Переходное затухание в кабеле utp. Снижение затухания горизонтальных кабелей: насколько возможно и когда уместно

Необходимость непрерывного повышения объема и скорости передачи информации заставляет совершенствовать качественные показатели кабельных трактов. Однако возможности снижения затухания горизонтальных кабелей уже практически исчерпаны и сохраняются только для ЦОДов с их небольшой протяженностью линий.

Естественное стремление обеспечить нормальное быстродействие информационно-телекоммуникационной системы (ИТС) стимулирует внедрение каналов связи с постоянно увеличивающейся пропускной способностью.

Тенденция к переходу на все более быстродействующую технику высоких категорий четко прослеживается на всех уровнях информационной кабельной системы. Не стала исключением ее горизонтальная подсистема, которая в подавляющем большинстве случаев реализуется на электропроводной симметричной элементной базе. Стандартные симметричные кабельные тракты СКС отличаются высокой шенноновской пропускной способностью в сочетании с относительно небольшой шириной полосы пропускания. Необходимость максимально полно использовать потенциальные возможности этой направляющей системы вынуждает разработчика сетевых интерфейсов задействовать сложные многопозиционные линейные сигналы, требовательные к качественным показателям канала связи. Малейшее невыполнение норм по этим параметрам приводит к резкому снижению пропускной способности и, соответственно, падению потребительской ценности ИТС в целом, что недопустимо.

Особенности обеспечения качества сигнала в симметричных кабельных СКС

Техника локально-вычислительных сетей (ЛВС) предполагает, что при переходе на аппаратуру следующей по быстродействию ступени темп передачи в подавляющем большинстве случаев увеличивается на порядок. Это является необходимым условием обеспечения значимой экономической выгоды от внедрения более совершенной техники.

Одним из ключевых факторов, определяющих качество передачи информации в любой системе электросвязи, становится отношение сигнала к шуму на входе ее приемника при достаточной ширине полосы пропускания. Превалирующим типом помехи в электропроводных симметричных трактах СКС являются переходные шумы. Мешающие воздействия прочих разновидностей, также в определенных пределах влияющие на качество передачи с точностью, достаточной для выполнения инженерных расчетов, считаются второстепенными. Этому в немалой степени способствует высокая эффективность их подавления самим сетевым интерфейсом при соответствующей обработке смеси сигнала с шумом на приеме и коррекции на передающем конце.

В качестве численной меры величины отношения сигнала к шуму в СКС привлекается параметр ACR - показатель защищенности от переходной помехи. Для учета особенностей схемы передачи и обработки линейного сигнала, используемых в современных высокоскоростных интерфейсах, его дополнительно указывают для обычного, суммарного и межэлементного влияния, а также для ближнего и дальнего концов тракта.

Несложно показать, что защищенность не зависит от уровня выходного сигнала передатчика и численно равна разности между величинами соответствующего переходного и рабочего затухания, т.е. определяется исключительно самим кабельным трактом. Например, используемая еще в первых редакциях стандартов междупарная защищенность на ближнем конце находится как

ACR = NEXT - IL, дБ,

где NEXT - переходное затухание на ближнем конце, IL - рабочее затухание.

Другие разновидности защищенности получаются простой заменой NEXT на величину соответствующего переходного затухания.

Предельная пропускная способность симметричного тракта определяется известным соотношением Шеннона и для современной мультигигабитной техники используется с высокой степенью полноты (примерно на 60% в 10-гигабитных системах). Поэтому при переходе на следующее по быстродействию поколение сетевой аппаратуры величина ACR должна быть увеличена примерно на 10 дБ во всей рабочей полосе частот. Это необходимо для обеспечения вероятности битовой ошибки не свыше 10-12, фиксируемой спецификациями IEEE.

Из приведенного соотношения следует, что наращивать ACR можно двумя на первый взгляд равнозначными способами: уменьшением IL и наращиванием NEXT.

Методы уменьшения рабочего затухания

Для уменьшения величины рабочего затухания разработчик кабеля может использовать несколько основных приемов:

увеличить диаметр провода витой пары;
использовать для изготовления проводников материалы с меньшим удельным сопротивлением;
применить более качественную изоляцию с уменьшенными диэлектрическими потерями;
улучшить степень согласования волновых сопротивлений тех отдельных компонентов, последовательное сопротивление которых образует кабельный тракт СКС;
увеличить номинальное значение волнового сопротивления свыше 100 Ом.

