 ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение Как определить диапазон голоса - ваш вокал Игровые автоматы с быстрым выводом Как самому избавиться от обидчивости Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам Вкуснейший "Салат из свеклы с чесноком" Натюрморт и его изобразительные возможности Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д. Как научиться брать на себя ответственность Зачем нужны границы в отношениях с детьми? Световозвращающие элементы на детской одежде Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ) Глава 3. Завет мужчины с женщиной
Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.
| Другие возможные сетевые топологии
АО «Международный университет информационных технологий» Факультет «Информационные технологии» Кафедра «Компьютерная инженерия и телекоммуникации»
Дисциплина ЛИНИИ СВЯЗИ
РЕФЕРАТ на тему «ПЕРВИЧНЫЕ И ВТОРИЧНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЛИНИЙ СВЯЗИ» Выполнила: Сабит М.С Студент группы РЭТ-133К Проверила: Бекмагамбетова Ж.М. Алматы, 2016 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1. Первичные и вторичные параметры линий связи……………………. 1.1. Группы характеристик линий связи ……………………………... 2.Первичные параметры цепей воздушных линий……………………... 3.Первичные параметры цепей симметричных кабелей……………….. 4.Волновые параметры симметричных цепей воздушных и кабельных линий………………………………………………………………………………. 5.Первичные параметры витой пары структурированных кабелей…………………………………………………………………………….. 6.Вторичные параметры кабелей витой пары структурированных кабелей…............................................................................................................ ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………
ВВЕДЕНИЕ Параметры, характеризующие линию связи, делятся на параметры передачи и параметры влияния. Параметры передачи описывают процесс распространения информационного сигнала вдоль линии связи в зависимости от физических характеристик линии связи. Параметры влияния описывают степень влияния на процесс распространения информационного сигнала различного рода помех, возникающих как во внешней по отношению к кабелю среде, так и помех, создаваемых соседними передающими парами проводников данного кабеля. Как параметры передачи, так и параметры влияния можно разделить на первичные и вторичные. Первичные параметры представляют собой физические параметры, описывающие физическую природу линии связи. К первичным параметрам передачи медного кабеля относятся: активное погонное сопротивление, погонная индуктивность, погонная емкость и погонная проводимость изоляции медного кабеля, к вторичным - затухание и волновое сопротивление. Переходное затухание является одним из наиболее значимых вторичных параметров влияния медных линий связи. Полоса пропускания определяет диапазон частот, которые передаются линией связи с приемлемым затуханием.
1.ПЕРВИЧНЫЕ И ВТОРИЧНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЛИНИЙ СВЯЗИ 1.1. ГРУППЫ ХАРАКТЕРИСТИК ЛИНИЙ СВЯЗИ К основным характеристикам линий связи относятся параметры распространения и параметры влияния. Первые характеризуют процесс распространения полезного сигнала в зависимости от внутренних параметров линии, например погонной индуктивности медного кабеля. Вторые описывают степень влияния на полезный сигнал других сигналов - внешних помех, помех от других пар проводников в медном кабеле. Те и другие характеристики важны, так как сигнал на выходе линии связи всегда является результатом воздействия на исходный сигнал как внутренних, так и внешних факторов. В каждой из этих групп можно выделить первичные и вторичные параметры. Первичные параметры описывают физическую природу линии связи, например погонное активное сопротивление, погонную индуктивность, погонную емкость и погонную проводимость изоляции медного кабеля, или же зависимость коэффициента преломления оптического волокна от расстояния от оптической оси. Вторичные параметры выражают некоторый обобщенный результат процесса распространения сигнала по линии связи и не зависят от ее природы. Например, важным вторичным параметром распространения любой линии связи является степень ослабления мощности сигнала при прохождении им определенного расстояния вдоль линии связи - так называемое затухание сигнала. Для медных кабелей не менее важен и такой вторичный параметр влияния, как степень ослабления помехи от соседней витой пары, - он позволяет оценить, не будут ли вызывать передаваемые по одной паре сигналы ложное срабатывание приемника, подключенного к соседней паре на той же стороне кабеля, что и передатчик. При описании вторичных параметров, подходя к линии связи как к кибернетическому «черному ящику», мы не строим внутреннюю модель этой физической системы, а подаем на нее некоторые эталонные воздействия и по отклику строим нужную вторичную характеристику. Такой подход позволяет достаточно просто и однотипно определять характеристики линий связи любой природы, не прибегая к сложным теоретическим исследованиям и построением аналитических моделей. Чаще всего в качестве эталонных сигналов для исследования реакций линий связи используются синусоидальные сигналы различных частот. Это связано с тем, что сигналы подобного типа часто встречаются в технике и с их помощью можно представить любую функцию времени - как непрерывный процесс колебаний звука или изменения изображения, так и прямоугольные импульсы, соответствующие дискретной информации компьютера.
1.2.СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИГНАЛОВ НА ЛИНИЯХ СВЯЗИ
Рисунок 1.1 - Представление периодического сигнала суммой амплитуд
Из теории гармонического анализа известно, что любой периодический процесс можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний различных частот и различных амплитуд (рисунок 1.1). Каждая составляющая синусоида называется также гармоникой, а набор всех гармоник называют спектральным разложением исходного сигнала. Непериодические сигналы можно представить в виде интеграла синусоидальных сигналов с непрерывным спектром частот. Например, спектральное разложение идеального импульса (единичной мощности и нулевой длительности) имеет составляющие всего спектра частот, от -∞ до +∞ (рисунок 1.2). Техника нахождения спектра любого исходного сигнала хорошо известна. Для некоторых сигналов, которые описываются аналитически (например, для последовательности прямоугольных импульсов одинаковой длительности и амплитуды), спектр легко вычисляется на основании формул Фурье.
