Линии связи

В качестве линий связи применяют проводные (кабельные), радио и оптические средства.

Кабельные линии связи это совокупность оконеч­ных и промежуточных усилительных пунктов, соединенных кабелями. В цифровых системах связи на усилительных пунктах, кроме усиления осуществляется регенерация сигналов, т.е. восстановление формы, длительности и амплитуды импульсов. В результате этого отношение сигнал/помеха определяется только участком между двумя соседними усилительными пунктами. В аналоговых же системах происходит накопление помех по мере прохождения усилительных пунктов. Усилительные пункты разделяются на обслуживаемые (ОУП) и необслуживаемые (НУП). Необслуживаемые усилительные пункты работают автоматически и управляются дистанционно с обслуживаемых усилительных пунктов по каналам телеуправления и телесигнализации. Электропитание для устройств необслуживаемых пунктов поступает с ближайшего обслуживаемого по жилам магистрального кабеля.

По конструкции кабельные линии подразделяются на воздушные, симметричные и коаксиальные.

Воздушная линия представляет собой пару медных проводов, подвешенных на опорах. Полоса пропускания такой пары составляет порядка 10⁵ Гц.

Таблица 1.1. Основные характеристики проводных линий связи

Конструкция	Название	Полоса частот (Гц)	Длина волны	Область применения
	Воздушная линия		> 3 км	Линии сельской связи
	Симметричная пара		300 м	Городская телефонная сеть
	Коаксиальная пара		> 3 м	Магистральные линии

По конструкции различают симметричные и коаксиальные кабели, а в зависимости от условий прокладки подземные, подводные и воздушные.

Для передачи сигналов на расстоянии десятков и сотен метров широкое применение находит кабель, основанный на использовании скрученной или витой пары. Симметричный кабель содержит несколько четверок проводов, заключенных в свинцовую (алюминиевую или стальную) оболочку. Диаметр провода равен 0,7-1,6 мм. Коаксиальный кабель содержит от 2 до 8 пар, также заключенных в оболочку. Диаметр внутреннего провода коаксиальной пары составляет 1-3 мм. Диаметр внешнего провода порядка в три раза больше. Для предохранения кабеля от проникновения влаги при повреждении оболочки под нею с использованием специальных баллонов на усилительных пунктах поддерживается избыточное давление (0,5 - 0,7 атмосферы). Кабель укладывается под землей на глубине от 0,8 до 1,2 м. Одна пара симметричного кабеля имеет полосу пропускания до 1 МГц, что позволяет организовать в ней до 120 каналов ТЧ, а коаксиального кабеля – до нескольких десятков МГц, что позволяет организовать до нескольких тысяч каналов ТЧ. С увеличением числа каналов, организуемых в линии связи, уменьшается расстояние между усилительными пунктами. Так, в линии связи емкостью 24 канала протяженность участка между усилительными пунктами составляет 40 км, а в линии емкостью 60 каналов – около 20 км. При использовании коаксиального кабеля это расстояние еще меньше. Основные характеристики проводных линий связи приведены в таблице 1.1.

Кабели на скрученной (витой) паре содержат два или четыре витые пары с различным шагом скрутки. Каждая пара – это два скрученных изолированных проводника. Кабель накрыт внешней изоляционной оболочкой, защищающей провода от влаги и механических воздействий.

Скрученная пара проводов по свойствам существенно отличается от пары тех же прямых проводов, идущих рядом параллельно друг другу. При скручивании оказывается, что проводники идут всегда под некоторым углом друг к другу, что снижает емкостную и индуктивную связь между ними. Кроме того, значительный отрезок такого кабеля для внешних полей оказывается симметричным (круглым), что снижает его чувствительность к наводкам (по дифференциальной помехе) и внешним излучениям при прохождении сигнала. Чем мельче шаг скрутки, тем меньше перекрестные помехи, но и больше погонное затухание кабеля, а также время распространения сигнала. Кабель может иметь различное исполнение, отдельные пары могут иметь экран из медной проволоки и/или фольги. В общий экран могут быть заключены и все пары кабеля.

Категория (Category) витой пары определяет частотный диапазон, в котором ее применение эффективно.

Кроме общепринятых обозначений кабелей по категориям, существует и классификация кабелей по типам (Туре), введенная фирмой ІВМ. В эту классификацию кроме медных кабелей попали и оптоволоконные. Понятия «Туре» и «Category» иногда путают, но в названиях кабелей по классификации ІВМ присутствует имя этой фирмы и слово «Туре».

