Линии связи в информационных каналах связи.

Линии связи являются одним из основных элементов любого канала, определяющим главные технические характеристики канала связи: надежность, помехоустойчивость, нагрузочная способность. По способу физической реализации линии связи подразделяются на четыре вида:

- проводные,

- оптические,

- радиолинии
- оптоволоконные.

В системах управления технологическим оборудованием широкое распространение получили два вида линий - проводные и оптоволоконные. Использование оптических линий затруднено тем, что они требуют размещения приемника с передатчиком в пределах прямой видимости, что далеко не всегда возможно в производственных условиях. Применение радиолиний также проблематично из-за воздействия на канал мощных индустриальных помех с достаточно широкой полосой пропускания, немалую проблему составляют также помехи от многократных отражений радиосигнала от окружающих в основном радио непрозрачных материалов оборудования, зданий, оснащения.

 

Проводные линии связи.

Конструктивной особенностью таких линий является наличие металлических токопроводящих проводников с соответствующей защитной и электрической изоляцией от окружающей Среды. Как известно, передача цифровой информации на физическом уровне носит импульсный характер, но процесс формирования импульса проходит три стадии: нарастание напряжения на проводнике до заданного уровня амплитуды импульса - передний фронт, сохранение амплитуды импульса в течение его информативной длительности, спад напряжение на проводнике до уровня отсутствия информационного импульса - задний фронт. Аналогично изменяется в проводнике и электрический ток, но со сдвигом по фазе на 90 градусов. Таким образом, вследствие изменения напряжения в линии в течение определенного времени сам процесс передачи энергии от передатчика к приемнику носит волновой характер: возникшая в передатчике электромагнитная волна распространяется вдоль сигнальной линии. Дойдя до приемника, волна частично поглощается приемником, а частично - отражается и возвращается к передатчику, где также частично отражается и возвращается снова к приемнику, естественно с определенной задержкой. Таким образом, в сигнальной линии возникает явление называемое стоячей волной. Данная волна производит искажение основного сигнала. Степень искажения характеризуется коэффициентом стоячей волны:

 

КСВv = Vмах / V мин, где:

V мах - максимальная амплитуда результирующей волны,

V мин - минимальная амплитуда результирующей волны.

Степень искажения сигнала и соответственно КСВ зависит в первую очередь от несогласованности сопротивления нагрузки линии и волнового сопротивления линии:

КСВ = Zо / R н при Rн < Zо

и

КСВ = Rн / Zо при Rн > Zо

где: Rн - активное сопротивление нагрузки линии,

Zо - волновое сопротивление линии связи.

Очевидно, что наилучшим будет вариант, когда КСВ = 1, т.е. Zо = Rн, в этом случае волна полностью поглощается нагрузкой и ее отражения не происходит. Однако это частный и достаточно редкий случай, так как для построения экономичных систем передачи информации входное сопротивление нагрузки стараются делать как можно больше, а волновое сопротивление линий связи зависит в основном от их конструктивных параметров. Рассмотрим несколько примеров.

А. Коаксиальный кабель.

Схематическое изображение такого кабеля приведено на рис.26.а.

 

 

А. б. D d

D

 

d

1 2 3 1 2 3

 

 

Рис.26. Схемы сечений линий связи.

 

Кабель состоит из наружного проводника 1, внутреннего проводника 3 и разделяющего их слоя диэлектрика 2.Волновое сопротивление такого кабеля равно:

Zо = 138 / К * ln в / а (Ом), где:

а, в - размеры сечения кабеля на рис.23.а.

К - диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

Значения диэлектрической проницаемости некоторых изолирующих материалов приведены в таблице 11

 

Таблица 11.

Материал диэлектрика	К
Воздух Бакелит Ацетилцеллюлоза Оконное стекло Слюда Бумага Оргстекло Полиэтилен Полистирол Фарфор Кварц Тефлон	4,4...5,4 3,3...9,9 7,6...8,0 5,4 3,0 2,8 2,3 2,6 5,1...5,9 3,8 2,1

 

Выпускаемые отечественной промышленностью коаксиальные кабели обычно сопровождаются данными об их распределенной емкости, индуктивности и волновому сопротивлению. Обозначение типов отечественных кабелей состоит из четырех частей:

- букв РК – признак коаксиального кабеля,

- первое число - волновое сопротивление в Ом,

- второе число - номинальный радиус изоляции, мм,

- третье число - вид изоляции (диэлектрика) и порядковый номер разработки:

вид изоляции обозначается: 1 - полиэтилен, 2 - фторопласт, 3 - полистирол, 4 - полипропилен, 5 - резина, 6 - неорганическая изоляция.

 

В таблице 12 приведены данные некоторых типов отечественных и зарубежных коаксиальных кабелей.

Таблица12..