Рисунок 1.2 - Спектральное разложение идеального импульса
Для сигналов произвольной формы, встречающихся на практике, спектр можно найти с помощью специальных приборов - спектральных анализаторов, которые измеряют спектр реального сигнала и отображают амплитуды составляющих гармоник на экране, распечатывают их на принтере или передают для обработки и хранения в компьютер. Искажение передающим каналом синусоиды какой-либо частоты приводит в конечном счете к искажению амплитуды и формы передаваемого сигнала любого вида. Искажения формы проявляются в том случае, когда синусоиды различных частот искажаются неодинаково. Если это аналоговый сигнал, передающий речь, то изменяется тембр голоса за счет искажения обертонов - боковых частот.
Рисунок 1.3 - Искажение импульсов в линии связи
При передаче импульсных сигналов, характерных для компьютерных сетей, искажаются низкочастотные и высокочастотные гармоники, в результате фронты импульсов теряют свою прямоугольную форму (рисунок 1.3). Вследствие этого на приемном конце линии сигналы могут плохо распознаваться. Линия связи искажает передаваемые сигналы из-за того, что ее физические параметры отличаются от идеальных. Так, например, медные провода всегда представляют собой некоторую распределенную по длине комбинацию активного сопротивления, емкостной и индуктивной нагрузок (рисунок 1.4).
Рисунок 1.4 - Представление линии как распределенной индуктивно-емкостной нагрузки.
В результате для синусоид различных частот линия будет обладать разным полным сопротивлением, а значит, и передаваться они будут по-разному. Волоконно-оптический кабель также имеет отклонения от идеальной среды передачи света - вакуума. Если линия связи включает промежуточную аппаратуру, то последняя также может вносить дополнительные искажения, так как невозможно создать устройства, которые бы одинаково хорошо передавали весь спектр синусоид, от нуля до бесконечности. Кроме искажений сигналов, вносимых внутренними физическими параметрами линии связи, существуют и внешние помехи, которые вносят свой вклад в искажение формы сигналов на выходе линии. Эти помехи создают различные электрические двигатели, электронные устройства, атмосферные явления и т. д. Несмотря на защитные меры, предпринимаемые разработчиками кабелей, и наличие усилительно-коммутирующей аппаратуры, полностью компенсировать влияние внешних помех не удается. Кроме внешних помех в кабеле существуют и внутренние помехи - так называемые наводки одной пары проводников на другую. В результате сигналы на выходе линии связи обычно имеют сложную форму по которой иногда трудно понять, какая дискретная информация была подана на вход линии. Качество исходных сигналов (крутизна фронтов, общая форма импульсов) зависит от качества передатчика, генерирующего сигналы в линию связи. Одной из важных характеристик передатчика является спектральная характеристика, то есть спектральное разложение генерируемых им сигналов. Для генерации качественных прямоугольных импульсов необходимо, чтобы спектральная характеристика передатчика представляла собой как можно более узкую полосу. Например, лазерные диоды имеют значительно меньшую ширину спектра излучения (1-2 нм) по сравнению со светодиодами (30-50 нм) при генерации импульсов, поэтому частота модуляции лазерных диодов может быть намного выше, чем светодиодов.
1.3. ЗАТУХАНИЕ И ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ Степень искажения синусоидальных сигналов линиями связи оценивается по таким характеристикам, как затухание и полоса пропускания. Затухание показывает, насколько уменьшается мощность эталонного синусоидального сигнала на выходе линии связи по отношению к мощности сигнала на входе этой линии. Затухание А обычно измеряется в децибелах, дБ (decibel, dB) и вычисляется по следующей формуле: А=10log10Pвых/Рвх.
Рисунок 1.5 - Зависимость затухания от частоты
Здесь Рвых - мощность сигнала на выходе линии, Рвх - мощность сигнала на входе линии. Так как мощность выходного сигнала кабеля без промежуточных усилителей всегда меньше, чем мощность входного сигнала, затухание кабеля всегда является отрицательной величиной. Степень затухания мощности синусоидального сигнала при прохождении им по линии связи обычно зависит от частоты синусоиды, поэтому полной характеристикой будет зависимость затухания от частоты во всем представляющем для практики диапазоне (рисунок 1.5). Наряду с этой характеристикой можно также использовать такие характеристики линии связи, как амплитудно-частотная и фазо-частотная зависимости. Две последние характеристики дают более точное представление о характере передачи сигналов через линию связи, чем характеристика затухания, так как на их основе, зная форму исходного сигнала, всегда можно найти форму выходного сигнала. Для этого необходимо найти спектр входного сигнала, преобразовать амплитуду составляющих его гармоник в соответствии с амплитудно частотной характеристикой, а фазу - в соответствии с фазочастотной характеристикой, а затем найти форму выходного сигнала, сложив или проинтегрировав преобразованные гармоники. Затухание является более обобщенной характеристикой линии связи, так как позволяет судить не о точной форме сигнала, а о его мощности (интегральной результирующей от формы сигнала). Но на практике затухание чаще используется в качестве характеристики линий связи, в частности, в стандартах на такую важную составляющую линии связи, как кабель, затухание является одной из основных характеристик. Чаще всего при описании параметров линии связи приводятся значения затухания всего в нескольких точках общей зависимости, при этом каждая из этих точек соответствует определенной частоте, на которой измеряется затухание. Отдельное значение затухания называют коэффициентом затухания. Применение всего нескольких значений вместо полной характеристики связано, с одной стороны, со стремлением упростить измерения при проверке качества линии, а с другой стороны, на практике часто заранее известна основная частота передаваемого сигнала, то есть та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Поэтому достаточно знать затухание на этой частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по линии сигналов. Более точные оценки возможны при знании затухания на нескольких частотах, соответствующих нескольким основным гармоникам передаваемого сигнала. Чем меньше затухание, тем выше качество линии связи. Обычно затуханием характеризуют пассивные участки линии связи, состоящие из кабелей и кроссовых секций, без усилителей и регенераторов. Например, кабель для внутренней проводки в зданиях на витой паре категории 5, на которой работают практически все технологии локальных сетей, характеризуется затуханием не ниже -23,6 дБ для частоты 100 МГц при длине кабеля 100 м.
