Линии связи на основе металлических кабелей

Обновлено: 05.10.2024

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

К основным характеристикам линий связи относятся:

· перекрестные наводки на ближнем конце линии;

· достоверность передачи данных;

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). Различают экранированные (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 пропускания системы не превышает граничной частоты пропускания.

Скорость распространения v, 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 NEXT применим только к многопарным кабелям на основе витой пары.

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

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 диапазон ВЛС не 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 цепи линий 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.

Проводные и кабельные линии связи

Проводные линии связи реализуются на основе телефонных и телеграфных проводов, подвешенных в воздухе (рис. 2.8). Они обладают крайне низкой пропускной способностью и помехоустойчивостью. Используются в низкоскоростных и среднескоростных каналах связи. В настоящее время считаются морально устаревшими и в телекоммуникационных системах.

Рис. 2.8. Проводная линия связи практически не применяются

Кабельные линии связи реализуются на основе металлических и волоконно-оптических кабелей.

Кабель ‑ это сложное изделие, состоящее, в общем случае, из совокупности проводников, слоев экрана, изоляции и защитного слоя.

Кабели, применяемые для построения высокоскоростных телекоммуникационных сетей, характеризуются следующими наиболее важными параметрами.

- Затухание ‑ это потеря энергии сигнала при распространении его по линии связи. Измеряется в децибелах на метр для определенной частоты или диапазона частот сигнала (этот параметр более подробно был рассмотрен ранее).

- Перекрестные наводки на ближнем конце ‑ определяют помехоустойчивость кабеля к внутренним источникам помех, когда электромагнитное поле сигнала, передаваемого по одной паре проводников, наводит помеховый сигнал в других парах проводников. Измеряются в децибелах для определенной частоты сигнала. Чем меньше значение данного показателя, тем лучше кабель.

- Импеданс (волновое сопротивление) ‑ это полное (активное и реактивное) сопротивление в электрической цепи. Измеряется в Омах и является относительно постоянной величиной для кабельных систем. Например, для коаксиальных кабелей в сетях Ethernet он составляет 50 Ом, для неэкранированнойвитой пары ‑ 100 или 120 Ом.

- Активное сопротивление ‑ это сопротивление постоянному току. В отличие от импеданса оно не зависит от частоты и возрастает с увеличением длины кабеля. Измеряется в Омах.

- Емкость ‑ это свойство металлических проводников накапливать энергию. Два проводника в кабеле, разделенные диэлектриком, представляют собой конденсатор, способный накапливать заряд. Емкость является нежелательной величиной, приводящей к искажению сигнала и ограничивающий полосу пропускания линии.

- Уровень внешнего электромагнитного излучения или электрический шум ‑ это нежелательное переменное напряжение в проводнике. Электрический шум бывает: фоновый и импульсный, низко-, средне- и высокочастотный. Источниками фонового шума являются линии электропередачи, телефоны и лампы дневного света, средства вычислительной техники, телевизионные и радиопередатчики, микроволновые печи. Основными источниками импульсного электрического шума являются моторы, электропереключатели и сварочные агрегаты. Электрический шум измеряется в милливольтах.

- Диаметр или площадь сечения проводника. Указывается в миллиметрах.

Наиболее широкое применение для создания высокоскоростных каналов связи телекоммуникационных сетей в настоящее время получили следующие типы кабелей:

- неэкранированные с витыми парами из медных проводов (Unshielded Twisted Pair ‑ UTP);

экранированные с витыми парами из медных проводов (Shielded Twisted Pair ‑ STP);

- коаксиальные кабели (Coaxial Cable ‑ CC);

- волоконно - оптические кабели (Fiber Optic Cable ‑ FOC).

Кабели на основе неэкранированной витой пары (UTP ‑ кабели)

Неэкранированные UTP ‑ кабели в зависимости от электрических и механических характеристик разделяются на 5 категорий.

Кабели категорий 1 и 2 использовались для создания низкоскоростных каналов связи. В настоящее время устарели и практически не используются [3,5].

Кабели категорий 3, 4 и 5 применяются для создания высокоскоростных каналов с пропускной способностью соответственно до 16, 25 и 155 Мбит/с (при использовании стандарта Gigabit Ethernet ‑ до 1000 Мбит/с). При хороших технических характеристиках эти кабели сравнительно недороги, удобны в работе и не требуют заземления.

