Курс лекций по специальности 140306 Электроника и автоматика физических установок
 Скачать 2.3 Mb.
|
|
8.2. Проводные линии связи Проводные линии (воздушные и кабельные) характеризуются первичными и вторичными параметрами [1, 2]. 8.2.1. Первичные параметры. 1) Погонное активное последовательное сопротивление; 2) Ёмкость; 3) Индуктивность; 4) Проводимость. Погонное активное последовательное сопротивление Сопротивление линии постоянному току при температуре t , отличается от сопротивления при 20 C t : 0 [1 ( 20)] t R R t , (8.1) где 0 R – сопротивление при 20 C t , Ом; – температурный коэффициент, который для меди равен 0,0039, а для стали 0,0046. Таким образом, сопротивление линии существенно зависит от температуры. Так, при изменении температуры стальной цепи от -40 до +40 C еѐ сопротивление согласно выражению (8.1) изменяется на 37%. Активное сопротивление линии переменному току возрастает с частотой, что связано в первую очередь с поверхностным эффектом (см. рисунок 8.1). D распределение тока по диаметру Рисунок 8.1 Распределение тока по диаметру (D) Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №8 «Линии связи» 88 Индуктивность. Индуктивность двухпроводной цепи из однородных (не биметаллических) проводов определяется выражением: 4 4 ln 10 П L a r к , мГн км (8.2) где a – расстояние между центрами проводов, см; r – радиус проводов, см; – относительная магнитная проницаемость материала провода (для меди м 1 , для стали с 140 ); П к – табличный коэффициент, учитывающий поверхностный эффект. Ёмкость. Ёмкость двухпроводной цепи определяется по формуле: 6 10 / 36 ln С a r , (8.3) где – относительная диэлектрическая постоянная (для воздуха 1 ). Ёмкость однопроводной цепи: 6 10 /18 ln 2 С h r , (8.4) где h – расстояние от поверхности земли до провода, м. 8.2.2. Вторичные параметры 1). Волновое сопротивление; 2). Коэффициент распространения; 3). Затухание, вносимое линией. Волновое сопротивление. Определяется выражением: R j L Z G j C , (8.5) где G – активная составляющая проводимости. На высоких частотах или при малых потерях R L и G C , тогда L Z C (8.6) Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №8 «Линии связи» 89 При нагрузке однородной линии на резистор, сопротивление которого равно еѐ волновому сопротивлению, отражения в линии отсутствуют и еѐ пропускная способность резко возрастает. Коэффициент распространения. Постоянная передачи линии, называемая также коэффициентом распространения, определяется выражением: ( ) ( ) j R j L G j C , (8.7) где – постоянная (коэффициент) затухания линии; – коэффициент сдвига фаз между напряжением и током в линии. Затухание, вносимое линией. Затухание электромагнитной энергии в линии, нагруженной на волновое сопротивление, происходит по экспоненциальному закону: ток 1 I и напряжение 1 U в начале линии всегда больше тока 2 I и напряжения 2 U в конце линии. Поэтому 2 1 z I I e , 2 1 z U U e , (8.8) где z – длина линии. Из чего получаем: 1 1 1 2 2 2 1 ln ln ln 2 U I P z U I P (8.9) Если 1 z км, то километрическое затухание в линии, согласованной с нагрузкой, определяется выражением: 1 1 1 2 2 2 1 ln ln ln 2 U I P U I P (8.10) Затухание выражается в неперах. Непер – натуральный логарифм отношения двух напряжений, токов или половина натурального логарифма отношения мощностей на входе и выходе. Если линия обладает затуханием в 1 Нп, то это значит, что ток и напряжение в конце линии уменьшаются в 2,718 е раза, а мощность – в 2 7,39 е раза. Затухание также выражают и в децибелах: Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №8 «Линии связи» 90 1 1 1 2 2 2 10 lg 20 lg 20 lg P I U P I U (8.11) Чтобы затухание, выраженное в неперах, перевести в децибелы, число неперов нужно умножить на коэффициент 8,686, а для обратного перевода – на 0,1151. Эти параметры характеризуют условия распространения электромагнитной энергии по линии связи и зависят только от первичных параметров и частоты. 