаются. Зависимость переходных затуханий от частоты и длины цепи показана в виде графиков на рис. 3.4. Переходное затухание на ближнем конце всегда меньше, чем на дальнем, так как электрические и магнитные связи на ближнем конце складываются, а на дальнем — вычитаются. Переходное затухание на ближнем конце с увеличением длины цепи сначала уменьшается, а затем стабилизируется, так как, начиная с определенной длины, токи помех с отдельных участков приходят значительно ослабленными и практически не увеличивают взаимного влияния между цепями. Защищенность цепей А 3 с увеличением длины уменьшается, так как взаимное влияние увеличивается. Переходное затухание на дальнем конце определяется из соотношения A L = А 3 + α L , поэтому до некоторой длины цепи преобладает А 3 , которое с увеличением длины уменьшается, и зависимость A L (L) сначала имеет падающий характер. При значительной длине возрастает собственное затухание цепи α L и A L начинает увеличиваться. Процесс влияния рассматривался для случая двух одинаковых цепей с согласованными нагрузками. В реальных условиях наряду с непосредственным влиянием между двумя цепями действуют косвенные влияния, возникающие из-за отражений от несогласованных цепей, а также из- за наличия влияния третьих цепей. Косвенные влияния суммируются с непосредственными и снижают помехозащищенность цепей. Коаксиальные цепи, в отличие от симметричных, не имеют внешних поперечных электромагнитных полей, поэтому влияние между ними при идеальной конструкции должно отсутствовать. Подверженность коаксиальных цепей взаимным влияниям обусловлена наличием продольной составляющей электрического поля E z , возникающей за счет протекания части тока по внешней поверхности внешнего проводника коаксиальной пары. Ток на поверхности проводника создает падение напряжения, и возникает продольная составляющая электрического поля E z Она вызывает ток в промежуточной цепи 3, образованной внешними проводниками взаимовлияющих коаксиальных пар 1 и 2. За счет действия поверхностного эффекта этот ток будет протекать в основном на внешней поверхности второй коаксиальной пары. Часть этого тока, протекающая по внутренней ее поверхности, будет выступать в качестве помехи. С ростом частоты из-за эффекта близости ток в цепи 1 концентрируется на внутренней поверхности внешнего проводника, а на внешней его плотность уменьшается. Поэтому уменьшается E z на внешней поверхности внешнего проводника, а значит, и взаимное влияние (рис. 3.5). Это явление называется самоэкранирующим эффектом коаксиальной цепи. Для уменьшения взаимного влияния на стадии монтажа кабелей связи принимают дополнительные меры по снижению взаимных влияний. На воздушных линиях производят скрещивание цепей для снижения электромагнитных влияний. В симметричных кабелях применяют скрутки, экранирование и симметрирование. 3. Кабельные каналы связи Кабельные каналы для целей телекоммуникаций исторически использовались первыми. В настоящее время по суммарной длине они превосходят даже спутниковые каналы. Основную долю этих каналов, насчитывающих многие сотни тысяч километров, составляют телефонные медные кабели, содержащие десятки или даже сотни скрученных пар проводов. Полоса пропускания таких кабелей обычно составляла 3,0...3,5 кГц при длине 2... 10 км, что обусловливалось нуждами аналогового голосового обмена в рамках коммутируемой телефонной сети. С учетом возрастающих требований к широкополосности каналов скрученные пары проводов пытались заменить коаксиальными кабелями, которые имеют полосу пропускания от 100 до 500 МГц (до 1 Гбит/с), и даже полыми волноводами. Именно коаксиальные кабели стали сначала транспортной средой локальных сетей ЭВМ (10Base5 и 10Base2) (рис. 3.6). Коаксиальная система проводников из-за своей симметричности вызывает минимальное внешнее электромагнитное излучение. Сигнал распространяется по центральной медной жиле, контур тока замыкается через внешний