Физические среды передачи информации в ИАС

На физическом уровне обычно применяется один из следующих четырех типов среды передачи:

· кабель «витая пара» (симметричный кабель);

· коаксиальный кабель (тонкий или толстый);

· оптоволоконный кабель;

· окружающее пространство.

Каждая из этих сред отличается друг от друга необходимым оборудованием, пропускной способностью, помехоустойчивостью, максимальной протяженностью, сложностью установки, популярности среди пользователей (табл. 5).

Таблица 5

Сравнение характеристики сред передачи данных

Границы пропускных способностей разных сред представлены на рис 15

Рис.15 Полосы пропускания различных сред

Скорость пропускания зависит не только от ширины полосы, но и от способов модуляции и кодирования. Например передача последовательности одинаковых цифр манчестерским кодом идет на частоте вдвое большей, чем потенциальным кодом без возвращения к нулю.

Помехозащищенность среды также зависит от конструкции. Она измеряемся отношением мощности сигнала к мощности шума. Чем больше это отношение (измеряется в децибелах), тем выше помехоустойчивость. Качественные оценки этого параметра приведены в таблице 7.

При распространении в среде сигнал любой частоты теряет свою мощность из-за рассеивания или излучения. Затухание сигнала определяет максимальную допустимую протяженность среды при фиксированной мощности передатчика и чувствительности приемника. Для увлечения протяженности обычно применяются усилители мощности, повторители, ретрансляторы.

Чем толще кабель, тем труднее его прокладывать (требуется большой радиус закругления). Но и более толстые проводники обладают меньшим затуханием и допускают большую длину передачи без дополнительного оборудования.

Стоимость среды передачи – стоимость проектно-монтажных работ по строительству этой линии и затрат на ее эксплуатацию. Стоимость является определяющим фактором популярности применения той или иной среды.

Кабель «витая пара» состоит из двух изолированных проводников, перевитых между собою. По определенной частоте витков типу изоляции (бумага, шелк, поливинил) и некоторым другим параметрам кабель «витая пара» разделяется на несколько категорий. В целом, чем выше категория кабеля, тем больший объем информации по нему можно передать, тем меньше перекрестные наводки между проводниками (больше витков на 1 м погонный кабеля), тем он дороже. По сравнению с другими средами «витая пара» обладает меньшей пропускной способностью и сравнительно низкой помехозащищенностью. Вместе с тем, кабель «витая пара» прост в установке и является безусловным лидером в реализации Физического уровня по популярности.

В соответствии со стандартом США EIA/TIA – 568 по проектированию и созданию структурированных кабельных сетей (СКС) допускается применение четырех типов кабелей. Наиболее популярным из них является кабель не экранированный с витыми парами из медных проводов UTP (Unsielded Twisted Pair). Категории 3,4,5 этого кабеля поддерживают рабочие частоты 16, 20 и 100 МГц. Соответствие выпускаемых промышленностью кабелей предъявляемым требованиям устанавливается сертификатом. В США такого рода сертификацию проводит независимая организация UL по двум направлениям: по электробезопасности и по техническим характеристикам. Классификация кабелей различных фирм – производителей по уровням, соответствующая стандарту качества ISO 9002, приведена в табл. 6 и 7.

Таблица 6

Таблица 7

Кабель «витая пара» категории 3 применяется в локальных сетях низкоскоростных сетях со скоростью до 20 Мбит/с на расстояниях 100-200 м, но со значительно более высокой скоростью передачи.

Коаксиальный кабель (рис.16)представляет собою центральный медный провод, окруженный слоем изолирующего материала (полиэтилена), который заключен внутри другого проводника в виде оплетки. Вся конструкция защищена от механических повреждений пластиковой оболочкой. По сравнению с «витой парой» коаксиал обладает значительно большей пропускной способностью и помехозащищенностью.

Выпуская тонкий узкополосный и толстый широкополосный коаксиальные кабели. С помощью тонкого кабеля можно передавать информацию на расстояния до 10 км со скоростью до 50 Мбит/с. Толстый кабель имеет параметры 50 км и 300-500 Мбит/с, соответственно. Лучшие характеристики стоят дороже. К недостаткам надо отнести большие по сравнению с «витой парой» размеры и вес. Следствием этого явления сложность монтажа и обслуживания, что и привело к снижению популярности использования в качестве среды физического уровня.

Рис.16 Кабель коаксиальный

Оптоволоконный кабельконструктивно весьма прост, но требует профессионального монтажа. Он состоит из волокон диаметром от единиц до сотен микрон, окруженным твердым покрытием и помещенных в защитную оболочку. Вначале оптоволоконные кабели изготавливались из чистого кварцевого секла, но сейчас уже разработаны технологии на основе пластмассы.

Оболочка светодиода выполняет функцию зеркала для обеспечения эффекта полного внутреннего отражения. Источником распространяемого по кабелю света является светодиод, а на другом конце детектор преобразует световые колебания в электрические.

Внешние электромагнитные поля ни как не искажают световые сигналы, поэтому оптоволоконный кабель хорошо защищен от помех. Диапазон пропускной способности у различных видов оптического волокна довольно широк. Однако даже нижней границы современные технологии передачи достигнуть не могут, так что есть неиспользуемый пока ресурс. В установке оптоволоконный кабель не сложен, но требует профессиональных приспособлений для сопряжения соседних отрезков кабеля и высокой квалификации исполнителей. Сочетание высоких свойств оптоволоконного кабеля даже при пока относительно высокой цене обусловило растущую популярность его использования.

Сердцевина волокна, как правило, состоит из кварца, а оболочка может быть кварцевая или полимерная. Первое волокно называется кварц—кварц, а второе кварц—полимер (кремнеорганический компаунд). Исходя из физико-оптических характеристик предпочтение отдается первому. Кварцевое стекло обладает следующими свойствами: показатель преломления 1,46, коэффициент теплопроводности 1,4 Вт/мк, плотность 2203 кг/м³.

Снаружи светодиода располагается защитное покрытие для предохранения его от механических воздействий и нанесения расцветки.

Защитное покрытие обычно изготавливается двухслойным: вначале кремнеорганический компаунд (СИЭЛ), а затем – эпоксидакрылат, фторопласт, нейлон, полиэтилен или лак. Общий диаметр волокна 500...800 мкм (рис. 17).

В существующих конструкциях оптоволоконных кабелях применяются светодиоды трех типов: ступенчатые с диаметром сердцевины 50 мкм, градиентные со сложным (параболическим) профилем показателя преломления сердцевины и одномодовые с тонкой сердцевиной (6...8 мкм) (рис. 18).

По частотно-пропускной способности и дальности передачи лучшими являются одномодовые светодиоды, а худшими – ступенчатые.

Рассмотрим некоторые технические параметры передачи по кабельным линиям связи.

Рис. 18. Оптические волокна:

а – профиль показателя преломления; б – прохождение луча; 1 – ступенчатые; 2 – градиентные; 3 – одномодовые

Таблица 8

Сравнительные характеристики кабельных сред передачи данных