Передающие физические среды, используемые в структурированных кабельных системах. Принципы распространения сигналов в средах (стр. 5 из 58)

где L - индуктивность, Гн.

Диэлектрические материалы обладают собственными электрическими потерями в присутствии электрических полей вследствие токов утечки или диэлектрического разогрева (движения поляризованных молекул в приложенном поле). Первый эффект весьма незначителен. Второй может быть значительным при частотах свыше 1 МГц. Ток /, вызываемый диэлектрическими потерями, пропорционален приложенному напряжению:

I=GV,

где G - проводимость, Сименс.

Описанная линия передачи может быть представлена в виде электрической це держащей только пассивные компоненты. Схема строится из каскада секций, состоя цепочек сопротивлений и индуктивностей, соединенных параллельно взаимной емк взаимной проводимости. Эти рапределенные компоненты носят название первичны) метров линии передачи (рис. 6).

Первичные параметры R, L, G, С могут быть рассчитаны на основании данных о физической конструкции кабеля. Зависимость от конструкции кабеля может быть довольно сильной и свой вклад могут вносить следующие факторы - геометрия кабеля, свойства материала кабеля, частота передаваемого сигнала.

Вторичные параметры линии передачи рассчитываются на основе первичных или получаются с помощью непосредственных измерений. Вторичные параметры определяют по ние электрического сигнала при прохождении его по кабелю. Для рассмотрения этих пр сов кабель можно представить в виде "черного ящика". Сигнал на выходе может быть рассмотрен как функция сигнала, поданного на вход для различных схем подключения. Следующая иллюстрация отображает обобщенную модель передачи сигнала по двухпроводной (рис. 7).

Характеристический импеданс Z_u соответствует входному импедансу Z^ oднopo^ линии передачи бесконечной длины /, то есть:

Z_in - у!/It = Z₀ при / -> оо.

Это значение соответствует входному импедансу линии передачи предельной ДЛ1 терминированной нагрузкой со значением ее собственного характеристического импеда Максимальная мощность передается от источника к нагрузке при условии равенства ил дансов источника Zs и нагрузки Zt, характеристическому импедансу линии Z0. Другими словами, в этом случае энергия передается по линии и отсутствует отражение от точки терминирования кабеля.

В общем случае, характеристический импеданс - это комплексное число с резистивной и реактивной компонентами. Он является функцией частоты передаваемого сигнала и не зависит от длины линии. При очень высоких частотах характеристический импеданс асимптотически стремится к фиксированному резистивному сопротивлению. Например, коаксиальные кабели обладают импедансом 50 или 75 Ом на высоких частотах. Типичное значение импеданса для кабелей "витая пара" - 100 Ом при частотах свыше 1 МГц.

Затухание сигнала - это отношение в децибелах (дБ) мощности входного сигнала к мощности сигнала на выходе при соответствии импедансов источника Z_s и нагрузки Z, характеристическому импедансу кабеля Z₀, то есть Z_s = Z, = Z_a. Значение входной мощности может быть получено путем измерения мощности при непосредственном подключении нагрузки к источнику без прохождения сигнала по кабелю. В случаях, когда в местах терминирования импедансы не идеально соответствуют друг другу, отношение входной мощности к выходной носит название вносимых потерь или вносимого затухания. Практические измерения вносимого затухания дают значения более высокие, чем обычное затухание, и их величина зависит от степени несоответствия импедансов.

А = 20 Ig (У,/ У,} при Z_S=Z,= Z_0i

где у! - входное напряжение, У₀- выходное напряжение.

Переходное затухание на ближнем конце (Near End Crosstalk, NEXT) - параметр, характеризующий затухание сигнала помехи, наведенного сигналом, проходящим по одной паре проводников, на другую, расположенную поблизости. Измеряется в дБ. Чем выше значение NEXT, тем лучше изоляция помехам между двумя парами проводников.

Коэффициент отражения. Рассмотрим случай, когда импеданс в точке терминирования Z, # Z₀. Сигнал, распространяющийся по кабелю, частично будет отражаться в точке интерфейса кабель-нагрузка. Степень отражения характеризуется коэффициентом отражения р.

p = (Z,-Z_a)/(Z,+Z_a).

Если Z, <Z₀, отраженная волна имеет отрицательную амплитуду; если Z,>Z₀, отраженная волна имеет положительную амплитуду.

