Разновидности среды распространения сигнала

Одним из классификационных признаков систем передачи данных является используемая в ней среда передачи. По этому признаку они подразделяются на системы передачи данных с непрерывной передающей средой и системы с открытой передающей средой.

В качестве непрерывной передающей среды используются проводные линии связи, световоды и волноводы.

К разновидностям открытой передающей среды относятся различные радиолинии.

Различают следующие виды проводных линий между источником и приемником информации:

- несимметричная однопроводная;

- несимметричная двухпроводная;

- симметричная двухпроводная;

- симметричная витая пара;

- симметричный кабель;

- коаксиальный кабель.

Вид применяемой проводной линии и способ подключения ее к оконечному каскаду передатчика и входу приемника в значительной мере определяют уровень помех в линии.

Помехи, возникающие в цепочке «передатчик- линия связи- приемник» можно разделить на две большие группы: мультипликативные и аддитивные.

Мультипликативные помехи связаны со случайными изменениями коэффициента передачи упомянутой цепочки. Чаще всего они обусловлены старением компонентов электронного оборудования, а также отклонением условий эксплуатации от нормальных. Наибольшее влияние на мультипликативную помеху оказывают дрейф параметров приемника и передатчика, а также изменение параметров электрических контактов.

Аддитивные помехи можно разделить на внутренние и внешние.

К внутренним аддитивным помехам относят собственные шумы канала передачи, определяемые тепловыми шумами линий связи и усилителей, а также помехи, возникающие за счет нелинейных искажений в канале.

Внешние аддитивные помехи являются следствием взаимного влияния цепей различных источников.

Этот вид помех иногда называют наводками. Различают наводки гальванические, емкостные, магнитные и электромагнитные.

Гальванические наводки определяются токами утечки и наличием общей для нескольких линий передачи шины.

Емкостные – образованием паразитных конденсаторов между несколькими линиями передачи.

Магнитные наводки появляются, когда магнитное поле источника помех пересекает контур, образованный линией передачи.

К электромагнитным наводкам относят помехи, которые появляются тогда, когда длина линии становится соизмеримой с длиной волны передаваемых сигналов. Эти помехи возникают за счет отраженных волн в результате рассогласования линии с выходом передатчика и входом приемника.

Существуют также понятия помех общего и нормального вида. Иногда используются термины «продольная» и «поперечная» помехи. Помехи общего вида являются аналогами продольной помехи и идентичны гальваническим наводкам. Понятие помех нормального вида или поперечных помех объединяет в себе емкостные, магнитные и электромагнитные наводки.

Простейшим видом линии связи является однопроводная несимметричная линия, в которой в качестве второго провода используется земля.

Линия называется несимметричной из-за разных параметров прямой и обратной цепей, а также из-за различности условий, в которых находятся эти цепи по отношению к источникам помех, в качестве которых выступают проводники, относящиеся к другим линиям связи.

Эквивалентную схему такой цепи можно представить следующим образом (рис. 2.3). На схеме приняты следующие обозначения: Е_С – сигнал, Z_И – сопротивление источника сигнала, Z_Л – сопротивление линии, Е_Н – помехи нормального вида, Z_ВХ – входное сопротивление приемника, Е_О – помехи общего вида, Z_О – сопротивление земляного провода.

Рисунок 2.3. Эквивалентная схема цепи

Помехи общего вида Е_О возникают из-за того, что по общему земляному проводу протекают токи других цепей.

Помеха нормального вида Е_Н имеет три составляющих: емкостную Е_К, магнитную Е_М и электромагнитную Е_Э и равна их векторной сумме. Значение Е_К определяется расстоянием друг от друга и взаимным расположением данного провода и других проводников, а также частотой тока, протекающего по цепям. Значение Е_М в основном определяется площадью петли, образованной проводниками.

Однопроводная несимметричная линия обладает самой низкой помехозащищенностью, т.к. все составляющие помехи оказывают влияние на величину напряжения на входе приемника.

