Падающие и отраженные волны. Согласование нагрузки. Волновое сопротивление. Коаксиальные кабели

Длинная линия — регулярная линия передачи, длина которой превышает длину волны (λ) колебаний, распространяющихся в линии, а расстояние между проводниками, из которых состоит линия передачи, значительно меньше длины волны. Характерной особенностью длинных линий является проявление интерференции двух волн, распространяющихся навстречу друг другу. Одна из этих волн создается генератором электромагнитных колебаний, подключенным к линии, и называется падающей. Другая волна может возникать из-за отражения падающей волны от нагрузки, подключенной к противоположному концу линии, и называется отраженной. Отраженная волна распространяется в направлении, обратном падающей волне. Все разнообразие процессов, происходящих в длинной линии, определяется амплитудно-фазовыми соотношениями между падающей и отраженной волнами. 1)Телеграфные уравнения(Начало координат – конец линии передачи): 2 и 3)Комплексное представление:

 

1) 2) 3)

 

1)Общее решение дифференциального уравнения(±γ - корни характеристического уравнения):

1) 2) 3) 4)

2) прямая (падающая) волна напряжения,3) обратная (отраженная) волна напряжения, 4)прямая (падающая) волна тока

- обратная (отраженная) волна тока

 

Согласованность линии и нагрузки:

Несогласованная нагрузка: 1)Короткое замыкание,2) Холостой ход. 3- Согласованная нагрузка:

1) 2) 3)

- коэффициент отражения

Чем больше модуль коэффициента отражения, тем заметнее влияние обратной волны, тем менее равномерно распределяются напряжение и ток вдоль линии и яснее выражены максимумы и минимумы у кривой действующего значения напряжения и тока. При несогласованной нагрузке не вся мощность, которую способна перенести прямая волна, поглощается нагрузкой. С обратной волной часть мощности возвращается генератору. Электрические линии связи требуют проведения специальных мер, без которых невозможна не только безошибочная передача данных, но и вообще любое функционирование сети. Согласование электрических линий связи применяется для обеспечения нормального прохождения сигнала по длинной линии без отражений и искажений. Следует отметить, что в локальных сетях кабель работает в режиме длинной линии даже при минимальных расстояниях между компьютерами, так как скорости передачи информации и частотный спектр сигнала очень велики. Принцип согласования кабеля прост: на его концах необходимо установить согласующие резисторы (терминаторы) с сопротивлением, равным волновому сопротивлению используемого кабеля. Волновое сопротивление Z_В (Ом) - сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль однородной линии без отражения, т.е. при условии, что на процесс передачи не влияют несогласованности на концах линии. Волновое сопротивление СК зависит от удельных значений емкости и индуктивности кабеля. Волновое сопротивление – это параметр данного типа кабеля, зависящий только от его устройства (сечения, количества и формы проводников, толщины и материала изоляции и т.д.). Величина волнового сопротивления обязательно указывается в сопроводительной документации на кабель и составляет обычно от 50—100 Ом для коаксиального кабеля, до 100—150 Ом для витой. Точное значение волнового сопротивления легко можно измерить с помощью генератора прямоугольных импульсов и осциллографа как раз по отсутствию искажения формы передаваемого по кабелю импульса. Если согласующее, нагрузочное сопротивление R_н меньше волнового сопротивления кабеля R_в, то фронт передаваемого прямоугольного импульса на приемном конце будет затянут, если же R_н больше R_в, то на фронте будет колебательный процесс. Поэтому даже при идеально согласованном на концах кабеля, волновое сопротивление которого существенно отличается от стандартного, сеть, скорее всего, работать не будет или будет работать со сбоями. В простейшем случае проводная ЛС - физическая цепь, образуемая парой металлических проводников. Кабельные ЛС образованы проводами с изоляционными покрытиями, помещенными в защитные оболочки. По конструкции и взаимному расположению проводников различают симметричные (СК) и коаксиальные (КК) кабели связи. Симметричная цепь состоит из двух совершенно одинаковых в электрическом и конструктивном отношениях изолированных проводников. Различают экранированные и неэкранированные СК. Коаксиальная цепь представляет собой два цилиндра с совмещенной осью, причем один цилиндр - сплошной внутренний проводник, концентрически расположен внутри другого полого цилиндра (внешнего проводника). Проводники изолированы друг от друга диэлектрическим материалом. В коаксиальных парах со сплошным диэлектриком Zв=50 Ом, а при комбинированной изоляции величина волнового сопротивления составляет примерно 75 Ом. Способность коаксиальной цепи пропускать широкий спектр частот конструктивно обеспечивается коаксиальным расположением внутреннего и внешнего проводников. Взаимодействие электромагнитных полей внутреннего и внешнего проводников коаксиальной пары таково, что внешнее поле равно нулю.