Все кабели UTP независимо от их категории выпускаются в 4-парном исполнении. Каждая из четырех пар кабеля имеет определенный цвет и шаг скрутки. Обычно две пары предназначены для передачи данных, а две ‑ для передачи голоса.

Кабели на основе экранированной витой пары (STP - кабели) Экранированные STP ‑ кабели обладают хорошими техническими характеристиками, но имеют высокую стоимость, очень жесткие и неудобные в работе, требуют обязательного заземления экрана. Они подразделяются на типы: Туре 1, Type 2, Type 3, Type 5, Type 9. Наиболее популярным является кабель Туре 1 стандарта IBM, состоящий из двух пар скрученных проводов, экранированных проводящей оплеткой, которую необходимо заземлять. Экранированные STP – кабели, которые применяются в основном только для передачи данных.

Коаксиальный кабель представляет собой медный проводник, покрытый диэлектриком, экранирующей и защитной оболочками.

Коаксиальные кабели для телекоммуникационных сетей делятся на две группы: толстые коаксиальные кабели и тонкие коаксиальные кабели.

Толстый коаксиальный кабель имеет наружный диаметр около 12 мм и достаточно толстый внутренний проводник (2,17 мм), обеспечивающий хорошие электрические и механические характеристики. Скорость передачи данных по толстому коаксиальному кабелю достигает 50 Мбит/с. Однако кабели этого типа очень жесткие, что затрудняет их монтаж.

Тонкий коаксиальный кабель имеет наружный диаметр 5-6 мм, он дешевле и удобнее в работе, но тонкий проводник в нем (0,9 мм) обусловливает худшие электрические (передает сигнал с допустимым затуханием на меньшее расстояние) и механические характеристики. Рекомендуемые скорости передачи данных по «тонкому» кабелю не превышают 10 Мбит/с.

Волоконно-оптические кабели состоят из центрального проводника света (сердцевины) ‑ стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла ‑ оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника различают:

- многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления (рис. 2.9, а);

- многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления (рис. 2.9, б);

- одномодовое волокно (рис. 2.9, в).

В многомодовых кабелях используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. В стандартах определены два наиболее употребительных многомодовых кабеля: 62,5/125 мкм и 50/125 мкм, где 62,5 мкм или 50 мкм ‑ это диаметр центрального проводника, а 125 мкм ‑ диаметр внешнего проводника.

Рис. 2.9. Типы оптического кабеля: а – многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления; б ‑ Ошибка! Ошибка связи.с плавным изменением показателя преломления; в – одномодовое волокно

В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными углами. Угол отражения луча называется модой луча.

Многомодовые кабели имеют более узкую полосу пропускания ‑ от 500 до 800 МГц/км. Сужение полосы происходит из-за потерь световой энергии при отражениях, а также из-за интерференции лучей разных мод.

В качестве источников излучения света в волоконно-оптических кабелях применяются светодиоды и полупроводниковые лазеры.

Волоконно-оптические кабели присоединяют к оборудованию разъемами MIC, ST и SC.

Волоконно-оптические кабели обладают отличными характеристиками всех типов: электромагнитными, механическими (хорошо гнутся, а в соответствующей изоляции обладают хорошей механической прочностью). Однако у них есть один серьезный недостаток ‑ сложность соединения волокон с разъемами и между собой при необходимости наращивания длины кабеля.

Беспроводные линии связи

Беспроводные линии связи используются в тех случаях, когда требуется организовать оперативную связь с подвижными абонентами или необходимо избежать затраты на прокладку кабельных линий. Беспроводные линии связи реализуются на основе радиолиний наземной и спутниковой связи 14.

Аппаратура передачи данных по радиолиниям включает в себя радиопередатчик и радиоприемник, настроенные на один и тот же радиоволновой диапазон. Часто такую АПД называют просто радиоканалом. Скорости передачи данных по радиоканалу практически не ограничены (они ограничиваются полосой пропускания приемопередающей аппаратуры). Высокоскоростной радиодоступ предоставляет пользователям каналы со скоростью передачи 2 Мбит/с и выше. В ближайшем будущем ожидаются радиоканалы со скоростями 20-50 Мбит/с.