Рисунок 1.6 - Затухание неэкранированного кабеля
Частота 100 МГц выбрана потому, что кабель этой категории предназначен для высокоскоростной передачи данных, сигналы которых имеют значимые гармоники с частотой примерно 100 МГц. Более качественный кабель категории 6 должен уже иметь на частоте 100 МГц затухание не ниже -20,6 дБ, то есть в меньшей степени снижать мощность сигнала. Часто оперируют с абсолютными значениями затухания, опуская его знак, так как затухание всегда отрицательно для пассивного, не содержащего усилители и регенераторы, участка линии, например непрерывного кабеля. На рисунке 1.6 показаны типовые зависимости затухания от частоты для кабелей на неэкранированной витой паре категорий 5 и 6. Оптический кабель имеет существенно более низкие (по абсолютной величине) величины затухания, обычно в диапазоне от 0,2 до 3 дБ при длине кабеля в 1000 м. Практически все оптические волокна имеют сложную зависимость затухания от длины волны, которая имеет три так называемых «окна прозрачности». На рисунке 1.7 показана характерная зависимость затухания для оптического волокна. Из рисунка видно, что область эффективного использования современных волокон ограничена волнами длин 850 нм, 1300 нм и 1550 нм, при этом окне 1550 нм обеспечивает наименьшие потери, а значит, максимальную дальность при фиксированной мощности передатчика и фиксированной чувствительности приемника. Выпускаемый многомодовый кабель обладает двумя первыми окнами прозрачности, то есть 850 нм и 1300 нм, а одномодовый кабель - двумя окнами прозрачности в диапазонах 1310 нм и 1550 нм. Рисунок 1.7. Окна прозрачности оптического волокна В качестве характеристики мощности передатчика часто используется абсолютный уровень мощности сигнала. Уровень мощности, как и затухание, измеряется в децибелах. При этом в качестве базового значения мощности сигнала, относительно которого измеряется текущая мощность, принимается значение в 1 мВт. Таким образом, уровень мощности р вычисляется по следующей формуле: р=10lgР/1мВт[дБм] .Здесь Р - мощность сигнала в милливаттах, а дБм (dBm) - единица измерения уровня мощности (децибел на 1 мВт). Важным вторичным параметром распространения медной линии связи является ее волновое сопротивление. Этот параметр представляет собой полное (комплексное) сопротивление, которое встречает электромагнитная волна определенной частоты при распространении вдоль однородной цепи. Волновое сопротивление измеряется в Омах и зависит от таких первичных параметров линии связи, как активное сопротивление, погонная индуктивность и погонная емкость, а также от частоты самого сигнала. Выходное сопротивление передатчика должно быть согласовано с волновым сопротивлением линии, иначе затухание сигнала будет чрезмерно большим.
1.4. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ
Рисунок 1.8 - Переходное затухание
Помехоустойчивость линии определяет ее способность уменьшать уровень помех, создаваемых во внешней среде или на внутренних проводниках самого кабеля. Помехоустойчивость линии зависит от типа используемой физической среды, а также от экранирующих и подавляющих помехи средств самой линии. Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии, хорошей устойчивостью обладают кабельные линии и отличной - волоконно-оптические линии, малочувствительные к внешнему электромагнитному излучению. Обычно для уменьшения помех, появляющихся из-за внешних электромагнитных полей, проводники экранируют и/или скручивают. Параметры, характеризующие помехоустойчивость, относятся к параметрам влияния линии связи. Первичными параметрами влияния медного кабеля Перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross Talk, NEXT) определяют устойчивость кабеля в том случае, когда наводка образуется в результате действия сигнала, генерируемого передатчиком, подключенным к одной из соседних пар на том же конце кабеля, на котором работает подключенный к подверженной влиянию паре приемник. Показатель NEXT, выраженный в децибелах, равен 10lgРвых/Рнав, где РВЫХ - мощность выходного сигнала, Рнав - мощность наведенного сигнала. Чем меньше значение NEXT, тем лучше кабель. Так, для витой пары категории 5 показатель NEXT должен быть меньше -27 дБ на частоте 100 Мгц.
Рисунок 1.9 - Суммарное переходное затухание
Перекрестные наводки на дальнем конце позволяют оценить устойчивость кабеля к наводкам для случая, когда передатчик и приемник подключены к разным концам кабеля. Очевидно, что этот показатель должен быть лучше, чем NEXT, так как до дальнего конца кабеля сигнал приходит ослабленный затуханием каждой пары. Показатели NEXT и FEXT обычно используются применительно к кабелю, состоящему из нескольких витых пар, так как в этом случае взаимные наводки одной пары на другую могут достигать значительных величин. Для одинарного коаксиального кабеля (то есть состоящего из одной экранированной жилы) этот показатель не имеет смысла, а для двойного коаксиального кабеля он также не применяется вследствие высокой степени защищенности каждой жилы. Оптические волокна также не создают сколько-нибудь заметных помех друг для друга. В связи с тем, что в некоторых новых технологиях используется передача данных одновременно по нескольким витым парам, в последнее время стали применяться также показатели перекрестных наводок с приставкой PS (PowerSUM), такие как PS NEXT и PS FEXT. Эти показатели отражают устойчивость кабеля к суммарной мощности перекрестных наводок на одну из пар кабеля от всех остальных передающих пар (рисунок 1.9). Применяется также такой практически важный показатель, как защищенность кабеля (ACR). Защищенность определяется как разность между уровнями полезного сигнала и помех. Чем больше значение защищенности кабеля, тем в соответствии с формулой Шеннона с потенциально более высокой скоростью можно передавать данные по этому кабелю. На рисунке 1.10 показаны типичная характеристика зависимости защищенности кабеля на неэкранированной витой паре от частоты сигнала.
