Роль и место направляющих систем в системах связи.

Единая телекоммуникационная система содержит: оконечное оборудование (каналообразующую аппаратуру), линии связи, системы коммутации, оконечные устройства (устройства абонентского доступа). Обобщённая схема телекоммуникационной сети приведена на рис. 1.1.

 

Рис. 1.1 – Обобщённая схема сети связи.

 

В свою очередь она делится на первичную сеть и вторичную [1.3, 1.7]. Первичная сеть – это совокупность всех каналов без подразделения их по назначению и видам связи. В её состав входят линии связи и каналообразующая аппаратура. Вторичная сеть состоит из каналов одного назначения, (телефонных, телевидения, передачи данных и др.), образуемых на базе первичной сети. Вторичная сеть образуется на базе первичной. Таким образом, первичная сеть связи предназначена для транспортировки заданных объемов информации на определенные расстояния. Одним их основных элементов первичной сети являются каналы дальней связи, которые состоят из передатчика, приемника и линии связи (Рис.1.2).

          

        U ₁ (t)                 U ₂ (t)                           (t)

                                                                Рис.1.2

 

Из схемы видно, собственно телекоммуникационная система состоит из трех основных элементов: передающего и приемного устройств, и линии (направляющей среды). Первые два устройства проектируются на основе знаний и опыта, изготавливаются на предприятиях, что потенциально позволяет учесть и устранить или ослабить недостатки, связанные с искажениями сообщения, обусловленными преобразованием сигнала в сообщение и обратными преобразованиями. Линия же, т.е. среда распространения (направляющая среда), вносит случайные, не зависящие от людей воздействия, которые приводят к искажениям переданного сигнала. Эти искажения определяются условиями распространения радиоволн по конкретной направляющей среде.

Процесс передачи сообщения от источника к получателю осу­ществляется следующим образом. Сообщение U₁  в аналоговом или цифровом виде поступает от источника в передающее устройство, в котором осуществляется его преобразование в электрический сигнал, удобный для передачи по линии связи. На другой стороне в приемнике производится обратное преобразование электрического сигнала в исходное сообщение U₁ . В идеальном слу­чае так оно и должно происходить.

Однако характер и условия функционирования линий связи определяются условиями распространения радиоволн в используемой для этого направляющей среде. На направляющие среды действуют помехи различного происхождения, которые приводят к искажениям переданного сигнала. Поэтому сообщение  на выходе приемника не идентично сообщению на входе передатчика U₁ , так же как и сигнал на входе приемника  не идентичен сигналу на входе передатчика U₂(t), т.е.:

 

                                                             (1.1)

 Реально на передаваемый сиг­нал в линии связи (направляющей среде), да и в самих передатчике и приемнике, дейст­вуют сторонние возмущения, которые его искажают. Все эти сторон­ние возмущения называется помехами. В связи с воздействием помех на приемное устройство поступаетискаженныйсигнал, который после обратного преобразования будет преобразован в сообщение. Степень совпадения передаваемого и принятого сооб­щения будет определяться характером и интенсивностью помех в ка­нале связи, а также методами восстановления, применяемыми в радиоприемном устройстве.

       В свою очередь направляющая среда может быть как естественного, так искусственного происхождения. По естественным направляющим средам обеспечивается обмен информацией на линиях беспроводной связи (радио, радиорелейные, тропосферные, спутниковые, атмосферные оптические линии связи). На искусственных направляющих средах работают кабельные (проводные, волоконно–оптические и волноводные) линии связи.

  На направляющие среды воздействуют помехи внешнего и внутреннего происхождения. Внешние помехи вызваны действием сторонних электромагнитных полей. Внутренние помехи обусловлены действием электромагнитных полей соседних проводников в направляющей системе (или взаимными влияниями). Идеальной направляющей средой принято считать оптический волоконный кабель (световой волновод), потому что на него не действуют внешние электромагнитные поля. Кроме того, в нем отсутствуют взаимные влияния.