8.3. Каналы связи по воздушным линиям электропередач высокого напряжения Каналы связи по воздушным линиям электропередач высокого напряжения (ВЛ) широко применяются в энергосистемах для связи и передачи телемеханических сообщений [1, 2]. Линии электропередачи 35, 110, 220, 400 кВ имеют высокую электрическую и механическую прочность, поэтому каналы связи по ВЛ осуществляются токами высокой частоты в диапазоне от 300 до 500 кГц, а по некоторым воздушным линиям – и до 1000 кГц. Каналы связи по ВЛ имеют сравнительно высокий уровень помех, поэтому для получения достаточного для нормальной работы отношения сигнал/помеха применяются специальная аппаратура каналов со сравнительно высокой выходной мощностью сигналов и качественные фильтры для разделения сигналов и уменьшения перекрѐстных помех. Уровень сигнала на линиях 35 – 220 кВ составляет примерно +4,5 Нп (10 Вт) при входном сопротивлении линии 400 – 600 Ом. Затухание на километр длины в диапазоне частот 50 – 300 кГц для ВЛ длиной до 300 км определяется выражением: к f , мНп/км (8.12) где f – частота, кГц. Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №8 «Линии связи» 91 Для линий 35 кВ 1, 4 к ; для 110 кВ 1,0 к ; для 220 кВ 0,75 к Для высокочастотной обработки и присоединения используются выпускаемые промышленностью высокочастотные заградители, конденсаторы связи и фильтры присоединения, включаемые по схеме фаза- земля (см. рисунок 8.2), фаза-фаза и др. ВЛ ВЛ КС ФП ПС ФП КС У КС ПС ФП ПС ФП КС З З З З Рисунок 8.2 Схема фаза – земля: З – заградитель; КС – конденсатор связи; ФП – фильтр присоединения; ПС – пост связи, У – усилитель. 8.4. Радиорелейные линии связи Волны УКВ-диапазона в отличии от длинных и коротких волн могут распространятся только в пределах прямой геометрической видимости, что ограничивает дальность передачи на УКВ [1, 2]. При высоте антенных опор до 100 м дальность прямого распространения радиоволн не превышает 40 – 70 км. Это означает, что связь на большие Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №8 «Линии связи» 92 расстояния возможна лишь при использовании радиолиний с ретрансляцией (см. рисунок 8.3), так называемых радиорелейных линий (РРЛ). РРЛ осуществляют передачу на волнах 75; 15; 7; 5; 3,75; 2,73 см. 50-70км ретранслятор Рисунок 8.3 Радиорелейная линия связи с ретрансляцией Оконечные станции оборудуются аппаратурой уплотнения, позволяющей с помощью частотного и временного разделения сигналов обеспечить передачу большого числа сообщений [1, 2]. За последние десятилетия необходимость передавать данные – информацию, представленную в цифровом виде, – привела к созданию цифровых систем передачи. Появились цифровые радиорелейные системы передачи данных, способные обмениваться цифровой информацией. Космическая или спутниковая связь по существу является разновидностью радиорелейной связи и отличается тем, что ее ретрансляторы находятся не на поверхности Земли, а на спутниках в космическом пространстве. Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи» 93 ЛЕКЦИЯ 9. Спутниковые каналы связи ПЛАН ЛЕКЦИИ 9.1. Спутниковые системы связи 9.2. VSAT-станция спутниковой связи 9.3. Радиосигналы в спутниковых системах связи 9.4. Вопросы текущего контроля на лекциях по модулю «Каналы связи» 9.1. Спутниковые системы связи Современные организации характеризуются большим объемом различной информации, в основном электронной и телекоммуникационной, которая проходит через них каждый день. Поэтому важно иметь высококачественный выход на коммутационные узлы, которые обеспечивают выход на все важные коммуникационные линии. В России, где расстояния между населенными пунктами огромное, а качество наземных линий оставляет желать лучшего, оптимальным решением этого вопроса является применение систем спутниковой связи (ССС). На сегодняшний день существует большое количество ССС, основанных на различных спутниковых системах, различных принципах и предназначенных для различных применений. Спутниковые системы связи известны давно, и используются для передачи различных сигналов на протяженные расстояния. С момента своего появления спутниковая связь стремительно развивалась, и по мере накопления опыта, совершенствования аппаратуры, развития методов передачи сигналов произошел переход от отдельных линий спутниковой связи к локальным и глобальным системам. Такие темпы развития ССC объясняются рядом достоинств которыми они обладают. К ним, в частности, относятся большая пропускная способность, неограниченные перекрываемые пространства, высокое Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи» 94 качество и надежность каналов связи. Эти достоинства, которые