Раздел 7. Линии передачи сигналов'электросвязи

7.1. Электромагнитные волны

Определение. Классификация электромагнитных волн. Излу­чение электромагнитных волн. Скорость распространения электромагнитных волн. Волновое сопротивление среды. Фронт волны, поляризация.

Материал этой темы изложен в [3, гл. 7] . При изучении данного материала необходимо обратить внимание на такие по­нятия, как электрическое поле и напряженность электрическо­го, поля, магнитное поле и напряженность магнитного поля, электромагнитная волна. Следует уяснить условия возникнове­ния переменного электромагнитного поля и электромагнитной волны, изучить все свойства электромагнитных волн. Обратите внимание на оптические свойства электромагнитных волн.

7.2. Радиолинии передачи сигналов электросвязи

Распространение радиоволн; строение атмосферы. Особенно­сти распространения волн различных диапазонов. Передающие и приемные антенны. Параметры антенны: мощность излучения, коэф­фициент полезного действия, коэффициент усиления, диаграмма направленности антенны. Антенны различных диапазонов волн.

Классификация радиолиний. Прямая радиосвязь. Радиорелей­ные линия связи; одноствольные, многоствольные РРЛ, промежу­точные, узловые и оконечные станция РРЛ; распределение частот; преимущества и недостатки РРЛ. Тропосферные, ионосферные и спутниковые линии связи.

Материал данной темы изложен в [3, гл. 7.2] .

При изучения данной темы следует обратить внимание, на законы, которым подчиняются радиоволны, распространяющиеся в идеальной среде, на факторы, влияющие на распространение ра­диоволн в реальной среде. Кроме того, важно усвоить особенно­сти распространения радиоволн различных диапазонов я парамет­ры передающих и приемных антенн, а также знать назначение антенны.

Для закрепления .материала этой темы полезно выполнять упражнения я ответить на вопросы [3, гл. 12, с. 205 ] .

7.3. Проводные линии передачи сигналов электросвязи

Классы направляющих систем: фидеры и линии передачи сигналов; электросвязи.

Классы волн: поперечные электромагнитные волны (ТЕМ), поперечные магнитные волны ТМ (Е-волны), поперечные электри­ческие волны ТЕ (Н-волны).

Электрические длинные линии. Эквивалентные схемы линий с потерями и без потерь. Первичные параметры линий, зависимость их от внешних воздействий и частоты.

Вторичные параметры лини: волновое сопротивление, ско­рость распространения и длина волны в линии, коэффициенты за­тухания и фазы. Зависимость их от частоты протекающего тока.

Материал данной темы изложен в |3, § 8.1, 9.1 ]. При изу­чении темы следует уяснить физическую сущность таких понятий, как направляющая система, цепь с распределенными параметрами, длинная линия, линия с потерями и без потерь.

К проводным линиям связи относятся воздушные и кабельные.

Кабельные линии в свою очередь делятся на линии симмет­ричного кабеля и линии коаксиального кабеля. Следует обратить внимание на особенности их конструкции и особенности распро­странения электромагнитных волн в них.

Все вышеперечисленные линии относятся к направляющим сис­темам. Отрезки отдельных линий, могут соединять в системах ра­диосвязи передатчик с передающей антенной или приемную антен­ну с приемником. Эти отрезки называются фидерами.

Обратите внимание, что электрически длинной линией назы­вают такую, длина которой соизмерима с длиной волны. Необхо­димо знать первичные параметры этих линий и их зависимость от частоты протекающего тока, вторичные параметры и их использо­вание в реальных линиях связи для согласования и определения дальности связи. Обратите внимание, что в проводных системах передачи за погонную длину цепи, относительно которой измеря­ют первичные параметры, принимают ^ = I км.

Надо обязательно изучить, от каких факторов зависят пер­вичные параметры цепи, каким образом вторичные параметры за­висят от первичных и как изменение первичных параметров повле­чет за собой изменение вторичных.

Обретите внимание на опечатку в учебнике [3] . Для провод­ных линий связи используется понятие коэффициент затухания в место коэффициент ослабления.

