Модульная единица 2. Конструкции и характеристики направляющих систем электросвязи.

Кабель – электротехническое изделие, содержащее совокупность направляющих систем, объединённых в одну конструкцию. Кабель имеет общую металлическую оболочку и защитные покровы. Каждая пара проводов образует электрическую цепь. Современные кабели связи классифицируются по ряду признаков. 

                         

                   Рис. 3.1 – Классификация кабелей связи

Электрические кабельные направляющие среды в телекоммуникациях исторически использовались первыми. И сегодня по суммарной длине они превосходят даже спутниковые каналы связи. Основную долю этих каналов, насчитывающих многие сотни тысяч километров, составляют телефонные медные кабели [3.26].

Современные искусственные направляющие системы передачи высокочастотной энергии разделяются на:
– воздушные линии связи (ВЛС);
– симметричные кабели (СК), коаксиальные кабели (КК);
– сверхпроводящие кабели (СПК);
– волноводы (В);
– световоды (С), оптические кабели (ОК);
– 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 (ДВ) — это стержень круглого или прямоугольного сечения, выполненный из высокочастотного материала (полиэтилена, стирофлекса).

Полосковая линия (ПЛ) состоит из плоских ленточных проводников с расположенной между ними изоляцией.

Оптический кабель представляет собой скрутку из оптических волокон, называемых световодами, объединенных в единую конструкцию.

       Радиочастотные кабели (РК) имеют коаксиальную, симметричную или спиральную конструкцию.

Последние три типа направляющих систем (ДВ, ПЛ, РК) имеют локальное назначение и используются в качестве фидеров передачи энергии на короткие расстояния от антенн к аппаратуре.

Направляющие системы могут быть классифицированы в первую очередь по длине волны и частотному диапазону их использования.

       Известно, что воздушные линии используются в диапазоне до 10 Гц, симметричные кабели – до 1 MГц, а коаксиальные кабели – до 100 MГц для магистральной связи и до 1 ГГц для устройств антенно–фидерных трактов. Сверхпроводящие кабели имеют преимущественно коаксиальную конструкцию и предназначены для использования в частотном диапазоне коаксиальных систем (до 1 ГГц).

       Активное внедрение в современные телекоммуникационные системы новых направляющих сред передачи, таких как волноводы и оптические световоды (ОК), связано с освоением новых, более высоких частот миллиметрового и оптического диапазонов. Волноводы междугородной связи предназначены для работы на частотах до 100 ГГц (миллиметровые волны), а оптические световоды используют частоты 100000 ГГц (оптический диапазон волн 0,85...... 1,55 мкм). Осваиваются также волны 2...6 мкм. Оптические световоды и волноводы, использующие очень высокие частоты, принципиально позволяют образовывать огромное число каналов.

Проводные (воздушные) линиисвязи представляют собой провода без каких–либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и висящие в воздухе. По таким линиям связи традиционно передаются телефонные или телеграфные сигналы, а при отсутствии других возможностей эти линии используются и для передачи компьютерных данных. Скоростные качества и помехозащищенность этих линий оставляют желать много лучшего. Сегодня проводные линии связи быстро вытесняются кабельными линиями.

Обычные кабели являются хорошим средством для передачи сигнала, но они не совершенны. Любые сигналы при перемещении через любую среду затухают. Это происходит из–за уменьшения амплитуды сигнала.

Когда по проводнику протекает синусоидальный ток вокруг движущихся в металле электронов, возникают электрическое и магнитное поля. Попробуем увеличить частоту синусоидального тока в проводнике. Сотни Герц…Килогерцы…Сотни Мегагерц. Мы обнаруживаем (естественно, с помощью приборов), что ток с ростом частоты все сильнее и сильнее вытесняется из толщи проводника к его поверхности. Электромагнитное поле вне проводника возрастает, и вот на очень высоких частотах ток полностью вытесняется из проводника. Проводник начинает излучать всю электромагнитную энергию в пространство, передача ее по проводу прекратилась, провод превратился в антенну.