Увеличение диаметра токопроводящей проволоки витой пары свыше 0,64 мм нецелесообразно из-за опасности возникновения несовместимости с IDC-контактами кабельной части разъемов существующего коммутационного оборудования.

Электротехническая медь, применяемая для изготовления проводов витых пар, практически идеальный материал, уступающий по своим характеристикам только серебру, переход на которое невозможен по экономическим причинам. Кроме того, задействованный в сетевых интерфейсах Ethernet способ передачи в базовой полосе делает технически крайне неэффективным обращение к заметно более экономичным биметаллическим проводам, когда тонкий слой серебра наносится только на поверхность медного провода.

Также в значительной степени исчерпаны резервы улучшения качества изоляции. Современные полимерные материалы, используемые для формирования изолирующих покрытий медных проводников, отличаются предельно малыми потерями. Кроме того, относительная диэлектрическая проницаемость доведена до величины около 1,5. Это достигается в том числе за счет применения пустотелых материалов, получаемых за счет вспенивания или структурирования (рис. 1). Ее дальнейшее существенное снижение проблематично из-за сложностей, связанных с обеспечением механической стабильности самого изоляционного покрытия.

Улучшение степени согласования отдельных компонентов позволяет приблизить рабочее затухание к характеристическому (теоретическому минимуму). Действующие редакции стандартов фиксируют, что для современных компонентов допустимое значение отклонения волнового сопротивления от номинального не превышает ±15% во всем рабочем частотном диапазоне. Следовательно, степень приближения к оптимуму достаточно высока и значимого прогресса в этой области ожидать не приходится.

Увеличение волнового сопротивления как прием, не требующий перехода на иные исходные материалы, позволяет добиться серьезных результатов. Например, применение 120-омных кабелей, которые допускались для использования в СКС стандартами еще в 1995 г., для широко распространенной категории 5е на частоте 100 МГц при 100-метровой протяженности линии дает выигрыш около 5 дБ. Однако при этом из-за потери свойства обратной совместимости резко усложняется эксплуатация кабельной системы. Причина в том, что существенное увеличение уровня отражений в точке с разным волновым сопротивлением не позволяет гарантировать работоспособность гигабитной сетевой аппаратуры и ее более скоростных модификаций при прямом подключении к стационарной линии. Обращение к согласующим элементам в независимости от варианта их исполнения сопряжено с рядом очевидных неудобств эксплуатационного плана и считается крайне нежелательным.

Из изложенного прямо вытекает, что возможности известных методов снижения затухания достаточно ограничены и прорыва в этой области ожидать не приходится. Не случайно спецификации кабельных трактов перспективной категории 8, разрабатываемые в настоящее время, исходят из линейно-логарифмической интерполяции характеристик коэффициентов затухания элементной базы категорий 6а и 7а в ВЧ-части спектра линейного сигнала 40-гигабитных сетевых интерфейсов (рис. 2).

Увеличение переходного затухания

В широкой инженерной практике много способов улучшить характеристики отдельных компонентов и комплексных объектов электропроводной подсистемы СКС по переходным влияниям. Для улучшения внутрикабельного переходного затухания привлекаются следующие:

уменьшение шага скрутки витых пар вплоть до величин менее 10 мм;
введение в конструкцию сердечника сепаратора витых пар;
применение индивидуального для каждой пары экранирования.

Межкабельное переходное затухание для изделий категории 6а и выше наращивается до требуемого значения следующими мерами:

искусственное увеличение эффективного внешнего диаметра неэкранированных конструкций с целью снижения межкабельных влияний;
использование оплеточных и пленочных экранов (в последнем случае возможно их незаземленное исполнение).

Из приведенного перечня следует, что те изменения, которые положены в основу коррекции конструкции кабеля, носят исключительно механический характер. За счет этого они не требуют радикальной перестройки кабельного производства и внедрения новых материалов.

Как увеличить ACR?

Разумеется, не существует никаких противопоказаний к улучшению качественных показателей электропроводных линий СКС за счет одновременного снижения рабочего затухания и наращивания переходного затухания. В первую очередь это относится к симметричному кабелю как наиболее «шумящему» компоненту тракта.