Однопроводная несимметричная линия является физическим элементом интерфейса RS-232C/ V24 (рис. 2.4).

Рисунок 2.4. Структура интерфейса RS-232C/ V24

Напряжения сигналов в линиях симметричны относительно земли и составляют не менее +3В для двоичного 0 и – 3В для двоичной 1. На практике фактически используемые уровни составляют ±12В или ±15В. Схемы передачи преобразуют внутренние низкие уровни сигналов ООД в более высокие, применяемые в линиях передачи. Приемные схемы выполняют обратное преобразование. Относительно высокие уровни напряжений уменьшают влияние помех. Для соединения двух узлов в RS-232C/V.24 обычно используют плоский многожильный кабель с одним земляным проводом. По мере увеличения длины линии или скорости передачи уровень получаемых сигналов вследствие увеличения затухания снижается до такой степени, что любая помеха даже небольшой амплитуды может вызвать ошибку. В связи с этим в RS-232C/V.24 определена максимально допустимая физическая удаленность (< 15 м) и скорость передачи (< 9,6 кбит/с).

Для уменьшения влияния помех применяют двухпроводную линию. В простейшем случае второй сигнальный провод используется для уменьшения магнитной составляющей помех нормального вида и влияния помех общего вида. Действительно, два сигнальных провода можно расположить так, чтобы расстояние между ними (ширина петли) было минимальным и уменьшить тем самым площадь контура, а следовательно и величину магнитной составляющей помехи. Если второй сигнальный провод использовать в качестве земляного, соединив его с землей на выходе передатчика и входе приемника, то при условии, что его сопротивление значительно меньше сопротивления земли, можно добиться существенного уменьшения влияния помехи общего вида на входной сигнал приемника. Такая линия остается несимметричной и не позволяет использовать преимущества наличия двух проводов в полной мере, тем не менее, постановка второго провода всегда желательна.

Одним из способов использования второго провода является применение интерфейса, называемого «токовая петля 20 мА» (рис. 2.5).

Рисунок 2.5. Структура интерфейса «токовая петля 20 мА»

Как говорит название, в этом случае нормируется не напряжение, а ток в линии. Состоянием переключателя управляет поток битов, подлежащих передаче: при логической 1 переключатель замкнут, пропуская импульс тока 20 мА, при логическом 0 разомкнут, прекращая подачу тока. В приемной схеме наличие тока обнаруживается детектором, в результате чего воспроизводится двоичный сигнал. Помехозащищенность у этого интерфейса выше, т.к. каждая внешняя помеха воздействует на оба провода. В силу этого интерфейс «токовая петля 20 мА» обеспечивает большую удаленность (до 1 км) при средних скоростях передачи.

Для более полного использования этого преимущества необходимы схемы соединения приемника и передатчика с линиями, которые создавали бы симметричные условия передачи сигналов по обоим проводам.

Одним из способов создания симметричных условий является изоляция выхода передатчика и/или входа приемник от земляного провода. Незаземленный вход приемника сравнительно легко реализовать с помощью операционных усилителей с дифференциальным входом. Незаземленный выход передатчика выполнить труднее. Проще всего это было бы реализовать с помощью трансформатора, но сокращение полосы пропускания системы с трансформатором и его нетехнологичность ограничивают область применения такого решения. Наиболее часто используются системы, в которых передатчик имеет парафазный выход, а приемник – дифференциальный вход.

В двухпроводных линиях связи широко используется скрутка проводов – т.н. витая пара. Скрутка оказывает наиболее заметное влияние на магнитную составляющую помехи, т. к. при каждом скручивании магнитная составляющая меняет знак наводимой эдс, в результате чего она в значительной степени компенсируется еще до входа приемника. Скрутка улучшает симметричность линии по отношению к емкостной наводке и однородность линии с точки зрения электромагнитных процессов, что приводит к снижению и электромагнитной составляющей помехи.