       Направляющая среда – это непрерывная по длине конструкция или атмосфера Земли, направляющая распространение электромагнитной энергии в заданном направлении, т. е., обладающая канализирующими свойствами. Такими свойствами обладает граница раздела сред с разными электрическими параметрами (рис. 1.3). В качестве таких сред может выступать стальной или медный провод, атмосфера Земли, оптико–волоконный кабель, в которых используются структуры с различной диэлектрической плотностью. Например, отражение радиоволн в беспроводных телекоммуникационных системах обеспечивается от неоднородностей атмосферы, распространение световых волн по оптическому волноводу обеспечивается за счет многократных отражений на границе раздела сред сердечника и оболочки волновода, которые имеют различную диэлектрическую проницаемость.   

Среда 1 Металл

Среда 2 Диэлектрик

Диэлектрик

Диэлектрик

   Рис. 1.3 – Обобщённая направляющая система

 

Любая материальная среда характеризуется такими параметрами:

– удельным электрическим сопротивлением p,  или удельной электрической проводимостью

– абсолютной магнитной проницаемостью

– абсолютной диэлектрической проницаемостью E, Ф/м;

Следует учесть, что ; ; ,

где ,  – относительная диэлектрическая и магнитная проницаемости соответственно;

  Ф/м – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума;   Гн/м – абсолютная магнитная проницаемость вакуума;

  n – коэффициент преломления среды.

К направляющим системам предъявляются следующие требования:

– высокая информационная ёмкость;

– малые потери электромагнитной энергии в процессе её распространения;

– возможность передачи различных видов информации, т.е. сигналов с различными видами модуляции;

– малые взаимные влияния;

– постоянство параметров НС в процессе длительного срока эксплуатации;

– обеспечение необходимого качества и дальности связи.

       По направляющим системам передаются различные виды информации, которые приведены в таблице 1, здесь же представлены полосы частот, занимаемых каждым из перечисленных видов информации и количество стандартных телефонных каналов, необходимых для их передачи. Согласно принятым нормативам стандартный канал тональной частоты занимает полосу ∆F=0,3–3,4 кГц.  

                                                                                                                 Таблица 1.1

Виды информации	Полоса частот, кГц	Количество КТЧ
Телефония	4	1
Радиовещание	8 – 12	2 – 3
Телевидение	6000	1500
Телеграфия	4/(18…24)	1/(18…24)
Передача данных	4…240	1…60

 

       Из таблицы видно, что каждый вид информации требует определенной полосы пропускания. Например, для обеспечения телефонного разговора достаточно иметь полосу равную 4 кГц, в то время как для передачи телевидения требуется полоса частот равная 6000кГц. Это свидетельствует о том, что для передачи различных видов информации требуются различные направляющие среды, способные пропустить через себя необходимую полосу частот. Физические особенности направляющих сред и рассматриваются в предлагаемом пособии.

Таким образом, основным элементом телекоммуникационной системы, оказывающим существенное влияние на достоверность, качество и объем передаваемых сообщений, является направляющая среда (линия связи). Именно свойства направляющей среды являются основным фактором, обеспечивающим распространение электромагнитных (световых) волн, обладающих различной частотной емкостью, на заданные расстояния. В соответствии с задействованной направляющей средой строятся линии связи

       Непременным, одним из наиболее сложных и дорогостоящих элементов телекоммуникационных систем являются линии связи (ЛС). Линия связи – комплекс технических устройств (сооружений), обеспечивающий передачу как узкополосных, так и широкополосных каналов, используемых для передачи информации от отправителя к получателю на заданное расстояние с заданным качеством. Эффективность работы систем определяется качеством ЛС, их свойствами, параметрами, воздействием на ЛС различных факторов. Линии связи состоят из нескольких подсистем, обеспечивающих их функционирование: оконечных пунктов, обслуживаемых и необслуживаемых усилительных (регенерационных) пунктов. Для беспроводных линий связи в качестве оконечных устройств могут выступать передающие и приемные станции со своими антенно–фидерными и антенно–мачтовыми устройствами, в качестве направляющей среды – различные слои атмосферы Земли. Для простейших проводных линий связи в качестве оконечного устройства могут выступать телефонные аппараты, а в качестве направляющей среды – стальной или медный провод.

       В общем виде линии связи делятся на два типа – беспроводные (радиолинии) и проводные на основе тех или иных направляющих систем. Обобщенная классификация линий связи приведена на рис 1.4.