Беспроводные каналы связи обладают плохой помехозащищенностью, но обеспечивают пользователю максимальную мобильность и оперативность связи. В сетях ЭВМ беспроводные каналы связи для передачи данных используются чаще всего там, где применение традиционных кабельных технологий затруднено или просто невозможно. Но в ближайшем будущем ситуация может измениться ‑ активно ведется разработка новой технологии беспроводной связи Bluetooth.

Bluetooth ‑ это технология передачи данных по радиоканалам на короткие расстояния, позволяющая осуществлять связь беспроводных телефонов, компьютеров и различной периферии даже в тех случаях, когда нарушается требование прямой видимости.

Первоначально Bluetooth рассматривалась исключительно как альтернатива использованию инфракрасных соединений между различными портативными устройствами. Но сейчас прорабатываются уже два направления широкого использования Bluetooth. Первое направление ‑ это домашние сети, включающие в себя различную электронную технику, в частности компьютеры, телевизоры и т. п. Второе, гораздо более важное направление ‑ локальные сети ЭВМ небольших организаций и учреждений, где стандарт Bluetooth может прийти на смену традиционным проводным технологиям. Недостатком Bluetooth является сравнительно низкая скорость передачи данных - она не превышает 720 кбит/с, поэтому эта технология не способна обеспечить передачу мультимедийной информации в настоящее время.

КАБЕЛЬНЫЕ И ВОЗДУШНЫЕ ЛИНИИ СВЯЗИ НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОВОДНИКОВ

Цепи ЛС постоянно находятся под воздействием сторонних электромагнитных полей различного происхождения. Выделяют две основные группы источников сторонних полей:

• 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 влияниями или просто влияниями на цепи линий связи. Данная проблема является общей для всех сис­тем и устройств телекоммуникаций и называется проблемой элек­ тромагнитной совместимости. Сущность ее состоит в том, что в процессе проектирования, строительства и эксплуатации телеком­муникационных устройств и систем необходимо учитывать два противоречивых требования:

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

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

При количественной оценке уровня взаимных влияний обычно рассматривают две цепи: влияющую (создающую электромагнит­ное поле) и подверженную влиянию (в которой индуцируются по­мехи) (рис. 6.6). Ближним концом линии называют тот, к которому подключен генератор, дальним концом - тот, к которому подключе­на нагрузка цепи. Соответственно рассматриваются мощности сиг­налов в цепях: Р10-на ближнем конце влияющей цепи; P1L-Ha дальнем конце влияющей цепи; Р20-на ближнем конце цепи, под­верженной влиянию; Р2L_-на дальнем конце цепи, подверженной влиянию.

Количественно защищенность от переходных помех из-за вза­имных электромагнитных влияний оценивается рядом показате­лей, в том числе переходным затуханием на ближнем конце линии (Near End Cross Talk-NEXT) A0=10lg |Р10/Р20|, переходным зату­ ханием на дальнем конце линии (Far End Cross Talk - FEXT) AL=10lg | P1L/P2L |.

КАБЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

В настоящее время проводные линии связи широко использу­ются при построении локальных сетей. Данные линии связи стан­дартизированы и обычно называются структурированной кабель­ ной системой (СКС) [6.4,6.10]. Известны СКС категорий 3,4,5 стандартов EIA/TIA-568, TSB-36, TSB-40 специального подкомите­та TR41.8.1. Приведем основные параметры проводки:

• длина горизонтальных кабелей - не более 90 м независимо от типа кабеля;

• к применению допускаются кабели четырех типов: 4-парный из неэкранированных витых пар с волновым сопротивлением 100 Ом; 2-парный из экранированных витых пар с волновым сопротивле­нием 150 Ом; коаксиальный с волновым сопротивлением 50 Ом; волоконно-оптический с волокнами диаметром 62,5/125 мкм;

• на каждом рабочем месте устанавливается не менее двух ро­зеток;

• разводка кабелей должна соответствовать топологии «звезда».

Общая структура СКС показана на рис.6.11.