Из представленных выше данных следует, что достижение требуемой величины ACR за счет наращивания NEXT заметно эффективнее. Проиллюстрируем это положение на численном примере. При переходе с техники категории 5е на категорию 6 шаг скрутки уменьшается на несколько десятков процентов. В конструкцию кабельного сердечника в подавляющем большинстве случаев дополнительно вводится сепаратор. Комплекс этих достаточно простых по современным меркам мероприятий дает возможность добиться увеличения NEXT на отмеченные выше 10 дБ. Кроме того, наращивание NEXT оказывается одинаковым во всем рабочем частотном диапазоне. Вносимые потери IL уменьшаются за счет увеличения диаметра токопроводящей жилы пары с 0,51 до 0,53 мм. Абсолютная величина снижения согласно требованиям стандартов составляет примерно 2 дБ на частоте 100 МГц, т.е. выигрыш по этому параметру от перехода на более качественную элементную базу оказывается достаточно малым. Более того, по мере уменьшения частоты величина выигрыша падает, что еще более снижает эффективность наращивания пропускной способности кабельного тракта этим путем.

За основу дальнейшего анализа можно принять то, что при современном уровне техники практическая необходимость в наращивании гарантированного минимального значения величины ACR в настоящее время существует только в ЦОДе. Наглядным проявлением этой тенденции стали те существенные ужесточения требований к основным параметрам электропроводных трактов, которые зафиксированы в проекте спецификаций техники перспективной категории 8. Фокусной областью применения данного оборудования рассматриваются именно аппаратные залы ЦОДа.

СКС для ЦОДа имеет ряд особенностей, совокупность которых привела к выделению данной разновидности информационных кабельных систем в самостоятельный класс со своей нормативной базой. Наряду с заметно более высокими частотами передаваемых сигналов подобные кабельные системы отличаются заметно меньшими средними длинами организуемых трактов.

В этих условиях технико-экономическая эффективность СКС может быть заметно увеличена за счет отказа от гарантированного обеспечения классической 100-метровой протяженности тракта. Обращение к такому подходу целесообразно еще и потому, что положительно сказывается на энергетической эффективности объекта в целом.

С технической точки зрения уменьшение максимально допустимой протяженности тракта до 30 м выгодно тем, что сопровождается резким падением величины IL. Например, для кабеля типа UC1500 компании Draka на верхней граничной частоте 1500 МГц выигрыш достигает 45 дБ. В данном случае (даже с учетом уменьшения выигрыша по мере снижения частоты) вклад IL в наращивание ACR и через него - шенноновской пропускной способности становится сопоставимым с тем, который достигается улучшением NEXT.

Кроме того, уменьшение общих потерь ценно еще и тем, что приводит к естественному расширению полосы пропускания (верхняя граничная частота тракта определяется по критерию ACR) и заметно упрощает схемотехнические решения при конструировании приемопередатчика сетевого интерфейса. Наиболее значима возможность сохранить в неизменности разрядность линейного сигнала и применять менее сложный приемник. 

Для увеличения пропускной способности симметричного тракта до 10 Гбит/с и выше недостаточно использования внутренних резервов существующей элементной базы и требуется обязательное улучшение ее основных параметров.

Совершенствование качественных показателей симметричного электропроводного тракта достигается преимущественно за счет улучшения характеристик горизонтального кабеля по параметрам влияния.

Резервы по минимизации коэффициента затухания горизонтальных кабелей в рамках ограничений, зафиксированных в существующих нормативных документах, и достигнутого уровня техники исчерпаны практически полностью.

Снижение общего затухания симметричного тракта актуально исключительно для ЦОДа и обеспечивается уменьшением его предельно допустимой протяженности до предела, определяемого энергетической эффективностью аппаратного зала в целом.

Определение величины токов влияния на ближний и дальний концы кабельной линии

Кабельные линии монтируют из отдельных отрезков кабеля (строительных длин), поставляемых заводами со скрученными (скрещенными) жилами цепей, и поэтому фазы токов влияний, поступающих к ближнему и дальнему концам кабельной линии, неизвестны. При определении полного тока влияний применяют квадратичный закон сложения токов отдельных строительных длин. Рассматриваемая ситуация отличается от случая влияний между цепями воздушных линий, где фазы токов поступающие с отдельных участков взаимовлияющих цепей на ближний (дальний) конец, известны, т.к. схемы скрещивания цепей монтируются в процессе строительства воздушной линии.

Допустим, что имеется кабельная линия из n отрезков кабеля длиной S с цепями, имеющими одинаковые параметры. Для определения переходного затухания на ближнем конце предположим, что электромагнитные связи между цепями постоянны по всей длине и ток влияния первой строительной длины , тогда ток влияния со второй строительной длины будет и т. д., и с последней строительной длины .

Полный ток влияния на ближнем конце

В этом случае отношение токов

Приравняв , для переходного затухания получим

где - переходное затухание на ближнем конце строительной длины, определяемое обычно измерениями.

