Лінії зв'язку. Класифікація

Державний комітет зв’язку та інформатизації УКРАЇНИ

Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій

КАФЕДРА________Телекомунікаційних__ систем_______________

ЗАТВЕРДЖУЮ

Завідуючий кафедрою

_______________ Беркман Л.Н.___

   (підпис, прізвище)

“ ____ “ _____________ 2009 року

Лекція № 6

з навчальної дисципліни "Введення до спеціальності"

напряму підготовки _______телекомунікації________________________

освітньо-кваліфікаційного рівня _____бакалавр______________________

Тема _________Елементи мереж електрозв’язку______  

                           (повна назва лекції)

Лекцію розроблено ст. викл. Коршун Н. В.

(вчена ступінь та звання, прізвище та ініціали автора)

Обговорено на засіданні кафедри (ПМК)

Протокол № __________

“ ____ “ _____________ 2009 року

Київ

Навчальні цілі. Ознайомлення студентів з класифікацією ліній зв’язку та конструкцією кабелів зв’язку, призначенням елементів конструкції. Вивчення призначення та принципів роботи систем передачі.

Час - 90 хв.

ПЛАН ПРОВЕДЕННЯ ЛЕКЦІЇ ТА РОЗРАХУНОК ЧАСУ

Загальні положення______________________________________________-_5__ хвилин

Навчальні питання

1. Лінії зв’язку. Класифікація - 15 хвилин

2. Кабелі зв’язку – 20 хвилин

3. Системи передачі – 30 хвилин

4. Вузли та станції – 15 хвилин

Висновок_____________________________________________-5__ хвилин

ЛІТЕРАТУРА:

(рекомендована для студентів)

1. В. Г. Дурнев, А. Ф. Зеневич, Б. И. Крук, В. П. Кубанов, В. В. Романов, В. И. Иванов. Электросвязь. Введение в специальность. – М.: Радио и связь, 1988.

Текст ЛЕКЦІЇ

Лінії зв'язку. Класифікація

Електрозв'язок сьогодні має в своєму розпорядженні лінії зв'язку, по яких можна одночасно передавати сотні і тисячі сигналів різних видів. Сучасні лінії зв'язку — це грандіозні споруди, що містять середовище розповсюдження сигналів і комплекс складного електронного устаткування.

Лінії зв'язку забезпечують проходження сигналів в потрібному напрямку і на необхідну відстань. Складність виконання цієї функції стане зрозумілою, якщо уявити, що лінії зв'язку мають довжину в тисячі кілометрів, проходять по зонах з різними кліматичними умовами, постійно піддаються дії різних природних явищ. Якісна передача сигналів по лініях можлива лише в тому випадку, якщо вони мають певні властивості і параметри, практично не залежні ні від пори року, ні від умов роботи. Крім того, лінії повинні мати певну надійність і механічну міцність на багато десятків років. Виконання цих вимог — задача вельми важка.

Залежно від середовища, по якому передаються сигнали, всі існуючі типи ліній зв'язку прийнято ділити на дві групи — проводові і безпроводові (радіолінії).

До проводових відносяться всі типи ліній, в яких сигнали розповсюджуються вздовж спеціального, штучно створеного і неперервного направляючого середовища. В найпростішому випадку проводова лінія зв'язку є фізичним ланцюгом, що утворюється парою проводів, по яких розповсюджується електричний струм (сигнал). Якщо проводи не мають спеціального ізолюючого покриття, їх розносять в повітряному просторі на певну відстань один від одного. При цьому роль ізолюючого матеріалу виконує шар повітря між проводами. За термінологією, що склалася, такі проводові лінії називаються повітряними лініями зв'язку. Проводові лінії, утворені проводами, що мають ізоляційні покриття і поміщені в спеціальні захисні оболонки, називаються кабельними лініями зв'язку, або кабелями зв'язку.

До проводових відносяться також лінії, що використовують у якості середовища розповсюдження сигналів діелектричні матеріали, зокрема тонкі скляні волокна. Такі лінії одержали назву волоконно-оптичних ліній зв'язку. Термін радіолінія розповсюджується на всі типи ліній, в яких сигнали електрозв'язку, перетворені в радіосигнали, передаються у відкритому просторі у вигляді радіохвиль.