Учитывая, что токи в проводниках а и б равны по величине и обратны по знаку, магнитные поля внутреннего и внешнего проводников и в любой точке пространства вне коаксиальной пары также будут равны по величине и направлены в разные стороны. Следовательно, результирующее магнитное поле вне коаксиальной пары равно нулю. Вне коаксиальной пары магнитное поле отсутствует. Отсутствие внешнего электромагнитного поля обусловливает основные достоинства коаксиальных кабелей: широкий диапазон частот, большое число каналов, защищенность от помех.

Распределение плотности тока во внутреннем проводнике определяется лишь действием поверхностного эффекта. Силовые линии внутреннего магнитного поля, пересекая толщу проводника, наводят в нем вихревые токи, направленные по закону Ленца против вращения рукоятки буравчика. Вихревые токи в центре проводника имеют направление, обратное движению основного тока, протекающего по проводнику, а на периферии их направления совпадают. В результате взаимодействия вихревых токов с основным происходит такое перераспределение тока по сечению проводника, при котором плотность его возрастает к поверхности проводника. Данное явление, носящее название поверхностного эффекта, увеличивается с возрастанием частоты тока, магнитной проницаемости, проводимости и диаметра проводника. Во внешнем проводнике плотность тока увеличивается в направлении к ее внутренней поверхности. Это объясняется воздействием поля внутреннего проводника. При наличии внутреннего проводника плотность тока увеличивается на внутренней поверхности внешнего проводника. Переменное магнитное поле, создаваемое током проводника a, наводит в металлической толще полого проводника б вихревые токи. На внутренней поверхности проводника б вихревые токи совпадают по направлению с основным током, а на наружной поверхности движутся против него. В результате ток в проводнике перераспределяется таким образом, что его плотность возрастает в направлении к внутренней поверхности. Чем выше частота тока, тем сильнее эффект смещения тока на внешнюю поверхность проводника а и внутреннюю поверхность проводника б. Таким образом, внешний проводник коаксиальной пары выполняет две функции:1) является обратным проводником цепи передачи;2) защищает (экранирует) передачу, ведущуюся по кабелю, от мешающих влияний.

Витые пары.