Рис 3.3 Явление поверхностного эффекта

Описанное явление вытеснения тока к внешней поверхности проводника получило у специалистов название поверхностного эффекта. Это и приводит к ослаблению сигналов при передаче. Кроме этого, с ростом частоты растут омические потери в проводниках и потери в диэлектрике. При этом форма электрического сигнала изменяется с расстоянием – сигнал искажается.

       Кабельные линии представляют собой достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической, а также, возможно, климатической. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими быстро выполнять присоединение к нему различного оборудования. В компьютерных сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов, коаксиальные кабели с медной жилой, а также волоконно–оптические кабели.

Скрученная пара проводов называется витой парой (twisted pair). Витая пара существует в экранированном варианте (Shielded Twistedpair, STP), когда пара медных проводов обертывается в изоляционный экран, и неэкранированном (Unshielded Twistedpair, UTP), когда изоляционная обертка отсутствует. Скручивание проводов снижает влияние внешних помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю. Внешний вид витой пары представлен на рис. 3.4.

 

Защитное        Двухпроводная

пластиковое   витая медная жила

покрытие         

Рис. 3.4 Конструкция витой пары.

 

Витая пара состоит из двух изолированных медных проводов, обычно диаметром в 1 мм. Провода свиваются один вокруг другого в виде спирали, напоминая молекулу ДНК. Это позволяет уменьшить электромагнитное взаимодействие расположенных рядом нескольких витых пар. (Два параллельных провода образуют простейшую антенну, витая пара – нет.)

Под действием переменного поля происходит перераспределение электромагнитной энергии по сечению проводников, при этом наблюдаются следующие явления: поверхностный эффект и эффект близости соседних проводников. Эффект близости связан с взаимодействием внешних полей. Как видно из рис. 2.12, внешнее поле Н проводника а, пересекая толщину проводника б, наводит в нем вихревые токи. На поверхности проводника б, обращенной к проводнику а, они совпадают по направлению с протекающим по нему основным током (I+Iв.т). На противоположной поверхности проводника б они направлены навстречу основному току (I – Iв.т). Аналогичное перераспределение токов происходит в проводнике а.

Витая пара может передавать сигнал без усиления на расстоянии в несколько километров, на больших расстояниях требуются повторители. Большое количество витых пар, тянущихся на большое расстояние в одном направлении, объединяются в кабель, на который надевается защитное покрытие. Если бы пары проводов, находящиеся внутри таких кабелей, не были свиты, то они бы интерферировали друг с другом. Телефонные кабели диаметром в несколько сантиметров можно видеть там, где они протянуты на столбах. Витые пары могут использоваться для передачи как аналоговых, так и цифровых сигналов. Полоса пропускания зависит от диаметра и длины провода, но скорость в несколько мегабит в секунду может быть достигнута в большинстве случаев на расстоянии до нескольких километров. Благодаря довольно высокой пропускной способности и небольшой цене витые пары довольно широко распространены и, скорее всего, будут популярны и в будущем.

Другим распространенным средством передачи данных является коаксиальный кабель. Коаксиальный кабель (coaxial) имеет несимметричную конструкцию и состоит из внутренней медной жилы и оплетки, отделенной от жилы слоем изоляции. Разрез коаксиального кабеля представлен на рис. 3.5. Существует несколько типов коаксиального кабеля, отличающихся характеристиками и областями применения – для локальных сетей, для глобальных сетей, для кабельного телевидения и т. п.

 

 

Защитное     Внешняя           Изолятор  Медный

пластиковое проводящая                            сердечник

покрытие      оплетка

Рис.3.5. Коаксиальный кабель

 

У коаксиального кабеля лучшая защита, чем у витой пары, поэтому он может обеспечить передачу данных на большие расстояния и на более высоких скоростях. Широко применяются два типа кабелей: узкополосные и широкополосные. Коаксиальный кабель состоит из твердого медного провода, расположенного в центре кабеля, окруженного изоляцией. Вокруг изоляции размещается цилиндрический проводник, часто в виде мелкой медной сетки. Наружный проводник покрыт защитной пластиковой оболочкой.