Рисунок .10. Зависимость защищенности кабеля
Достоверность передачи данных характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных. Иногда этот же показатель называют интенсивностью битовых ошибок (Bit Error Rate, ВЕК). Величина BER для каналов связи без дополнительных средств защиты от ошибок (например, самокорректирующихся кодов или протоколов с повторной передачей искаженных кадров) составляет, как правило, 10-4-10-6, в оптоволоконных линиях связи - 10-9 . Значение достоверности передачи данных, например, в 10-4 говорит о том, что в среднем из 10 000 бит искажается значение одного бита. Искажения бит происходят как из-за наличия помех на линии, так и по причине искажений формы сигнала ограниченной полосой пропускания линии. Поэтому для повышения достоверности передаваемых данных нужно повышать степень помехозащищенности линии, снижать уровень перекрестных наводок в кабеле, а также использовать более широкополосные линии связи. Полоса пропускания - это еще одна вторичная характеристика, которая, с одной стороны, непосредственно зависит от затухания, а с другой стороны, прямо влияет на такой важнейший показатель линии связи, как максимально возможная скорость передачи информации. 1.5. ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ
Рисунок 1.11 - Полосы пропускания линий связи различных типов
Полоса пропускания (bandwidth) - это непрерывный диапазон частот, для которого затухание не превышает некоторый заранее заданный предел. То есть полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений (часто граничными частотами считаются частоты, на которых мощность выходного сигнала уменьшается в два раза по отношению к входному, что соответствует затуханию в -3 дБ). Как мы увидим ниже, ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет на максимально возможную скорость передачи информации по линии связи. Именно этот факт нашел отражение в английском эквиваленте рассматриваемого термина (width - ширина). Таким образом, амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания и затухание являются универсальными характеристиками, и их знание позволяет сделать вывод о том, как через линию связи будут передаваться сигналы любой формы. Полоса пропускания зависит от типа линии и ее протяженности. На рисунке 1.11 показаны полосы пропускания линий связи различных типов, а также наиболее часто используемые в технике связи частотные диапазоны.
2. ПЕРВИЧНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЦЕПЕЙ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ Воздушные линии - это двухпроводные цепи. При определении первичных параметров цепи считаются уединенными. Первичные параметры относятся к 1 км длины. Так сопротивление постоянному току исходя из определения Сопротивление зависит от температуры для металлических проводников в форме: R'0=R0[1 + α'(t0-200)], (2.2), где R0 - сопротивление при 20º С. Приведем значения сопротивления двухпроводной цепи постоянному току [Ом/км] при диаметре d=4 мм для: обыкновенной стали - 22 Ом/км, медистой стали - 23,3 Ом/км, меди мягкой - 2,8 Ом/км, меди твердой - 2,84 Ом/км, алюминий - 4,66 Ом/км, биметалл (сталь-медь) - 4 Ом/км, Сопротивление линии с учетом эффекта близости вычисляется по формуле Индуктивность двупроводной цепи с однородными круглыми проводами Емкость двухпроводной цепи рассчитывается по формуле
Коэффициент 1,05 - вводится для воздушной цепи и учитывает присутствие изоляторов. Как видно емкость не зависит от частоты. Проводимость изоляции между проводами воздушной цепи определяется многими факторами. Поэтому ее определяют по эмпирической формуле: G = G0+kf, См/км,(2.6), где G0 - проводимость постоянному току, k - некоторый коэффициент учитывающий состояние изоляции, ƒ - частота переменного тока, Гц.
3.ПЕРВИЧНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЦЕПЕЙ СИММЕТРИЧНЫХ КАБЕЛЕЙ Кабели отличаются от воздушных линий тем, что расстояние между жилами соизмеримо с диаметрами жил и с расстояниями до соседних пар. Поэтому здесь большую роль играет эффект близости. Кроме того весь пучок жил скручивают, вследствие чего длина жил превышает длину кабелей. Сопротивление кабельной пары постоянному току рассчитывается по тем же формулам, что и для воздушной линии, но с учетом удлинения при скрутке, т.е.
Здесь G(x) и Н(х) определяются по графикам и учитывают близость проводов. Параметр Р тип скрутки: Р=1 при парной скрутке
Рисунок 3.1 – Парная скрутка Р=2 при двойной парной скрутке (рисунок 3.2)
Рисунок 3.2 – Двойная парная скрутка Р=4+ при звездной скрутке (рисунок 3.3)
Рисунок 3.3 – Звездная скрутка ΔR - дополнительное сопротивление, возникающее из-за вихревых токов и учитывается при ƒ>30 кГц, в соответствии. Приведем зависимость активного сопротивления от частоты (рисунок 3.4).
