Основные электромагнитные характеристики электрических кабелей связи

Основные электромагнитные характеристики электрических кабелей связи представлены на рис.2.34.

1. Затухание (коэффициент затухания) - уменьшение мощности сигнала (потеря амплитуды) при передаче между двумя точками:

• является одной из основных характеристик, учитываемых при проектировании ЭЛС и определении максимальной длины кабеля между узлами;

• зависит от частоты передаваемого сигнала;

• измеряется в [дБ/м].

2. Импеданс (волновое сопротивление) - полное (активное и
реактивное) сопротивление электрической цепи:

• измеряется в Омах и является относительно постоянной величиной для кабельных систем (в высокоскоростных сетях зависит от частоты);

• резкие изменения импеданса по длине кабеля могут вызвать процессы внутреннего отражения, приводящие к возникновению стоячих волн, при этом станция, подключенная вблизи узла стоячей волны, не будет получать адресованные ей данные.

3. Перекрестные наводки между витыми парами на ближнем конце
(NEXT- Near End Crosstalk) и на дальнем конце (FEXT- Far End
Crosstalk) - результат интерференции электромагнитных сигналов
(рис.2.35):

• значения NEXT и FEXT зависят от частоты передаваемого сигнала;

• чем больше абсолютноезначение NEXT (FEXT), тем лучше, так как наводки в соседних проводниках будут меньше;

• измеряется в дБ при определённой частоте.

Из рис.2.35 видно, что на ближнем конце проводника (по отношению к передающему узлу) высокий уровень сигнала, передаваемого от узла У\ к узлу Уг, наводит паразитный сигнал (показан пунктиром), искажающий информационный (полезный) сигнал во втором проводнике, по которому передаются данные от У₂ к У\. Из рисунка также видно, что на дальнем конце паразитный сигнал во втором проводнике значительно меньше, поскольку в результате затухания меньше уровень информационного сигнала, передаваемого в первом проводнике от У\ к У₂. С учётом того, что уровень информационного сигнала во втором проводнике на «дальнем конце» имеет максимальное значение, можно сделать вывод, что наведённый паразитный сигнал незначительно исказит информационный сигнал. Отсюда следует, что NEXT является более важной характеристикой, чем FEXT, так как его значение в большей мере сказывается на качестве передачи сигналов.

4. Активное сопротивление - сопротивление электрической цепи
постоянному току:

• не зависит от частоты и возрастает с увеличением длины кабеля;

• измеряется в Омах на 100 м.

5. Ёмкость - свойство металлических проводников накапливать
электрическую энергию:

• является нежелательной величиной и должна быть минимальной;

• высокое значение ёмкости в кабеле приводит к искажению сигнала и ограничивает полосу пропускания линии.

Витая пара.

Витая пара (Twisted Pair - ТР) - изолированные проводники, попарно свитые между собой минимально необходимое число раз на определенном отрезке длины (рис.2.36,а), что требуется для уменьшения перекрестных наводок между проводниками, и заключённые в

изолирующую оболочку.

Витая пара - самый распространенный вид кабеля в телефонии. Скручивание применяется с целью уменьшения излучения и повышения помехозащищенности кабеля.

Несколько витых пар (обычно 4 или 8), заключённые в общую пластиковую оболочку, образуют кабель(рис.2.36,6).

Существует несколько категорий неэкранироеанной витой пары

Экранированная витая пара - кабель, содержащий одну или несколько пар скрученных медных проводов, заключенных в изолирующую оболочку. Снаружи кабель покрыт экранирующей оплеткой и еще одной изолирующей оболочкой, за счёт чего меньше излучает и лучше защищен от электромагнитных помех, чем неэкранированная витая пара. Применяется в сетях Token Ring.

Экранированная витая пара подразделяется на две разновидности:

• с экранированием каждой пары и общим экраном (Shielded Twisted Pair - STP);

• с одним общим экраном (Foiled Twisted Pair - FTP).

Для высокоскоростных сетей разработаны еще две категории медного кабеля:

• категория 6 - обеспечивает работу на частоте 250 МГц и может быть реализована как экранированный, так и неэкранированный кабель;

• категория 7 - обеспечивает работу на частоте до 600 МГц и использует экранирование каждой пары кабеля и общий экран.

В табл.2.2 приведены значения полосы пропускания для разных категорий современных медных кабелей.

Наиболее широко в настоящее время в локальных сетях применяется электрический кабель категории 5.

Таблииа 2.2

Коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель (от лат. со - совместно и axis - ось) - кабель, в котором проводники представляют собой 2 соосных металлических цилиндра, разделенных диэлектриком. Коаксиальный кабель используется для передачи высокочастотных сигналов (до нескольких ГГц) и характеризуется высокой помехозащищенностью и малым затуханием сигналов. Это обусловлено отсутствием внешнего электромагнитного поля - вся энергия распространяется только внутри кабеля. Коаксиальный кабель содержит (рис.2.37):

1) внутренний проводник диаметром от 0,4 мм до 2,5 мм;

2) диэлектрик, в качестве которого обычно применяется обычный полиэтилен или физически вспененный полиэтилен с низкой плотностью, позволяющий уменьшить коэффициент затухания;

3) внешний проводник, в качестве которого обычно используется фольга;

4) медную оплетку с покрытием из олова;

5) защитную пленку;

6) внешнюю оболочку.