Все токи влияния на дальний конец проходят через отдельные строительные длины и пути их от начала влияющей цепи до конца цепи, подверженной влиянию, одинаковы. Поэтому при суммировании их по квадратичному закону все слагаемые под квадратным корнем получаются одинаковыми, и полный ток

Переходя к отношению токов и логарифмируя, получим

где - переходное затухание на дальнем конце строительной длины, определяемое измерениями, .

Защищенность на дальнем конце

Строительные длины кабелей в процессе монтажных работ соединяют между собой; они образуют кабельную линию.

Симметрирование кабелей

Кабельные цепи в строительных длинах одного и того же типа кабеля всегда имеют различные электрические характеристики (в пределах, допустимых техническими условиями), и от того, как они будут соединены, зависит защищенность их от взаимных влияний и влияний внешних источников. Поэтому при выполнении монтажных работ с симметричными кабелями проводят симметрирование - комплекс мероприятий, направленных на уменьшение влияний.

Способы симметрирования . Взаимные влияния возникают в результате наличия между цепями электромагнитных связей. При этом в низкочастотных (до 4 кГц) кабелях преобладают электрические связи, а в высокочастотных - электромагнитные комплексные связи. Исходя из этого в НЧ кабелях достаточно проводить симметрирование емкостных связей; в ВЧ кабелях необходимо симметрировать все составляющие (активные и реактивные) электрических и магнитных связей. Для симметрирования НЧ кабелей применяют метод скрещивания жил и конденсаторный метод. Симметрирование ВЧ кабелей производят методами скрещивания жил и концентрированного симметрирования контурами противосвязи.

Сущность симметрирования скрещиванием жил заключается в компенсации электромагнитных связей между цепями на одном участке кабельной линии связями другого участка. Компенсация объясняется тем, что при скрещивании связи изменяют свой знак.

При симметрировании конденсаторным методом последние устанавливают в промежуточной муфте, соединяющей два участка кабельной линии, и включают между жилами цепей. Емкость их выбирают такой, чтобы сумма частичных емкостей С 13 +С 24 (рис.1) была близка к сумме С 14 +С 23 . В случае равенства сумм достигается равновесие электрического моста, и емкостная связь равна нулю.

Концентрированное симметрирование контурами противосвязи заключается в том, что токи помех, вызываемые электромагнитными связями между цепями, компенсируются токами влияния противоположной фазы, создаваемыми с помощью контуров, включаемых между жилами взаимовлияющих цепей.

На рис.2 приведена схема включения контура противосвязи F п, а естественная распределенная связь показана в виде эквивалентной связи F. Поскольку токи влияния I и I п на дальний конец различных участков сближения цепей имеют одинаковую фазу, то для компенсации этих токов достаточно с помощью контура создать такой же ток, но противоположной фазы. При практическом симметрировании сложность заключается в реализации требуемой частотной зависимости контура противосвязи, воспроизводящего частотную зависимость естественной электромагнитной связи, которая носит комплексный характер, и в необходимости учета эффекта перестановки.

Выполнение симметрирования значительно упрощается при использовании комплекта приборов для визуального измерения комплексных связей по активной и реактивной составляющим, а также переходных затуханий по модулю и фазе вместо приборов для измерения частотных характеристик переходного затухания на ближнем конце и защищенности на дальнем конце.

На ближний конец цепи токи влияния с различных участков приходят с разными фазами, и компенсировать их токами противосвязи сложно, так как контуры противосвязи необходимо подключать в местах воздействия электромагнитной связи. Учитывая, что в действительности электромагнитные связи имеют распределенный характер, то для получения компенсации нужно между цепями подключать большое число контуров противосвязи, что практически неприемлемо. Поэтому концентрированное симметрирование контурами противосвязи применяют только для уменьшения влияния на дальний конец. Влияние на ближний конец уменьшают скрещиванием.

Методика симметрирования высокочастотных и низкочастотных цепей различна. Высокочастотные цепи имеют большое затухание на высоких частотах, и токи влияния на ближний конец участков, расположенных на расстоянии, соответствующем затуханию 10-11 дБ (на верхних частотах передаваемого спектра), незначительны. Это позволяет производить симметрирование на всем усилительном участке. Низкочастотные цепи имеют значительно меньшее затухание, и, снижая влияние на дальний конец, можно увеличить влияние на ближний конец и наоборот. Низкочастотные кабели симметрируют небольшими участками, называемыми шагами симметрирования: участки кабельной линии, состоящие из нескольких строительных длин общей протяженностью до 4 км. Обычно длину шага симметрирования низкочастотных кабелей принимают равной 2 км.