Диапазон частот и области применения радиолинии приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Диапазон частот и области применения радиолинии

Диапазон (длина волны)	Диапазон частот	Область применения
Километровый (10-1) км	Длинноволновый (30-300)кГц	Радиовещание
Гектометровый (1000-100) м	Средневолновый (300-3000)кГц	Радиовещание
Декаметровый (100-10) м	КВ (3-30)МГц	Радиовещание, радиосвязь
Метровый (10-1) м	УКВ (30-300)МГц	ТВ, радиовещание, радиосвязь
Дециметровый (10-1) дм	Высокочастотный (300-3000)МГц	ТВ, радиосвязь
Сантиметровый (10-1) см	Сверхвысокочастотный (3-30)ГГц	РРЛ, ИСЗ
Миллиметровый (10-1) мм	Микроволновый (30-300)ГГц	РРЛ, ИСЗ

Коротковолновый (КВ) диапазон занимает область частот от 3 до 30 МГц. Электромагнитная энергия в KB диапазоне распространяется пространственными и наземными (поверхностными) лучами. При этом имеют место явления поглощения, преломления, отражения, дифрак­ции и интерференции волн. Явление дифракции (огибания) в этом диапазоне частот выражено слабо, поэтому поверхностная волна распространяется на небольшие расстояния - порядка нескольких десятков километров.

Преломление и многократное отражение радиоволн от Земли и ионизированных слоев атмосферы позволяет обеспечить связь на большие расстояние. Однако степень ионизации и высота ионизированных слоев изменяется в зависимости от времени года и суток, что изменяет условия распространения радиоволн KB диапазона. В результате дальность радиосвязи зависит не только от мощности передатчика и чувствительности приемника, но и от выбора рабо­чей частоты, состояния ионосферы и уровня помех. Для средств радиосвязи коротковолнового диапазона характерным является зами­рание сигналов. Причиной этих замираний является интерференция лучей, полученных за счет отражения сигналов от различных слоев ионосферы. В результате замираний существенно повышается вероятность ошибки при передаче цифровой информации и составляет порядка . Другим недостатком коротковолнового диапазона является низкая надежность связи при северных сияниях.

Достоинствами KB радиосвязи являются большая дальность дей­ствия при сравнительно малых средних мощностях передатчиков, возможность одновременного обмена информацией со многими абонентами; быстрое развертывание линий связи: обеспечение связи с труднодоступными районами и с абонентами, местоположение которых неизвестно.

Ультракоротковолновый диапазон занимает область частот от 30 до 300 МГц.

Радиоволны этого диапазона не отражаются ионизированными слоями атмосферы, а распространяются над земной поверхностью на дальность прямой видимости, проходят ионизированные слои атмосферы и рассеиваются в мировом пространстве. Однако весьма малая часть электромагнитной энергии рассеивается за счет неоднородностей тропосферы и ионосферы, что создает возможности для организации тропосферной и ионосферной радиосвязи.

Особенности распространения УКВ позволили создать радиоли­нии прямой видимости, радиорелейные, тропосферные, ионосфер­ные, космические линии связи.

В диапазоне УКВ возможна одновременная работа большого числа радио­станций с шириной спектра излучаемых сигналов до нескольких десятков мегагерц. Это дает возможность передавать в диапазоне УКВ широкополосные сигналы и использовать различные виды моду­ляции, требующие большой полосы частот и обладающие высокой помехоустойчивостью.

Рис.1.9. Схема построения радиорелейной линии связи

Радиорелейные линии связи (рис.1.9) представляют собой цепочку приемо-передающих станций сантиметрового, дециметрового или метро­вого диапазона, расположенных друг от друга на расстоянии пря­мой видимости. Дальность прямой видимости определяется по формуле , где и – соответственно высота передающей и приемной антенн в метрах. В реальных условиях составляют 40-60 км. В гористой местности в ряде случаев удается обеспечить прямую видимость на расстояние 110-150 м. Антенные системы узконаправлены, что позволяет использовать передатчики небольшой мощ­ности (до 20 Вт) и резко ослабить воздействие внешних помех (и в частности преднамеренных), снизить взаимные помехи между радиостанциями. Уровень сигнала на входе приемника не зависит от времени и других внешних факторов, что повышает устойчивость связи. Использование радиорелейных линий обеспечивает устойчи­вую передачу информации. Однако необходимость наличия ретрансляторов, высоких опор для антенн усложняет и удорожает организации связи.