РАДИОЛИНИИ

В радиолиниях связи средой распространения электромагнит­ных волн в подавляющем большинстве случаев (за исключением случая связи между космическими аппаратами) является атмо­сфера Земли. На рис. 6.12 приведено упрощенное строение атмос­феры Земли.

Реально строение атмосферы более сложно и приведенное деление на тропосферу, стратосферу и ионосферу достаточно ус­ловно. Высота слоев приблизительна и различна для разных гео­графических точек Земли. Около 80 % массы атмосферы сосредоточено в тропосфере 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.

Классификация и способы распространения радиоволн приве­дены в табл.6.2 и 6.3. Деление радиоволн на диапазоны установ­лено Международным регламентом радиосвязи ITU-R.

Радиоволны, излучаемые передающей антенной, прежде чем попасть в приемную антенну, проходят в общем случае сложный путь. На значение 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.

Кроме того, напряженность поля в точке приема зависит от длины волны и освещенности земной атмосферы Солнцем и ряда других факторов.

Характеристики линий связи

Типы характеристик и способы их определения

• перекрестные наводки на ближнем конце линии;
• пропускная способность;

• достоверность передачи данных;

В первую очередь разработчика 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 — 64 Кбит/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.

Для определения характеристик линии связи часто используют анализ ее реак­ций на некоторые эталонные воздействия. Такой подход позволяет достаточно про­сто и однотипно определять характеристики линий связи любой природы, не прибегая к сложным теоретическим исследованиям. Чаще всего в качестве эталон­ных сигналов для исследования реакций линий связи используются синусоидаль­ные сигналы различных частот. Это связано с тем, что сигналы этого типа часто встречаются в технике и с их помощью можно представить любую функцию вре­мени — как непрерывный процесс колебаний звука, так и прямоугольные импуль­сы, генерируемые компьютером.

КАБЕЛЬНЫЕ И ВОЗДУШНЫЕ ЛИНИИ СВЯЗИ НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОВОДНИКОВ

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

К линиям связи предъявляются следующие основные требо­вания:

• осуществление связи на практически требуемые расстояния;

• 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.

Часто возникает путаница в применениях терминов «провод», «кабель» и «линия связи». Провод - конструктивный элемент, пред­ставляющий собой проводник (проводники) той или иной конструкции в изолирующем покрытии. Кабель - законченная конструкция, со­стоящая из одного или нескольких проводов, заключенных в общие экранирующие, защитные и прочие покровы. Линия связи - инженер­ное сооружение, состоящее из проложенного по определенной гео­графической трассе кабеля связи, при необходимости снабженная устройствами защиты от внешних влияний (грозоразрядники и т.п.), а также усилительными и регенерационными пунктами.

Рассмотрим проводные ЛС. В простейшем случае проводная ЛС - физическая цепь, образуемая парой металлических проводни­ков. По конструкции и взаимному расположению проводников разли­чают симметричные и коаксиальные провода и кабели связи (рис.6.1).

Симметричный провод состоит из двух совершенно одинако­вых в электрическом и конструктивном отношениях изолированных проводников. В зарубежных источниках его часто называют «витая пара» (Twisted Pair-TP). Различают экранированные (shielded) и неэкранированные (unshielded) симметричные провода.


Коаксиальный провод (от англ. co-axial - соосный) представля­ет 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 симметричных и коак­сиальных кабелей (СК и КК).

Наилучши­ми свойствами (малым сопро­тивлением) обладают медь и серебро. Коэффициент затуха­ния зависит также от геометри­ческих размеров проводников. СК с большими диаметрами про­водников имеют меньший ко­эффициент затухания. Коэффи­циент затухания КК зависит от соотношения диаметров внеш­него и внутреннего проводника (рис.6.2). Оптимальными соот­ношениями являются (материал внешнего проводника): 3,6 для меди, 3,9 для алюминия, 5,2 для свинца.

гр (обычно он определяется воз­можностями усилителей или регенераторов (см. § 5.4)), то данному коэффициенту соответствует граничная частота пропускания сис­темы /ф. Полоса пропускания системы не превышает граничной частоты пропускания.

Частотная зависимость скорости распространения ( v , км/мс). показана на рис.6.4. С ростом частоты скорость распространения увеличивается, приближаясь к скорости света в вакууме vc~300 км/мс. Данный параметр зависит также от свойств диэлектрика, приме­няемого в кабеле.