Особенности распространения электромагнитных волн в про­водных линиях передачи кратко изложены в [3, с. 128-129].

Для закрепления материала этой темы полезно выполнить упражнения в [3, § 9.1-9.12, с. 137] .

7.4. Передача сигналов электросвязи по направляющим системам

Сущность процесса передачи энергии. Уравнения передачи по току и напряжению.

Режимы работы линий: режимы бегущих, стоячих, и смешанных волн. Распределение токов и напряжений в линии. Входное сопро­тивление линии в зависимости от ее длины и частоты питающего тока.

Использование отрезков длинных линий в качестве изолято­ров, резонансных контуров и согласующих трансформаторов. Материал этой темы изложен в [3, § Б.2-8.5]

Следует обратить внимание, что передача энергии осуществ­ляется с помощью электромагнитных волн. В зависимости от соот­ношения сопротивления нагрузки (Z_H) и волнового сопротивления (Z_в) различают следующие режимы работы линий: бегущих волн Z_H = Z_в стоячих волн Z_H=∞ и Z_H=0 и смешанных волн Z_H > Z_в и Z_H< Z_в, Следует обратить внимание на уравне­ния передачи и диаграммы, описывающие эти режимы как в идеаль­ных, так и . реальных линиях. В [3, c.I27, c.I32] понятие входного сопротивления линии. При изучении зависимости входного сопротивления от длины линии обратите внимание, что отрезки линий соответствующей длины могут быть использованы в качестве согласующих устройств и колебательных контуров [3, § 8.5].

Для анализа работы линий в различных режимах вводятся коэф­фициенты: отражения, бегущей и стоячей волн. Обратите внима­ние на опечатку в формуле.

Кроме того, обратите внимание на то, что при наличии от­раженных волн возрастают помехи и, как следствие, искажения, поэтому в системах связи необходим согласованный режим. Для закрепления этого материала выполните упражнения и ответьте на вопросы [3, § Б.5, с. 140.]

Для закрепления материала этой темы полезно выполнить упражнения ответить на вопросы [3, гл. 12, с. 205] .

7.5. Волноводные линии передачи

'

Назначение и устройство волноводов. Разновидности вол­новодов. Типы волн в волноводах. Структуры электрического и магнитного полей простейших типов волн в волноводах. Крити­ческая длина волны в волноводе и зависимость ее от структуры поля и геометрических размеров волновода.

Распространение электромагнитных волн в волноводах. Фа­зовая и групповая скорость, длина волны в волноводах. Способы возбуждения и отвода энергии из волновода. Соединение и со­гласование волноводов.

Материал темы изложен в[3, гл. 10] .

При изучении этого материала обратите внимание на конструк­ции волноводов конфигурации электричес­кого и магнитного полей в них. А также следует разобраться с принципом распространения электромагнитных волн в волноводах, способах возбуждения и настройки волноводов. Для закрепления материала выполните упражнения и ответьте на вопросы [3, гл. 10, с. 177].

7.6. Оптические линии передачи

Назначение и состав оптических кабелей. Основные физические особенности и характеристики. Типы световодов. Моды. Струк­турная схема и особенности передачи сигналов по оптическим ли­ниям связи.

Материал этой темы изложен в [3, гл. II].