Рисунок 3.4 – Зависимость активного сопротивления от частоты Индуктивность кабельной пары:
Рисунок 3.5 – Зависимость индуктивности от частоты Емкость кабельной цепи с учетом влияния соседних жил: Здесь χ– коэффициент укрутки, ψ - коэффициент учитывающий увеличение емкости за счет сближения жил. εр - результирующая диэлектрическая проницаемость для комбинированных изоляций пар:
Проводимость изоляции в кабельных линиях во много раз меньше, чем у воздуха и она определяется как G = ωСtgδр, См/км , (3.6), где С - емкость цепи [Ф/км], tgδp - тангенс угла потерь комбинированной изоляции:
4.ВОЛНОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ СИММЕТРИЧНЫХ ЦЕПЕЙ ВОЗДУШНЫХ И КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ Волновыми или вторичными параметрами линий, как известно, являются волновое сопротивление Zв и коэффициент распространения γ. Выпишем явный вид этих параметров для двухпроводных цепей, входящих в кабельные и воздушные направляющие системы. Пусть имеем двухпроводную линию из медных проводов (токоведущих жил). Тогда волновое сопротивление есть
Коэффициент затухания линии из медных проводов:
Коэффициент фазы: Групповая и фазовая скорости волн в линии: В общем виде коэффициент затухания для двухпроводной линии с малыми потерями, можно написать: Определим оптимальное соотношение между первичными параметрами, при котором α -минимальное. Для этого напишем уравнение
Откуда оптимальное соотношение есть Однако в реальных цепях всегда
5.ПЕРВИЧНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВИТОЙ ПАРЫ СТРУКТУРИРОВАННЫХ КАБЕЛЕЙ Витая пара является типичной цепью с распределенными параметрами. Её эквивалентная схема на рисунке 5.1.
Рисунок 5.1 – Эквивалентная схема Электрические свойства витой пары, как и любой другой направляющей системы электромагнитных колебаний, полностью характеризуется ее первичными параметрами: омическим сопротивлением R, индуктивностью L, емкостью C и проводимостью изоляции G. R и G обуславливают потери энергии соответственно в проводе, экране и изоляции. Параметры C и L определяют реактивность витой пары и следовательно ее частотные свойства. Ёмкость. Величина емкости идеальной витой пары составляет
По стандарту TIA/EIA - 568-А для кабелей категории 3 на длине 100м. емкость не должна превышать 6,6нф, а для кабелей категории 4-5,6нф. Применение экрана увеличивает емкость примерно на 30%. Активное сопротивление. Активное сопротивление зависит от материала, его длины, сечения, температуры частоты и т.д. Согласно требованиям стандарта TIA/EIA - 568-А при t°=20° С сопротивление постоянному току любого проводника витой пары длиной 100м не должно превышать 9,38 Ом. Для компенсации влияния поверхностного эффекта на сопротивление диаметр проводников для разных частот выбирают разным. Так, например, типовым диаметром проводников категории 5, работающих на частотах до 100 МГц является диаметр 0,51 ÷ 0,52мм, тогда как у 600-мегагерцевых кабелей диаметр проводника увеличивается примерно до 0,6мм. Индуктивность. Индуктивность витой пары состоит из ряда составляющих L = L1+L2+L3 Гн/м (5.2), где L1- внешняя индуктивность, которая определяется геометрией провода, магнитными свойствами материала проводника. L2 - внутренняя индуктивность. Эта составляющая уменьшается с увеличением частоты. L3 - индуктивность оболочки (если пара экранирована). Эта составляющая имеет заметную частотную зависимость. Результирующая L имеет тенденцию уменьшения с частотой. Проводимость изоляции. Этот параметр является мерой качества материала и процессов изготовления изоляционных покровов отдельных проводников. Результирующая проводимость изоляции витой пары можно представить в виде двух составляющих: G = G0+Gf, См/м (5.3), где G0- учитывает утечки тока из-за несовершенства диэлектрика, Gf - затраты энергии на поляризацию диэлектрика.
6.ВТОРИЧНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КАБЕЛЕЙ ВИТОЙ ПАРЫ СТРУКТУРИРОВАННЫХ КАБЕЛЕЙ Волновое сопротивление. Под волновым сопротивлением или импедансом витой пары понимают сопротивление волновому процессу в линии. Оно определяется как В соответствии с действующими редакциями стандартов на частотах свыше 1МГц и до верхней граничной частоты конкретного кабеля с волновым сопротивлением 100 Ом оно не должно отличаться от номинального значения более чем на ±15% Затухание. В кабельной технике различают собственное и рабочее затухание кабеля. Под собственным затуханием кабеля понимается его затухание при идеальных условиях. Оно определяется при условии идеального согласования как реальная часть коэффициента распространения
В процессе реальной эксплуатации кабелей условие согласования нарушается и это приводит к увеличению затухания. Такое затухание называется рабочим. Затухание связанное с излучением. При λ < a, где а- расстояние между проводами, эти потери резко возрастают. Для витой пары а=2мм, поэтому f = fкр = 15ГГц. Затухание с ростом частоты растет. Эта зависимость для витой пары по стандарту TIA/EIA - 568-А на длине 100м. при t°=20° может быть аппроксимирована выражением Стандарт TIA/EIA - 568-А нормирует минимальное значение переходного затухания на ближнем конце кабеля при длине 100м. Оно определяется следующим аппроксимирующим выражением для частот более 0,772МГц: Для кабелей категории 3,4,5 величина NEXT (0,772) принимается равной 43, 58, 64дБ. В зависимости от приложения и метода использования кабеля нормирование величины переходного затухания может быть выполнено по разному. Так в случае приложений имеющих приемник и передатчик одновременно, помеха может возрастать из-за собственного передатчика. Защищенность. Под защищенностью понимают защищенность от переходных помех. Этот параметр обозначается как ACR (Attenuation to Crosstalk Radio). Этот параметр определяет величину превышения помехи полезным сигналом. Он определяется как ACR=NEXT-A(f), дБ. (6.5) Для примера, согласно стандарта TIA/EIA - 568-А для кабелей категории 3,4,5 при длине 100 минимально допустимое значение ACR есть 15, 34, 40 дБ. При частоте 10МГц. Относительная скорость распространения сигналов. (Параметр NVP) и задержка прохождения сигналов (параметр Delay). Параметр NVP (Nominal Velociti of Propagation) является мерой замедления скорости распространения электромагнитной волны вдоль витой пары. Он численно равен отношению фактической скорости к скорости света в вакууме и выражается в %. В стандарте JSO/JEC -11801 параметр NVP определен в частности, в случае частоты 1МГц для кабелей 3, 4, 5 категорией как 0,4, 0,6, 0,65 Величина NVP для витой пары зависит от диаметра проводников, расстояния между ними, и типа диэлектрика. Для кабелей, применяемых в СКС определяющим является материал изоляции. Конечная скорость распространения электромагнитной волны по витой паре вызывает также задержку поступления сигналов на приемник после его подачи на вход линии. Величина задержки (параметр delay) является критичной для некоторых приложений при высокоскоростном информационном обмене. Согласно стандарту JSO/JEC -11801 параметр delay не должен превышать величину Разброс задержек прохождения сигналов по витым парам (параметр Skew). В кабелях содержащих несколько витых