В железнодорожных кабелях дальней связи имеются высоко- и низкочастотные четверки. При симметрировании таких кабелей приходится применять оба метода.

3. Симметрирование низкочастотных цепей . В кабелях со звездной скруткой жил наибольшие влияния имеют место между цепями внутри четверок. Влияние между цепями смежных четверок меньше из-за различных шагов их скрутки. Однако при большой длине кабеля это влияние может превысить допустимое. Влияние уменьшают смешиванием четверок, которое заключается в том, что на протяжении кабельной линии четверки меняются местами, то удаляясь друг от друга, то сближаясь. В железнодорожных кабелях применяют преимущественно симметрирование внутри четверок. Перед началом симметрирования цепи к ней должны быть подключены все ответвления от магистрального кабеля к устройствам автоматики и связи.

Низкочастотные цепи симметричных кабелей в отличие от высокочастотных имеют более высокие значения волнового сопротивления. Поэтому при передаче по этим цепям сигналов одинаковой мощности напряжение в низкочастотных цепях окажется больше, а ток меньше, чем в высокочастотных и, следовательно, влияния между низкочастотными цепями в большей степени обусловливаются электрическими связями, чем магнитными. Низкочастотные цепи магистральных железнодорожных кабелей необходимо симметрировать в тех же муфтах, что и высокочастотные. При совпадении мест расположения усилительных пунктов НЧ и ВЧ цепей низкочастотные цепи следует симметрировать одновременно с высокочастотными, а при несовпадении сначала симметрируют высокочастотные цепи, а затем низкочастотные.

Для симметрирования четверок сначала измеряют емкостные связи в соединяемых строительных длинах кабеля: k 1 =(С 13 +С 24)-(С 14 +С 23) между основными цепями в четверке; k 2 =(C 13 +C 14)-(C 23 +C 24) между первой основной и искусственной; k 3 =(C 13 +C 23)-(C 14 +C 24) между второй основной и искусственной. Измеряют также емкостную асимметрию е 1 =(C 10 -C 20) первой пары четверки; е 2 =(C 30 -C 40) второй пары четверки; е 3 =(C 10 +C 20)-(C 30 +C 40) искусственной цепи, где C 13 , C 23 , C 14 , C 24 - емкости между жилами цепей; C 10 , C 20 , C 30 , C 40 - емкости между жилами и землей (оболочкой) (см. рис.1).

Затем симметрирование выполняют в три этапа: внутри шагов симметрирования; при соединении шагов и на смонтированном усилительном участке.

Симметрирование внутри шагов (первый этап) можно выполнять в одной, трех и семи точках, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга и от концов шага симметрирования (рис.3). Муфты, в которых выполняют симметрирование скрещиванием, называются симметрирующими. Муфты, в которых симметрирование выполняют скрещиванием и конденсаторами, называются конденсаторными. Муфты, в которых симметрирование не выполняют и жилы соединяют напрямую, называют прямыми муфтами и обозначают кружком (см. рис.3).

При одноточечной схеме сначала монтируют прямые муфты, а затем конденсаторную (К). В случае трехточечной схемы вначале монтируют прямые муфты, затем симметрирующие и только потом конденсаторные. При симметрировании по семиточечной схеме сначала монтируют симметрирующие муфты А, затем Б и последней - конденсаторную муфту К.

Схемы скрещивания жил цепей при соединении четверок в симметрирующих муфтах выбирают по данным измерений емкостных связей и асимметрии. Например, если на одном участке кабельной линии емкостная связь между цепями одной из четверок пФ, а на другом участке емкостная связь между цепями также внутри одной четверки пФ, то при соединении жил обеих четверок без скрещивания результирующая связь пФ. Если жилы одной из цепей скрестить в соединительной муфте, то результирующая связь k 1 =350-300=50 пФ. В случае скрещивания обеих цепей значение результирующей связи не изменится (650 пФ).

Когда имеется искусственная цепь, возможны 8 вариантов скрещивания. Эти комбинации скрещиваний и соответствующие им знаки емкостных связей и асимметрии приведены в табл.1.

Штрихами у букв обозначают участки кабеля. Для удобства введены условные обозначения, называемые операторами. Крест соответствует скрещиванию, а точки - соединению напрямую (цвет в цвет).

При выполнении симметрирования скрещиванием пробуют все возможные схемы и выбирают ту, при которой связи и асимметрия имеют наименьшие значения. Когда нельзя одновременно уменьшить связи и асимметрию, оператор выбирают исходя из задачи уменьшения связей.