Був час, коли сигнали електрозв'язку передавалися тільки по повітряних лініях зв'язку. Відносна простота, невеликі вартість і терміни побудови повітряних ліній забезпечили їм свого часу широке розповсюдження. Проте можливості повітряних ліній незабаром були вичерпані, і вони поступилися місцем більш досконалим кабельним лініям зв'язку. Повітряні лінії не можуть пропускати однаково ефективно всі сигнали електрозв'язку. Наприклад, вони не в змозі пропускати сигнали телевізійного мовлення і сигнали деяких високошвидкісних систем передачі даних. Крім того, повітряні лінії схильні до сильних впливів кліматичних умов. Навіть нешкідливе з вигляду розгойдування дротів під впливом слабкого вітру призводить до руйнування металу дротів. Під дією вологи і різних речовин, що містяться в атмосфері, вони поступово іржавіють і руйнуються. І вже зовсім безжально розправляється з повітряними лініями стихія, що розбушувалася: ураган рве дроти, валить опори, блискавка в тріски розбиває, спалює опори, ожеледь призводить до такого обмерзання, що дроти не витримують збільшену у багато разів масу і рвуться. Частка повітряних ліній постійно зменшується.

Сьогодні основним типом проводових ліній зв'язку є кабельні. Сучасні кабелі зв'язку різноманітні за конструкцією, умовами прокладання, можливостями і областю застосування. За конструкцією і взаємним розташуванням провідників розрізняють симетричні і коаксіальні кабелі. Основними елементами кабелів є струмопровідні жили (пара проводів), що створюють електричний ланцюг. В симетричних кабелях ланцюги утворюються за допомогою однакових за конструкцією ізольованих провідників. Електричні ланцюги в коаксіальних кабелях утворюються двома циліндричними провідниками з суміщеними осями, причому один провідник (суцільний циліндр) розташований усередині іншого, полого.

На рис. 6.1 показано конструкцію однопарних симетричного і коаксіального кабелів. Як видно з рисунка, ізольовані провідники симетричного кабелю поміщені в металеву трубку, що служить екраном, який захищає провідники від впливу різних зовнішніх електромагнітних полів, що створюють завади. Поверх екрану є ізолююча оболонка, що захищає кабель від впливу агресивних середовищ. В коаксіальних кабелях взаємне розташування провідників забезпечується за допомогою спеціальної арматури, що виготовляється з діелектричного матеріалу. Зовнішній провідник пари має ізолюючу оболонку.

Рисунок 6.1 – Однопарні кабелі зв’язку: а – симетричний, б – коаксіальний

За умовами прокладання і експлуатації розрізняють підземні, підвісні і підводні кабелі. Вони відрізняються конструкцією і матеріалом ізолюючих оболонок і захисних покровів. В землі і воді прокладають кабелі, броньовані сталевими стрічками або дротом, які додають кабелю особливу механічну міцність. В містах кабелі прокладають в спеціально споруджену каналізацію, що складається з трубопроводу і оглядових колодязів.

Можливості і область вживання кабелів визначаються шириною смуги пропускання сигналів, тобто робочим діапазоном частот і ємністю кабелю. Ємністю кабелю називається число пар провідників, вкладених в загальну оболонку. Сучасні кабелі зв'язку, як правило, мають не одну, а декілька симетричних або коаксіальних пар, або тих і інших одночасно. На рис. 6.2 показано переріз комбінованого міжміського кабелю марки КМБ-8/6, що має 15 коаксіальних пар різного діаметру, 8 симетричних пар і 6 окремих жил. По такому кабелю можна організувати тисячі телефонних розмов одночасно.

Рисунок 6.2 – Комбінований міжміський кабель КМБ-8/6

Дальність передачі сигналів по кабелях залежить від опору провідників. Чим менше опір, тим на більшу відстань можна передавати сигнали. В реальних кабелях ця відстань не перевищує декількох кілометрів. Для збільшення дальності передачі доводиться періодично підсилювати сигнали. Тому будь-яка кабельна магістраль має підсилювальні пункти, розташовані по трасі через певні інтервали. Завдяки використанню підсилювачів дальність передачі сигналів по кабелях зв'язку досягає тисяч кілометрів.

По волоконно-оптичних лініях принципово можна організувати передачу до мільйона телефонних сигналів одночасно. Зовні оптичні кабелі мало відрізняються від вже знайомих нам кабелів зв'язку. Проте замість струмопровідних металевих жил в них застосовуються тонкі (діаметром 125... 150 мкм) двошарові скляні волокна-світловоди. Саме вони є середовищем, по якому передаються сигнали електрозв'язку в оптичному діапазоні частот (10¹⁴ ... 10¹⁵ Гц).