Достоинство оптических кабелей и систем передачи (в первую очередь экономия меди) вызвали повышенный интерес к ним и приве­ли к тому, что оптоэлектроника опережает на мировом рынке все другие отрасли техники по темпам роста и составляет 40% в год. Наряду с экономией цветных металлов оптические кабели обладают рядом достоинств: широкополосносгью, малые потери и большие дли­ны трансляционных участков; малые габаритные размеры и масса; высокая защищенность от внешних воздействий и переходных помех; надежная техника безопасности. Наряду с этим у оптических кабе­лей есть и недостатки; подверженность волоконных световодов ра­диации; водородная коррозия стекла. Область применения, волоконнооптических линий связи (ВОЛС) весьма широка - от линии городской и сельской связи и бортовых комплексов до систем свя­зи на большие расстояния с высокой информационной емкостью. На базе ВОЛС развивается единая интегральная сеть (ТФ, ТГ, ТВ, ПД и т.д.). Очень перспективно применение оптических систем в кабельном телевидении, которое обеспечивает высокое качество изображения и расширяет возможности информационного обслужи­вания абонентов. Следует понять, что основным элементом опти­ческого кабеля (ОК) является волоконный световод, по которому осуществляется передача микронных длин волн (10 10 Гц). Оптическое волокно (ОВ) имеет двухслойную конструкцию и состо­ит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления n₁ и n₂ (где n= )причем показатель преломле­ния сердцевины n₁ > n₂ - оболочки. Следует уяснить, что ОВ классифицируется на две группы: одномодовые и многомодовые, а последние подразделяются на ступенчатые и градиентные. В одномодовых ОВ диаметр сердцевины соизмерим с длиной волны ( d=λ ) и по нему передается лишь один луч - тип волны (мода). В многомодовых ОВ сердцевина больше, чем длина волны ( d>λ ) и по нему распространяется большое число лучей - мод. Одномодовые ОВ обладают наилучшими характеристиками, так как в них распространяется только один луч. Последнее время в США ежегодно изготавливается по- 1,5 млн.км оптических воло­кон, причем, 80 из них в одномодовом варианте.

Важно изучить структурную схему волоконно-оптической свя­зи и конструкцию световодов и ВОК. Структурная схема волокон­но-оптической связи с ИКМ приведена на рис. 3.

• Основу ее составляет оптический кабель (ОК), а также оп­тический передатчик и приемник. Назначением передатчика явля­ется преобразование электрического сигнала в оптический ООП), а приемника - оптического сигнала в электрический (ОЭП). В ка­честве ЭОП большее распространение получили полупроводниковый лазер (ПЛ) и светоизлучающий диод (СД), в качестве ОЭП - фотодиод (ФД), кроме того, для преобразования кода (ПК) и со­гласования элементов схемы применяются кодирующие устройства, а также согласовывающие оптические устройства (СУ).

Преобразователь кода (ПК) формирует требуемую последова­тельность импульсов и осуществляет согласование уровней по мощности между электрическими (ИКМ) и оптическими (ПЛ, СД и ФД) элементами схемы (от ИКМ идет высокий уровень, а для СД необходим весьма малый уровень. Передающие и приемные согла­сующие устройства (СУ) формируют и согласовывают диаграммы направленности между приемно-передающими устройствами и кабелем. Передаваемый сигнал ИКМ через ПК поступает в ЭОП. Сигнал ИВУ модулирует оптическую несущую, создаваемую ПЛ или СД , через передающее согласующее устройство поступает в оптический ка­бель. На приеме оптический сигнал через приемное согласующее оптическое устройство поступает в фотодиод, где он преобразу­ется в электрический сигнал и через преобразователь кода (ПК) поступает в приемник ИКМ.

На практике все элементы оптического передатчика и при­емника изготавливают в виде компактного квантово-электроннго модуля (КЭМ). Такой модуль включает в себя ЭОП на передаче (или ОЭП на приеме), а также согласующее устройство. Конст­руктивно КЭМ позволяет подключить с одной стороны аппаратуру ИКМ, а с другой оптический кабель.

Через 5; 10; 50 км, вдоль оптической линии располагаются линейные регенераторы (ЛР). В них сигнал восстанавливается и усиливается до требуемой величины. Структурная схема регене­ратора приведена на рис. 4.

В регенераторе ЛР, содержащем два полукомплекта отдель­но для прямого и обратного направлений передачи, оптический сигнал преобразуется в электрический, в таком виде регенери­руется, усиливается, а затем обратно преобразуется в опти­ческий для передачи по кабелю.

В качестве источников излучения, обеспечивающих преоб­разование электрических сигналов в оптические, применяются лазеры (Л) и световоды (СД). В качестве приемника излучения, преобразовывающего оптический сигнал в электрический, при­меняется (ФД).