Передающие физические среды, используемые в структурированных кабельных системах. Принципы распространения сигналов в средах (стр. 4 из 58)

Импеданс. Импеданс (или характеристический импеданс) - сопротивление (Ом) волновой передающей среды переменному электрическому току. Величина импеданса прямо зависит от отношения размеров внутреннего и внешнего проводников и связана обратной зависимостью с диэлектрической постоянной кабеля. В отличие от сопротивления проводника импеданс не изменяется при изменении длины кабеля.

Для того, чтобы система могла работать с максимальной эффективностью, номинальные импедансы передатчика, приемника и кабеля должны очень точно совпадать. При несоответствии импедансов в системе возникают обратные потери (потери отраженного сигнала).

Номинальный импеданс Z₀ расчитывается по следующей формуле:

где Е_г- диэлектрическая константа материала диэлектрика, D - диаметр диэлектрика, d - диаметр проводника, а - структурный коэффициент проводника (например, а = 0,939 для 7-жильного проводника, а = 0,970 для 19-жильного проводника).

Значения импеданса для кабелей определяют электрические требования к коммутационному оборудованию. Большинство коаксиальных кабелей создано для работы с коммутационным оборудованием, обладающим импедансом 50, 75 и 93 Ом.

В системах кабельного телевидения (CATV) используются, как правило, коаксиальные кабели с импедансом 75 Ом. Оборудование таких систем ЛВС как CSMA/CD использует 75-омные коаксиалы, а в кабельных системах IBM - 93-омные кабели для подключения видеотерминалов.

Затухание - потери или уменьшение уровня сигнала при прохождении его по передающей среде. Существует два типа потерь, определяющих величину затухания сигнала -собственные потери в проводниках (центральном проводнике и экране) и диэлектрические потери. Оба типа потерь растут с увеличением частоты. Кроме того, на величину затухания влияет электрическая утечка из кабеля. Некоторые материалы обладают высокими диэлектрическими или изолирующими характеристиками и их применение может способствовать снижению затухания в среде.

Затухание А измеряется в дБ на единицу длины и расчитывается по формуле:

где Е_г - диэлектрическая константа материала диэлектрика, F - частота сигнала в МГц, D - диаметр диэлектрика, d - диаметр проводника, а - структурный коэффициент проводника (например, а = 0,939 для 7-жильного проводника, а = 0,970 для 19-жильного проводника), & -удельное сопротивление внутреннего проводника, р„ - удельное сопротивление внешнего проводника, d_f- тангенс угла потерь диэлектрика.

Спектральное затухание. Одной из проблем коаксиальных сред, обусловленной раз ницей в распространении в них низкочастотных и высокочастотных сигналов, является спектральное затухание. Несмотря на то, что высокочастотные сигналы распространяются быст рее по сравнению с низкочастотными, они обладают свойством потери мощности пропорцио нально пройденному растоянию в большей степени по сравнению с низкочастотными сигна лами. Потеря мощности, или затухание, выражается в дБ, и разница между величинами зату ханий высокочастотных и низкочастотных сигналов по всей длине кабеля в рабочей полосе частот не должна превышать определенного значения.

По спектральному затуханию определяется максимальная допустимая длина L кабель ного сегмента в широкополосной сети, которая расчитывается по формуле:

где N - максимально допустимое спектральное затухание в системе, А\ - затухание вы сокочастотного сигнала, А_г- затухание низкочастотного сигнала.

Структурные обратные потери - мера потери мощности в кабеле или в системе при возникновении неоднородностей в проводнике или диэлектрике кабеля, вызывающих отраже ние части сигнала. При регулярном расположении таких неоднородностей по длине кабеля они могут вызывать значительные потери при передаче сигнала на частотах, соответствующие длины волн которых пропорциональны удвоенному расстоянию между неоднородностя-ми. Обратные потери могут быть обусловлены как некачественно изготовленным кабелем, так и небрежным монтажем.

Емкость - отношение величины электрического заряда двух проводников к разнице потенциалов между ними или, говоря другими словами, - энергия, накапливаемая кабелем. Ем кость измеряется в пФ на единицу длины. Как и импеданс, емкость коаксиального кабеля зависит от размеров внутреннего и внешнего проводников и диэлектрической константы диэлектрического материала. Емкость и импеданс обратно пропорциональны друг другу.