Кабель из витой пары в сочетании с дифференциальными передатчиком и приемником являются физической основой интерфейса RS-422/V.11 (рис. 2.6).

Рисунок 2.6.Структура интерфейса RS-422/V.11

Для уменьшения емкостных наводок используется электрическое экранирование линии. Электрический экран выполняется, как правило, в виде медной оплетки.

В особо ответственных случаях выполняют магнитное экранирование линии с помощью магнитомягкого материала в виде трубы. Такой экран уменьшает магнитную наводку контуров, образованных как самой линией, так и проводами линии с землей.

Кабель состоит из изолированных параллельных проводников, заключенных в общую влагозащитную оболочку и иногда в броневое покрытие. По конструкции различают симметричные и коаксиальные кабели.

Кабельные жилы для симметричных кабелей изготавливаются из чистой мягкой отожженной меди. Большое влияние на электрические параметры кабеля оказывают материалы, применяемые для изоляции жил кабеля. Широкое применение получили диэлектрики из синтетических материалов: полихлорвинил, полистирол, полиэтилен, стирофлекс и др. Для создания влагонепроницаемой оболочки чаще всего используется свинец. С целью предохранения кабеля от механических повреждений их покрывают бронелентой или бронепроволокой из стали. Изолированные жилы для уменьшения взаимного влияния цепей скручиваются в группы. Существует два основных вида скрутки – парная и звездная. При парной скрутке две жилы скручиваются с шагом порядка 300 мм. При звездной скрутке четыре изолированные жилы, расположенные по углам квадрата, скручиваются в одну группу с шагом 150 – 300 мм.

Симметричные кабели имеют существенно больший частотный диапазон (12-550 кГц), чем воздушные стальные (3-30 кГц) или воздушные медные и биметаллические (6-150 кГц).

Коаксиальный кабель имеет несимметричную конструкцию. Он состоит из двух проводов, помещенных один внутри другого. Внешний провод представляет собой гибкий цилиндр, внутри которого находится внутренний провод, изолированный от внешнего. Оси проводов совпадают. Внешний провод изготавливается из меди, реже из алюминия. Внутренний - из меди или биметалла. Внутренняя изоляция в виде скрученных лент (корделей) или дисков изготавливается из высококачественных синтетических диэлектриков.

Коаксиальные кабели имеют два достоинства, отличающие их от симметричных: 1) возможность передачи очень широкой полосы частот – до десятков МГц при сравнительно небольших потерях; 2) высокая степень защиты от внешних влияний, возрастающая с увеличением частоты.

Поскольку оси внешнего и внутреннего проводов совпадают, то теоретически вне коаксиальной цепи магнитное поле токов, протекающих по ней, отсутствует. Электрическое поле коаксиальной цепи располагается между проводами и вне цепи тоже практически равно нулю. Благодаря тому, что у коаксиальной цепи практически отсутствует внешнее электромагнитное поле, потери энергии в металлических частях и диэлектриках, окружающих цепь, практически отсутствуют. Следовательно, потери энергии имеют место лишь в проводах самой коаксиальной цепи и диэлектрике между ними, благодаря чему затухание коаксиальной цепи с увеличением частоты увеличивается более плавно, чем у симметричных кабелей, имеющих внешнее электромагнитное поле и связанные с этим потери энергии. Именно это обстоятельство обеспечивает более широкую полосу пропускания коаксиальных кабелей.

На защиту коаксиальной цепи от внешних помех основное влияние оказывает распределение тока во внешнем проводе. Во внутреннем сплошном проводе распределение тока по сечению зависит от поверхностного эффекта и с увеличением частоты плотность тока смещается по направлению от центра к поверхности. Во внешнем проводе с увеличением частоты плотность рабочего тока смещается по направлению к его внутренней поверхности.