Таблица 1

Если скрещиванием не удалось снизить связи и асимметрию до допустимых значений (k 1 , k 2 , k 3 ≤ 20 пФ; е 1 , е 2 ≤ 100 пФ), то применяют симметрирование конденсаторами.

Емкости этих конденсаторов выбирают так. Допустим, измерениями установлено, что k 1 = - 30 пФ. Это значит, что в уравнении для k 1 сумма емкостей (С 13 +С 24) меньше (С 14 +С 23) на 30 пФ. Следовательно, для того чтобы получить значение k 1 = 0 и не изменить k 2 и k 3 , необходимо включить дополнительные конденсаторы емкостью 15 пФ между жилами 1-3 и 2-4 четверки. Аналогично можно уменьшить связи k 2 и k 3 . Для снижения асимметрии конденсаторы подбирают так же, но включают их между соответствующими жилами и оболочкой (землей).

При соединении шагов между собой (второй этап) симметрирование выполняют способом скрещивания по результатам измерений переходного затухания между цепями на частоте 800 Гц. Выбирают операторы, которые дают наибольшее переходное затухание. Шаги наращивают последовательно, начиная от концов усилительного участка к его середине по измерениям переходного затухания на ближнем и дальнем конце, добиваясь наибольшего их значения. Одновременно выравнивают рабочие емкости и сопротивления жил основных цепей в шаге симметрирования так, чтобы асимметрия не превышала 0,1 Ом.

На участках, где возможны большие внешние влияния, на втором этапе симметрирования проводят дополнительные мероприятия по снижению коэффициента чувствительности цепей к помехам.

Для этого при соединении между собой шагов симметрирования по направлению от конца усилительного участка к его середине по результатам измерения переходного затухания на ближнем конце и напряжений U 1 и U 2 в соединяемых четверках кабеля (рис.4).

Измерительный генератор G включают в конце наращиваемого шага симметрирования S (точка С). На головной станции (точка А) проводят серию измерений на зажимах нагрузочных сопротивлений кабельных цепей в четверке Каждая группа из двух измерений относится к определенному оператору скрещивания жил четверки в монтируемой муфте. Наименьшему измеренному напряжению будет соответствовать минимальный коэффициент чувствительности цепи.

Приемлемый оператор (схема соединения жил в точке В) выбирают компромиссно на основании результатов сравнения значений переходных затуханий между цепями в кабельной четверке и измеренных напряжений U 1 и U 2 . При этом переходные затухания не должны быть менее допустимых, а измеренные напряжения должны быть наименьшими.

На третьем этапе симметрирование на смонтированном усилительном участке выполняют в муфте, расположенной примерно в середине усилительного участка. В этой муфте соединяют жилы в четверке по результатам измерения защищенности на дальнем конце и напряжений U 1 и U 2 , выбирают компромиссно самый выгодный оператор. В четверках, не удовлетворяющих нормам переходного затухания и защищенности, включают компенсирующие контуры.

4. Симметрирование высокочастотных цепей .

Для уменьшения трудоемкости и повышения эффективности симметрирования на стадии подготовительных работ проводят группирование строительных длин кабеля по средним значениям рабочей емкости цепей и по величине переходного затухания на ближнем конце. В этом случае из паспортных данных на строительные длины выбирают минимальные значения переходного затухания на ближнем конце между всеми цепями и составляют ведомость укладки этих кабелей на участке. На концах усилительного участка прокладывают кабели с наибольшими значениями переходного затухания, что позволяет исключить или значительно облегчить процесс симметрирования на ближний конец цепи. Для высокочастотных цепей симметрирование выполняют в пределах усилительных участков систем передачи с частотным разделением каналов (цифровые системы обладают большей помехозащищенностью и не требуют симметрирования ВЧ цепей). Симметрирование на дальнем конце усилительного участка выполняют в два этапа: на первом - систематическое скрещивание первой цепи четверки при соединении строительных длин кабеля (оператор соединения в муфте жил кабеля х..); на втором - скрещивание цепей в одной, двух или трех точках (муфтах) (рис.5) с подбором опытным путем наилучшего сочетания операторов скрещивания по результатам измерений защищенности цепей на дальнем конце усилительного участка. Эффективность двухэтапного скрещивания ВЧ цепей зависит от значений так называемого параметра симметрируемости внутричетверочных комбинаций влияния для строительной длины кабеля. Этот параметр определяется минимальным значением A l , которого можно достигнуть при компенсации непосредственных влияний. Эффективность двухэтапного скрещивания также зависит от диапазона частот и длины усилительного участка.