Благодаря своей конструкции коаксиальный кабель обладает высокой пропускной способностью и отличной помехозащищенностью. Пропускная способность зависит от длины кабеля. Для кабеля длиной в 1 км достижима скорость передачи данных от 1 до 2 Гбит/с. [3.1]. Могут также использоваться кабели большей длины, но при меньших скоростях передачи данных или с использованием промежуточных усилителей. Коаксиальные кабели широко применялись в телефонных системах, однако теперь на линиях большой протяженности они в основном заменяются оптоволоконными кабелями.

Другой тип коаксиальной кабельной системы использует передачу аналоговых данных по стандартному телевизионному кабелю. Такая система называется широкополосной. Хотя термин "широкополосный" происходит из мира телефонии, где он обозначает полосу частот шире 4 кГц, в мире компьютерных сетей "широкополосный кабель" означает кабельную сеть, использующую аналоговую передачу.

Так как широкополосные сети используют стандартную технологию кабельного телевидения, в кабелях может применяться несущая частота до 300 МГц (а часто до 450 МГц), и благодаря использованию аналогового сигнала, который менее критичен к затуханию, нежели цифровой, кабели могут тянуться на расстояние до 100 км [3.23]. Для передачи цифровых сигналов по аналоговым сетям интерфейс должен содержать электронные устройства для преобразования выходного потока бит в аналоговый сигнал, и наоборот. В зависимости от типа этих электронных устройств 1 бит/с скорости передачи может занимать примерно 1 Гц полосы пропускания. На более высоких частотах достижимы несколько бит на герц при использовании современной модуляционной техники.

Основное различие между узкополосной и широкополосной системой заключается в том, что широкополосные системы обычно покрывают большие территории и поэтому нуждаются в периодически устанавливаемых усилителях для борьбы с ослаблением сигнала. Такие усилители могут передавать сигналы лишь в одном направлении, в результате чего компьютер не может послать данные "против течения". Для решения этой проблемы были разработаны два типа широковещательных систем: двух кабельные и одно кабельные. Двухкабельные системы состоят из двух протянутых параллельно одинаковых кабелей.

Другая схема использует для приема и передачи различные частотные диапазоны на одном и том же кабеле. Низкочастотный диапазон обычно используется для передачи от компьютера к головной станции, которая переносит сигнал в область высоких частот и передает его обратно. В системе двухсторонней передачи с разбиением полосы на две неравные части частоты от 5 до 30 МГц используются для входящих сообщений, а частоты от 40 до 300 МГц – для исходящих. В системе двухсторонней передачи с разбиением полосы на две равные части входной диапазон располагается в пределах от 5 до 116 МГц, а выходной диапазон – от 168 до 300 МГц.

Технически широкополосный кабель уступает узкополосному (то есть одноканальному) кабелю в передаче цифровых данных, однако у него есть то преимущество, что огромное количество широкополосных кабелей уже протянуто и используется. Соперничество между кабельным телевидением и телефонными компаниями идет полным ходом. Ожидается, что кабельные телевизионные системы вскоре станут региональными компьютерными сетями и будут все чаще предлагать также телефонные и другие услуги.

Электрические кабели содержат десятки или даже сотни скрученных пар проводов. Полоса пропускания таких кабелей обычно составляет (3–3,5) кГц при длине 2–10 км. Эта полоса диктовалась ранее нуждами аналогового голосового обмена в рамках коммутируемой телефонной сети. C учетом возрастающих требованиям к широкополосности каналов скрученные пары проводов пытались заменить коаксиальными кабелями, которые имеют полосу от 100 до 500 МГц (до 1 Гбит/с), и даже полыми волноводами. Именно коаксиальные кабели стали в начале транспортной средой локальных сетей ЭВМ (10base–5 и 10base–2; см. рис. 3.6).

