Конспект лекций по НСС (1). Конспект лекций по учебной дисциплине направляющие системы связи По специальности (направлению подготовки) 11. 03. 02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи
 Скачать 2.55 Mb.
|
Федеральное агентство связи Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики ________________________________________________________________________ Кафедра ЛС и ИТС КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ Направляющие системы связи По специальности (направлению подготовки): 11.03.02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи Самара 2017 УДК 621.395 Попов В.Б. Направляющие системы связи. Конспект лекций. – Самара.: ПГУТИ, 2017. – 72 с. В конспекте лекций приводится систематизированный материал по курсу «Направляющие системы связи» для бакалавров направления подготовки 11.03.02 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи». Рецензент: Васин Н.Н. – д.т.н., зав.каф. «Систем связи» ФГБОУ ВО ПГУТИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» © Попов В.Б., 2017 Содержание конспекта лекций Содержание – перечень тем и разделов…………………………………………. Список сокращений и обозначений……………………………………............... Введение…………………………………………………………………………….. Лекция 1 Тема 1. Современная электрическая связь. Построение сетей электросвязи Раздел 1.1. Обобщённая структурная схема системы электросвязи. Раздел 1.2. Характеристики радиоканалов. Раздел 1.3 Направляющие системы электросвязи. Раздел 1.4. Краткий обзор и этапы развития направляющих систем электросвязи Раздел 1.5. Основные разновидности НСЭ. Рабочий частотный диапазон Раздел 1.6 Принципы построения сетей электросвязи Раздел 1.7 Первичная и вторичная сети: Лекция 2 Тема 2. Конструкции и характеристики направляющих систем электросвязи Раздел 2.1. . Общие положения Раздел 2.2. Электрические кабели связи Раздел 2.3.Оптические кабели связи Лекция 3 Тема 3. Основы электродинамики направляющих систем электросвязи Раздел 3.1. Исходные положения электродинамики. Основные характеристики сред распространения электромагнитного поля. Раздел 3.2. Основные уравнения электродинамики в интегральной и дифференциальной форме Раздел 3.3. Система уравнений Максвелла в цилиндрических координатах для проводников Раздел 3.4. Граничные условия для векторов электромагнитного поля. Раздел 3.5 Баланс мощностей, теорема Умова – Пойнтинга Раздел 3.6 Режимы передачи по НСЭ. Классификация электромагнитных волн в НСЭ. Раздел 3.7 Классификация электромагнитных волн в НСЭ. Лекция 4 Тема 4. Теория передачи по проводным направляющим системам электросвязи. Раздел 4.1. Исходные принципы расчета НСЭ. Раздел 4.2. Уравнение однородной двухпроводной линии. Раздел 4.3. 4.3 Процессы в неоднородных линиях. Лекция 5 Тема 5. Теория передачи по проводным направляющим системам электросвязи. Раздел 5.1. Электрические процессы в коаксиальных цепях Раздел 5.2. Передача энергии по идеальной коаксиальной цепи. Раздел 5.3. Передача энергии по коаксиальной цепи с потерями Раздел 5.4. Емкость и проводимость изоляции коаксиальной цепи Раздел 5.5 Первичные и вторичные параметры коаксиальной цепи. Частотные зависимости параметров передачи. Раздел 5.6 Электрические процессы в симметричных кабелях Лекция 6 Тема 6 Теория передачи по проводным направляющим системам электросвязи Раздел 6.1. Волоконные световоды. Принцип действия, параметры передачи. Раздел 6.2. Волновая теория света. Раздел 6.3. Затухание в оптических волокнах. Раздел 6.4. Дисперсия оптических волокон Раздел 6.5 Сравнение различных НСЭ. Лекция 7 Тема 7. Взаимные влияния в направляющих системах электросвязи Раздел 7.1. Общие понятия об электромагнитных влияниях Раздел 7.2. Основные определения и методы исследования взаимных влияний Лекция 8 Тема 8. Взаимные влияния в направляющих системах электросвязи Раздел 8.1. Взаимные влияния в симметричных цепях связи . Раздел 8.2. Взаимные влияния в коаксиальных цепях. Раздел 8.3 Взаимные влияния в волоконно-оптических кабелях Раздел 8.4 Нормирование параметров взаимных влияний Лекция 9 Тема 9. Внешние влияния на направляющие системы электросвязи и меры защиты Раздел. 