Под наилучшим сочетанием операторов скрещивания при трехточечной или двухточечной схемах симметрирования понимают такое, при котором достигается требуемая норма по защищенности A з l во всем диапазоне частот. Если этого достигнуть невозможно, то выбранные операторы скрещивания должны в первую очередь уничтожить эффект перестановки для возможности использования симметрирования с применением контуров противосвязи. В последнем случае симметрирование ВЧ цепей получается трехэтапным.

Кроме рассмотренных методов уменьшения взаимных влияний между ВЧ цепями, в отдельных случаях могут потребоваться и другие (дополнительные) меры, например по уменьшению влияний с выхода промежуточного усилителя (регенератора) на его вход в комбинированных железнодорожных кабелях связи и компенсационный метод ослабления взаимных влияний на участках меджу соседними обслуживаемыми усилительными пунктами (ОУП-ОУП). Этот метод служит для обеспечения помехозащищенности от взаимных влияний при организации связи по кабелю, предназначенному согласно техническим условиям для работы в более узком диапазоне частот, чем этого требует применяемая аппаратура.

Влияние с выхода промежуточного усилителя на его вход необходимо учитывать на кабельных линиях при наличии низкочастотных цепей, проходящих без разрыва через высокочастотный усилительный пункт (УП). В этом случае имеют место указанные влияния через третьи низкочастотные цепи (рис.6). Устранение этих влияний может быть обеспечено благодаря переходу ВЧ цепей из одного кабеля в другой в каждом усилительном пункте (рис.7). Влияния с выхода на вход ВЧ усилителей через третьи двухпроводные цепи могут быть уменьшены включением в последние низкочастотных фильтров.


Рис. 6	Рис. 7

Для уменьшения этих влияний на воздушных линиях вводы в усилительные пункты устраивают в разных кабелях. Для уменьшения влияния через земляной тракт во все цепи на входе и выходе в усилительные пункты включают запирающие катушки (ЗК) (рис.8). Каждую полуобмотку катушки ЗК включают в один из проводов двухпроводной цепи. В результате магнитные поля токов земляного тракта (имеющих одинаковое направление) складываются, что увеличивает индуктивное сопротивление цепи «провод-земля». Магнитные поля токов, имеющих разные направления в проводах двухпроводной цепи, взаимно компенсируются, и затухание, вносимое запирающей катушкой для передаваемых сигналов, невелико. При вводе в оконечные пункты запирающие катушки включаются только в уплотненные цепи.

Компенсационный метод ослабления взаимных влияний на участках ОУП-ОУП. Линейные тракты железнодорожных магистральных кабельных линий находятся в более тяжелых условиях по сравнению с аналогичными линиями Министерства связи. Это объясняется наличием третьих неуплотненных цепей, большим числом кабелей с бумажной изоляцией и алюминиевой оболочкой, трудно симметрируемых в широком диапазоне частот, большим числом отпаев от магистрального кабеля. Поэтому применительно к кабельным магистралям железнодорожного транспорта этот метод ослабления взаимных влияний наиболее применим.

Компенсационный метод имеет большие возможности ослабления взаимных влияний по сравнению с методами симметрирования. Это объясняется, во-первых, тем, что он учитывает наличие эффекта перестановки, который возникает из-за различия постоянных распространения взаимовлияющих цепей (эффект перестановки проявляется в том, что комплексные связи для комбинаций влияния первой цепи на вторую и наоборот различны); во-вторых, применением более широкой элементной базы (кроме резисторов и конденсаторов, применяемых как и в методе симметрирования контурами противосвязи в пределах усилительного участка, используют регулируемые линии задержки и катушки индуктивности, на базе которых создают полосовые фильтры с требуемыми характеристиками). Недостатком рассматриваемого метода является то, что он может быть применен только на магистрали с полностью настроенными линейными трактами, и при его использовании невозможен контроль качества строительства по важнейшему параметру - переходному затуханию и защищенности.

Взаимные влияния на участках ОУП-ОУП подавляются включением в приемном ОУПе контура противосвязи (рис.9). Схему противосвязи подбирают так, чтобы ток компенсации I к был одинаков по модулю и противоположен по фазе результирующему току помех на входе данного ОУП где - ток помех, наведенный в пределах v -го усилительного участка. Для обеспечения независимости подавления взаимных помех между различными комбинациями влияний (учет эффекта перестановки) используют однонаправленное устройство, которое устанавливают на входе контура противосвязи.