экранный провод. При заземлении экрана в нескольких точках по нему начинают протекать выравнивающие токи (ведь разные «земли» обычно имеют неравные потенциалы). На рис. 3.7 показана схема наводок по экрану коаксиального кабеля. Входной сигнал А вх подается через центральную жилу с одной стороны кабеля. На противоположной стороне кабель нагружен на сопротивление R, равное волновому импедансу кабеля. Если экран кабеля соединен с «землей» на обоих концах, то при наличии источника наводок по экрану будет протекать переменный ток наводки. Импульсное значение наводки U H будет пропорционально L(dI H /dt), где L — индуктивность оплетки кабеля; I Н — ток наводки. В результате наводка сложится с входным сигналом. При определенных обстоятельствах это может даже привести к выходу из строя сетевого оборудования. Именно это является причиной требования заземления кабеля локальной сети только в одной точке. Наибольшее распространение получили кабели с волновым сопротивлением 50 Ом. Это связано с тем, что эти кабели из-за относительно толстой центральной жилы характеризуются минимальным ослаблением сигнала (волновое сопротивление пропорционально логарифму отношения диаметров внешнего и внутреннего проводников). Коаксиальный кабель с полосой пропускания 500 МГц при ограниченной длине может обеспечить скорость передачи в несколько гигабит в секунду. Предельные расстояния, для которых может быть применен коаксиальный кабель, составляют 10... 15 км. Но по мере развития технологии скрученные пары смогли вытеснить из этой области коаксиальные кабели. Это произошло, когда полоса пропускания скрученных пар достигла 200...350 МГц при длине 100 м (неэкранированные и экранированные скрученные пары категории 5 и 6), а цены на единицу длины сравнялись. Скрученные пары проводников позволяют использовать биполярные приемники, что делает систему менее уязвимой (по сравнению с коаксиальными кабелями) к внешним наводкам. Но основополагающей причиной вытеснения коаксиальных кабелей явилась низкая стоимость скрученных пар. Скрученные пары бывают одинарными, объединенными в многопарный кабель или оформленными в виде плоского ленточного кабеля. Применение проводов сети переменного тока для локальных сетей и передачи данных допустимо для очень ограниченных расстояний. При диагностировании сетей не всегда имеется под руками сетевой тестер типа WaveTek, поэтому часто приходится пользоваться авометром. В этом случае можно пользоваться следующими данными. Скрученная пара 24 AWG 22 AWG Ом/100 м ........................ 18,8 1,8 Произведя измерение сопротивления сегмента, можно оценить его длину (табл. 3.1). Таблица 3.1. Сопротивление кабеля по постоянному току Коаксиал Ом/сегмент Максимальная длина сегмента, м 10Base5 5 500 10Base2 10 185 Зависимости ослабления сигнала от частоты и длины кабеля в децибелах показаны в табл. 3.2. Таблица 3.2.Зависимости ослабления сигнала от частоты и длины кабеля Частота, МГц Ослабление, дБ, для кабеля категории 5 длиной Ослабление, дБ, для кабеля категории 6 длиной 2 м 5 м 10 м 2 м 5 м 10 м 1 72,9 71,6 70,1 65,0 65,0 65,0 4 61,0 59,7 58,4 65,0 65,0 65,0 16 49,1 48,0 46,9 62,0 60,5 59,0 62,5 37,6 36,8 36,0 50,4 49,2 48,1 100,0 33,7 33,0 32,5 46,4 45,3 44,4 200,0 — — — 43,0 42,1 41,4 250,0 — — 38,8 38,1 37,6 Данные, приведенные в табл. 3.2, могут использоваться для оперативной предварительной оценки качества кабельного сегмента(соответствует стандарту EIA/TIA 568, 1991 г.) Параметры неэкранированных пар категории 6 приведены в табл. 3.3. Таблица 3.3. Параметры неэкранированных пар категории 6 Частота, МГц Затухание, дБ/100 м NEXT, дБ ACR, дБ/100 м 1 2,3 62 60 10 6,9 47 41 100 23,0 38 23 300 46,8 31 4 Примечание. Attenuation-to-Crosstalk Ratio (ACR) — отношение ослабления к относительной величине перекрестных наводок. Кабели, изготовленные из скрученных пар категории 5 (волновое сопротивление 100,15 Ом), с полосой 100 МГц обеспечивают