 

Рис. 3.6. (1 – центральный проводник; 2 – изолятор; 3 – проводник–экран; 4–внешний изолятор)

 

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 представлена схема наводок по экрану коаксиального кабеля. Входной сигнал подается через центральную жилу с одной стороны кабеля. На противоположной стороне кабель нагружен на сопротивление R, равное волновому сопротивлению (импедансу) кабеля. Если экран кабеля соединен с землей на обоих концах, то при наличии источника наводок по экрану будет протекать переменный ток наводки.

 

Рис. 3.7. Схема наводок по экрану коаксиального кабеля

 

Импульсное значение токов наводки U_Н будет пропорционально L(dI_H/dt), где L – индуктивность оплетки кабеля, а I_H – ток наводки. В результате ток наводки складывается с током входного сигнала. При определенных обстоятельствах (при большом суммарном токе) это может 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 несколько Гбит/сек. Предельные расстояния, для которых может быть применен коаксиальный кабель составляет 10–15 км.

По мере развития технологии «скрученные пары» вытеснили из этой области коаксиальные кабели. Это произошло, когда полоса пропускания скрученных пар достигла 200–350 МГц при длине 100м (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. Однако основополагающей причиной вытеснения коаксиальных кабелей явилась относительная дешевизна 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 весьма ограниченных расстояний. В таблице 3.1. приведены характеристики каналов, базирующихся на обычном и широкополосном коаксиальном кабелях.

 

Таблица 3.1

	Стандартный кабель	Широкополосный кабель
Максимальная длина регенеративного участка	2 км	(10–15) км
Скорость передачи данных	(1–50) Мбит/с)	(100–140)Мбит/с
Режим передачи	полудуплекс	дуплекс
Ослабление влияния электромагнитных и радиочастотных наводок	50дБ	85дБ
Число подключений	устройств	1500 каналов с одним или более устройств на канал
Доступ к каналу	CSMA/CD	FDM/FSK

 

На рис. 3.8 показана зависимость ослабления кабеля (внешний диаметр 0,95 см) от частоты передаваемого сигнала [3.31].

Рис. 3.8. Зависимость ослабления сигнала в кабеле от его частоты.

 

Конкретные зависимости ослабления сигнала от частоты и длины кабеля в децибелах представлены в таблице 3.2[Семенов Ю. А].

 

Таблица 3.2

Частота [МГц]	Ослабление для кабеля 5–ой категории [дБ]			Ослабление для кабеля 6–ой категории [дБ]
	Кабель 2м	Кабель 5м	Кабель 10м	Кабель 2м	Кабель 5м	Кабель 10м
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

 

       Скрученные пары 5–ой категории при волновом сопротивлении равном 100,15 Ом работают в полосе 100 МГц, обеспечивая передачу сигналов АТМ с пропускной способностью 155Мбит/c. При 4–х скрученных парах это позволяет осуществлять передачу до 622 Мбит/с.

Кабели 6–ой категории сертифицируются до частот 300 Мгц, а экранированные и до 600 МГц (волновое сопротивление 100 Ом). В таблице 3.3 приведены данные по затуханию и перекрестным наводкам. Приведены характеристики такого кабеля с 4–мя скрученными экранированными парами (S–FTP).

Таблица 3.3

Частота [МГц]	Затухание, дБ/100м	NEXT, дБ	ACR, дБ/100м
1	2,1	80	77,9
10	6,0	80	74
100	19,0	70	51
300	33,0	70	37
600	50,0	60	10

 

В представленной таблице:

NEXT – Near End Cross Talk – перекрестные наводки ближнего конца кабеля.
ACR – Attenuation–to Crosstalk Ratio. Ratio (отношение ослабления к относительной величине перекрестных наводок).

 

Представленный кабель пригоден для передачи информации со скоростью более 1 Гбит/с. При расстояниях до 100 метров с успехом могут использоваться скрученные пары и коаксиальные кабели, обеспечивая полосу пропускания до 150 Мбит/с, при больших расстояниях или более высоких частотах передачи оптоволоконный кабель предпочтительнее.