Принцип розповсюдження світлового променя вздовж двошарового волокна показаний на рис. 6.3. Промінь розповсюджується по внутрішньому шару волокна за рахунок послідовного і повного віддзеркалення від межі розділу діелектричних шарів. В оптичному кабелі (рис. 7.4) скловолокна вільно поміщаються всередині поліетиленових трубок, скручених навколо міцного пластмасового осердя. Оптичні кабелі, як і звичайні, мають захисні поліетиленові оболонки і різні зовнішні покрови. Їх можна прокладати в землі, воді, приміщеннях і т.д. Вони не чутливі до електромагнітних перешкод і тому не потребують металевих екранів. Дуже істотною перевагою волоконно-оптичних ліній є відсутність в їх конструкції міді, алюмінію, свинцю і ін.

Рисунок 6.3 – Принцип розповсюдження світлового променя по скловолокну

Рисунок 6.4 – Оптичний кабель: 1 – скловолокно; 2 – поліетиленова трубка; 3 – пластмасове осердя; 4 – поліетиленова оболонка; 5 – зовнішній покров

Разом з проводовими лініями в електрозв'язку широко використовуються лінії радіозв'язку. Структурна схема такої лінії приведена на рис. 6.5. Сигнали електрозв'язку, що підлягають передачі, перетворюються радіопередавачем в радіочастотні сигнали, здатні випромінюватися передаючою антеною у відкритий простір у вигляді радіохвиль. Радіохвилі — це електромагнітні коливання з частотами до 3∙10¹² Гц, що розповсюджуються в просторі без штучних направляючих середовищ. Відповідно до міжнародної домовленості всі радіохвилі розділені на дев'ять діапазонів. Далі радіохвилі приймаються антеною радіоприймача і перетворяться в ньому спочатку в сигнали електрозв'язку, а потім у відповідні повідомлення. Протяжність радіолінії і можлива кількість сигналів, що передаються по ній, залежать від багатьох чинників: діапазону частот, що використовуються, умов розповсюдження радіохвиль, технічних даних радіопередавачів, радіоприймачів, антен та ін.

Рисунок 6.5 – Схема лінії радіозв’язку: 1 – радіопередавач; 2 – антена, що передає; 3 – антена, що приймає; 4 - радіоприймач

Цінною якістю радіоліній є можливість їх швидкої організації і порівняльно невисока вартість. Важливим є також той факт, що радіолінії використовуються для зв'язку з будь-якими рухомими об'єктами (кораблями, поїздами, літаками, космічними літальними апаратами), а також для зв'язку їх між собою.

Лінія радіозв'язку може складатися з декількох або багатьох ділянок (інтервалів), в межах яких передача сигналів відбувається згідно розглянутій схемі. В цьому випадку сигнали, передані з одного пункту, приймаються в іншому, підсилюються і передаються далі в третій пункт і т.д. Такі лінії називаються радіорелейними лініями РРЛ. На рис. 6.6 приведена схема РРЛ, що забезпечує двосторонню передачу сигналів. Кожний кінцевий пункт РРЛ, що називається кінцевою станцією, має радіопередавач і радіоприймач для одночасної передачі і прийому сигналів. Передача і прийом проводяться на різних частотах, тому передаюча апаратура не заважає роботі приймальної. На кожній проміжній станції є, принаймні, по два радіопередавачі і радіоприймач для одночасного прийому і передачі сигналів в двох напрямах.

Радіохвилі, що використовуються для радіорелейного зв'язку (частоти 2...8 ГГц), розповсюджуються прямолінійно, подібно до проміння світла. Тому і станції одна від одної повинні знаходитися в межах прямої «радіовидимості», яка звичайно не перевищує 40...60 км. Ця відстань залежить, в основному, від висоти підняття антен над землею. Загальна протяжність РРЛ може досягати декількох тисяч кілометрів.

Незаперечною перевагою РРЛ перед кабельними лініями є швидкість побудови, особливо в важкодоступних  районах.

Рисунок 6.6 – Схема радіорелейної лінії зв’язку

Різновидом радіорелейних ліній є супутникові радіолінії (рис. 6.7). Радіосигнали із земної передаючою станцією випромінюються у напрямі штучного супутника Землі (ШСЗ), де приймаються, підсилюються і знову передаються за допомогою радіопередавача у напрямі земної станції прийому. Радіотехнічне устаткування ШСЗ виконує функцію проміжної станції радіорелейної лінії, що знаходиться на великій висоті.