пропускную способность при передаче сигналов АТМ 155 Мбит/с. При четырех скрученных парах это позволяет осуществлять передачу до 622 Мбит/с. Кабели категории 6 сертифицируются до частот 300 МГц, а экранированные — и до 600 МГц (волновое сопротивление 100 Ом). В табл. 3.4 приведены данные по затуханию и перекрестным наводкам (приведены характеристики такого кабеля с четырьмя скрученными экранированными парами (S-FTP)). Таблица 3.4. Данные по затуханию и перекрестным наводкам Частота, МЩ Затухание, дБ/100 м NEXT, дБ ACR, дБ/100 м 1 2,1 80 77,9 10 6,0 80 74 100 19,0 70 51 300 33,0 70 37 600 50 60 10 Такой кабель пригоден для передачи информации со скоростью более 1 Гбит/с. Следует иметь в виду, что при частотах в области сотен мегагерц и выше существенный вклад начинает давать поглощение в диэлектрике. Таким образом, даже если проводники изготовить из чистого золота, существенного продвижения по полосе пропускания достичь не удастся. Новые Ethernet-протоколы 1000BaseT и 10GBaseT требуют применения скрученных пар существенно более высокого качества (с большей полосой пропускания, с более низкими уровнями NEXT и FEXT). Передача в этом случае осуществляется по четырем скрученным парам одновременно. Предполагается, что эта технология станет стандартной частью спецификации IEEE 803.Зае. Требования к кабелю определяются документом ISO/IEC-12801:2002 для классов D или выше. 4. Оптоволоконные каналы связи А. Г. Белл в 1880 г. запатентовал фотофон — прибор для передачи голоса посредством светового сигнала с селеновым фотодетектором. Первые коммерческие телефонные системы были созданы лишь в 1977. и работали со скоростью 44,7 Мбит/с. Одномодовые волоконные кабели начали производиться в 1983 г. В 1990 г. Линн Моллинер (Bellcore) продемонстрировал передачу данных со скоростью 2,5 Гбит/с на расстояние 7 500 км (без промежуточных усилителей сигнала). В 1990 г. в США суммарная протяженность оптических волокон составляла около 9 млн км. В настоящее время общая длина оптоволоконных каналов связи в мире составляет сотни миллионов километров. Оптоволоконные линии связи работают в частотном диапазоне 10 13 ... 10 16 Гц, что на шесть порядков больше, чем в случае радиочастотных каналов (это обеспечивает пропускную способность 50000 Гбит/с). Но земная атмосфера является плохой средой для распространения света. По этой причине только разработка кремниевых волокон с низким коэффициентом поглощения в инфракрасном диапазоне (до 0,2 дБ/км) сделала возможным широкое распространение оптических каналов связи. В день укладывают около 1 000 м оптоволоконного кабеля. В настоящее время каналы обычно имеют пропускную способность около 1 Гбит/с, что связано с ограниченным быстродействием оборудования, преобразующего оптический сигнал в электрический и обратно. В ближайшие годы следует ожидать увеличения быстродействия таких устройств в 100— 1000 раз. Полоса частот Df такого кабеля где с — скорость света; l — длина волны; Dl — диапазон изменения длины волны. Для наиболее популярного диапазона l = 1,3 мкм и Dl = 0,17 мкм мы имеем Df = 30 ТГц. В 2002 г. компанией Zonu разработан фототрансивер (GBIC) на 1,25 Гбит/с для передачи и приема данных по одному и тому же волокну при длине волны 1310 нм. Для одномодового волокна расстояние передачи может составлять до 10 км. При длине волны 1550 нм достижимо расстояние передачи на 40 км. Разрабатывается вариант для скоростей передачи 2,5 Гбит/с. Оптоволоконное соединение гарантирует минимум шумов и высокую безопасность (практически почти невозможно сделать отвод). Пластиковые волокна применимы при длине соединений не более 100 м и при ограниченном быстродействии (до 50 МГц). Вероятность ошибки при передаче по оптическому волокну составляет до 10 -10 , что во многих случаях делает ненужным контроль целостности сообщений. При построении сетей используются многожильные кабели (рис. 3.8); существуют и другие разновидности кабеля (например, двух- или четырехжильные), а также плоские. На рис. 3.8, а показано отдельное оптоволокно, а на рис. 3.8, б — сечение восьмижильного оптического кабеля. Свет (длина волны l= 1350 (1500) нм) вводится в оптоволокно (диаметром D < 100 мкм) с помощью светоизлучающего диода или полупроводникового лазера. Центральное волокно покрывается слоем (клэдинг 1 на рис. 3.8, а), коэффициент преломления которого меньше, чем у центрального ядра (стрелками условно показан ход лучей света в волокне). Для обеспечения механической прочности извне волокно покрывается полимерным слоем (поз. 2 на рис. 3.8, а). Кабель может содержать много волокон, например восемь (поз. 1 на рис. 3.8, б). В центре кабеля помещается стальной трос (поз. 3 на рис. 3.8, б), который используется при прокладке кабеля. С внешней стороны кабель защищается (от грызунов) стальной оплеткой (поз. 2 на рис. 3.8, б) и герметизируется эластичным полимерным покрытием. Существует несколько типов оптических волокон, обладающих различными свойствами. Они отличаются друг от друга зависимостью коэффициента преломления от радиуса центрального волокна. На рис. 3.9 показаны три типа волокна (А, Б и В). Тип Б имеет меньшую дисперсию времени распространения и по этой причине вносит меньшие искажения формы сигнала. Установлено, что, придавая световым импульсам определенную форму (обратный гиперболический косинус), дисперсионные эффекты можно полностью исключить. При этом появляется возможность передавать импульсы на расстояние в тысячи километров без искажения их формы. Такие импульсы называются солитонами. При современных технологиях необходимо использовать повторители через каждые 30 км (для медных проводов — 5 км). По сравнению с медными проводами оптоволоконные кабели значи- тельно легче. Так, одна тысяча скрученных пар при длине 1 км весит 8 т, а два волокна той же длины, обладающие большей пропускной способностью, весят 100 кг. Это обстоятельство открывает возможность укладки оптических кабелей вдоль высоковольтных линий связи, подвешивая или обвивая их вокруг проводников. Понятие «мода» связано с характером распространения электромагнитных волн. Мода представляет собой одно из возможных решений уравнения Максвелла. В упрощенном виде можно считать, что мода — это одна из возможных траекторий, по которой может распространяться свет в волокне. Чем больше мод, тем больше дисперсионное искажение формы сигнала. Одномодовое волокно позволяет получить полосу пропускания в диапазоне 50... 100 ГГц/км. Типовое значение модовой дисперсии находится в диапазоне 15...30 нс/км. Эта разновидность волокна воспринимает меньшую долю света на входе, зато обеспечивает минимальное искажение сигнала и минимальные потери амплитуды. Следует также иметь в виду, что оборудование для работы с одномодовым волокном значительно дороже. Центральная часть одномодового волокна имеет диаметр 3... 10 м, а диаметр клэдинга составляет 30... 125 м. Число мод, допускаемых волокном, в известной мере определяет его информационную емкость. Модовая дисперсия приводит к расплыванию импульсов и их «наезжанию» друг на друга. Дисперсия зависит от диаметра центральной части волокна и длины волны света. Число мод n для волокна типа А составляет: где d — диаметр центральной части (ядра); А — численная апертура волокна; λ — длина волны. Волокно с диаметром центральной части волокна 50 м поддерживает 1 000 мод. Для волокна типа Б значение п в два раза меньше. Численная апертура А составляет: где n 1, n 2 — соответственно коэффициенты преломления ядра и клэдинга (n 1 ≈ 1,48; n 2 ≈1,46). Величина А определяет ширину входного конуса волокна q (телесный угол захвата входного излучения): q = arcsinA (около 3,37°). Очевидно, что чем больше длина волны, тем меньше число мод и меньше искажения сигнала. Это, в частности, является причиной работы в длинноволновом инфракрасном диапазоне. Но даже для одной и той же моды различные длины волн