В отличие от обычных кабелей, обладающих электрической проводимостью и током проводимости , оптические кабели имеют совершенно другой механизм — они обладают токами смещения , на основе которых функционируют радиолинии, рассмотренные выше. Отличие от радиолиний состоит в том, что волна не распространяется в свободном пространстве, а концентрируется в самом объеме светового волновода и передается по нему в заданном направлении (рис.3.9).

Рис.3.9. Процесс передачи: а – беспроводная связь (радиосвязь); б—волоконно–оптическая связь.

 

Передача волны по световоду осуществляется за счет отражений ее от границы сердцевины и оболочки, имеющих разные показатели преломления n₁ n₂. В обычных кабелях носителем передаваемой информации является электрический ток, а в оптическом волноводе—лазерный луч.

В обычных широко используемых в настоящее время симметричных и коаксиальных кабелях передача организуется по двухпроводной схеме с применением прямого и обратного проводников цепи (рис.3.10а), по которым движутся электроны [3.9].

Рис. 3.10. Передача энергии по двухпроводным (а) и волноводным (б) направляющим средам

 

В световодах, волноводах и других направляющих средах (НС) нет двух проводников, и передача происходит волноводным методом по закону многократного отражения волны от границ раздела сред (рис.3.7б). Такой отражательной границей может быть металл—диэлектрик, диэлектрик—диэлектрик с различными диэлектрическими (оптическими) свойствами и др.

Граница раздела двухпроводных (двухсвязных) и волноводных (односвязных) НС характеризуется в первую очередь соотношением между длиной волны λ и поперечными размерами направляющей среды d.

При λ  должно быть два провода: прямой и обратный, и передача происходит по обычной двухпроводной схеме; в противном случае не требуется двухпроводная система, и передача осуществляется за счет многократного отражения волны от границ раздела сред с различными характеристиками. Поэтому передача по волноводным системам (световым волнововодам, волноводам и другим НС) возможна лишь в диапазоне очень высоких частот, когда длина волны меньше, чем поперечные размеры, т.е. диаметр НС.

Оптические микронные волны подразделяются на три диапазона: инфракрасный (ИКД), видимый (ВД) и ультрафиолетовый (УФД) (табл.3.4). В настоящее время используются в основном волны длиной 0,7...1,6 мкм и ведутся работы по освоению ближнего инфракрасного диапазона: 2; 4; 6 мкм.

               Таблица 3.4

Диапазон	ИКД	ВД	УФД
f, Гц	10^12... 10^14	10^—14... 10^15	10^15... 10^17
, мкм	0,75...100	0,4...0,75	0,01...0,4

 

Таким образом, оптические кабели, также как и беспроводная связь используются для передачи электромагнитной энергии, в то время как электрические кабели используются для передачи тока проводимости (табл.3.5).

 

Таблица 3.5 (Передача по электрическим (ЭК), оптическим (ОК) кабелям и беспроводным каналам (БС))

Среда передачи	ЭК	БС	ОК
Ток	Iпр	Iсм	Iсм

 

В разных системах используются различные среды (направляющая или открытая) и разные токи (I_пр и I_см). Особенности этих НС связаны с частотными ограничениями при передаче энергии. Принципиально различен частотный диапазон передачи по волноводным и двухпроводным системам. Волноводные системы имеют частоту отсечки — критическую частоту f₀, ведут себя как фильтры ВЧ, и по ним возможна лишь передача волн длиной менее чем λ₀. Двухпроводные системы свободны от этих ограничений и способны передавать весь диапазон частот — от нуля и выше.

       В настоящее время одной из наиболее перспективных кабельных систем, обеспечивающих передачу больших объемов информации с требуемой надежностью и достоверностью, являются волоконно–оптические системы, рассмотрению которых уделим основное внимание.

Контрольные вопросы:

1. Симметричные кабели связи их конструктивные элементы и требования к ним: токопроводящие жилы, изоляция, скрутка, построение сердечника.

2. Оболочки и защитные покровы.

3. Коаксиальные кабели и их электрические характеристики.

4. Конструктивные и электрические характеристики симметричных кабелей.

5. Конструктивные и электрические характеристики симметричных кабелей связи для цифровых систем передачи.