Волновое сопротивление (ZB, 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 СК зависит от удельных значений емкости и индуктивности кабеля. Для КК волновое сопротивление определяется как Zy =(1/2π)ZIn(D/d), где Z-волновое сопротивление диэлек­трика, D и d - соответственно диаметры внешнего и внутреннего проводников.

Основные требования к СК определены в рекомендации ITU-T G.613. Диаметр жилы СК обычно составляет 0,4. 1,2 мм. Как пра­вило, СК обычно используются в диапазоне частот до 10 МГц. Ос­новные параметры КК приведены в табл.6.1.

Тип КК Диаметр проводника внутренний/внешний, мм Рекомендация ITU-T Рабочая полоса частот, МГц
Мини-КК 0,7/2,9 G.621 0,2. 20
Малогабаритный КК 1,2/4,4 G.622 0,06. 70
Нормализованный КК 2,6/9,5 G.623 0,06. 300

В настоящее время выпускается широкая номенклатура кабе­лей, различающихся назначением, областью применения, усло­виями прокладки и эксплуатации и пр.

На рис.6.5 приведен пример конструкции кабеля для магист­ральной сети КМБ-8/7. В конструкции кабеля предусмотрено не­сколько коаксиальных цепей разного типа, несколько симметрич­ных пар, а также отдельные изолированные жилы. Последние обычно используются для технологических целей.


Воздушные ЛС (ВЛС) не имеют изолирующего покрытия между проводниками, роль изолятора играет слой воздуха. Проводники выполняются, в основном, из биметаллической сталемедной (ста-леалюминевой) 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 диапазон ВЛС не превышает 150 кГц.


Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).



Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.


© cyberpedia.su 2017-2020 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!

Кабельные линии связи

Кабельные линии связи

В данной статье мы устройство кабельных линий связи используемых в вычислительных сетях.

Наиболее часто в компьютерных сетях применяются кабельные соединения, выступающее в качестве среды электрических или оптических сигналов между компьютерами и другими сетевыми устройствами. При этом используются следующие типы кабеля:

  • коаксиальный кабель (coaxial cable);
  • витая пара (twisted pair);
  • волоконно-оптический или оптоволоконный кабель (fiber optic).

Кабель - это изделие, состоящее из проводников, слоев экрана и изоляции. В некоторых случаях в состав кабеля входят разъемы, с помощью которых кабели присоединяются к оборудованию.

Важнейшие характеристики:

  • Коэффициент затухания, 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.
  • Скорость распространения, км/мс - с ростом частоты скорость распространения увеличивается, приближаясь к скорости света в вакууме 300 км/мс. Данный параметр зависит также от свойств диэлектрика, применяемого в кабеле.
  • Перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross Talk, NEXT);
  • Волновое сопротивление (импеданс) (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.
  • 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.
  • 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 от 20 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.
  • Диаметр или площадь сечения проводника.

Коаксиальные кабели


Еще пятнадцать-двадцать лет назад при создании сетей в основном применялся именно коаксиальный кабель, состоящее из передающего сигнала медной или алюминиевой жилы, слоя изоляции, экранирующей оплетки из медных проводов или алюминиевой фольги и защитной внешней обмотки.

Для передачи сигнала в коаксиальном кабеле использовалась центральная жила, тогда как оплетка заземлялась, выступая в роли «электрического нуля».

Кабели делятся по шкале Radio Guide. Наиболее распространённые категории кабеля:

  • RG-8 и RG-11 — «Толстый Ethernet» (Thicknet), 50 Ом. Стандарт 10BASE5;
  • RG-58 — «Тонкий Ethernet» (Thinnet), 50 Ом. Стандарт 10BASE2:
  • RG-58/U — сплошной центральный проводник,
  • RG-58A/U — многожильный центральный проводник,
  • RG-58C/U — военный кабель;
  • RG-59 — телевизионный кабель (Broadband/Cable Television), 75 Ом. Российский аналог РК-75-х-х («радиочастотный кабель»);
  • RG-6 — телевизионный кабель (Broadband/Cable Television), 75 Ом. Кабель категории RG-6 имеет несколько разновидностей, которые характеризуют его тип и материал исполнения. Российский аналог РК-75-х-х;
  • RG-62 — ARCNet, 93 Ом

Тонкий коаксиальный кабель – гибкий, диаметром около 0,5см, позволяет передавать данные без затухания на расстояния до 185м (в реальных сетях даже до 300м).