распространяются по волокну с разной скоростью. Волокно со сглаженным профилем показателя преломления имеет дисперсию 1 нс/км и меньше. Это, в частности, связано с тем, что свет в периферийных областях волокна с большей длиной траектории движется быстрее (там меньше коэффициент преломления). Одномодовый режим реализуется тогда, когда длина волны света становится сравнимой с диаметром ядра волокна. Длина волны, при которой волокно становится одномодовым, называется пороговой. Волокно с диаметром 50 мк может поддерживать до 1 000 мод. В отличие от многомодового волокна, в одномодовом излучение присутствует не только внутри ядра. По этой причине повышаются требования к оптическим свойствам клэдинга. Для многомодового волокна требования к прозрачности клэдинга умеренны. Затуханием обычно называется ослабление сигнала по мере его движения по волокну. Оно измеряется в децибелах на километр и варьируется от 300 дБ/км для пластиковых волокон до 0,21 дБ/км — для одномодовых волокон. Полоса пропускания волокна определяется дисперсией. Приближенно полосу пропускания одномодового волокна можно определить по формуле где Disp — дисперсия на рабочей длине волны в секундах на нм и на км; SW — ширина спектра источника, нм; L — длина волокна, км. При прокладке оптоволоконного кабеля нужно следить за тем, чтобы выполнялось следующее условие: где n — коэффициент преломления материала волокна; d f — диаметр центральной части волокна; r — радиус сгиба оптоволокна (кабеля). Если диаметр источника света не соответствует диаметру ядра волокна, то потери света, связанные с геометрическим рассогласованием, могут быть охарактеризованы следующей формулой: Потери диам = 10log 10 (Диаметр волокна /Диаметр источника ) 2 Потерь нет, когда волокно имеет диаметр, больший диаметра источника света. Если числовая апертура источника больше апертуры волокна, то потери света составят: Потери диам = 10log 10 (А волокна /А источника ) . Помимо дисперсии быстродействие оптического канала ограничивается шумами. Шумы имеют две составляющие: дробовой и тепловой шум. Дробовой шум определяется соотношением 𝑖 𝑠𝑛 2 = 2𝑒𝑖𝐵 где е — заряд электрона; i — средний ток, протекающий через приемник; В — ширина полосы пропускания приемника. Типовое значение дробового шума составляет 25 нА при температуре 25 °С. Тепловой шум определяется соотношением где k— постоянная Больцмана; Т — температура по шкале Кельвина; В — ширина полосы пропускания приемника; R L — сопротивление нагрузки. При полосе в 10 МГц и температуре 298 К эта составляющая шума равна 18 нА. Одной из составляющих теплового шума является темновой ток, который возрастает на 10 % при росте температуры на 1°. Светопропускание оптического волокна t f определяется произведением f Fr (светопропускание, задаваемое формулой Френеля и учитывающее только потери, обусловленные входом и выходом света из волокна), f abs (светопропускание, определяемое коэффициентом пропускания материала волокна) и f tot (светопропускание, учитывающее только потери из-за неполного внутреннего отражения). Чувствительность приемника задается квантовой эффективностью, которая характеризует отношение числа первичных электронно-дырочных пар к числу падающих на детектор фотонов. Этот параметр часто выражается в процентах (реже — в амперах на люмен). Так, если на каждые 100 фотонов приходится 60 пар электрон-дырка, то квантовая эффективность составляет 60 %. Чувствительность фотодетектора R может быть вычислена на основе квантовой чувствительности: где n — квантовая чувствительность; е — заряд электрона; l — длина волны; h — постоянная Планка; с — скорость света. Источники излучения, инжектируемого в волокно, имеют конечную полосу частот. Так, светоизлучающие диоды излучают свет с шириной полосы 35 нм, а лазеры — 2...3 нм (лазеры имеют,кроме того, более узкую диаграмму направленности, чем диоды). Характеристики светодиодов и инжекционных лазерных диодов приведены в табл. 3.5. Таблица 3.5. Характеристики светодиодов и инжекционных лазерных диодов Диоды Выходная мощность, мВт Время нарастания, нс Диапазон тока смещения, мА Светодиод (led) 0,5.. .11,5 1.. .20 5... 