       Рисунок 6.7 – Схема супутникової  радіолінії

Кабелі зв’язку

Кабелемназивається електротехнічний виріб, що містить ізольовані провідники, з'єднані в єдину конструкцію і поміщені у спільну металеву або пластмасову оболонку і захисні покрови.

Сучасні кабелі зв'язку класифікуються за рядом ознак: залежно від призначення, області застосування, умов прокладання і експлуатації, спектру передаваних частот, конструкції, матеріалу і форми ізоляції, системи скручування, роду захисних покровів.

Залежно від області застосування кабелі зв'язку поділяються на магістральні, зонові (внутрішньообласні), сільські, міські, підводні, а також кабелі для з’єднувальних ліній і вставок. Виготовляються також радіочастотні кабелі для фідерів живлення антен радіостанцій і монтажу радіотехнічних установок.

Залежно від умов прокладання і експлуатації кабелі розділяються на підземні, підводні, підвісні і кабелі для протяжки в телефонній каналізації.

За спектром передаваних частот кабелі зв'язку поділяються на низькочастотні (тональні) і високочастотні (від 12 кГц і вище).

За конструкцією і взаємним розташуванням провідників ланцюга кабелі підрозділяються на симетричні і коаксіальні.

Крім того, розрізняють кабелі залежно від: складу елементів, що входять до нього, — однорідні і комбіновані;

матеріалу і структури ізоляції — з повітряно-паперовою, кордельно-паперовою, кордельно-стирофлексною (полістирольною), суцільною поліетиленовою, пористо-поліетиленовою, балонно-поліетиленовою, шайбовою поліетиленовою, фторопластною і іншою ізоляцією;

виду скручування ізольованих провідників в групи — парною і четвірковою, в осердя — повивного і пучкового скручування.

Нарешті, кабелі поділяються за видом оболонок: металеві (свинець, алюміній, сталь), пластмасові (поліетилен, полівінилхлорид), металопластмасові, а також за видом захисноброньових покровів (стрічкова або проводова броня, джутовий або пластмасовий покров).

Для зручності класифікації і користування кабелями їм привласнюється певне умовне позначення — марка кабелю. Магістральні і міжміські кабелі маркіруються буквою М; букви КМ позначають коаксіальні магістральні. Телефонним міським кабелям привласнюється буква Т тощо.

Системи і лінії передачі

Поняття «лінія зв'язку» близьке до поняття «канал зв'язку». В тих випадках, коли по лінії зв'язку передається один сигнал, ці поняття співпадають. По сучасних лініях зв'язку, як правило, передаються одночасно і незалежно один від одного десятки, сотні, тисячі і більш сигналів. Кожний сигнал передається по своєму каналу. Утворення каналів для передачі окремих сигналів електрозв'язку по одній лінії зв'язку інакше називається розподілом каналів. Операція розподілу каналів заснована на привласненні кожному сигналу, що передається, індивідуальної ознаки. Відомі різні методи розподілу каналів, але найбільш широко застосовуються метод частотного розподілу каналів ЧРК і часового розподілу каналів ЧасРК При використанні методу ЧРК кожному сигналу, що передається, відводиться строго індивідуальна смуга частот. Відомо, що сигнали електрозв'язку, відповідні однорідним повідомленням, мають однакову ширину спектру, наприклад 300 ... 3400 Гц при передачі мовних повідомлень в телефонному зв'язку, 30 ... 15 000 Гц при високоякісній передачі програм звукового мовлення і т.д. За допомогою спеціальних пристроїв — перетворювачів частоти — смуга частот кожного сигналу переноситься без зміни ширини з початкового в заданий діапазон частот. Принцип перенесення смуг частот пояснюється на рис. 6.8. Смуги частот, займаних кожним сигналом після перенесення, повинні знаходитися в межах частотного діапазону лінії передачі, що використовується.