Для подключения кабеля к сетевым устройствам применялись специальные разъемы типа BNC.

На концах отрезков кабеля монтировались простые BNC-коннекторы. Сращивание этих отрезков производили с помощью BNC I-коннекторов, а для соединения с сетевыми адаптерами и устройствами использовались BNCT-коннекторы.


Чтобы отраженный сигнал поглощался на концах кабеля, там устанавливали BNC-терминаторы, один из которых обязательно заземлялся.

Широкое распространение сетей, построенных на основе коаксиального кабеля, было вызвано двумя обстоятельствами: дешевизной (особенно для сетей на тонком коаксиальном кабеле) – расходы на кабель и коннекторы были минимальными, а больше для небольших сетей ничего и не требовалось, и простотой – достаточно было проложить магистральный кабель, установить на его концах терминаторы и подключить к нему все компьютеры, - и сеть готова.

Кабели на основе витой пары


Витая пара (twisted pair) — вид кабеля связи, представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой (с небольшим числом витков на единицу длины), покрытых пластиковой оболочкой.

Цели скручивания проводников:

  • повышения связи проводников одной пары (электромагнитная помеха одинаково влияет на оба провода пары);
  • уменьшения электромагнитных помех от внешних источников;
  • уменьшения взаимных наводок при передаче дифференциальных сигналов.

Виды кабелей на основе витой пары:

  • незащищенная витая пара (UTP — Unshielded twisted pair) — отсутствует защитный экран вокруг отдельной пары;
  • фольгированная витая пара (FTP — Foiled twisted pair) — также известна как F/UTP, присутствует один общий внешний экран в виде фольги;
  • защищенная витая пара (STP — Shielded twisted pair) — присутствует защита в виде экрана для каждой пары и общий внешний экран в виде сетки;
  • фольгированная экранированная витая пара (S/FTP — Screened Foiled twisted pair) — внешний экран из медной оплетки и каждая пара в фольгированной оплетке;
  • незащищенная экранированная витая пара (SF/UTP — Screened Foiled Unshielded twisted pair) — двойной внешний экран из медной оплетки и фольги, каждая витая пара без защиты.


Категории кабелей на основе витой пары

Благодаря своей дешевизне, легкости в установке и универсальности может использоваться в большинстве сетевых технологий, не экранированная витая пара сейчас является самым распространенным типом кабеля, используемым при построении локальных сетей. Экранированная витая пара, несмотря на большую помехозащищенность, не получила широкого распространения из-за сложностей установке – требуется заботиться о заземлении, да и кабель по сравнению с не экранированной витой парой более жесткий.

Витая пара подключается к компьютеру и другим устройствам с помощью восьмиконтактного разъема 8P8C (8 Position 8 Contact). Этот коннектор похож на применяемых в телефонных линиях (коннектор RJ-11), только немного больше него и называется RJ-45.

Заделка кабеля «витая пара» в коннектор 8P8C выполняется в соответствии со стандартами EIA/TIA568A и 568B.


Заделка кабеля «витая пара» в коннектор 8P8C выполняется с помощью специального обжимного инструмента – кримпера.

Заметим, что кабели, применяемые для подключения компьютеров к концентраторам и коммутаторам, обжимаются с двух сторон одинаково, т.е. по одному и тому же стандарту. При этом получается так называемый прямой кабель. Однако для непосредственного соединения сетевых адаптеров компьютеров используется перекрестный кабель (“кросс-кабель”).

Волоконно-оптические линии связи

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с линиями связи на основе металлических кабелей:

  • 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 ВОЛС применяют электромагнитные волны оптического диапазона. Напомним, что видимое оптическое излучение лежит в диапазоне длин волн 380. 760 нм. Практическое применение в ВОЛС получил инфракрасный диапазон, 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 делится на два вида:



Волоконно-оптический кабель состоит из центрального проводника света (сердцевины) - стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла - оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки

В качестве источников излучения света в волоконно-оптических кабелях применяются:

  • светодиоды;
  • полупроводниковые лазеры.