150 Инжекционные лазерные диоды 3.. .10 1 . ..2 100...500 Время нарастания фотодиода ограничивает быстродействие системы. Немалую роль играет и уровень шумов на входе приемника. При этом световой импульс должен нести достаточно энергии (заметно больше уровня шума), чтобы обеспечить низкий уровень ошибок. В табл. 3.6 приведены характеристики оптических приемников. Таблица 3.6. Характеристики оптических приемников Оптические приемники Чувствительность, мкА/мкВт Время нарастания Напряжение смещения, В pin 0,5 1 нс 10 Лавинный фотодиод 15 2 нс 100 Фототранзистор 35 2 мкс 10 Фотоприемник Дарлингтона 180 40 мкс 10 Поглощение света в волокне происходит по нескольким причинам. Поглощение в собственно стекле волокна падает с частотой, в то время как потери из-за рассеяния на дефектах стекла (релеевское рассеяние) с увеличением частоты растут. При сгибании волокна поглощение увеличивается. По этой причине следует избегать малых радиусов изгиба (это может привести к обрыву). В результате потери света в волокне обычно находятся в диапазоне 2...5 дБ/км для длин волн 0,8... 1,8 м. Типовые характеристики оптических волокон приведены в табл. 3.7. Таблица 3.7. Типовые характеристики оптических волокон Тип волокна Диаметр ядра, мкм Диаметр клэдинга, мкм Л Затухание, дБ/км, при длине волны Полоса пропускания, МГц/км 850 1 300 1 550 Одномодовое 9,3 125 0,13 — 0,4 0,3 5 000 для 850 нм 8,1 125 0,17 — 0,5 0,25 Со сглаженным индек 50 125 0,2 2,4 0,6 0,5 600 для 850 нм; сом 62,5 125 0,275 3,0 0,7 0,3 1 500 для 1 300 нм 85 125 0,26 2,8 0,7 0,4 Ступенчатый индекс 200 380 0,27 6,0 — — 6 при 850 нм Одним из критических мест волоконных систем являются сростки волокон и разъемы. Учитывая диаметр центральной части волокна, нетрудно предположить, к каким последствиям приведет смещение осей стыкуемых волокон даже на несколько микрон (особенно в одномодовом варианте, где диаметр центрального ядра менее 10 мк) или деформация формы сечения волокон. Соединители для оптических волокон имеют обычно конструкцию, показанную на рис. 3.10, и изготовляются из керамики. Потеря света в соединителе составляет 10...20%. Для сравнения сварка волокон приводит к потерям не более 1... 2 %. Существует также техника механического сращивания волокон, которая характеризуется потерями около 10 % (splice). Оптические аттенюаторы для оптимального согласования динамического диапазона оптического сигнала и интервала чувствительности входного устройства представляют собой тонкие металлические шайбы, которые увеличивают зазор между волокном кабеля и приемником. С использованием оптических волокон можно создавать не только кольцевые структуры. Возможно построение фрагмента сети, по характеру связей эквивалентного кабельному сегменту или хабу. Схема такого фрагмента сети показана на рис. 3.11 (пассивный хаб-концентратор). Базовым элементом этой субсети является прозрачный цилиндр, на один из торцов которого подключаются выходные волокна всех передатчиков интерфейсов устройств, составляющих субсеть. Сигнал с другого торца через волокна поступает на вход фотоприемников интерфейсов. Таким образом, сигнал, переданный одним из интерфейсов, поступает на вход всех остальных интерфейсов, подключенных к этой субсети. При этом потери света составляют 2С + S+ 10log(N), где С — потери в разъеме; S — потери в пассивном разветвителе; N — число оптических каналов (N может достигать 64). VI СО Современные микросхемы приемопередатчиков (корпус DIP) имеют встроенные разъемы для оптического кабеля (62,5/125 или 10/125 мкм). Некоторые из них (например, ODL 200 AT&T) способны осуществлять переключение на обходной оптический путь (bypass) при отключении питания. В последнее время удалось достичь заметного