Характеристики линии связи

1. Характеристики линий связи

1.4
1.4.1
1.5
1.6
1.6.1
1.6.2
1.6.3
1.6.4
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛИНИЙ СВЯЗИ
Спектральный анализ сигналов на линиях связи
ЗАТУХАНИЕ И ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ
Искажения сигналов в несогласованных линиях
Параллельное согласование волновых сопротивлений
Последовательное согласование волновых сопротивлений
Особенности подключения и согласования длинных передающих линий

2. Тригонометрический ряд Фурье

k 1
k 1
x(t ) a0 ak cos k 1t bk sin k 1t a0 Ak cos k 1t k

3. Тригонометрический ряд Фурье

4. Тригонометрический ряд Фурье

S ( )
U 0
0
2
4
6

5. Тригонометрический ряд Фурье

6. Тригонометрический ряд Фурье Разложение на гармоники

7. Тригонометрический ряд Фурье Спектр одиночного прямоугольного импульса

8. Тригонометрический ряд Фурье Искажение импульсов в линии связи

• Искажение передающей линией связи синусоиды какой-либо частоты
приводит к искажению амплитуды и формы передаваемого сигнала
любого вида.
• Искажения формы проявляются, когда синусоиды различных частот
искажаются неодинаково. Если это аналоговый сигнал, передающий
речь, то изменяется тембр голоса за счет искажения обертонов —
боковых частот.
• При передаче прямоугольных импульсных сигналов искажаются
низкочастотные и высокочастотные гармоники, в результате фронты
импульсов теряют свою прямоугольную форму, и сигналы могут плохо
распознаваться на приемном конце линии.

9. Тригонометрический ряд Фурье Искажение импульсов в линии связи

10. Затухание и волновое сопротивление

• Степень искажения синусоидальных сигналов линиями связи
оценивается такими характеристиками, как затухание и полоса
пропускания.
• Затухание показывает, насколько уменьшается мощность эталонного
синусоидального сигнала на выходе линии связи по отношению к
мощности сигнала на входе этой линии.
• Затухание (А) измеряется в децибелах (дБ) и вычисляется по формуле:
Pout
A 10 lg
Pin
• Здесь Pout — мощность сигнала на выходе линии, Рin — мощность
сигнала на входе линии.

11. Затухание и волновое сопротивление

• Погонное затухание – затухание на линии связи определенной
длины.
• Для кабелей локальных сетей в качестве такой длины обычно
используют 100 м, так как это значение является максимальной
длиной кабеля для многих технологий LAN. Для территориальных
линий связи погонное затухание измеряют для расстояния в 1 км.
• Затуханием характеризуют пассивные участки линии связи, состоящие
из кабелей и кроссовых секций, без усилителей и регенераторов. Так
как мощность выходного сигнала кабеля без промежуточных
усилителей меньше, чем мощность входного, затухание кабеля всегда
является отрицательной величиной.
• Степень затухания мощности синусоидального сигнала зависит от
частоты синусоиды, и эта зависимость также характеризует линию
связи

12. Зависимость затухания от частоты

13. Затухание и волновое сопротивление

• Затухание всегда имеет отрицательное значение, однако знак минус
часто опускают, при этом возникает путаница.
• Качество линии связи тем выше, чем больше (с учетом знака)
затухание. Если же игнорировать знак, то есть иметь в виду
абсолютное значение затухания, то у более качественной линии
затухание меньше.
• Пример. Для внутренней проводки в зданиях используется кабель на
витой паре категории 5. Этот кабель, на котором работают
практически все технологии локальных сетей, характеризуется
затуханием не меньше, чем -23,6 дБ для частоты 100 МГц при длине
кабеля 100 м. Более качественный кабель категории 6 имеет на
частоте 100 МГц затухание не меньше, чем -20,6 дБ.
• Достаточно знать затухание на частоте передаваемого сигнала.

14. Волновое сопротивление

• Волновое сопротивление – полное (комплексное) сопротивление
медной линии связи. Измеряется в омах, зависит от погонной
емкости, погонной индуктивности и активного сопротивления и
частоты сигнала. Выходное волновое сопротивление должно быть
согласовано с волновым сопротивлением линии связи.
• Волновое сопротивление – параметр данного типа кабеля, зависящий
только от его устройства (сечения, количества и формы проводников,
толщины и материала изоляции и т.д.). Величина волнового
сопротивления обязательно указывается в документации на кабель и
составляет обычно от 50-100 Ом для коаксиального кабеля до 100-150
Ом для витой пары или плоского многопроводного кабеля. Обычно
требуется, чтобы отклонение величины согласующего резистора не
превышало 5-10% в ту или другую сторону.