 

Радио–линии

Линии связи   (ЛС)

Беспроводные ЛС

Проводные ЛС

Радио– релей– ные линии

Линии спутниковой связи

Кабельные ЛС

Воздушные ЛС

Волноводные ЛС

ЛС с металлически–ми кабелями

ЛС с оптическими кабелями

ЛС с коаксиальными кабелями

ЛС с симметричными кабелями

Линии мобильной связи

 

Рис. 1.3 – Классификация линий связи

 

       Каждая из представленных в классификации линий связи имеет свои особенности как по условиям распространения электромагнитных или световых волн, так и по емкости частотного диапазона. В свою очередь, условия распространения влияют на дальность и качество связи, а частотная емкость – на пропускную способность, определяющую объем передаваемой информации. Эти параметры оказывают существенное влияние на техническую реализацию той или иной линии связи, 

       Отличительная особенность проводных линий связи по сравнению с беспроводными линиями заключается в том, что по ним передача информации от одного абонента к другому осуществляется по специально созданным направляющим систем (цепям). Характер распространения электромагнитных волн в различных средах и направляющих системах определяется частотными диапазонами, в которых работают эти системы.

Беспроводные и проводные ЛС имеют свои особенности, достоинства и недостатки. К ЛС предъявляется ряд требований, выполнение которых обеспечивает высокую эффективность при их эксплуатации, необходимое качество связи, дальность связи.

       Прежде чем приступить к изложению основного материала дадим общие понятия о теории передачи информации.   

Направляющая система (НС) – это естественная или искусственная среда, предназначенное для передачи электромагнитной энергии в заданном направлении. В качестве естественной среды выступает воздушное пространство (атмосфера Земли), используемая для передачи электромагнитной энергии в беспроводных линиях связи. (радио, радиорелейные, тропосферные и спутниковые). В качестве искусственных сред являются рукотворные устройства, специально созданные человеком для канализации электромагнитных или световых волн. Таким канализирующим свойством обладают проводник, диэлектрик и любая граница раздела сред с различными электрическими свойствами (металл—диэлектрик, диэлектрик— воздух и др.). Поэтому роль НС могут выполнять металлическая линия (кабель, волновод), диэлектрическая линия (диэлектрический волновод, волоконный волноовод), а также металлодиэлектрическая линия (линия поверхностной волны).

       Современные искусственные направляющие системы передачи высокочастотной энергии разделяются на:
– воздушные линии связи (ВЛС);
– симметричные кабели (СК), коаксиальные кабели (КК);
– сверхпроводящие кабели (СПК);
– волноводы (В);
– световые волноводы, оптические кабели (ОК);
– линии поверхностной волны (ЛПВ);
– диэлектрические волноводы (ДВ);
– ленточные кабели (ЛК) (полосковые линии ПЛ);
– радиочастотные кабели (РК).

       Воздушные линии и симметричные кабели относятся к группе симметричных цепей. Отличительной особенностью таких цепей является наличие двух проводников с одинаковыми конструктивными и электрическими свойствами. Известные конструкции симметричных кабелей содержат от 1x2 до 2400x2 жил под общей защитной оболочкой. Внутренний проводник концентрически расположен внутри проводника, имеющего форму полого цилиндра. Внутренний проводник изолируется от внешнего проводника с помощью различных изоляционных прокладок (шайбы, баллоны, кордели и др.). Сверхпроводящий кабель имеет коаксиальную конструкцию весьма малых габаритных размеров, помещенную в условия низких отрицательных температур (—269° С). Диэлектрический волновод —это стержень круглого или прямоугольного сечения, выполненный из высокочастотного материала (полиэтилена, стирофлекса). Полосковая линия состоит из плоских ленточных проводников с расположенной между ними изоляцией. Оптический кабель представляет собой скрутку из оптических волокон — световых волноводов, объединенных в единую конструкцию.

     Контрольные вопросы:

 

1. Типы и конструкции оптических волокон.

2.  Типы и конструкции оптических кабелей.

3. Подземные, подводные и подвесные конструкции оптических кабелей, их характеристики, особенности их соединения.

4. Сравнение различных направляющих систем электросвязи.

5. Физические процессы в направляющих системах.