Марка кабеля	Волновое сопротивление, Ом	Распределенная емкость, Пф/м	Распределенная индуктивность Мкгн/м	Наружный диаметр, мм
РК-50-2-13 РК-50-3-13 РК-50-2-21 РК-75-2-21 РК-75-3-11 РК-75-1,5-11   RG-8A/U RG-11A/U RG-59A/U 214-023 214-076	- - - - -	96,8 67,3 68,9 65,6 12,8	- - - - - -   0,27 0,38 0,36 0,36 1,15	4,0 5,0 4,0 4,0 5,0 3,0   - - - - -

 

Волновое сопротивление можно рассчитать по известным значениям распределенных емкости и индуктивности:

Zо = L / C (Ом), где:

 

L - распределенная индуктивность в Гн /м,

С - распределенная емкость в Ф / м.

 

Б. Двухпроводная линия.

Схематическое изображение такой линии приведено на рис. 26.б. Волновое сопротивление такой линии (витая пара, ленточные кабели - шлейфы и т.п.) можно рассчитать по формуле:

 

Zо = 276 / К * ln D / d (ом), где:

D, d - размеры линии по рис. 23.б.

Как показано выше, наилучшие условия передачи энергии по линии возникают при условии КСВ = 1, В большинстве же случаев КСВ не равен единице.

 

Оптоволоконные линии связи.

 

Основным недостатком проводных линий связи является их низкая помехоустойчивость, поскольку проводники в линии, обладая определенной емкостью и индуктивностью, проявляют себя как некоторый колебательный контур в цепи передачи сигнала. Этот контур, естественно в сильной степени подвержен влиянию внешних индустриальных помех, что в свою очередь увеличивает потери в линиях связи, и уменьшают ширину полосы пропускания сигнала.

Оптоволоконные линии в своей работе используют принцип полного отражения модулированного светового потока от стенок световода, который выполняет роль линии связи. На рис. 24. показан принцип работы световода в качестве линии связи.

 

 

1 f f 2

 

5

4 3

 

Рис.27. Схема распространения лучей в световоде:

1 - отраженный луч, 2 - выходящий луч, 3 - светопроводящая сердцевина,

4 - оболочка, 5 - падающий луч света.

 

Световой поток 3, войдя в световод 1, распространяется вдоль световода до выхода из него. При прохождении по световоду часть энергии потока теряется за счет поглощения ее материалом световода и рассеивается через стенки, однако эти потери невелики и составляют порядка 1дБ /км Поэтому в системах управления ГПС, где длины линий связи не велики оптоволоконные линии практически работают без потерь. Однако потери энергии при передаче существуют и зависят они главным образом от качества элементов ввода светового потока в световод и вывода из него, включая и элементы соединения отдельный отрезков световодов. На рис.28. показана схема работы оптоволоконной линии связи. Входной сигнал от абонента ТТЛ -уровня с помощью излучателя 2 превращается в модулированный световой поток, который вводится в световод 4.На выходе световода с помощью фотодиода 5 и усилителя 6 световой поток вновь превращается в электрический сигнал ТТЛ или иного уровня.

4 5

2 __6

ТТЛ -вход ТТЛ -выход

 

1 7

 

Рис.28. Схема оптоволоконной линии связи:

1 - возбудитель светового потока, 2 - светодиод, 3 - передатчик,

4 - оптический кабель, 5- приемник, фотодиод, 7- усилитель.

 

 

В качестве излучателей применяются либо обычные, либо лазерные светодиоды. Обычные светодиоды имеют линейную зависимость мощности светового потока от тока подкачки, т.е. тока через светодиод, в то время как лазерные светодиоды имеют явно выраженную пороговую зависимость светового потока от тока подкачки. Эти факторы приводят к тому, что у обычных светодиодов весьма значительны потери энергии при вводе в световод и составляют 14...18 дБ, в то время как у лазерных потери составляют 3...8 дБ.

Фотоприемники светового потока бывают двух типов: с внутренним лавинным усилителем (ЛФД) и без него. Первые обладают более высокой чувствительностью, но имеют более продолжительный задний фронт, что при высоких скоростях передачи информации может привести к межсимвольным искажениям.

Оптоволоконные линии, по сравнению с проводными, обладают одним весьма важным преимуществом - широкой полосой пропускания, что объясняется невосприимчивостью светового потока к действию внешних индустриальных помех. Полоса пропускания оптоволоконной линии может достигать значения 10¹³ гц, в то время как у проводных линий полоса пропускания не превышает нескольких МГц. Данное обстоятельство позволяет организовать на одной оптоволоконной линии большое число отдельных сигнальных линий путем их частотного разделения. Недостатком оптоволоконных линий являются более высокие, по сравнению с проводными, требования к конструктивному исполнению устройств ввода и вывода светового потока, а также элементов стыковки отдельных световодов между собой. Непараллельность плоскостей стыков и их относительное смещение приводит в большим потерям световой энергии.

Несмотря на указанные недостатки, оптоволоконные линии находят все большее применение, особенно при передаче информации на большие расстояния. Немаловажным аргументом в пользу оптоволоконных линий является их низкая, по сравнению с проводными, стоимость материала линии.