2.2 Линии и каналы связи

Существующие типы линий связи в зависимости от используемой среды распространения сигналов принято делить на проводные и линии в атмосфере (радиолинии).

К линиям связи предъявляются следующие основные требования:

· осуществление связи на практически требуемые расстояния;

· широкополосность и пригодность для передачи различных видов сообщений;

· защищенность цепей от взаимных влияний и внешних помех, а также от физических воздействий (атмосферных явлений, коррозии и пр.);

· стабильность параметров линии, устойчивость и надежность связи;

· экономичность системы связи в целом.

Проводные линии связи на основе металлических проводников

В простейшем случае проводная линия связи -физическая цепь, образуемая парой металлических проводников.

К основным характеристикам линий связи относятся:

· амплитудно-частотная характеристика;

· полоса пропускания;

· затухание;

· помехоустойчивость;

· перекрестные наводки на ближнем конце линии;

· пропускная способность;

· достоверность передачи данных;

· удельная стоимость.

В первую очередь разработчиков вычислительной сети интересуют пропускная способность и достоверность передачи данных, поскольку эти характеристики прямо влияют на производительность и надежность создаваемой сети. Пропускная способность и достоверность - это характеристики, как линии связи, так и способа передачи данных. Поэтому если способ передачи (протокол)уже определен, то известны и эти характеристики. Например, пропускная способность цифровой линии всегда известна, так как на ней определен протокол физического уровня, который задает битовую скорость передачи данных - 64Кбит/с, 2 Мбит/с и т. п.

Однако нельзя говорить о пропускной способности линии связи, до того как для нее определен протокол физического уровня.Именно в таких случаях, когда только предстоит определить, какой из множества существующих протоколов можно использовать на данной линии, очень важными являются остальные характеристики линии, такие как полоса пропускания,перекрестные наводки, помехоустойчивость и другие характеристики.

Кабельные линии связи

Кабельные линии связи (кабели связи) образованы проводами с изоляционными покрытиями, помещенными в защитные оболочки. По конструкции и взаимному расположению проводников различают симметричные и коаксиальные кабели связи.

Симметричная цепьсостоит из двух совершенно одинаковых в электрическом и конструктивном отношениях изолированных проводников. В зарубежных источниках симметричные кабели часто называют«витая пара»(TP - twisted pair). Различаютэкранированные (shielded) и неэкранированные (unshielded) симметричные кабели.

Коаксиальная цепьпредставляет 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.

Рассмотрим основные параметры кабелей с металлическими проводниками.

Коэффициент затухания a ,дБ/км. Зависит от свойств материалов проводников и изоляционного материала. Наилучшими свойствами (малым сопротивлением) обладают медь и серебро. Коэффициент затухания зависит также от геометрических размеров проводников. Симметричный кабель с большими диаметрами проводников обладают меньшим коэффициентом затухания.

Очень важной характеристикой, фактически определяющей широкополосность системы связи, является зависимость коэффициента затухания от частоты. Если определен граничный коэффициент затухания a ГР (обычно он определяется возможностями усилителей или регенераторов), то данному коэффициенту соответствует граничная частота пропускания системы f ГР .Полоса пропусканиясистемы не превышает граничной частоты пропускания.

Скорость распространенияv, км/мс. С ростом частоты скорость распространения увеличивается, приближаясь к скорости света в вакууме v С » 300 км/мс. Данный параметр зависит также от свойств диэлектрика, применяемого в кабеле.

Волновое сопротивление(импеданс) 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 симметричного кабеля зависит от удельных значений емкости и индуктивности кабеля. Диаметр жилы СК обычно составляет 0.4...1.2 мм. Коаксиальные СК обычно используются в диапазоне частот до 10 МГц.

Активное сопротивление - это сопротивление постоянному току в электрической цепи. В отличие от импеданса активное сопротивление не зависит от частоты и возрастает с увеличением длины кабеля.

Емкость - это свойство металлических проводников накапливать энергию. Два электрических проводника в кабеле,разделенные диэлектриком, представляют собой конденсатор, способный накапливать заряд. Емкость является нежелательной величиной, поэтому следует стремиться к тому, чтобы она была как можно меньше (иногда применяют термин «паразитная емкость»). Высокое значение емкости в кабеле приводит к искажению сигнала и ограничивает полосу пропускания линии.

Уровень внешнего электромагнитного излучения или электрический шум.Электрический шум - это нежелательное переменное напряжение в проводнике. Электрический шум бывает двух типов: фоновый и импульсный. Электрический шум можно также разделить на низко-,средне- и высокочастотный. Источниками фонового электрического шума в диапазоне до 150 кГц являются линии электропередачи, телефоны и лампы дневного света; в диапазоне от 150 кГц до 20 МГц - компьютеры, принтеры, ксероксы; в диапазоне от20 МГц до 1 ГГц - телевизионные и радиопередатчики, микроволновые печи.Основными источниками импульсного электрического шума являются моторы,переключатели и сварочные агрегаты. Электрический шум измеряется в милливольтах.

Помимо универсальных характеристик, таких,например, как затухание, которые применимы для всех типов кабелей, существуют характеристики, которые применимы только к определенному типу кабеля. Например,параметр шаг скрутки проводов используется только для характеристики витой пары, а параметр NEXTприменим только к многопарным кабелям на основе витой пары.