Электромагнитные поля соседних цепей, действуя на внешний провод коаксиальной цепи, создают в нем токи влияния, которые неравномерно распределяются по сечению внешнего провода: плотность токов влияния наибольшая у внешней поверхности внешнего провода и наименьшая у его внутренней поверхности. Чем выше частота влияющего тока, тем меньше глубина его проникновения во внешний провод. Следовательно, чем выше частота рабочего тока и токов влияния, тем больше эти токи будут отдалены друг от друга во внешнем проводе и тем лучше будет защита коаксиальной цепи от внешних влияний.

В заключение приведем ориентировочные данные об ослаблении помех в различных типах проводных линий по сравнению с несимметричной однопроводной линией в электрическом экране:

- несимметричная однопроводная линия в электрическом экране – 0дБ

- несимметричная двухпроводная линия в электрическом экране – 2дБ

- двухпроводная витая пара (18 витков/м) – 49дБ

- двухпроводная витая пара (54 витков/м) – 79дБ

- коаксиальный кабель – 57дБ.

Следует отметить высокую эффективность скрутки проводов и резкое улучшение условий передачи при увеличении числа витков на 1 м линии.

Рассмотренные вопросы исследуются в лабораторной работе №4 «Параметры проводных линий связи» [1. c. 34-50].

Основными элементами линейного тракта волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) являются световодный кабель, источники и приемники излучения.

Волоконный световод в простейшем случае представляет собой гибкое волокно с сердцевиной из высокопрозрачного диэлектрика, окруженной оболочкой с показателем преломления, меньшим, чем у сердцевины.

Направленная передача световой энергии в нем происходит вследствие полного внутреннего отражения света на границе между сердцевиной и оболочкой.

Характер прохождения оптического излучения зависит от поперечных размеров световода и распределения величины показателя преломления по его сечению. Так, число типов оптических колебаний (мод), которые могут распространяться в световоде, пропорционально квадрату диаметра его сердцевины и разности между показателями преломления сердцевины и оболочки. Уменьшая произведение этих величин, можно получить световод, в котором возможно распространение только одной моды колебаний, т.н. одномодовый световод. В одномодовых световодах диаметр сердцевины лежит в пределеах от 5 до 10 мкм, в многомодовых – от нескольких десятков до нескольких сотен мкм. Полный диаметр световода – 0,1-1 мм. Разность показателей преломления составляет десятые доли процента для одномодовых и 1-2% для многомодовых световодов.

Распространение света по световоду сопровождается различными оптическими явлениями, к важнейшим из которых с точки зрения передачи информации относятся затухание оптического сигнала и уширение коротких импульсов света. Затухание оптического сигнала связано прежде всего с различными типами поглощения и различными типами рассеяния на флуктуациях плотности и неоднородностях состава сердцевины. Наилучшими характеристиками обладают световоды, выполненные на основе кварцевого стекла, которое для повышения показателей преломления легируется германием и фосфором, а для понижения – бором и фтором. В таких световодах величина оптических потерь составляет 2-3 дБ/км в спектральной области 0,8-0,9 мкм и менее 1 дБ/км – в спектральной области 1,0-1,5 мкм. Достигнутый к настоящему времени минимум оптических потерь 0,154 дБ/км в спектральной области 1,55 мкм близок к теоретическому пределу.

Уширение оптических импульсов обусловлено различными видами дисперсий: материальной, междумодовой, волноводной и ограничивает полосу пропускания световодов. Тем не менее, в одномодовых световодах, где действует в основном только материальная дисперсия, полоса пропускания достигает 100 ГГц.

Один или несколько (до 200) световодов с упрочняющими и армирующими элементами и защитной оболочкой образуют волоконно-оптический кабель.