Тропосферные линии связи основаны на явлении рассеяния ультракоротких волн в тропосфере. Общий принцип тропосферной связи поясняется на рис.1.10. Антенны станций с большими коэффициентами усиления ориентируются так, чтобы их диаграммы направленности пересекались в тропосфере на высоте . Объем тропосферы , образованный пересечением диаграмм направлен­ности антенн, рассеивает облучающие его радиоволны. Некоторая часть рассеянной электромагнитной энергии улавливается антенной станции 2 и поступает на вход приемника. Дальность тропосферной связи между двумя станциями определяется соотношением

,

где – высота расположения рассеивающего объема; - радиус Земли, равный 6370 км. Высота рассеиваю­щих слоев тропосферы ограничена 10-15 км. Поэтому дальность тро­посферной связи редко превышает 600 км, а чаще имеет значе­ние 100-250 км. Для ее увеличения используют тропосферные радио­релейные линии (ТРРЛ), отличающиеся от РРЛ прямой видимости значительно большими интервалами ретрансляции. Тропосферные линии характеризуются большими потерями при рассеянии (до 230-240 дБ) и замираниями сигналов: длительными – часы; кратковременными – секунды, минуты. Для повышения устойчивости связи приходится использовать мощные передатчики (до 10 кВт и более), высокона­правленные антенны и разнесенный по пространству и частоте прием.

Несмотря на то, что оборудование станций тропосферной связи более сложное и дорогостоящее, чем радиорелейных, увеличение ин­тервалов ретрансляции делает тропосферные радиолинии незаменимы­ми для организации связи в труднодоступных или малонаселенных районах, а также для связи через морские пространства.

Космические линии связи содержат космические ретрансляторы, расположенные на орбитах высотой в несколько десятков тысяч кило­метров, которые видны на огромной территории. Это позволяет ор­ганизовать радиолинию протяженностью в несколько тысяч километ­ров. Максимальный размер зоны видимости (рис.1.11) определяется по формуле

,

где - радиус Земли.

Из-за вносимых тропосферой шумов минимальный угол возвышения может быть , что уменьшает размер зоны радиовиди­мости. Особенности распространения электромагнитных коле­баний через атмосферу, а также радиоизлучения различных планет, ограничивают диапазон частот для космических систем связи участком 2...8 ГГц.

Спутники-ретрансляторы могут располагаться на круговой или эллиптической орбитах.

В зависимости от высоты орбиты подразделяются на геостанционарные (GEO), средневысотные (MEO) и низкоорбитальные (LEO) (рис. 1.12).

Геостационарные спутники, располагаясь на высоте примерно 36000 км, находятся над заданной точкой земной поверхности. Этот эффект достигается за счет того, что КА, двигаясь со скоростью вращения Земли, как бы зависает над определенной точкой поверхности, расположенной на экваторе. Связь через геостационарный КА не имеет перерывов в обслуживании, обусловленных взаимным перемещением спутника и терминала пользователя. Система из трех спутников обеспечивает охват практически всей территории земной поверхности.

К достоинствам систем на геостационарной орбите следует отнести возможность обеспечения частоты за счет доплеровского эффекта.

Ресурс геостационарных КА достаточно высок: срок эксплуатации современных КА составляет около 15 лет. Но это не предел, теоретически он может быть увеличен до 25.

Однако эти системы имеют ряд недостатков. Спутники на геостационарных орбитах можно с успехом использовать для систем радио- и телевизионного вещания, где задержки в 250 мс в каждом направлении не сказываются на качественных характеристиках сигналов. В то же время в системах персональной радиотелефонной связи длительная задержка ухудшает качество телефонной связи. Суммарная величина задержки в этих системах составляет 600 мс (с учетом времени обработки и коммутации в наземных сетях), что затрудняет общение абонентов.

Системы со средневысотными КА обеспечивают более высокие характеристики обслуживания абонентов, чем геостационарные, за счет увеличения рабочих углов места и числа КА, находящихся одновременно в поле зрения наблюдателя. Радио видимость двух спутников обеспечивается 95% суточного времени. При этом, хотя бы один из спутников виден под углом более 30^о. Благодаря этому не нужен дополнительный энергетический запас радиолинии на потери распространения в ближней зоне (деревья, здания и другие преграды).

Трасса средневысотных спутников проходит в диапазоне высот от 5000 до 15000 км. Они могут создать меньшую зону обслуживания, чем геостационарные, поэтому для глобального охвата наиболее населенных районов Земного шара и судоходных акваторий необходимо 7-12 спутников.

Особенностью низкоорбитальных КА является используемый диапазон частот – от 1 ГГц и легкие космические аппараты массой от 50 до 250 кг. В системе используется от 6 до 48 КА.

При организации связи различают два метода использования ИСЗ: метод парных станций, при котором любые две наземные станции могут использовать спутник для двухсторонней связи только между собой и метод многих станций (многостанционный доступ), при котором более двух наземных станций могут использовать один ИСЗ для одновременной связи каждой станции с любой другой или со всеми остальными станциями.