9.1 Источники внешних электромагнитных влияний. Опасные и мешающие влияния на цепи связи. Раздел 9.2. Меры защиты от внешних влияний. Экранирование кабелей связи Лекция 10 Тема 10. Проектирование и строительство линейных сооружений связи Раздел 10.1 Общие положения Раздел 10.2 Задание на проектирование и исходные данные Раздел 10.3 Технический надзор за строительством линейных сооружений связи. Лекция 11 Тема 11. Основы технической эксплуатации линейных сооружений связи Раздел 11.1 Общие положения Раздел 11.2 Планово-профилактическое обслуживание линейно-кабельных сооружений Раздел 11.3 Измерения при технической эксплуатации линейно-кабельных сооружений. Список сокращений и обозначений БСЭ – Большая Советская Энциклопедия VAD – Vapor Axial Deposition MCVD – modified chemical vapor deposition MASER– Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation DWDM – Dense Wavelength Division Multiplexing ТАТ-N – трансатлантическая кабельная линия. Введение Целью преподавания дисциплины «Направляющие системы электросвязи» является получение знаний об основных научно-технических проблемах и перспективах развития направляющих систем электросвязи, их интеграции с международными сетями связи, о принципах построения направляющих систем электросвязи, о проблемах повышения эффективности направляющих систем электросвязи; умение рассчитывать основные параметры направляющих систем электросвязи; умение использовать полученные знания для выполнения проектирования, строительства и эксплуатации направляющих систем электросвязи Изучение данной дисциплины базируется на следующих дисциплинах: 1. Физика. 2. Теория электрических цепей. 3. Электромагнитные поля и волны. 4. Метрология, стандартизация и сертификация Основные положения дисциплины должны быть использованы в дальнейшем при изучении следующих дисциплин: 1. Цифровые многоканальные телекоммуникационные системы. 2. Фиксированные сети широкополосного доступа . 3. Оптические транспортные сети . 4. Основы проектирования, строительство и эксплуатация ВОЛП . Основные положения дисциплины НСЭ будут использованы в дальнейшем при выполнении выпускной работы бакалавра. Лекция 1. Современная электрическая связь. Построение сетей электросвязи 1.1 Обобщённая структурная схема системы электросвязи. Научно–технический прогресс не возможен без технических средств телекоммуникаций. Увеличение выпуска продукции в два раза требует увеличение объёма передаваемой информации в четыре раза. Причём основную роль в передаче информации играют средства связи. канал связи 1 2 3 9 5 3 4 1. Источник информационного сообщения (человек, ЭВМ, различные устройства телемеханики и управления). 2. Преобразователь информационного сообщения в электрический импульс или оптический сигнал. 3. Система передачи. (Многоканальные системы передачи преобразуют информационные электрические сигналы в единый линейный электрический или оптический сигнал). 4. Среда распространения линейного сигнала (в качестве такой среды может выступать свободное пространство или специальная система, конструктивно выполненная в виде направляющей системы электросвязи). На выходе среды распространения устанавливается МСП, выполняющая роль демультиплексирующего устройства (демультиплексора), задачей которого является преобразование группового линейного сигнала в индивидуальный оптический или электрический сигнал. 5. Преобразователь электрического или оптического сигнала в информационное сообщение. 6. Получатель информационного сообщения. 1.2 Характеристики радиоканалов. Если в качестве среды распространения линейного сигнала используется свободное пространство, то такой канал называется радиоканалом. Его дальность может составлять от нескольких метров до сотен миллионов 1.3 Направляющие системы электросвязи Если в качестве среды распространения используется граница раздела двух сред, обладающих различными физическими свойствами (удельной проводимостью и магнитной проницаемостью), то такие каналы называют проводными. Совокупность сред, вдоль которых передаётся электромагнитная энергия линейного сигнала, называют направляющей системой. В общем случае направляющей системой являются и провода ЛЭП, и энергетические кабели. Поэтому направляющие системы для электросвязи имеют обозначение НСЭ. В качестве простейших НСЭ используются двухпроводные металлические цепи. Вместе с дополнительными элементами и оконечными устройствами. Совокупность НСЭ и оконечных устройств электрической связи образует линейное сооружение связи, которое соединяет абонентов между собой и представляет собой единый комплекс. 