В качестве источников света используются лазеры и светоизлучающие диоды. Лазеры являются источниками когерентного излучения, светоизлучающие диоды – некогерентного. Преимущество светоизлучающих диодов с точки зрения их использования в системах передачи данных состоит в том, что они не требуют специальных модуляторов для управления излучением. Модулирующее напряжение прикладывается непосредственно к p-n переходу, меняя интенсивность излучения, которое вводится непосредственно в световод.

В качестве приемников излучения для преобразования световых волн в электрический сигнал используются светодиоды или т.н. p-i-n-диоды.

Важным параметром систем передачи данных на основе световодов является длина регенерационного участка, зависящая от скорости передачи и величины затухания световода. Она может достигать 100 км. В регенерационном усилителе осуществляется преобразование светового сигнала в электрический, его коррекция и обратное преобразование в световой сигнал.

Основными преимуществами СПД на световодах или ВОЛС являются: малые физические размеры всех элементов системы; абсолютная защищенность от электрических наводок; отсутствие излучения в окружающую среду; малое число регенерационных усилителей; высокая плотность информации на единицу поперечного сечения, значительно превосходящая плотность информации во всех других передающих средах.

Основными линиями радиосвязи являются радиорелейные линии (РРЛ), работающие в диапазоне сантиметровых волн (3-30 ГГц). Они подразделяются на РРЛ прямой видимости, тропосферные РРЛ и спутниковые РРЛ.

РРЛ прямой видимости представляет собой цепочку приемопередающих радиостанций, как правило, отстоящих друг от друга на расстоянии прямой видимости их антенн (50-70 км). Каждая такая станция принимает сигнал от соседней станции, усиливает его и передает дальше на следующую станцию.

РРЛ прямой видимости используют для многоканальной передачи телеграфных, телефонных и телевизионных сигналов на дециметровых (0,3-3 ГГц) и сантиметровых (3-30 ГГц) волнах. Эти диапазоны выбраны потому, что в них возможна организация нескольких каналов с шириной до нескольких десятков МГц, в них низок уровень атмосферных и промышленных помех, возможно применение остронаправленных антенн. Большинство существующих РРЛ прямой видимости большой и средней емкости (по числу каналов) используют частотное разделение каналов.

В тропосферных РРЛ используется отражение и рассеяние радиоволн дециметрового диапазона в тропосфере, вызываемое неоднородностью ее строения. Использование отраженных и рассеянных в тропосфере волн дает возможность размещать радиорелейные станции на больших расстояниях друг от друга (400-600 км). Большое ослабление сигнала при передаче по тропосферной РРЛ требует применения большой мощности и весьма чувствительных приемников с антеннами больших размеров. Для развязки приемников и передатчиков, работающих на одну антенну, необходимо иметь большой разнос частот передачи и приема в каждом стволе, а это приводит к снижению числа каналов по сравнению с РРЛ прямой видимости. Практическое значение тропосферных РРЛ состоит в возможности обеспечения средствами связи отдаленных и труднодоступных районов.

Линия связи через искусственный спутник Земли (ИСЗ) состоит из двух оконечных наземных станций и ретранслятора, помещаемого на борту ИСЗ. Наземные станции оборудуются большими параболическими антеннами с устройствами непрерывного наведения на антенну ИСЗ. Сигналы, посылаемые с наземной станции, принимаются и усиливаются ретранслятором ИСЗ, преобразуются по частоте и излучаются антенной ИСЗ в сторону другой наземной станции. Наибольший интерес представляют геостационарные ИСЗ, обращающиеся по круговой орбите с периодом, равным периоду обращения Земли вокруг своей оси, в результате чего ИСЗ для наблюдателя с поверхности Земли кажется неподвижным. В этом случае каждая наземная станция работает с одним и тем же спутником, что позволяет существенно упростить всю систему. Спутниковый ретранслятор отличается от ретрансляторов, применяемых на обычных РРЛ прямой видимости, тем, что многие наземные станции, далеко отстоящие друг от друга, имеют непосредственный доступ к спутнику в одно и то же время. В связи с этим спутник содержит несколько параллельных ретрансляторов с несколькими узконаправленными антеннами для облегчения многостанционного доступа. Входящая и выходящая полосы частот ретранслятора разносятся достаточно далеко друг от друга, чтобы предотвратить возможность самовозбуждения ретранслятора. Спутниковая связь также осуществляется в сантиметровом диапазоне с возможностью обеспечения сотен высокоскоростных каналов передачи данных.