В ранних сетях Ethernet применялись два типа коаксиального кабеля:

• толстый (thick) диаметром около 1 см, для которого, в отличие от
тонкого, характерны следующие особенности:

■ более надежная защита от внешних помех;

■ прочнее;

■ требует применения специального отвода (прокалывающего разъема и отводящего кабеля) для подключения компьютера или другого устройства;

• тонкий (thin) диаметром около 0,5 см, для которого, в отличие от
толстого, характерны следующие особенности:

■ передает данные на более короткие расстояния;

■ дешевле;

■ использует более простые соединители.
Основные недостатки коаксиальных кабелей:

• сложность прокладки, а также добавления и отключения станций;

• высокая удельная стоимость.

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС)

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) используются для высокоскоростной передачи данных, представляемых в виде оптических сигналов, по оптическим диэлектрическим световодам, являющимся самой перспективной физической средой для передачи данных.

Оптический сигнал представляет собой модулированный световой поток, генерируемый светодиодами или диодными лазерами.

Основными компонентами ВОЛС являются:

1) оптическое волокно;

2) волоконно-оптический кабель;

3) оптические компоненты и устройства;

4) электронные компоненты систем оптической связи.

Оптическое волокно

Оптическое волокно - главный компонент ВОЛС - состоит из сердцевины (световодной жилы)и оболочкис разными показателями преломления щ и п₂ (рис.2.38).

Оптические волокна в зависимости от способа распространения в них излучения делятся на:

• одномодоеые (рис.2.38,а), в которых световодная жила имеет диаметр 8-10 мкм, в которых может распространяться только один луч (одна мода);

• многомодоеые (рис.2.38,6), в которых световодная жила имеет диаметр 50-60 мкм, что делает возможным распространение в них большого числа лучей (много мод).

важнейшими параметрами оптического волокна являются:

• затухание;

• дисперсия.

Затухание определяется потерями на поглощение и рассеяние излучения в оптическом волокне и измеряется в децибелах на километр (дБ/км). Потери на поглощение зависят от чистоты материала, а потери на рассеяние - от неоднородностей его показателя преломления.

Затухание зависит и от длины волны излучения, вводимого в волокно. Передача сигналов по оптическому волокну осуществляется в трех диапазонах: 0,85 мкм, 1,3 мкм и 1,55 мкм, так как именно в этих диапазонах кварц имеет повышенную прозрачность (рис.2.39).

Оптическое волокно характеризуется малым затуханием светового сигнала, составляющем 0,1-0,2 дБ/км при длине волны 1,55 мкм, что позволяет строить ЛС длиной до нескольких десятков километров без регенерации сигналов.

Ведутся разработки еще более "прозрачных", так называемых, фтороцирконатных волокон с затуханием порядка 0,02 дБ/км при длине волны 2,5 мкм, на основе которых могут быть созданы ЛС, обеспечивающие гигабитные скорости передачи и с регенерационными участками через каждые 4-5 тысяч километров.

В последние годы с наряду с когерентными системами развивается альтернативное направление - солитоновыесистемы.

Солитон - уединенная волна, которая не затухает и не поглощается средой, а сохраняет свои размеры и форму сколь угодно долго.

Солитон - это световой импульс с необычными свойствами: он сохраняет свою форму и теоретически может распространяться по "идеальному" световоду бесконечно далеко. Длительность импульса составляет примерно 10 пс.

Солитоновые системы, в которых отдельный бит информации кодируется наличием или отсутствием солитона, имеют пропускную способность не менее 5 Гбит/с при расстоянии 10 000 км.

Дисперсия - рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала.

Поскольку при передаче информации светодиод или лазер излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространении по волокну и тем самым порождает искажения сигналов (рис.2.40). При оценке дисперсии пользуются термином "полоса пропускания" - величина, обратная величине уширения импульса при

прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км

Измеряется полоса пропускания в мегагерцах на километр (МГц*км).

Из определения полосы пропускания следует, что дисперсия налагает ограничения на дальность передачи и верхнее значение частоты передаваемых сигналов. Если полоса пропускания оптического волокна составляет 1000 МГц*км (что соответствует величине уширения импульса в 1 нс/км), то пропускная способность линии связи длиной в 1 км будет не более 1 Гбит/с, а при длине линии связи в 10 км - не более 100 Мбит/с.

Значения дисперсии и затухания различны для разных типов волокон.

Достоинстваодномодовых волокон:

• лучшие характеристики по затуханию и полосе пропускания, так
как в них распространяется только один луч;

• максимальное затухание составляет 0,5 дБ/км при длине волны 1,31 мкм и 1,55 мкм;

• при использовании лазерных передатчиков расстояние между узлами может составлять до 40 км.

Недостаткиодномодовых волокон:

• одномодовые источники излучения дороже многомодовых;

• в одномодовое волокно труднее ввести световой луч из-за малого диаметра световодной жилы;

• по этой же причине трудно минимизировать потери сигнала при сращивании одномодовых волокон;

• дороже монтаж; оптических разъемов на концах одномодовых кабелей.

Достоинствамногомодовых волокон:

• более удобны при монтаже, так как в них больше размер световодной жилы;

• проще снабдить оптическими разъёмами с малыми потерями (до 0,3 дБ).

• имеют меньшую стоимость.
Недостаткимногомодовых волокон:

• большое затухание, составляющее при длине волны 0,85 мкм - 3-4 дБ/км;

• обеспечивает передачу данных без применения промежуточных повторителей на расстояние не более 2-х км;

• недостаточная полоса пропускания многомодовых волокон для магистральных линий связи, которая составляет порядка 1000 МГц*км (но вполне приемлемая для локальных сетей).

Результаты сравнительного анализа одномодовых и многомодовых волокон представлены в табл.2.3, где полужирным шрифтомвыделены лучшие показатели.

Таблица 2.3