1.4 Краткий обзор и этапы развития направляющих систем электросвязи Возникновение первых направляющих систем электросвязи связано с изобретением свыше 150 лет назад телеграфа. При этом был создан кабель с резиновой изоляцией и медными проводниками (Москва - Петербург), который обладал плохими электрическими свойствами и малым сроком эксплуатации. Более удачной конструкцией НСЭ оказалась воздушная линия связи. В семидесятых годах девятнадцатого века со строительства ВЛС (Москва – Петербург – Варшава) началось бурное развитие и внедрение ВЛС, однако они обладали рядом недостатков: Громоздкость Малое число цепей и узкий частотный диапазон Существенная зависимость качества связи от погодных условий. Поэтому в конце девятнадцатого века в Санкт – Петербурге начали использовать шведские кабели городской телефонной связи с бумажной изоляцией и свинцовой оболочкой. С изготовлением более качественных диэлектриков появились симметричные междугородные кабели, которые начали широко использоваться в России с середины сороковых годов. Недостатки симметричных кабелей - низкая помехозащищенность на высоких частотах. В начале пятидесятых годов получили развитие коаксиальные кабели, обладающие более широким частотным диапазоном, и имеющие хорошую защиту от взаимных и внешних влияний. И, начиная с шестидесятых годов, коаксиальные кабели – это основа магистральной связи, причём по одной коаксиальной паре организовались до 10000 телефонных каналов междугородней связи. Недостатки коаксиальных кабелей: Большая материалоёмкость, включая буферные цветные материалы. Малая длина усилительных участков Этих недостатков лишены волоконно-оптические линии передачи (ВОЛП). 1.5 Основные разновидности НСЭ. Рабочий частотный диапазон По конструкции все НСЭ можно разделить на два основных вида: 1. Двухпроводные направляющие системы электросвязи, в которых для передачи сигнала требуется наличие двух проводников. I сигн R нагр Ген Линия 1 1 2 2 2. Волноводные направляющие системы электросвязи. Они представляют собой конструкцию в виде полой трубы, изготовляемой из цветных металлов, или трубы прямоугольного сечения, внутри которой распространяется электромагнитная волна. Труба может быть круглого и прямоугольного сечения. Частным случаем волноводов являются линии поверхностной волны, которые представляют собой металлический проводник в изоляции, на который подаётся волна очень высокой частоты. Частный случай волновода – волоконный проводник света. Здесь из стекла выполнены и сердцевина и оболочка. Каждый тип НСЭ обладает определённым диапазоном частот, числом возможно организуемых каналов связи и соответствующей областью применения. Разновидности НСЭ Тип НСЭ Частотный диапазон, Гц Число каналов Виды применения ВЛС 0 – 10 5 15 Село, город, область. СК 0 – 10 6 До 1000 Отводы от магистрали, связь внутри области. КК, ЛПВ 0 – 10 9 До 10 000 Магистрали, отводы от магистрали, связь внутри обл. РЧК 0 – 10 10 До 10 000 Антенно – фидерные устройства. (АФУ) Металлические и диэлектрические волноводы 10 11 - 10 13 До 100 000 АФУ Световоды, оптические кабели, ВОЛП 10 14 – 10 15 Свыше 1000 000 Все виды связи Достоинства НСЭ по сравнению с радиоканалами Высокое качество и скорость передачи информации. Возможность обеспечения высокой электромагнитной защищённости каналов от взаимных и внешних помех. Высокая скрытность связи. Простота и низкая стоимость оконечных устройств. Недостатки НСЭ Более низкая скорость установления соединения и передачи информации, чем по радиоканалам. Большие капитальные и эксплуатационные расходы по сравнению с радиоканалами. Однако более 70% всей сети электросвязи состоит из проводных каналов, и только 10%–15% составляют радиорелейные и спутниковые линии из–за существенных достоинств проводных каналов. Таким образом, основой всей сети электросвязи являются НСЭ. Различные типы каналов дополняют друг друга, работая совместно в определённых частотных диапазонах, которые разделены между