пар, каждая из них будет характеризоваться индивидуальным временам прохождения сигнала от передатчика к приемнику. Максимальная разность задержек между всеми парами обозначается параметром skew: Skew=max/ti-tj/, i, j = l, n (6.7) где n- количество пар в тестируемом кабеле (часто n=2). tk- момент прихода импульсов на дальний конец витых пар при условии одновременной подачи зондирующих сигналов на все пары. Структурные и обычные возвратные потери. В реальных линиях всегда присутствуют неоднородности, которые приводят к отражениям. В результате в линии возникают два дополнительных паразитных потока, ухудшающих согласование и вызывающих дополнительное затухание и искажение. Это обратный поток, состоящий из отраженных волн и попутный поток, возникающий из-за двойного переотражения. Интенсивность обратного отражения характеризуется параметром SRL (Structural Return Lose), который определяется как отношение мощности основного сигнала к мощности обратного потока энергии. Этот параметр нормируется разными стандартами для различных категорий кабелей. В частности на частоте 1-10МГц значение возвратных потерь для кабелей с волновым сопротивлением 100, 120 Ом, категорий 3, 4, 5 составляет соответственно величины 12, 21, 23 дБ. Сопротивление связи. Сопротивление связи является мерой качества исполнения экрана экранированного кабеля. Этот параметр определяется как отношение напряжения U2 наведенного током I1 в экране, нормированного к единице длины кабеля Эта величина нормируется. Так, например, на частоте 10МГц обычные пленочные экраны имеют величину этого параметра примерно 30 мОм/м тогда как для комбинированных экранов Rk <25мОм/м. Затухание несимметрии. Реальная витая пара всегда обладает большей или меньшей несимметрией отдельных своих проводников относительно земли и различным активным сопротивлением. Это сопровождается неполной компенсацией и приводит к возникновению излучения и к поведению электрического тока в витой паре под действием внешнего электромагнитного поля. Интегральной количественной мерой величины несимметрии является значение затухания несимметрии. Эта величина определяется на ближнем и дальнем конце. На ближнем конце параметр затухания несимметрии обозначается как
Рисунок 6.2 – Напряжения несимметрии (Аналогично для дальнего конца)
ЛИТЕРАТУРА
1. Виноградов В.В., Кустышев С.Е., Прокофьев В.А. Линии железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. М.: Маршрут, 2002, 416с. 2. http://www.osp.ru/lan/2002/10/136592/
Топология линии связи Содержание Введение 1. Понятие топологии сети 2. Базовые топологии сети 2.1 Топология сети типа "шина" (bus) 2.2 Базовая топология сети типа "звезда" (star) 2.3 Базовая топология сети типа "кольцо" (ring) 3. Другие возможные сетевые топологии 3.1 Топология сети типа "дерево" (tree) 3.2 Комбинированные топологии сети 3.3 "Сеточная" топология сети 4. Многозначность понятия топологии Заключение Список используемой литературы Введение На сегодняшний день невозможно представить деятельность человека без использования им компьютерных сетей. Компьютерная сеть - представляет собой систему распределенной обработки информации, состоящую как минимум из двух компьютеров, взаимодействующих между собой с помощью специальных средств связи. В зависимости от удалённости компьютеров и масштабов, сети условно разделяют на локальные и глобальные. Локальные сети1 - сети, имеющие замкнутую инфраструктуру до выхода на поставщиков услуг. Термин "LAN" может описывать и маленькую офисную сеть, и сеть уровня большого завода, занимающего несколько сотен гектаров. Локальные сети развёртываются обычно в рамках некоторой организации, поэтому их называют также корпоративными сетями. Иногда выделяют сети промежуточного класса2 - городская или региональная сеть, т.е. сеть в пределах города, области и т.п. Глобальная сеть3 покрывает большие географические регионы, включающие в себя как локальные сети, так и прочие телекоммуникационные сети и устройства. Глобальные сети практически имеют те же возможности, что и локальные. Но они расширяют область их действия. Польза от применения глобальных сетей ограничена в первую очередь скоростью работы: глобальные сети работают с меньшей скоростью, чем локальные. Из выше перечисленных компьютерных сетей, обратим свое внимание на локальные сети, для того чтобы лучше понять архитектуру сетей, способы передачи данных. А для этого надо знать такое понятие, как топология сети. Понятие топологии сети Топология - это физическая конфигурация сети в совокупности с ее логическими характеристиками. Топология - это стандартный термин, который используется при описании основной компоновки сети. Если понять, как используются различные топологии, то можно будет определить, какими возможностями обладают различные типы сетей. Существует два основных типа топологий: физическая логическая Логическая топология описывает правила взаимодействия сетевых станций при передаче данных. Физическая топология определяет способ соединения носителей данных. Термин "топология сети" характеризует физическое расположение компьютеров, кабелей и других компонентов сети. Топология сети обуславливает ее характеристики. Выбор той или иной топологии влияет на: состав необходимого сетевого оборудования характеристики сетевого оборудования возможности расширения сети способ управления сетью Конфигурация сети может быть или децентрализованной (когда кабель "обегает" каждую станцию в сети), или централизованной (когда каждая станция физически подключается к некоторому центральному устройству, распределяющему фреймы и пакеты между станциями). Примером централизованной конфигурации является звезда с рабочими станциями, располагающимися на концах ее лучей. Децентрализованная конфигурация похожа на цепочку альпинистов, где каждый имеет свое положение в связке, а все вместе соединены одной веревкой. Логические характеристики топологии сети определяют маршрут, проходимый пакетом при передаче по сети. При выборке топологии нужно учитывать, чтобы она обеспечивала надежную и эффективную работу сети, удобное управление потоками сетевых данных. Желательно также, чтобы сеть по стоимости создания и сопровождения получилась недорогой, но в то же время оставались возможности для ее дальнейшего расширения и, желательно, для перехода к более высокоскоростным технологиям связи. Это непростая задача! Чтобы ее решить, необходимо знать, какие бывают сетевые топологии. Базовые топологии сети Существует три базовые топологии, на основе которых строится большинство сетей. шина (bus) звезда (star) кольцо (ring) Если компьютеры подключены вдоль одного кабеля, топология называется "шиной". В том случае, когда компьютеры подключены к сегментам кабеля, исходящим из одной точки, или концентратора, топология называется звездой. Если кабель, к которому подключены компьютеры, замкнут в кольцо, такая топология носит название кольца. Хотя сами по себе базовые топологии несложны, в реальности часто встречаются довольно сложные комбинации, объединяющие свойства нескольких топологий. 2.1 Топология сети типа "шина" (bus) В этой топологии все компьютеры соединяются друг с другом одним кабелем (рисунок 1).