Вита́я па́ра — вид кабеля связи, представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой, покрытых пластиковой оболочкой. Свивание проводников производится с целью повышения степени связи между собой проводников одной пары и последующего уменьшения электромагнитных помех от внешних источников, а также взаимных наводок при передаче дифференциальных сигналов. Витая пара — один из компонентов современных структурированных кабельных систем. Используется в телекоммуникациях и в компьютерных сетях в качестве сетевого носителя во многих технологиях. Каждая отдельно взятая витая пара, входящая в состав кабеля, предназначенного для передачи данных, должна иметь волновое сопротивление 100±25 Ом. Симметричные медные пары могут обеспечить передачу сигналов низких частот (до 200 кГц) и высоких частот от 200 кГц до 6... 9 МГц. При этом высокочастотные пары могут быть экранированными, что обеспечивает необходимую защищенность линий от внешних и переходных помех. Симметричные пары могут использоваться в компьютерных сетях на скоростях до 130 Мбит/с на расстояниях до 120 м и даже могут работать на скорости до 1 Гбит/с на более ограниченных расстояниях. Кабель подключается к сетевым устройствам при помощи соединителя 8P8C. Экранирование обеспечивает лучшую защиту от электромагнитных наводок как внешних, так и внутренних. Экран по всей длине соединен с неизолированным дренажным проводом, который объединяет экран в случае разделения на секции при излишнем изгибе или растяжении кабеля. В зависимости от структуры проводников — кабель применяется одно- и многожильный. Одножильный кабель не предполагает прямых контактов с подключаемой периферией. То есть, как правило, его применяют для прокладки в коробах, стенах и т. д. с последующим терминированием розетками. Связано это с тем, что медные жилы довольно толсты и при частых изгибах быстро ломаются. В свою очередь многожильный кабель замечательно ведет себя при изгибах и скручивании. Кроме того, многожильный провод обладает бо́льшим затуханием сигнала. Поэтому многожильный кабель используют в основном для изготовления патчкордов, соединяющих периферию с розетками. Витопарный кабель состоит из нескольких витых пар. Толщина изоляции проводника — около 0,2 мм, материал обычно поливинилхлорид, для более качественных образцов — полипропилен, полиэтилен. Также внутри кабеля встречается так называемая «разрывная нить», которая используется для облегчения разделки внешней оболочки — при вытягивании она делает на оболочке продольный разрез, который открывает доступ к кабельному сердечнику, гарантированно не повреждая изоляцию проводников. Также разрывная нить, ввиду своей высокой прочности на разрыв, выполняет защитную функцию. В общем случае, цвета оболочки не обозначают особых свойств, но их применение позволяет легко отличать коммуникации c разным функциональным назначением, как при монтаже, так и обслуживании. Кабели для наружной прокладки обязательно имеют влагостойкую оболочку из полиэтилена, которая наносится вторым слоем поверх обычной, поливинилхлоридной. Кроме этого, возможно заполнение пустот в кабеле водоотталкивающим гелем и бронирование с помощью гофрированной ленты или стальной проволоки. Реальные кабельные системы подвержены влиянию шумовых помех. Невосприимчивость - это способность кабельной системы противостоять воздействию шумов и помех. Помехи могут генерироваться передающими антеннами, излучением от других электронных устройств или наведенным шумом от электрических приборов. В кабелях UTP и STP применяются две различные стратегии противостояния шумовым помехам. В неэкранированных кабелях основная ставка делается на хороший баланс пар в кабеле. Когда сбалансированность кабельной UTP-системы приближается к идеальной, наведенные шумовые токи на витых проводниках выравниваются и приемник, который способен обнаруживать только разницу напряжений на паре, становиться невосприимчивым к шумовым помехам. Таким образом, даже без защиты с помощью физического "экрана" идеально сбалансированная пара будет демонстрировать отличную невосприимчивость к шуму. В экранированных кабелях поле шумовой помехи наводит ток в металлическом экране кабеля. В результате стекания на землю наведенного тока на сигнальных проводниках под экраном будет наводиться одинаковый по амплитуде и разнофазный ток. По мере приближения качества экрана к идеальному два тока становятся равными по амплитуде и противофазными, компенсируя влияние шумовых помех. Если в кабеле присутствует более одной пары, то для исключения взаимных наводок пар, которые могли бы нарушить электромагнитный баланс, пары скручивают с различным шагом.

В зависимости от наличия защиты — электрически заземлённой медной оплетки или алюминиевой фольги вокруг скрученных пар, определяют разновидности данной технологии:

• незащищенная витая пара (UTP) — отсутствует защитный экран вокруг отдельной пары;

• фольгированная витая пара (FTP) — также известна как F/UTP, присутствует один общий внешний экран в виде фольги;

• защищенная витая пара (STP) — присутствует защита в виде экрана для каждой пары и общий внешний экран в виде сетки;

• фольгированная экранированная витая пара (S/FTP) — внешний экран из медной оплетки и каждая пара в фольгированной оплетке;

• незащищенная экранированная витая пара (SF/UTP) — двойной внешний экран из медной оплетки и фольги, каждая витая пара без защиты.

Наводки, накладываясь на передаваемые по тем же парам полезные сигналы, становятся для последних помехами, которые в силу своей природы называются переходными. Когда уровни полезного сигнала и наводки становятся соизмеримыми, на приеме возникают ошибки, что в конечном итоге снижает качество связи. По месту измерения различают помеху на ближнем и дальнем концах. Если источник помехи и место ее измерения относятся к одному кабелю, то речь идет о внутрикабельной или просто о переходной помехе, если к разным — то о межкабельной или межэлементной. Кроме того, эти факторы могут произвольным образом комбинироваться при анализе. Иначе говоря, в определенных обстоятельствах возникает необходимость в определении, например, суммарной наводки на дальнем конце или даже межкабельной суммарной наводки на ближнем конце. Симметричный кабель, а также стационарная линия и тракт, реализованные на его основе, изначально предназначены для передачи информационного сигнала между пространственно разнесенными точками и, таким образом, представляют собой протяженные объекты. Если источник сигнала, порождающего наводку, и место ее измерения находятся на одном конце этих объектов, то говорят о переходном затухании на ближнем конце NEXT, если на разных — о переходном затухании на дальнем конце FEXT.