различными средствами электросвязи, исходя из их электромагнитной совместимости. Согласно рекомендациям международного комитета весь частотный диапазон средств электросвязи подразделяется на следующие поддиапазоны: Сверхдлинные волны (3 – 10 кГц) Длинные волны (30 – 300 кГц) Средние волны (300 кГц – 3 мГц) Короткие волны (3 – 30 мГц) Ультракороткие (30 – 300 мГц) Дециметровые (300 мГц – 3 ГГц) Сантиметровые (3 –30 ГГц) Миллиметровые (30 – 300ГГц) Оптический диапазон ( 13 15 3 10 Ãö 3 10 Ãö ) Двухпроводные НСС – это воздушные кабельные линии, которые работают в диапазоне сверхдлинных, средних и коротких волн, а также частично захватывают диапазон УКВ. Магнитная совместимость должна выполняться для открытых направляющих систем, к которым относят СК и ВЛС. Они наиболее подвержены электромагнитным влияниям. Линии связи Свободное пространство Радиолинии Спутниковая связь РРЛ НСЭ Воздушные линии связи Кабельные линии связи ВОЛП 1.6 Принципы построения сетей электросвязи Для обеспечения комплексного использования средств передачи всех видов информации необходимо создать единую сеть трактов и каналов с Узловой принцип – несколько узлов, наиболее важных в структуре сети соединяются по принципу «каждый с каждым», менее важные узлы соединяются только с ближайшими (количество кружков –важность узлов). Достоинства: гибкая структура построения, большая экономичность построения. Недостатки:уменьшается надёжность функционирования менее важных узлов. Радиальный принцип |
Достоинства:
Высокая скорость установления связи, неограниченное число абонентов, слушателей и зрителей.
Единственный вариант связи с подвижными, а также удаленными и космическими объектами.
Возможность организовывать связь с неограниченным количеством абонентов, слушателей, зрителей.
Недостатки:
Зависимость качества связи от состояния распространения и сторонних электромагнитных полей, вызывающих помехи.
Недостаточно высокая электромагнитная совместимость радиоканалов в диапазоне метровых волн, т.е. создать большое число каналов в диапазоне длинных и средних волн почти не возможно.
Высокая цена и сложность аппаратуры, формирующей линейный сигнал. Сложность, высокая цена и большие размеры фидерного тракта.
С целью устранения данных недостатков в ходе развития радиосвязи осваивались более высокочастотные диапазоны дециметровых и сантиметровых волн. При этом уменьшались размеры антенн, канал меньше подвергался воздействию помех, обеспечивалась более устойчивая связь. Такие линии получили название радио–релейных линий (РРЛ). Тракт РРЛ – это сеть пунктов с установкой ретрансляционных станций на расстоянии 20 – 40 км.
Недостаток их в том, что с них очень легко считывается информация.
Спутниковые линии связи
РРЛ
РРЛ
Недостаток спутниковых линий связи в том, что они очень дорого стоят, имеют ограниченный ресурс (срок службы) и могут быть легко уничтожены противником.
Оконечное устройство (телефонные, факсмодемные аппараты,
ПЭВМ).
Системы коммутации цепей и оконечных устройств, а также каналов и пакетов передаваемой информации.
Каналы электросвязи (МСП + среда распространения)
Таким образом, любая сеть электросвязи будет состоять из:
Узлов - пунктов коммутации цепей и каналов.
Рёбер - линий связи, соединяющие узлы между собой.
Наибольший удельный вес (до 70% и более) в структуре сети электросвязи занимают проводные каналы, требующие наибольших капитальных и эксплуатационных расходов. Это определяет важность задачи по оптимизации структуры сети и экономичности её построения. При этом важным требованием является обеспечение высокой надёжности функционирования сети. Эта задача решается за счёт создания резервных и обходных путей соединения абонентов между собой, а также использования различных типов связи на наиболее важных направлениях. Причём каждый узел связи, обычно имеет 2 или 3 независимых пути установления соединения с другими узлами.
Варианты построения сети электросвязи
По принципу «каждый узел с каждым» – это полносвязное соединение. В этом случае каждый узел имеет прямое соединение со всеми другими.
Достоинства:самая высокая надёжность за счёт большого числа обходных и резервных путей.
Недостатки:структура сети не выгодна в технико-экономическом отношении.