Емкость С расчитывается по следующей формуле:

где Е_г - диэлектрическая константа материала диэлектрика, D - диаметр диэлектрика, d - диаметр проводника, а - структурный коэффициент проводника (например, а = 0,939 для 7-жильного проводника, а- 0,970 для 19-жильного проводника).

Номинальная скорость распространения сигнала (NVP) - скорость распространения сигнала в конкретном кабеле. В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью света. В кабеле волна распространяется несколько медленнее - со скоростью, обратно пропорциональной диэлектрической константе кабеля. Чем меньше диэлектрическая константа, тем ближе скорость распространения сигнала к скорости света. Более низким значениям диэлектрической константы соответствуют более высокие скорости передачи.

Скорость NVP распространения выражается в процентах от скорости света в вакууме и расчитывается по формуле:

где Е, - диэлектрическая константа материала диэлектрика.

Время задержки распространения сигнала по длине кабеля прямо пропорционально квадратному корню диэлектрической константы.

Фазовая задержка обусловлена тем, что более высокочастотные сигналы распространяются в передающей среде быстрее по сравнению с низкочастотными. В широкополосной сети информация обычно передается в виде цифрового кода, в котором низкочастотный тон определенной длительности представляет двоичную "1", а высокочастотный тон представляет "О". Вследствие того, что низкочастотные сигналы распространяются медленнее, они обладают тенденцией к отставанию от более быстрых высокочастотных сигналов и приходят к концу линии с фазовым сдвигом. Если такая фазовая задержка становиться большой, сигналы накладываются друг на друга и появляется вид интерференции, называемый дрожанием фазы или фликкер-шумом.

Рабочие характеристики экранов

Сеточные экраны состоят из тонких луженых или нелуженых медных проводников, переплетенных вокруг кабеля. В дополнение к отличным экранирующим свойствам сеточные экраны обладают большой гибкостью.

Сеточные экраны бывают самых разнообразных конструкций. Могут быть различными угол переплетения проводников в сетке, диаметр, тип и количество проводников. Количество сеток оказывает влияние на эффективность экранирования. Площадь экрана может изменяться от 80% до 95% в случае односеточных конструкций и может достигать 98% в случае двойных сеток [32].

Ленточно-сеточные экраны представляют собой луженые медные или алюминиевые сетки, оплетенные вокруг алюминиевой ленты, покрытой полистером или полипропиленом. Площадь сетки меняется от 40% до 95%, однако площадь всего экрана составляет 100%.

Для обеспечения большей эффективности использования экрана вокруг ленточно-сеточного слоя оборачивается еще один слой фольги, формируя таким образом тройной экран. В кабелях с экраном из четырех слоев последний слой, сетка, оборачивается вокруг системы фольга-сетка-фольга.

Комбинированные экраны более эффективны и обеспечивают лучшие характеристики импеданса по сравнению с односеточными конструкциями. Системы с четырьмя слоями обеспечивают лучшие долговременные характеристики, так как они менее подвержены влиянию периодических изгибов. Следует учитывать только одно обстоятельство - увеличение количества слоев экрана ведет к увеличению внешнего диаметра кабеля и его удельного веса.

Передающие среды на основе витой пары проводников

В идеальном случае линия передачи представляет собой, как минимум, два проводника, разделенных диэлектрическим материалом и имеющих равномерный зазор на всем своем протяжении. К двум проводникам прикладывается сбалансированное напряжение V - равное по амплитуде и противоположное по фазе. В каждом проводнике текут равные по величине и противоположные по направлению токи /. Токи производят концентрические магнитные поля В, окружающие каждый из проводников (рис. 5).

Напряженность магнитного поля усиливается в промежутке между проводниками и уменьшается в пространстве, где концентрические поля находятся за пределами обоих проводников. Токи в каждом из проводников равны по величине и противоположны по направлению, что ведет к уменьшению общей энергии, накапливаемой в результирующем магнитном поле. Любое изменение токов генерирует напряжение на каждом проводнике с результирующим электрическим полем с направлением вектора, ограничивающим магнитное поле и поддерживающим постоянный ток. ЭДС самоиндукции V пропорциональна скорости изменения тока в соответствии с законом Фарадея:

V = Ldl/dt,