Рисунок 1 - Схема топологии сети тип "шина" В сети с топологией "шина" компьютеры адресуют данные конкретному компьютеру, передавая их по кабелю в виде электрических сигналов - аппаратных MAC-адресов4. Чтобы понять процесс взаимодействия компьютеров по шине, нужно уяснить следующие понятия: передача сигнала отражение сигнала терминатор 1. Передача сигнала Данные в виде электрических сигналов, передаются всем компьютерам сети; однако информацию принимает только тот, адрес которого соответствует адресу получателя, зашифрованному в этих сигналах. Причем в каждый момент времени только один компьютер может вести передачу. Так как данные в сеть передаются лишь одним компьютером, ее производительность зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем их больше, т.е. чем больше компьютеров, ожидающих передачи данных, тем медленнее сеть. Однако вывести прямую зависимость между пропускной способностью сети и количеством компьютеров в ней нельзя. Ибо, кроме числа компьютеров, на быстродействие сети влияет множество факторов, в том числе: характеристики аппаратного обеспечения компьютеров в сети частота, с которой компьютеры передают данные тип работающих сетевых приложений тип сетевого кабеля расстояние между компьютерами в сети Шина - пассивная топология. Это значит, что компьютеры только "слушают" передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому, если один из компьютеров выйдет из строя, это не скажется на работе остальных. В активных топологиях компьютеры регенерируют сигналы и передают их по сети. 2. Отражение сигнала Данные, или электрические сигналы, распространяются по всей сети - от одного конца кабеля к другому. Если не предпринимать никаких специальных действий, сигнал, достигая конца кабеля, будет отражаться и не позволит другим компьютерам осуществлять передачу. Поэтому, после того как данные достигнут адресата, электрические сигналы необходимо погасить. 3. Терминатор Чтобы предотвратить отражение электрических сигналов, на каждом конце кабеля устанавливают заглушки (терминаторы, terminators), поглощающие эти сигналы (Рисунок 2). Все концы сетевого кабеля должны быть к чему-нибудь подключены, например к компьютеру или к баррел-коннектору - для увеличения длины кабеля. К любому свободному - неподключенному - концу кабеля должен быть подсоединен терминатор, чтобы предотвратить отражение электрических сигналов.
Рисунок 2 - Установка терминатора Нарушение целостности сети может произойти, если разрыв сетевого кабеля происходит при его физическом разрыве или отсоединении одного из его концов. Возможна также ситуация, когда на одном или нескольких концах кабеля отсутствуют терминаторы, что приводит к отражению электрических сигналов в кабеле и прекращению функционирования сети. Сеть "падает". Сами по себе компьютеры в сети остаются полностью работоспособными, но до тех пор, пока сегмент разорван, они не могут взаимодействовать друг с другом. У такой топологии сети есть достоинства и недостатки. К достоинствам можно отнести: небольшое время установки сети дешевизна (требуется меньше кабеля и сетевых устройств) простота настройки выход из строя рабочей станции не отражается на работе сети Недостатки такой топологии следующие. такие сети трудно расширять (увеличивать число компьютеров в сети и количество сегментов - отдельных отрезков кабеля, их соединяющих). поскольку шина используется совместно, в каждый момент времени передачу может вести только один из компьютеров. "шина" является пассивной топологией - компьютеры только "слушают" кабель и не могут восстанавливать затухающие при передаче по сети сигналы. надежность сети с топологией "шина" невысока. Когда электрический сигнал достигает конца кабеля, он (если не приняты специальные меры) отражается, нарушая работу всего сегмента сети. Проблемы, характерные для топологии "шина", привели к тому, что эти сети, столь популярные еще десять лет назад, сейчас уже практически не используются. Топология сети типа "шина" известна как логическая топология Ethernet 10 Мбит/с. 2.2 Базовая топология сети типа "звезда" (star) При топологии "звезда" все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному компоненту, именуемому концентратором5 (hub) (рисунок 3). Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем остальным. Эта топология возникла на заре вычислительной техники, когда компьютеры были подключены к центральному, главному, компьютеру.
