7.1. Медные кабельные линии

Составной частью системы передачи является линия передачи, по которой распространяются электромагнитные сигналы. В зависимости от конкретных условий, в которых организуется связь, для передачи сигналов используют проводные или радиолинии.

По проводным линиям электромагнитное поле распространяется вдоль непрерывной направляющей среды. К ним относятся воздуш ные и кабельные линии, волновые, световоды. По радиолиниям со общения передаются посредством распространения электромагнит ных волн в свободном пространстве.

Исторически первыми возникли и применяются до настоящего времени воздушные линии (цепи). Воздушная цепь представляв! собой пару изолированных металлических проводов, закрепленных на некотором расстоянии друг от друга, в результате чего роль изолятора между проводами выполняет воздух. Подвешиваются провода на деревянных или железобетонных опорах.

Недостатками воздушных цепей - значительное влияние климати ческих условий на устойчивость работы системы связи, высокий уро вень помех (от высоковольтных линий, контактной сети электрифици рованных железных дорог, радиостанций), малый диапазон частот.

Кабель связи представляет собой некоторое количество проводим ков, изолированных друг от друга. В качестве изоляции используются кабельная бумага или различные разновидности пластмасс. Для пре дохранения от проникновения влаги проводники заключаются в гер метическую оболочку. Сверху накладывают защитные покровы, пре дохраняющие кабель от механических повреждений.

Пара проводников образует электрическую цепь, по которой пе редается сигнал. Переход от воздушной цепи к кабельной позво лил существенно уменьшить влияние климатических условий на работу систем связи, снизить уровень помех, расширить рабочий диапазон частот. Кабели подразделяются на подземные, подвод ные и подвесные.

Старейшие среди современных кабелей связи - городские теле фонные кабели. Да и самой разветвленной кабельной сетью является городская телефонная сеть (не секрет, что большая часть телефонов находится у жителей городов).

Рис. 7.1. Кабели связи

Городские телефонные кабели бывают разные (рис. 7.1). Они могут содержать от 10 (такие кабели заводят в подъезды домов и под-ключают к распределительным коробкам, откуда телефонные про-вода тянутся в каждую квартиру) до 500, 1000 и даже 3000 пар про-водов (а такие кабели используют для того, чтобы собрать воедино тянущиеся от жилых массивов к АТС более мелкие кабели). Каждая жила кабеля изолируется кабельной бумагой или бумажной массой, получаемой из целлюлозы. Жилы скручиваются определенным об-разом вмеете и помещаются в прочную свинцовую оболочку. В по-следние годы, благодаря успехам химии, на смену бумажной изоля-ции жил и свинцовой оболочке пришли различные пластмассы (по­лиэтилен, поливинилхлорид, фторопласт). Прокладываются город-ские телефонные кабели в подземной канализации в асбестоцементных трубах.

Для связи между городами выпускаются специальные междуго-родные кабели (рис. 7.1) - симметричные и коаксиальные. В отличие от городских кабелей они содержат намного меньше пар проводов: не более одного-двух десятков. Лежат эти кабели прямо в земле. Для повышения механической прочности междугородные кабели «одева-ют в броневые покровы (обычно это стальные бронеленты).

Когда по проводнику протекает синусоидальный ток, вокруг дви-жущихся в металле электронов возникают электрическое и магнитное поля. Чтобы убедиться в существовании электрического поля, достаточно поместить вблизи проводника пробный электрический заряд (например, заряженный листок или бусинку). Если поле есть, то заряд сдвинется с места. Обнаружить магнитное поле можно с помощью пробной магнитной стрелки: она будет поворачиваться. Электриче ское и магнитное поля часто рассматриваются вместе как единое электромагнитное поле.

Попробуем увеличить частоту синусоидального тока в проводни ке. Десятки герц... Сотни герц... Килогерцы... Сотни килогерц. 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 возраста ет, и вот на очень высоких частотах (превышающих сотни и даже тысячи мегагерц) ток полностью вытесняется из проводника. Про водник начинает излучать всю электромагнитную энергию в про странство. Передача ее по проводу прекратилась. Провод превра­тился в антенну!

Описанное явление - вытеснение тока к внешней поверхности проводника - получило у специалистов название поверхностного эф фекта. Существует довольно простое объяснение поверхностного эффекта (рис. 7.2).