Рисунок 6.8 - Принцип перенесення смуг частот при ЧРК

В основу методу ЧасРК поставлений принцип почергової поелементної передачі декількох сигналів по одній лінії зв'язку. На початку по лінії передаються перші елементи першого сигналу, потім другого і так до останнього n-го сигналу. Далі передаються другі елементи знову від першого до n-госигналу. Подібна операція повторюється цикл за циклом до тих пір, поки не будуть передані останні елементи всіх n сигналів. У результаті виходить, що кожний сигнал передається в строго визначені інтервали часу, тобто по своєму часовому каналу. В даному випадку всього n часовихканалів. На приймальній стороні елементи кожного сигналу виділяються, об'єднуються і по них відновлюються копії початкових сигналів. Послідовність передачі сигналів по лінії припускає певну затримку в передачі окремих елементів сигналів. Проте затримка не повинна відчуватися при прийомі повідомлень.

Технічні засоби, що дозволяють утворювати канали передачі, входять до складу систем передачі. Сучасні системи передачі є багатоканальними, тобто забезпечують одночасну і незалежну передачу багатьох сигналів. В системі передачі одні пристрої є індивідуальними для кожного каналу, а інші — спільними для групи або всіх каналів. Пристрої, що використовуються одразу для всіх каналів, утворюють лінійний тракт системи передачі.

Сукупність фізичних ланцюгів (однієї або двох пар проводів) лінійних трактів однотипних або різнотипних систем передачі, що мають загальні середовище розповсюдження, лінійні споруди і пристрої їх обслуговування, називається лінією передачі. На рис. 6.9 показана спрощена структурна схема системи і лінії передачі, що складається з кінцевого обладнання системи передачі, кінцевої апаратури лінії передачі і середовища розповсюдження. Кінцеве обладнання систем передачі розміщується на мережних станціях або вузлах.

Лінія передачі зв'язує між собою дві мережні станції, два мережні вузли або мережну станцію з мережним вузлом.

Рисунок 6.9 – Структурна схема системи і лінії передачі

Залежно від середовища розповсюдження сигналів розрізняють проводові і радіосистеми передачі. Проводовою системою передачі називається система передачі, в якій сигнали електрозв'язку розповсюджуються в просторі вздовж неперервного направляючого середовища. Проводовій системі передачі привласнюється назва залежно від типу направляючого середовища, наприклад кабельна, хвилеводна, світловодна. Система передачі, в якій сигнали передаються за допомогою радіохвиль у відкритому просторі, називається радіосистемою передачі. Радіосистемі передачі привласнюється назва залежно від принципу роботи радіолінії, наприклад радіорелейна, супутникова, іоносферна, метеорна.

Залежно від первинної мережі, до якої належить лінія передачі, їй привласнюється назва: магістральна, внутрішньозонова, місцева.

Сукупність мережних станцій, вузлів і ліній передачі утворює первинну мережу типових каналів. Канали передачі називаються типовими, оскільки їх параметри нормуються. Основним типовим каналом передачі є канал тональної частоти (канал ТЧ), призначений для передачі електричних сигналів (перш за все телефонних) в смузі частот 300...3400 Гц.

Вузли та станції

Мережні вузли і мережні станції є елементами первинної мережі. Магістральна, внутрішньозонові і місцеві первинні мережі мають свої вузли і станції. Магістральні мережні вузли створюються на перетинах магістральних ліній передачі МЛП. Найбільші магістральні мережні вузли називаються територіальними мережними вузлами ТМВ.

Магістральні мережні станції розміщуються в обласних, крайових центрах і інших великих містах, де закінчуються лінії передачі магістральної первинної мережі. Магістральна первинна мережа має вузли і станції першого класу: ТМВ-1, МВ-1, СВ-1 (рис. 6.10,а). Внутрішньозонові мережні вузли знаходяться на перетині внутрішньозонових ліній передачі, а мережні станції — в пунктах закінчення цих ліній. Внутрішньозонова мережа містить вузли і станції другого класу: СВ-2, СВ-2 (рис. 6.10, б). На місцевих первинних мережах створюються мережні вузли і станції третього класу СВ-3, СВ-3 (рис. 6.10, в). Мережні вузли і станції різних класів можуть розміщуватися в різних населених пунктах, в одному пункті і навіть в одному приміщенні.

Основне призначення мережних вузлів первинної мережі полягає в організації типових каналів передачі і групових трактів, а також в з'єднанні (транзиті) однойменних каналів і групових трактів різних ліній передачі. Функції мережних станцій полягають в організації типових каналів передачі і групових трактів, а також в наданні цих каналів і трактів вторинним мережам. Для вирішення названих задач мережні вузли і мережні станції мають відповідне устаткування.

Рисунок 6.10 – Вузли та станції магістральної (а), внутрішньозонової (б) та місцевої (в) мереж