В настоящее время проводные линии связи широко используются при построении локальных вычислительных сетей (подробнее тему ЛВСрассмотрим далее). Данные линии связи стандартизированы и обычно называются структурированной кабельной системой. Известны кабельные системы категорий 3, 4, 5 стандартовEIA/TIA-568, TSB-36, TSB-40 специального подкомитета TR41.8.1.

Базовыми стандартами структурированных кабельных систем являются: ANSI/TIA/EIA-568-B. Стандарт телекоммуникационных кабельных систем ком-мерческих зданий, 2001г;ISO/IEC 11801. Информационные технологии. Струк-турированная кабельная система для помещений заказчиков, 2002 год; EN 50173, Информационные технологии. Структурированные кабельные системы, 2008 года. В Российской Федерации с 01.01.2010 г. введены в действие ГОСТ Р 53246-2008 и ГОСТ Р 53245-2008, которые определяют общие требования к основным узламСКСи методику испытания, соответственно.

Воздушные линии связи

Воздушные линии связи не имеют изолирующего покрытия между проводниками, роль изолятора играет слой воздуха. Проводники выполняются, в основном, из биметаллической сталемедной (сталеалюминевой) проволоки. Внутренний диаметр стальной проволоки обычно составляет 1.2...4 мм, толщина внешнего слоя меди (алюминия) - 0.04...0.2 мм.Проволока подвешивается на деревянных или железобетонных опорах с помощью фарфоровых изоляторов. Используемый частотный диапазонВЛСне превышает 150 кГц.

Цепи линий связи постоянно находятся под воздействием сторонних электромагнитных полей различного происхождения.Различают две основные группы источников сторонних полей (помех):

· внутренние- соседние физические и искусственные цепи данной линии связи;

· внешние- энергетически и конструктивно не связанные с линией связи.

Внешние источники помех в свою очередь по своему происхождению делятся на:

· естественные- грозовые разряды, солнечная радиация и пр.;

· созданные человеком- высоковольтные линии передачи, радиостанции, линии электрифицированных железных дорог, электрические сети промышленных предприятий и отдельные энергоемкие устройства.

Сторонние электромагнитные поля индуцируют в цепях линий связи помехи, которые не только снижают качество передачи, но иногда возбуждают большие напряжения и токи, приводящие к разрушению линий связи и аппаратуры. Указанные воздействия называют электромагнитными влияниямина цепилиний связи.

Данная проблема является общей для всех систем и устройств телекоммуникаций и называется проблемой электромагнитной совместимости.Сущность ее состоит в том, что в процессе проектирования, строительства и эксплуатации телекоммуникационных устройств и систем необходимо учитывать два противоречивых требования:

· необходимо обеспечить достаточную для нормальной работы телекоммуникационных систем защиту от воздействия на них сторонних электромагнитных полей;

· необходимо ограничить допустимыми значениями уровни влияния электромагнитных полей проектируемых устройств и систем на другие устройства.

Волоконно-оптические линии связи

Волоконно-оптические линии связи(ВОЛС)имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с линиями связи на основе металлических кабелей. К ним относятся: большая пропускная способность, малое затухание,малые масса и габариты, высокая помехозащищенность, надежная техника безопасности, практически отсутствующие взаимные влияния, малая стоимость из-за отсутствия в конструкции цветных металлов.

В ВОЛСприменяют электромагнитные волны оптического диапазона. Напомним, что видимое оптическое излучение лежит в диапазоне длин волн 380...760 нм. Практическое применение вВОЛСполучилинфракрасныйдиапазон, т.е. излучение с длиной волны более 760 нм.

В оптическом волноводе может одновременно существовать несколько типов волн (мод).В зависимости от модовых характеристик оптическое волокно со ступенчатым профилем преломления делятся на два вида:многомодовые и одномодовые .

Радиолинии связи

В радиолиниях связисредой распространения электромагнитных волн в подавляющем большинстве случаев (за исключением случая связи между космическими аппаратами) является атмосфера Земли. Строение атмосферы сложно и условно разделяется на тропосферу, стратосферу и ионосферу.Высота слоев приблизительна и различна для разных географических точек Земли. В тропосфере сосредоточено около 80% массы атмосферы и около 20% - в стратосфере.Плотность атмосферы в ионосфере крайне мала, граница между ионосферой и космическим пространством является условным понятием, так как следы атмосферы встречаются даже на высотах более 400 км. Считается, что плотные слои атмосферы заканчиваются на высоте около 120 км.

Линия радиосвязиможет состоять из двух оконечных станций. Типичным примером таких радиолиний являются линии сетей передачи сообщений массового характера (сети телевизионного и радиовещания). Радиолиния может содержать несколько промежуточных переприёмных станций. Так строятся линиирадиорелейных систем передачи.

Радиоволны, излучаемые передающей антенной,прежде чем попасть в приемную антенну, проходят в общем случае сложный путь. На величину напряженности поля в точке приема оказывает влияние множество факторов. Основные из них:

· отражение электромагнитных волн от поверхности Земли;

· преломление (отражение) в ионизированных слоях атмосферы (ионосфере);

· рассеяние на диэлектрических неоднородностях нижних слоев атмосферы (тропосфере);

· дифракция на сферической выпуклости Земли; 

Напряжённость электрического поля — векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы F действующей на пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда q:E=F\q

Также напряженность поля в точке приема зависит от типа применяемых антенн, неоднородностей в атмосфере, от длины волны, освещенности земной атмосферы Солнцем и ряда других факторов.