В 30-х годах XIX в. английский физик М. Фарадей (1791-1867) обна ружил, что в проводнике, помещенном в переменное магнитное поле, возникает ток. Все дело в том, что наш проводник оказался помещен­ным в собственное магнитное поле и под его воздействием в толще проводника образовалось множество замыкающихся по кольцу вихре­вых токов. У поверхности проводника эти токи направлены так же, как и основной ток, и поэтому увеличивают его. В толще же проводника вихревые токи оказываются направленными против основного тока и, следовательно, уменьшают этот основной ток.

Рис. 7.2. Явление поверхностного эффекта

Мы рассмотрели один провод, тогда как для передачи сигналов используются два провода - прямой и обратный (чтобы цепь тока замкнулась). Каждый из проводов образует свое электромагнитное поле. Их взаимодействие дает несколько более сложную картину по­ля, однако эффект излучения поля вне проводов остается практиче-ски неизменным - с ростом частоты излучение увеличивается, В городских телефонных кабелях под одной «крышей» - оболоч-кой- собрано большое число пар проводов. Представим себе, что цифровые сигналы (импульсы) передаются только по одной паре проводов, по одной цепи (а по другим парам в это время ничего не передается). Тем не менее и в остальных «нерабочих» парах можно зафиксировать те же самые сигналы. Правда, очень слабые. И чем дальше «нерабочая» пара расположена от «рабочей», тем слабее в ней сигналы. Однако чем выше скорость передачи импульсов, тем увереннее мы будем регистрировать в «нерабочих» парах эти импульсы. Виной тому увеличивающееся на высоких частотах электромагнитное излучение. При большой скорости передачи влияние одной цепи на другую может быть столь велико, что когда по второй цепи будут передаваться «свои» сигналы, их будет очень трудно отделить от «чужих».

Вот эти-то взаимные влияния между цепями и не дают возможности беспредельно увеличивать скорость передачи импульсов по городским телефонным кабелям. Практически она 2 Мбит/с. Отсюда вывод: такие кабели не позволяют обмениваться видеопрограммами, ведь при передачи подвижного изображения биты «мчатся» со скоростью в 50 раз большей.

Рис. 7.3. Явление эффекта близости в коаксиальной паре

Иное дело междугородный коаксиальный кабель! Один проводник коаксиальной пары - обычный сплошной провод, а другой (по которо му ток «возвращается» обратно) - полый медный цилиндр (рис. 7.3). Сплошной проводник помещен внутрь полого. Отсюда и название -коаксиальная пара, что означает имеющая общую ось (coaxis - соосный). Чтобы строго выдержать соосность проводников, пространство между ними заполняют изолирующим материалом (сплошным поли­этиленом, полиэтиленовыми шайбами и т.п.). Придумал такую конст­рукцию пары проводников еще в 1912 г. профессор Петербургского электротехнического института П.Д. Войнаровский (1886-1913), а ис­пользовать ее в кабелях связи предложил в 1934 г. американский изобретатель С.А. Щелкунов.

Коаксиальная пара - это поистине замечательное изобретение! Она не излучает электромагнитную энергию в пространство, а следо­вательно, не будет влиять на соседние цепи связи. Это имеет принципиально важное значение, поскольку позволяет повысить скорость передачи цифр.

Ток во внутреннем проводнике с ростом частоты также вытесняет­ся на его поверхность. Этот процесс не отличается от описанного выше. Магнитное поле внутреннего проводника наводит в металличе­ской толще внешнего проводника вихревые токи. На наружной сторо­не полого проводника эти вихревые токи направлены против основно­го тока («срабатывает» знакомое из школьного курса правило бурав­чика) и тем самым уменьшают, ослабляют его. Таким образом, ток в полом цилиндре вытесняется не наружу, а внутрь коаксиальной па­ры. Этот эффект ученые назвали эффектом близости. Он-то и явля­ется причиной, по которой электромагнитное поле концентрируется внутри коаксиальной пары и не излучается вне ее.

С ростом частоты действие эффекта близости увеличивается и поле все сильнее и сильнее концентрируется между внутренним и внешним проводниками. Именно поэтому по коаксиальным парам потоки информации могут «нестись» с колоссальной скоростью, превышающей сотни миллионов бит в секунду.

Междугородные симметричные кабели имеют такую же конструк­цию пар, как и городские телефонные (два скрученных, изолирован­ных проводника). Однако за счет небольшого количества пар и более тщательной их изоляции удается ослабить влияние между цепями и повысить тем самым скорость цифрового потока. По междугородным кабелям связи цифры передаются со скоростью порядка 8 Мбит/с.