15. Помехоустойчивость и достоверность

• Помехоустойчивость линии определяет способность линии
противостоять влиянию помех, создаваемых во внешней среде или на
внутренних проводниках самого кабеля.
Электрическая и магнитная связи цепей
• Электрическая связь – параметр медного кабеля, который определяет
отношение наведенного тока в подверженной влиянию цепи к
напряжению, действующему во влияющей цепи.
• Магнитная связь – отношение ЭДС, наведенной в подверженной
влиянию цепи, к току во влияющей цепи.
• Электрическая и магнитная связь порождает наведенные сигналы –
наводки.

16. Помехоустойчивость и достоверность

• Наводки, перекрестные помехи (Cross talks) порождаются
взаимовлиянием близлежащих линий, передающих сигналы. Пусть
линия – источник помехи – является близлежащей для линии,
испытывающей воздействие помехи. Тогда между ними существует
связь через паразитную емкость Спом

17. Помехоустойчивость и достоверность

• Для борьбы с перекрестными помехами запрещается параллельное
расположение близких и длинных сигнальных линий, между такими
линиями размещаются экранирующие заземленные проводники,
применяются коаксиальные кабели, витые пары.
• Электромагнитные наводки создаются внешними полями. Борьба с
ними также везется конструктивными методами – экранированием
устройства.

18. Помехоустойчивость и достоверность

• Перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross talk, NEXT)
– определяет устойчивость кабеля, когда наводка образуется в
результате действия сигнала, генерируемого передатчиком,
подключенным к одной из соседних пар на том же конце кабеля, на
котором работает подключенный к подверженной влиянию паре
приемник.
• NEXT выражается в децибелах, чем меньше значение, тем лучше
кабель
Pout
NEXT 10 lg
Pin
• Pout – мощность выходного сигнала, Вт
• Pin – мощность наведенного сигнала, Вт

19. Помехоустойчивость и достоверность

• Перекрестные наводки на дальнем конце (Far End Cross Talk, FEXT) –
позволяет оценить устойчивость кабеля к наводкам, когда передатчик
и приемник подключены к разным концам кабеля.
• NEXT/FEXT применяются для кабелей из нескольких витых пар. Для
одинарного коаксиального кабеля и волоконно-оптического кабеля не
имеют смысла.

20. Помехоустойчивость и достоверность

• Перекрестные наводки PSNEXT / PSFEXT – устойчивость кабеля к
суммарной мощности перекрестных наводок на одну из пар кабеля от
всех остальных передающих пар.
• Защищенность кабеля (Attenuation/Crosstalk ratio, ACR) – разность
между уровнями полезного сигнала и помех. Чем больше значение
защищенности кабеля, тем в соответствие с формулой Шеннона
данные можно передавать по этому кабелю с потенциально большей
скоростью.
• Интенсивность битовых ошибок или достоверность передачи
данных – вероятность искажения каждого передаваемого бита
данных.

21. Помехоустойчивость и достоверность

22. Помехоустойчивость и достоверность Суммарное переходной затухание

23. Искажения сигналов в несогласованных линиях

• Паразитные колебания из-за несогласованности волновых
сопротивлений возникают в длинных линиях.
• Длинная линия – не длинная в абсолютных значениях длины, а в
соотношении длины линии и длины волны передаваемого сигнала.
При их соизмеримости линии относятся к длинным. Поведение
длинной линии резко отличается от поведения короткой.
• Граничную длину линии определяют по условию: время прохождения
сигнала по линии должно быть на порядок меньше длительности
передаваемого фронта. Скорость распространения сигнала в линии
равна
V
Vc
• где Vc— скорость света в вакууме (30 см/нс);
• диэлектрическая постоянная среды, в которой распространяется
сигнал. Практически V = = 15...20 см/нс.

24. Искажения сигналов в несогласованных линиях

Физически волновое сопротивление соответствует отношению
напряжения к току в точке линии, которой достигает распространяющаяся
волна. Пока волна распространяется в линии, это отношение u/i = Z0
остается неизменным. В конце линии ситуация зависит от подключенного
к линии сопротивления. Если в конце линии подключено сопротивление
RH = Z0, то отношение u/i сохраняется, падающая волна не встречает
неоднородности и целиком поглощается нагрузкой.
Если в конце линии RH ≠ Z0, то отношение u/i согласно закону Ома
сохраниться не может, и должно произойти искажение волны. Оно
трактуется как появление отраженной волны, которая распространяется
обратно к началу линии. Если в начале линии подключено
сопротивление, равное Z0, то отраженная волна поглощается целиком, и
режим линии устанавливается окончательно. В противном случае в
начале линии также происходит отражение волны, которая вновь пойдет
по линии от ее начала к концу. Амплитуды волн будут уменьшаться тем
быстрее, чем меньше по абсолютной величием коэффициенты отражения
в концах линии. Возможное многократное отражение способно затянуть
переходные процессы в линии.

25. Схема замещения длинной линии

26. Искажения сигналов в несогласованных линиях

• Отличие внешних линий связи от внутренних состоит и том, что они
проходят вне экранированного корпуса по пространствам,
подверженным воздействию сильных электромагнитных помех. Это
приводит к значительным искажениям прямоугольных импульсов,
например, «заваливанию» фронтов.
• Например, медленное нарастание фронта импульса из-за высокой
емкостной нагрузки линии требует передачи импульсов с меньшей
скоростью (чтобы передний и задний фронты соседних импульсов не
перекрывались и импульс успел дорасти до требуемого уровня).
• Если нагружающее сопротивление Rн меньше волнового
сопротивления кабеля Rв, то фронт переданного прямоугольного
импульса на приемном конце будет затянут, если же Rн больше Rв, то
на фронте будет колебательный процесс

27. Искажения сигналов в несогласованных линиях

28. Параллельное согласование волновых сопротивлений

• При параллельном согласовании в конце линии включают резистор
(терминатор), чтобы сделать сопротивление нагрузки равным
волновому.
• Недостаток способа – потребление значительных статических токов от
источника сигнала. После завершения переходных процессов на
выходе линии устанавливается напряжение U1 или U0.
• В варианте (рис. в) на выходе линии включен делитель напряжения,
составленный резисторами R1 и R2. Этот вариант обладает большей
гибкостью, т. к. позволяет варьировать нагрузку на линию, изменяя
отношение сопротивлений R1/R2.

29. Параллельное согласование волновых сопротивлений

Параллельное согласование волновых
сопротивлений

30. Последовательное согласование волновых сопротивлений

• При последовательном согласовании в начале линии
последовательно включается резистор Rдоп, сопротивление которого
совместно с выходным сопротивлением источника сигнала Rист дает
величину Z0.
• На выходе линии включено высокое входное сопротивление
элемента-приемника, следовательно, там коэффициент отражения
приблизительно равен единице, и амплитуда отраженной волны
приблизительно равна амплитуде падающей.

31. Особенности подключения и согласования длинных передающих линий

• Присоединенные к одной и той же шине, но в разных точках,
устройства имеют на своих корпусах разные потенциалы. В результате
по электрическому кабелю, соединяющему устройства, течет
выравнивающий ток (переменный с высокочастотными
составляющими).
• Выравнивающий ток может достигать величины в несколько ампер.
Выравнивающий ток существенно влияет на передаваемый сигнал.
Даже тогда, когда сигналы передаются без участия экрана (например,
по двум проводам, заключенным в экран), выравнивающий ток,
вследствие индуктивного действия, мешает передаче информации.
Именно поэтому экран всегда должен быть заземлен только в однойединственной точке.

32. Особенности подключения и согласования длинных передающих линий

• Однако если каждый из компьютеров самостоятельно заземлен, то
заземление экрана в одной точке становится невозможным без
гальванической развязки компьютеров от сети. Таким способом не
должно быть связи по постоянному току между корпусом ("землей")
компьютера и экраном ("землей") сетевого кабеля. В то же время,
информационный сигнал должен передаваться из компьютера в сеть
и из сети в компьютер.
• Для гальванической развязки обычно применяют импульсные
трансформаторы. Трансформатор пропускает высокочастотные
информационные сигналы, но обеспечивает полную изоляцию по
постоянному току.