В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника различают:

  • многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления. В ступенчатом оптоволокне могут возбуждаться и распространяться до тысячи мод с различным распределением по сечению и длине оптоволокна. Моды имеют различные оптические пути и, следовательно, различные времена распространения по оптоволокну, что приводит к уширению импульса света по мере его прохождения по оптоволокну. Это явление называется межмодовой дисперсией и оно непосредственно влияет на скорость передачи информации по оптоволокну.
  • многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления. Отличается от ступенчатого тем, что показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние межмодовой дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиентного волокна может быть параболическим, треугольным, ломаным и т.д.
  • одномодовое волокно. В этом оптоволокне существует и распространяется только одна мода (точнее две вырожденные моды с ортогональными поляризациями), поэтому в нем отсутствует межмодовая дисперсия, что позволяет передавать сигналы на расстояние до 50 км со скоростью до 2,5Гбит/с и выше без регенерации.


Для подключения оптического кабеля используются специальные коннекторы. Коннекторы SC и ST сегодня считаются устаревшими, поэтому в новом оборудовании чаще всего применяются разъемы для коннекторов FC.

ST и SC коннекторы имеют самую простую конструкцию, могут использоваться как в магистральных сетях, так и в патч кордах. В них используется механизм соединения «push-pull». К сожалению, их простата отрицательно сказывается на надежности.

FC-коннектор имеет более высокую надежность, так как имеет керамический наконечник и накидную гайку для фиксации разъема на оптическом порту. Это дает возможность использовать его не только в магистральных сетях, но даже в условиях высокой подвижности.

Монтаж коннекторов (заделка оптоволоконного кабеля в коннектор) довольно сложен и требует специального оборудования. Правда, в последнее время появились наборы, позволяющие заделывать такие коннекторы и в домашних условиях. Однако их использование требует точности и терпения, поскольку производится путем вклейки оптического волокна в наконечник с последующей сушкой тонкой шлифовкой.

По сравнению с электрическими кабелями оптоволокно обеспечивает непревзойденные параметры помехозащищенности и защиты передаваемого сигнала от перехвата. Кроме того, при его использовании данные удается передавать на существенно большие расстояния, да и теоретически возможные скорости передачи в оптоволокне намного выше.

Окна прозрачности оптоволокна

Окно прозрачности - диапазон длин волн оптического излучения, в котором имеет место меньшее, по сравнению с другими диапазонами, затухание излучения в среде, в частности - в оптическом волокне. Стандартное ступенчатое оптическое волокно SMF имеет три окна прозрачности: 850 нм, 1310 нм и 1550 нм. К настоящему времени разработаны четвёртое (1580 нм) и пятое (1400 нм) окна прозрачности, а так же оптические волокна, имеющие относительно хорошую прозрачность во всём ближнем инфракрасном диапазоне.

Первоначально, в 70-х годах, системы волоконно-оптической связи использовали первое окно прозрачности, поскольку выпускаемые в то время GaAs-лазеры работали на длине волны 850 нм. В настоящее время этот диапазон из-за большого затухания используется только в локальных сетях.

В 80-х годах были разработаны лазеры на тройных и четверных гетероструктурах, способные работать на длине волны 1310 нм и второе окно прозрачности стало использоваться для дальней связи. Преимуществом данного диапазона явилась нулевая дисперсия на данной длине волны, что существенно уменьшало искажение оптических импульсов.

Третье окно прозрачности было освоено в начале 90-х годов. Преимуществом третьего окна является не только минимум потерь, но и тот факт, что на длину волны 1550 нм приходится рабочий диапазон волоконно-оптических эрбиевых усилители (EDFA). Данный тип усилителей, имея способность усиливать все частоты рабочей области, предопределил использование третьего окна прозрачности для систем со спектральным уплотнением (WDM).

Четвёртое окно прозрачности простирается до длины волны 1620 нм, увеличивая рабочий диапазон систем WDM.

Пятое окно прозрачности появилось в результате тщательной очистки оптического волокна от посторонних примесей. Таким образом, было получено оптическое волокно AllWave, имеющее малые потери во всей области от 1280 нм до 1650 нм.

Читайте также: