35. Организация каналов связи для передачи данных: определение канала связи, его структура, типы и виды линий связи.

Линия связи – это физическая среда, по которой передаются сигналы контроля и управления.

В телемеханике сигналы контроля и управления представляют собой электромагнитные колебания в большом частотном диапазоне (табл. 6.1).

Канал связи – это совокупность технических средств для независимой передачи информации от источника к получателю. Он состоит из линии связи и аппаратуры связи.

Передача сигналов по заданному каналу осуществляется независимо от других каналов. Число каналов в одной линии связи при одновременной передаче всех сигналов определяется полосой пропускания линии связи и полосой частот канала связи:

, (6.1)

где – число каналов связи;

К – коэффициент, учитывающий защитные полосы при частотном разделении и защитные интервалы при временном разделении;

–полоса пропускания линии связи;

–полоса пропускания канала связи.

Для организации каналов связи применяются типы и виды линии связи, приведённые в табл. 6.1 [8].

Проводные линии связи, используемые только для передачи телемеханической информации, называют физическими проводными линиями связи.

Наиболее массовые телефонные, телеграфные, каналы звукового вещания имеют типовую полосу пропускания, нормированные входной и выходной уровни сигналов, помех и другие технические показатели.

Полоса пропускания линии связи – это непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного превышает некоторый заранее заданный предел.

Таблица 6.1

Типы и виды линии связи

Тип линии связи	Вид линии связи	Диапазон частот
Электрическая (проводная)	Воздушная Симметричный кабель Коаксиальный кабель Линия электропередач (ЛЭП)	0 ÷ 200 кГц 0 ÷ 1 Мгц 0 ÷ 15 МГц 50 кГц ÷ 500 кГц
Радио (беспроводная)	Радиосвязь Радиорелейная Космическая	10 кГц ÷ 3×106 МГц 30МГц ÷ 3×104 МГц 30МГц ÷ 3×104 МГц
Оптическая	Оптическая с открытой средой Волоконно-оптическая	(0,3 ÷ 1015) Гц (0,3 ÷ 1015) Гц

Кроме телефонного канала для передачи телемеханических сообщений могут использоваться и другие диапазоны частот, стандартизированные в системе связи:

– подтональный диапазон с полосой пропускания (40 ÷ 300) Гц,

– тональный диапазон с полосой пропускания (300 ÷ 3400) Гц,

– надтональный с полосой пропускания (3400 ÷ 5300) Гц,

– высокочастотный с полосой пропускания свыше (5300) Гц.

Скорость передачи, выражаемая в Бодах, используется для характеристики импульсных сигналов и равна числу импульсов, передаваемых в одну секунду.

36. Организация каналов связи для передачи данных. Проводные линии связи, их характеристики: первичные и вторичные параметры, режим согласованной передачи.

Проводные линии связи имеют следующие основные характеристики.

Воздушные линии связи (см. табл. 6.1) состоят из металли­ческих проводов, подвешенных с помощью изоляторов и специальной арматуры на столбах. В зависимости от условий, в которых находятся под­вешенные провода (гололед, ветер и т.п.), различают воздушные линии связи четырех типов: облегченного, нормального, усиленного и особо уси­ленного. В качестве проводов (линейной проволоки) применяют провода:

– стальной диаметрами 5; 4; 3; 2,5; 2; 1,5 мм;

– медный диаметрами 4; 3,5 и 3 мм;

– биметаллический сталемедный (стальной провод с медным покры­тием толщиной до 0,2 мм) диаметрами 4; 3; 2; 1,6 мм;

– биметаллический сталеалюминиевый диаметрами 2,6 ÷ 6,5 мм.

Кабельные линии связи. Кабель состоит из изолированных параллельных проводников, заключенных в общую влагозащитную оболочку и иногда в броневые покровы. Различают подземные, подводные и воздушные кабели.

Различают высокочастотные (полоса частот выше 10 кГц) и низкочастотные (до 10 кГц) кабели. Коаксиальные кабели всегда высоко­частотные; их целесообразно применять, начиная с частоты 60 кГц. Полоса пропускания такого кабеля достигает нескольких мегагерц. Для телеме­ханики применяют в основном симметричные многожильные кабели с различной изоляцией:

– трубчатой, выполненной из бумажной или пластмассовой ленты, наложенной на жилу кабеля в виде трубки;

– кордельной, состоящей из корделя (нити или жгута), расположенного на жиле кабеля спирально, и накладываемой поверх корделя ленты; эта конструкция кабеля экономичнее трубчатой, но обладает малой жёсткостью при повторных перемотках кабеля в процессе его изготовления.

Температурные колебания сопротивления у подземных кабелей значи­тельно меньше, чем у воздушных линий. Однако кабели, обладая более тонкими жилами (не более 1,4 мм), имеют значительно большие сопротив­ление и коэффициент затухания.

Проводные линии связи характеризуются первичными и вторичными параметрами.

Первичные параметры проводных линий связи – погонные активное сопротивление проводов R (Ом/км), индуктивность L (Гн/км), емкость С (Ф/км) и проводимость изоляции проводов G (Сим-км).

Активное сопротивление определяют из выражения

R = R₀ + R_п.э+ R_бл + R_м, (6.2)

где R₀ – сопротивление постоянного тока; R_п.э – сопротивление поверх­ностного эффекта; R_бл – сопротивление эффекта близости; R_м – сопро­тивление потерь в металле (в соседних кабельных цепях и защитной металлической оболочке).

Сопротивление потерь R_м в металле возникает из-за того, что вихревые токи, создаваемые внешним магнитным полем цепи, нагревают окружающие металлические части.

Индуктивность проводов L зависит главным образом от расстояния между проводами, диаметра провода (уменьшается с увели­чением диаметра) и в меньшей мере – от материала провода (у стали L больше, чем у меди) и частоты тока (возрастает с увеличением частоты).

Емкость проводов С зависит от расстояния между проводами (увеличивается с уменьшением расстояния), диаметра провода и мате­риала диэлектрика между проводами цепи. Произведение LC = , где  и  – соответственно магнитная и диэлектрическая проницаемости. Для воздушной линии LC = 1, для кабеля LC = .

Проводимость изоляции (утечка) G зависит от типа изоляции, частоты тока (возрастает с увеличением частоты) и климатических условий. Для воздушных цепей на утечку влияют также гололед и иней. В табл. 6.2 приведены примеры некоторых проводных линий связи [8] и их первичных параметров.

Если первичные параметры линии связи неизменны для любого участка её длины, то такая линия называется однородной. Однородность обеспечивается постоянством конструктивных размеров. Неоднородная линия обладает различными первичными параметрами на разных участках. В телемеханике применятся однородные линии.

Вторичные параметры проводных линий связи – волновое сопротивление Z_В и постоянная передачи . Эти параметры характеризуют усло­вия распространения электромагнитной энергии по линии связи и зависят только от первичных параметров и частоты.

В линиях небольшой протяженности значение тока практически одинаково в начале и в конце линии. Если длина линии велика, то при высокой частоте значе­ние тока в начале и в конце линии различно. Падение напряжения в раз­ных точках линии будет иметь также разное значение. Электрическая модель длинной проводной линии представлена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Схема замещения проводной линии

Сопротивление, которым можно заменить отрезанную часть длинной линии так, что при этом в любых точках оставшейся линии значения тока и напряжения будут прежними, называют волновым или характеристическим сопротивлением и обозначают Z_В.

Волновое сопротивление выражается через первичные параметры проводной линии

Z_{В =} . (6.3)

На частотах более 10 кГц, когда первые слагаемые числителя и знаменателя малы:

Z_{В =} . (6.4)

Для медных воздушных линий связи Z_В =600  900 Ом.

Сопротивление, измеренное в начале линии, называют входным сопротивлением

Z_ВХ = U_ВХ/I_ВХ. (6.5)

Входное сопротивление линии зависит от волнового сопротивления, затухания линии и нагрузки в конце линии.

Входное сопротивление совпадает с волновым сопротивлением лишь тогда, когда сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению Z_Н = Z_В. Только в этом случае будет наилучшая передача электромагнитной энергии (наибольший к.п.д. передачи), так как отсутствует отражение волн.

В телемеханике это имеет очень большое значение, так как телемеханические сигналы имеют небольшую мощность. Поэтому, если линия не будет нагружена на волновое сопротивление, могут возникнуть отражения импульсов от несогласованной нагрузки и повторное поступле­ние их на схему, что вызовет искажение передачи.

Постоянная передачи, или коэффициент распространения:

(6.6)

где  – коэффициент затухания, характеризующий уменьше­ние тока или напряжения;  – коэффициент сдвига фазы, определяющий изменение фазы напряжения и тока.