В случае многостанционного доступа (МД) спутник функционирует в сети, охватывающей много пунктов, каждый из которых в любое время может установить связь с другим пунктом. Он играет роль центральной станции, через которую проходят все абонентские линии данной сети. Наиболее простым и распространенным методом МД является частотное разделение каналов.

При временном разделении каналов требуемая ортогональность сигналов различных абонентов достигается тем, что каждой станции, входящей в сеть для излучения сигналов выделяется определенный временной интервал. Интервалы излучения всех станций взаимно синхронизированы.

В последние годы широкое распространение находят оптические линии связи. Оптический диапазон включает участок от до . Для целей связи перспективными являются волны длиной 0,3…30 мкм.

Достоинством оптических линий связи является неподверженность внешним электромагнитным полям, большая пропускная способность, малый объем и вес.

Так, на волне длиной 1 мкм полоса частот, составляющая всего один процент от несущей частоты, равна , что соответствует практически всему радиодиапазону. В настоящее время по волоконным световодам уже можно осуществить передачу сигналов с шириной спектра до нескольких гигагерц на расстояние до нескольких километров без промежуточных усилительных пунктов. Оптические волокна изготавливаются из кварцевого стекла с добавлением окиси германия. Диаметр поперечного сечения имеет величину порядка 0,1…0,2 мм. Волокно представляет собой, фактически, диэлектрический оптический волновод. В таких волноводах (как и в металлических) возможно распространение волн с определенным распределением по поперечному сечению электрического и магнитного полей. Эти волны называют модами. Волокна, в которых может распространяться только одна мода, называют одномодовыми. Волоконно-оптический кабель состоит из нескольких волокон (может быть несколько десятков). Источниками света в волоконно-оптических линиях являются полупроводниковые лазеры или светодиоды. При передаче сигналов между космическими аппаратами источниками света являются газовые или твердотельные лазеры.

Скорость передачи в волоконных линиях достигает несколько сот мегабит в секунду. При такой большой скорости передачи предъявляются жесткие требования к точности синхронизации. Поэтому в волоконно-оптических линиях обычно используются так называемые самосинхронизирующие коды.

Оптические линии с распространением волн в неограниченном пространстве используют направленное лазерное излучение. Из-за поглощения волн в атмосфере обеспечивают связь на малых дальностях. Возможно использование оптических волн для ретрансляции через ИСЗ.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Как классифицируются сигналы?

2. Какими параметрами характеризуется сигнал?

3. Что такое преобразование сообщения в сигнал?

4. Что такое канал связи?

5. Что такое линия связи?

6. Как каналы связи классифицируются по виду связи?

7. Как каналы связи классифицируются по виду сигнала?

8. Назовите назначение физического уровня 7-ми уровневой модели взаимодействий открытых систем.

9. Какую основную функцию выполняет канальный уровень 7-ми уровневой модели взаимодействий открытых систем?

10. Какую функцию выполняет сетевой уровень7-ми уровневой модели взаимодействий открытых систем?

11. Какую функцию выполняет транспортный уровень 7-ми уровневой модели взаимодействий открытых систем?

12. Какую функцию выполняет сеансовый уровень 7-ми уровневой модели взаимодействий открытых систем?

13. Какую функцию выполняет представительный уровень 7-ми уровневой модели взаимодействий открытых систем?

14. Что такое прикладной уровень 7-ми уровневой модели взаимодействий открытых систем?

15. Что такое аналоговый сигнал?

16. Что такое дискретный сигнал?

17. Определить во сколько раз объем телевизионного сигнала больше объема радиовещательного сигнала при одинаковой длительности и одинаковом динамическом диапазоне, МГц, кГц.

18. Канал имеет полосу частот кГц. В канале действует шум с равномерной спектральной плотностью . Какова минимальная мощность сигнала, который может быть передан по данному каналу без искажений.

19. Канал с полосой частот кГц используется 10 с. В канале действует шум с равномерной спектральной плотностью . Какова предельная максимальная мощность сигнала, который может быть передан по данному каналу без искажений, если динамический диапазон канала ?

20. Текст из 100 букв передается по телефонному каналу в течение 30 с. Тот же текст и за то же время передается по телеграфному каналу пятизначным двоичным кодом. Частота телефонного сообщения в спектре речевого сигнала Гц. Полоса телеграфного сигнала ( - длительность элементарного импульса, - коэффициент =3). Динамические диапазоны равны. Показать какой сигнал экономичнее и во сколько раз.

21. Рассчитать коэффициент ошибок, если число ошибочно принятых знаков (символов) =10, а общее число переданных знаков =2000.

22. Рассчитать информационную эффективность, если длительность посылки =10 мкс, основание кода =2, а пропускная способность канала Мбит/с.