Обратные потери (потери при отражении). Мощность отраженного сигнала R носит название потерь при отражении или обратных потерь (Return Loss, R), выражается в дБ и расчитывается на основе коэффициента отражения р :

R = W&bsol;g(p²).

Чем лучше совместимость импедансов, тем меньше отражаемая мощность и тем ниже обратные потери.

Потери рассогласования М (Mismatch Loss, M) - ослабление мощности передаваемого сигнала, выражаемое в дБ и расчитываемое на основании коэффициента отражения:

M=lQ&bsol;g(l-f?).

Для кабеля любой длины потери рассогласования могут быть расчитаны на основе затухания кабеля и многократных отражений от каждого конца кабеля.

Временная задержка распространения сигнала. Сигнал, распространяющийся от входной точки к выходной, приходит с временной задержкой, величина которой является отношением длины кабеля к скорости распространения сигнала V в передающей среде. В случае идеальной линии передачи, состоящей из двух проводников в вакууме, скорость распространения сигнала равна скорости распространения света в вакууме с. На практике скорость распространения сигнала в кабеле зависит от свойств диэлектрических материалов, окружающих проводники. При очень высоких частотах К асимптотически стремится к фиксированному значению:

У=с/1ле,

где ц - относительная магнитная проницаемость диэлектрика, £ - относительная электрическая проницаемость диэлектрика.

Волоконно-оптические передающие среды

Преимущества волокна

Волоконно-оптические коммуникации имеют ряд преимуществ по сравнению с электронными системами, использующими передающие среды на металлической основе.

В волоконно-оптических системах передаваемые сигналы не искажаются ни одной из форм внешних электронных, магнитных или радиочастотных помех. Таким образом, оптические кабели полностью невосприимчивы к помехам, вызываемым молниями или источниками высокого напряжения. Более того, оптическое волокно не испускает излучения, что делает его идеальным для соответствия требованиям современных стандартов к компьютерным приложениям. Вследствие того, что оптические сигналы не требуют наличия системы заземления, передатчик и приемник электрически изолированы друг от друга и свободны от проблем, связанных с возникновением паразитных токовых петель.

При отсутствии сдвига потенциалов в системе заземления между двумя терминалами, исключающим искрения или электрические разряды, волоконная оптика становится все более предпочтительным выбором для реализации многих приложений, когда требованием является безопасная работа в детонирующих или воспламеняющихся средах.

Цифровые вычислительные системы, телефония и видео-вещательные системы требуют новых направлений для улучшения передающих характеристик. Большая ширина спектра оптического кабеля означает повышение емкости канала. Кроме того, более длинные отрезки кабеля требуют меньшего количества репитеров, так как волоконно-оптические кабели обладают чрезвычайно низкими уровнями затухания. Это свойство идеально подходит для широковещательных и телекоммуникационных систем.

По сравнению с обычными коаксиальными кабелями с равной пропускной способностью, меньший диаметр и вес волоконно-оптических кабелей означает сравнительно более легкий монтаж, особенно в заполненных трассах. 300 метров одноволоконного кабеля весят около 2,5 кг. 300 метров аналогичного коаксиального кабеля весят 32 кг - приблизительно в 13 раз больше.

Электронные методы подслушивания основаны на электромагнитном мониторинге. Волоконно-оптические системы невосприимчивы к подобной технике. Для снятия данных к ним нужно подключиться физически, что снижает уровень сигнала и повышает уровень ошибок -оба явления легко и быстро обнаруживаются.

Физические характеристики волоконно-оптических передающих сред

Основные элементы оптического волокна

Ядро. Ядро - светопередающая часть волокна, изготавливаемая либо из стекла, либо из пластика. Чем больше диаметр ядра, тем большее количество света может быть передано по волокну.

Демпфер. Назначение демпфера обеспечение более низкого коэффициента преломления на границе с ядром для пере отражения света в ядро таким образом, чтобы световые волны распространялись по волокну.

Оболочка. Оболочки обычно бывают многослойными, изготавливаются из пластика для обеспечения прочности волокна, поглощения ударов и обеспечения дополнительной защиты волокна от воздействия окружающей среды. Такие буферные оболочки имеют толщину от 250 до 900 мкм.

Размер волокна в общем случае определяется по внешним диаметрам его ядра, демпфера и оболочки. Например, 50/125/250 - характеристика волокна с диаметром ядра 50 мкм, диаметром демпфера 125 мкм и диаметром оболочки 250 мкм. Оболочка всегда удаляется при соединении или терминировании волокон.