Затухание электромагнитной энергии в линии, нагруженной на волно­вое сопротивление, происходит по экспоненциальному закону: ток I₁ и напряжение U₁  в начале линии всегда больше тока I₂ и напряжения U₂ в конце линии (см. рис. 6.1). Поэтому I₂=I₁е^-l, U₂=U₁e^-l, где l – длина линии.

Из этих соотношений вытекает, что

(6.7)

Если l=1 км, то километрическое затухание в линии, согласованной с нагрузкой:

(6.8)

Затухание выражают в неперах. Непер – натуральный логарифм отношения двух напряжений, токов или половина логарифма отношения мощностей на входе и выходе. Если линия обладает затуханием в 1 Нп, то это значит, что ток и напряжение в конце линии уменьшаются в е = 2,718 раза, а мощность – в e² = 7,39 раза. При =2 Нп отношение U₁/U₂=e²7,4, a P_l/P₂=e⁴55.

Затухание также выражают в децибелах:

(6.9)

На рис. 6.2 приведены данные о затухании некоторых воздушных и кабельных линий связи [8].

Рис. 6.2. Зависимость затухания от частоты для воздушных и кабельных линий связи:

воздушные линии с диаметром провода 4 мм и рас­стоянием между проводами 20 см: 1 – медная, t=-20 °С в сухую погоду; 2 – медная, t=+20 °С в сырую погоду; 3 – медная при гололеде (диаметр провода 5 мм); 4 – стальная, t=+20 °С в сырую погоду; кабельные линии: 5 –МКС-441,2 (диа­метр жилы 1,2 мм); 6 – КМ-42 с шайбовой поли­этиленовой изоляцией

Чтобы затухание, выраженное в неперах, перевести в децибелы, число неперов нужно умножить на коэффициент 8,686. Для обратного перевода в неперы число децибелов умножают на коэффициент 0,1151.

Затухание зависит в основном от активного сопротивления линии. Графики, представленные на рис. 6.2, иллюстрируют сказанное и одновременно подчеркивают сильную зависимость затухания воздушных линий от метеорологических условий. Стальные провода обладают в десятки раз большим коэффициентом затухания по сравнению с медными. Поэтому для увеличения дальности передачи необходимо применять провода с малым удельным сопротивлением или в линиях со стальными проводами более часто включать промежуточные усилительные станции. Например, при передаче по стальным проводам требуется примерно в 10 раз больше усилителей, чем при передаче по медным проводам.

Из тех же графиков следует, что кабельные линии с медным проводником обладают большим затуханием из-за меньших диаметров жил. Для снижения затухания используют кабели с повышенной индуктивностью. Это достигается включением дополнительных катушек индуктивности (пупинизация), либо обматыванием кабеля стальной проволокой или лентой (краруповская обмотка). Однако одновременно со снижением затухания уменьшается и наивысшая допусти­мая частота спектра передаваемых сигналов.

При расчетах линий связи часто пользуются не абсолютными значениями мощности сигналов, выраженными в ваттах, а их относительными значениями, выраженными в логарифмических единицах – абсолютных уровнях. Под абсолютным уровнем понимают уровень (Нп), определяемый из соотношения

(6.10)

где Р – мощность передаваемого сигнала;

P₀ – нулевой уровень, мощность кото­рого принята равной 1 мВт.

Абсолютный уровень может быть как положительным (Р>1 мВт), так и отрицательным (Р<1 мВт). Абсолютный уровень (Нп) можно выразить и напряжением сигнала:

(6.11)

где U₀ – напряжение нулевого уровня.

Для цепей с волновым сопротивлением 600 Ом напряжение U₀ =0,775 В. Введено понятие тока нулевого уровня I₀=1,29 мА.

Понятие уровня в неперах широко используют в телефонии. Так, если при нормальной громкости разговора телефонный аппарат развивает в начале линии мощность 1 мВт на сопротивлении 600 Ом, то качество слышимости оцени­вают как весьма отличное, при этом затухание между передающим и приемным аппаратами =0 Нп. При затухании =1 Нп качество слышимости считают отличным, при =2,0 Нп – хорошим, при =3,0 Нп – достаточным, при =4,0 Нп – недостаточным и только при =5,0 Нп слышимость считают неудовлетворительной.