определяют широкие возможности спутниковой связи, делают ее уникальным и эффективным средством связи. Спутниковая связь в настоящее время является основным видом международной и национальной связи на большие и средние расстояния. Использование искусственных спутников Земли (ИСЗ) для организации связи продолжает расширяться по мере развития существующих сетей связи. Многие страны создают собственные национальные сети спутниковой связи. Все системы можно разделить на системы двух видов: работающие через спутники на негеостационарных и геостационарных орбитах [11]. Негеостационарные спутники используются в основном для военных, научных и метеорологических исследований. Их главная особенность – невозможность поддержания круглосуточной связи с земной станцией (ЗС). Однако, перемещаясь по заданной орбите относительно поверхности Земли, они могут собирать данные с большой площади земной поверхности. Геостационарные спутники выводятся на такую орбиту в плоскости экватора, при которой их угловая скорость совпадает со скоростью вращения Земли вокруг своей оси. Высота над поверхностью Земли, где выполняются условия постоянства скоростей и равенства центробежной и гравитационной сил, составляет 36 тысяч километров. Теоретически, один расположенный таким образом спутник может обеспечить качественную связь для трети земной поверхности. В действительности обслуживаемые территории существенно меньше. Особенностью спутников на геостационарных орбитах является значительная временная задержка (порядка 240 мс) в спутниковом канале, вызванная необходимостью два раза преодолевать расстояние в 36 тысяч километров от ЗС до спутника [11]. Мы будем рассматривать системы, где применяются спутники связи, обращающиеся на орбитах синхронно с вращением Земли. Это позволяет существенно упростить систему связи. В этом случае каждая земная станция работает непрерывно с одним и тем же спутником связи. Ранее, при Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи» 95 использовании не синхронных спутников, существовала необходимость периодического переключения антенной системы каждой земной станции с одного спутника на другой, что естественно вызывало перерывы связи. К тому же, значительную часть стоимости ЗС составляла не очень надежная аппаратура слежения. Использование стационарных спутников связи обеспечивает бесперебойную связь, но требует дополнительного запаса рабочего тела для проведения многократных коррекцией орбиты ИСЗ. Считается, что этот дополнительный запас рабочего тела для коррекции орбиты является сравнительно небольшой платой за простоту эксплуатации системы и отсутствие перерывов связи. Земные станции при использовании стационарных спутников упрощаются за счет отказа от сложной и дорогой системы слежения [11]. Спутниковые системы связи могут различаться также и типом передаваемого сигнала, который может быть цифровым или аналоговым. Передача информации в цифровой форме обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами передачи. К ним относятся [11] : 1. Простота и эффективность объединения многих независимых сигналов и преобразования цифровых сообщений в ―пакеты‖ для удобства коммутации; 2. Меньшие энергозатраты по сравнению с передачей аналогового сигнала; 3. Относительная нечувствительность цифровых каналов к эффекту накопления искажений при ретрансляциях, обычно представляющему серьезную проблему в аналоговых системах связи; 4. Потенциальная возможность получения очень малых вероятностей ошибок передачи и достижения высокой верности воспроизведения переданных данных путем обнаружения и исправления ошибок; 5. Конфиденциальность связи; 6. Гибкость реализации цифровой аппаратуры, допускающая использование микропроцессоров, цифровую коммутацию и применение микросхем с большей степенью интеграции компонентов. Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи» 96 9.2. VSAT-станция спутниковой связи VSAT 1 -станция – станция спутниковой связи с антенной малого диаметра, порядка 1.8 ... 