удешевления оптических каналов за счет мультиплексирования с делением по длине волны. За счет этой техники удалось в 16—160 раз увеличить широкополосность канала из расчета на одно волокно. Пример характеристик разных видов приемопередающего оборудования приведен в табл. 3.8 и 3.9. Таблица 3.8. Пример характеристик приемопередающего оборудования Показатель LED-LINK 300 LaserLink 4Е1/300 Рекомендуемое расстояние, м Менее 300 Менее 300 Полоса пропускания, Мбит/с 2...43 4 • 2,048 BER До 10“ 9 До 10" 6 Передатчик IP-LED IP-LED Передаваемая мощность, мВт 50/60 50/60 Расходимость луча, мрад Менее 10 Менее 10 Динамический диапазон, дБ Более 30 (1 :1 000) Более 40 (1 :10 000) Сетевой интерфейс Мультимодовое волокно 4 Е1, G.703 Диаметр волокна, мкм 50... 60/120 — Длина волны (RX), нм 780... 900 — Длина волны (ТХ), нм 850 — Рабочая температура, °С -20...+50 -20...+50 Таблица 3.9. Основные характеристики оборудования Показатель AirLaser IP 100 AirLaser IP1000 Максимальная дальность, м 2 000 1000 Скорость передачи, Мбит/с 125 1250 Передатчик 2/4 VCSEL 4 VCSEL Мощность, мВт 2/(4-7,5) 4-7,5 Апертура, см 2/(4 • 28,25) (4 • 28,25) Расходимость, мрад 2 — Динамический диапазон, дБ 36 30 Приемник PIN/APD APD Чувствительность, дБм -33/-43 -33 Длина волны, нм 1 300 SX:850, LX: 1300 Стандарт 100BaseFX (IEEE 802.3u) lOOOBaseSX/LX (IEEE802.3z) Рабочая температура, °С -25...+50 -25...+50 Потребляемая мощность, Вт 27 35 Примечание. VCSEL (Vertical Cavity Emitting Laser) — излучающий лазер с вертикальным резонатором. Названные ранее лазеры (CBL — Мюнстер, ФРГ) относятся к классу 1М. Контрольные вопросы 1. В чем особенности двухпроводных направляющих систем? двухпроводные направляющие системы (коаксиальные и симметричные цепи) Характерной особенностью этик линий является наличие прямого и обратного проводов. B таких направляющих системах может распространяться так называемая поперечно- электромагнитная волна типа T. Ее особенностью является то, что она содержит только поперечные составляющие электрического (Е) и магнитного (H) полей, продольные составляющие E и H равны нулю. 2. Как классифицируют каналы связи? Все каналы связи можно разделить на две группы - проводные и беспроводные. К проводным относятся воздушные и кабельные линии и линии связи, организованные по проводам высоковольтных ЛЭП и по распределительным сетям. К беспроводным линиям связи относятся радио и радиорелейные линии. Для передачи данных в АСУ широко используются также сети существующей телефонной связи. 3. Что такое взаимное влияние между цепями связи? Взаимные влияния – это влияние перехода энергии с одной цепи на другую, проявляющихся в виде помех и ухудшающих качество связи. Помехозащищенность ВЛС и КЛС – важнейшее условие обеспечения надежной связи при передачи сигнала на большие расстояния. 4. Перечислите особенности кабельных каналов связи. Надземная или воздушная проводная связь Это пионер в мире передачи данных на дальние расстояния. Она предполагает транспортировку сообщений через провода, соединяющие между собой передатчик и приемник. Между этими проводами устанавливаются специальные столбы, которые служат надежной опорой для кабелей. Этот вид коммуникации имеет неоспоримые достоинства: Отличное качество передачи данных; Надежная разведзащищенность; Отсутствие реакции на преднамеренные помехи. Но есть у нее и существенные недостатки, к ним относятся: Высокая стоимость монтажа; Подверженность негативному влиянию внешних факторов (обрывы на линиях через ветер, дождь и т.д.); Длительный период установки всех опор и линий передачи данных. 5. Что такое оптоволоконные каналы? Оптоволоконный канал (ФК) высокоскоростной протокол передачи данных, предоставления в порядке, без потерь завоз сырья и блока данных. Оптоволоконный канал в основном используется для подключения компьютерное хранилище данных Для Серверы в сети хранения данных (SAN) в коммерческих центры обработки данных. |