Рисунок 3 - Схема топологии сети типа "звезда" Достоинства такой типологии следующие: выход из строя одной рабочей станции не отражается на работе всей сети в целом хорошая масштабируемость сети лёгкий поиск неисправностей и обрывов в сети высокая производительность сети (при условии правильного проектирования) гибкие возможности администрирования Недостатки: выход из строя центрального концентратора обернётся неработоспособностью сети (или сегмента сети) в целом для прокладки сети зачастую требуется больше кабеля, чем для большинства других топологий конечное число рабочих станций в сети (или сегменте сети) ограничено количеством портов в центральном концентраторе. Одна из наиболее распространённых топологий, поскольку проста в обслуживании. В основном используется в сетях, где носителем выступает кабель витая пара. UTP категория 3 или 5. Топология типа "звезда" нашла свое отражение в технологии Fast Ethernet6. 2.3 Базовая топология сети типа "кольцо" (ring) При топологии "кольцо" компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо (Рисунок 4). Поэтому у кабеля просто не может быть свободного конца, к которому надо подключать терминатор. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер. В отличие от пассивной топологии "шина", здесь каждый компьютер выступает в роли репитера, усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру. Поэтому, если выйдет из строя один компьютер, прекращает функционировать вся сеть.
Рисунок 4 - Схема сети типа "кольцо" Один из принципов передачи данных в кольцевой сети носит название передачи маркера. Суть его такова. Маркер последовательно, от одного компьютера к другому, передается до тех пор, пока его не получит тот, который "хочет" передать данные. Передающий компьютер изменяет маркер, помещает адрес получателя в данные и посылает их по кольцу. Данные проходят через каждый компьютер, пока не окажутся у того, чей адрес совпадает с адресом получателя, указанным в данных. После этого принимающий компьютер посылает передающему сообщение, где подтверждает факт приёма данных. Получим подтверждение, передающий компьютер создаёт новый маркер и возвращает его в сеть. На первый взгляд, кажется, что передача маркера отнимает много времени, однако на самом деле маркер передвигается практически со скоростью света. В кольце диаметром 200 метров маркер может циркулировать с частотой 10 000 оборотов в секунду. Достоинства такой топологии: простота установки практически полное отсутствие дополнительного оборудования возможность устойчивой работы без существенного падения скорости передачи данных при интенсивной загрузке сети, поскольку использование маркера исключает возможность возникновения коллизий7. Недостатки топологии типа "кольцо" следующие: выход из строя одной рабочей станции, и другие неполадки (обрыв кабеля), отражаются на работоспособности всей сети сложность конфигурирования и настройки сложность поиска неисправностей Наиболее широкое применение получила в оптоволоконных сетях. Используется в стандартах FDDI8, Token ring9. Другие возможные сетевые топологии 3.1 Топология сети типа "дерево" (tree) Реальные компьютерные сети постоянно расширяются и модернизируются. Поэтому почти всегда такая сеть является гибридной, т.е. ее топология представляет собой комбинацию нескольких базовых топологий. Легко представить себе гибридные топологии, являющиеся комбинацией "звезды" и "шины", либо "кольца" и "звезды". Однако особо следует выделить топологию "дерево" (tree), которую можно рассматривать как объединение нескольких "звезд" (рисунок 5). Именно эта топология сегодня является наиболее популярной при построении локальных сетей.
Рисунок 5 - Схема топологии сети типа "дерево" Дерево может быть активным или истинным (рисунок 6) и пассивным (рисунок 7). При активном дереве в центрах объединения нескольких линий связи находятся центральные компьютеры, а при пассивном - концентраторы (хабы).
Рисунок 6 - Схема топологии сети типа "активное дерево"
Рисунок 7 - Схема топологии сети типа "пассивное дерево" |
, ρ0 - удельное сопротивление, l - длина линии в км, S - сечение в мм2. Тогда для 1 км двухпроводной цепи 
, (2.1), где d - диаметр провода в мм.
, (2.3), функция F(x) - табулируется или представляется в виде графиков, x = |ka| = |k| 
, 
.
, Гн/км, (2.4), где а - расстояние между проводами, d - диаметр провода, Q(x) - функция, учитывающая поверхностный эффект, график её дан в x = |k|d . Первое слагаемое - это внешняя индуктивность, второе - внутренняя.
, Ф/км, (2.5), где ε r - относительная диэлектрическая проницаемость среды.
, Ом/км, (3.1), где χ меняется в зависимости от диаметра повива D. Если D=30÷80 мм, то χ=[1,01÷1,07]. Сопротивление кабельной пары переменному току
, Ом/км (3.2)
, Гн/км, (3.3), где χ - коэффициент укрутки. Т.е. это такая же формула, что и для воздушной линии. При диаметре повива D=30÷80 мм, то χ=[1,01÷1,07]. Покажем зависимость L от частоты (рисунок 3.5).
Ф/км (3.4)
,(3.5),где εr1 - относительная диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков, εr2 - относительная диэлектрическая проницаемость воздуха, V1 - объем диэлектрика, V2 - объем воздуха. ψ -зависит от d1/d, d1 - диаметр изолированной жилы и d - диаметр голой жилы.
. (3.7)
, Ом (4.1), где r0 - радиус проводов, а - расстояние.
, дБ/км (4.2)
, C - скорость света. (4.3)
. (4.4)
. (4.5)
. (4.6)
.
, нф/м, (5.1), где ε- относительная диэлектрическая проницаемость материала изоляции, D-расстояние между проводами пары, d- диаметр проводника.
, Ом, (6.1), где ZB - численно равно входному сопротивлению разомкнутой витой пары бесконечной длины.
. (6.2)
, Дб (6.3), где A(f) - максимально допустимое затухание, f- частота в МГц, k1, k2, k3 –
, дБ. (6.4)
, нс/100 , (6.6) где f- частота в МГц.
, мОм/м. (6.8)
, дБ. (6.9) где U1, U3, U4 показаны на рисунке 6.2.