В заключение характеристики открытых сред передачи следует сказать, что теория радиосвязи является весьма обширной самостоятельной областью, изучающей множество вопросов (от расчета антенн до расчета орбит спутников). Для целей настоящего курса важно отметить, что линии радиосвязи, эффективные для передачи данных на средние и дальние расстояния, являются важной составной частью некоторых систем передачи данных.

Контрольные вопросы к лекции 6

6-1. Как системы передачи данных подразделяются в зависимости от используемой в них среды распространения сигнала?

6-2. Что используется в качестве непрерывной передающей среды?

6-3. Что используется в качестве открытой передающей среды?

6-4. Перечислите разновидности проводных линий связи?

6-5. Чем обусловлены мультипликативные помехи?

6-6- Что является причиной внутренних аддитивных помех?

6-7. Что является причиной внешних аддитивных помех?

6-8. Перечислите основные типы внешних аддитивных помех?

6-9. Что является причиной гальванических наводок?

6-10. Что является причиной емкостных наводок?

6-11. Что является причиной магнитных наводок?

6-12. Что является причиной электромагнитных наводок?

6-13. Что используется в качестве второго провода в однопроводной несимметричной линии?

6-14. Почему однопроводная линия называется несимметричной?

6-15. Изобразите эквивалентную схему однопроводной несимметричной линии?

6-16- Почему в однопроводной несимметричной линии возникают помехи общего вида?

6-17. Какие составляющие содержит помеха нормального вида?

6-18. Для чего в простейшем случае используется второй сигнальный провод?

6-19. Почему установка второго сигнального провода существенно ослабляет магнитную наводку?

6-20. При каком условии установка второго сигнального провода ослабляет гальваническую наводку?

6-21. Каким способом можно обеспечить симметричные условия передачи сигналов по обоим проводам двухпроводной линии?

6-22. Почему скрутка проводов практически устраняет магнитную составляющую помехи?

6-23. Какое средство используется для уменьшения емкостных наводок?

6-24. Опишите конструкцию коаксиального кабеля.

6-25. В чем состоят преимущества коаксиального кабеля перед симметричным кабелем?

6-26- Что обеспечивает широкую полосу пропускания коаксиальных кабелей?

6-27. Как распределяется рабочий ток во внешнем и внутреннем проводах коаксиального кабеля в зависимости от частоты рабочего тока?

6-28. Как распределяется влияющий ток во внешнем и внутреннем проводах коаксиального кабеля в зависимости от частоты влияющего тока?

6-29. Как влияет величина шага скрутки проводов в витой паре на ослабление помех?

6-30. Перечислите основные элементы линейно тракта ВОЛС.

6-31. Что представляет собой световод?

6-32. За счет чего происходит направленная передача энергии в световоде?

6-33. От чего зависит характер прохождения оптического излучения через световод?

6-34. Какими оптическими явлениями сопровождается распространение света по световоду?

6-35. Что используется в качестве источников и приемников света в ВОЛС?

6-36- В чем состоят основные преимущества СПД с использованием ВОЛС?

6-37. Что представляют собой радиорелейные линии прямой видимости?

6-38. Чем тропосферные РРЛ отличаются от РРЛ прямой видимости?

6-39. Чем спутниковые РРЛ отличаются от тропосферных РРЛ?

6-40. Чем спутниковый ретранслятор отличается от ретрансляторов, применяемых на обычных РРЛ?

Лекция 7. Непрерывные методы модуляции и манипуляции