2.4 м. VSAT-станция используются для обмена информацией между наземными пунктами, а также в системах сбора и распределения данных. Спутниковые системы связи с сетью земных станций типа VSAT обеспечивают телефонную связь с цифровой передачей речи, а также передачу цифровой информации [11]. К станциям спутниковой связи типа VSAT относятся станции спутниковой связи, обладающие определенными характеристиками, описанными в Рекомендациях №№ 725-729 ММКР (CCIR 2 ). При передаче телефонного трафика спутниковые системы образуют групповые тракты (совокупность технических средств, обеспечивающих прохождение группового сигнала, т.е. несколько телефонных подканалов объединяются в один спутниковый) и каналы передачи (совокупность средств, обеспечивающих переду сигналов от одной точки в другую). Каналы и групповые тракты ССС широко используются на участках магистральной и внутризоновой телефонных сетей, в ряде случаев на местных линиях связи ССС позволяют [ 11 ] : организовать прямые закрепленные каналы и тракты между любыми пунктами связи в зоне обслуживания ИСЗ, работать в режиме незакрепленных каналов, при котором спутниковые каналы и тракты могут оперативно переключаться с одних направлений на другие при изменении потребностей трафика на сети, использоваться наиболее эффективно - полнодоступными пучками. К настоящему времени создано несколько ССС с использованием VSAT. Одной из типичных систем такого рода является система, организованная на базе геостационарных спутников. VSAT, работающие в составе данной системы, установлены в ряде стран, в том числе и в России. 1 Very Small Aperture Terminal 2 Center for Communication Interface Research Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи» 97 Привлекательной особенностью станций VSAT является возможность их размещения в непосредственной близости от пользователей, которые благодаря этому могут обходиться без наземных линий связи. Вообще станциями VSAT называются станции, обладающие определенными характеристиками, описанными в рекомендациях 725-729 ММКР. Кроме систем с закрепленным каналом, эффективных при постоянной передаче информации на высоких скоростях (10 Мбит/с и более), существуют системы, использующие временное, частотное, кодовое или комбинированное разделение канала между многими абонентскими ЗС. Еще одним параметром, позволяющим классифицировать ССС, является использование протокола. Первые спутниковые системы были беспротокольными и предлагали пользователю прозрачный канал. Недостатком таких систем являлась, например, передача информации пользователя без, как правило, подтверждения ее доставки принимающей стороной. Иначе говоря, в подобных системах не оговорены правила диалога между участниками обмена информацией. В этом случае качество ССС определяется качеством спутникового канала. При типичных значениях вероятности ошибки на символ в пределах 10 -6 ..10 -7 передача больших файлов через спутниковые системы, даже с использованием различных помехоустойчивых кодов затруднена, если не сказать, что невозможна. Современные ССС используют протокол, повышающий надежность связи при сохранении высокой скорости обмена информацией между абонентами. Так, например, для рассматриваемой ниже системы передачи данных типа PES™ (Personal Earth Station – персональная земная станция) вероятность ошибки на символ не превышает 10 -9 для 99% времени связи [11]. В настоящее время в России сетей и земных станций типа VSAT в строгом их понимании пока мало, но их число будет расти, так как наша страна, наряду с большой протяженностью, обладает плохо развитой инфраструктурой связи, особенно на периферии. Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи» 98 При выборе столь сложной аппаратуры, следует обращать внимание на многие факторы, одним из важнейших является то, насколько распространена аппаратура данного типа в мире, сколько времени на рынке существует фирма, занимающаяся разработкой подобной техники. Это позволит гарантировать надежность работы системы, обеспечить связь с другими системами. 9.2.1. Система SCPC В России и в Европе существуют сети VSAT-станций, работающих на принципе SCPC [11]. Стандартный вариант связи SCPC где используется связь по принципу «point-to-point» («точка-точка») – это две VSAT-станции, соединенные спутниковым каналом и расположенные у пользователей (см. рисунок 9.1). BERLIN BREMEN SCHLESWIG - HOLSTEIN MECKLENBURG-VORPOMMERN HAMBURG NIEDERSACHSEN BRANDENBURG NORDRHEIN - WESTFALEN HESSEN THЬ RINGEN SACHSEN RHEINLAND - PFALZ SAARLAND BAYERN BADEN - WЬ RTTEMBERG SACHSEN- ANHALT Fax Fax |