Подбор элементов контуров противосвязи возможен двумя основными способами - расчетным и аппаратурно-итерационным. Последний применяют на железнодорожных кабельных магистралях, так как он более нагляден и не требует применения специальной аппаратуры. Аппаратурно-итерационный метод синтеза схем противосвязей состоит из трех этапов: первый - измерение годографа комплексных связей на участке ОУП-ОУП, второй - подбор элементов контуров противосвязи на основании данных, полученных на первом этапе; третий - измерение разностного годографа после подключения контура противосвязи между взаимовлияющими цепями и уточнение элементов последнего. Подбор элементов контуров противосвязей заключается в выборе необходимой типовой схемы противосвязи или комбинации их включения. Среднее значение эффективности ослабления взаимных влияний на участках ОУП-ОУП составляет 10-12 дБ.

Контрольные вопросы

1.Поясните физический смысл симметрирования с применением контуров противосвязи и метода скрещивания.

2.В чем состоят особенности симметрирования низкочастотных (высокочастотных) кабелей связи?

3.В чем заключается особенность симметрирования низкочастотных цепей при воздействии внешних влияний?

4.Поясните преимущества и недостатки компенсационного метода ослабления взаимных влияний на участках ОУП-ОУП.

5.Поясните назначение и принцип действия запирающих катушек.

На рисунке 10.9 представлены схемы для измерения переходных затуханий.

Рис.10.9. а) Схема измерения переходного затухания на дальнем конце

Рис.10.9. б) Схема измерения переходного затухания на ближнем конце

Величина переходного затухания, как правило, велика (по нормам от 50 до 139 дБ). Поэтому в цепи, подверженной влиянию, приходится контролироватьвесьма малые уровни, поскольку подача при измерениях во влияющую цепь слишком большого входного напряжения недопустима (это не соответствовало бы нормальному режиму работы влияющей цепи и, кроме того, вызвало бы но всех соседних, работающих, а не измеряемых цепях слишком большие помехи). Естественно, что эти обстоятельства вынуждают в обеих схемах рис. 10.9 использовать метод сравнения. Для обеих схем фиксируют значения затуханий| магазинов, когда показания высокоомиого индикатора одинаковы в о6оих положениях ключа К. Переходное затухание на ближнем конце для схемы рис. 10.9а определяют по формуле

a 0 =a m +10 lg|Z c2 /Z c1 | , (10.14)

а переходное затухание на дальнем конце для схемы рис. 10.9б находят из формулы

a 1 =a m +10 lg|Z c2 /Z c1 |+a c1 , (10.15)

где Z c2 и Z c1 - соответственно характеристические сопротивлении влияющей цепи I и подверженной влиянию цепи II; a c1 - характеристическoe затухание влияющей цепи.

Разность уровней сигнала и помехи, определяемая из (10.15) величиной
a m +10 lg|Z c2 /Z c1 | , характеризует защищённость цепи II от цепи I, по дальнему концу и численно равна ей, если направление передачи по обеим цепям от станция А к станции Б, а уревни передачи и затухания обеих цепей одинаковы. Защищённость на ближнем конце при одинаковых яаараялениях и уровнях передачи совпадает по величине с переходным затуханием на ближнем конце, а при разных же направлениях передали существенно меньше его.

Широко распространенным прибором дли измерения переходных затуханий является прибор КИПЗ 300 Вместо магазина затуханий в нем используется высокоомный делители напряжения (поэтому при сборке схемы, аналогичной рис. 10.9б, выход цепи нагружается на Z c1 ) Погрешность измерений прибором КИПЗ-300 порядка ±2.0 дБ, диапазон частот - от 0,2 до 300 кГц

Как правило, переходное затухания иа передающем конце измеряют с обоих концов усилительного участка, но без перемены мест влияющей и подверженной влиянию цепей (по принципу взаимности это не изменило бы затухания). Защищённость же на дальнем конце измеряют с одной стороны усилительного участка, но с переменой мест влияющей и подверженной влиянию цепей.

Данное измерение обычно проводится при производстве ВОК, однако, как и в предыдущем случае, может возникнуть необходимость поверочных измерений. Ниже рассматривается основной метод измерения переходного затухания, которое, на дальнем конце ВОЛП представляет собой коэффициент передачи между выходами волокон при вводе оптического излучения в волокно, влияющее на кабель, а на ближнем конце представляет коэффициент передачи между входами, подверженными влиянию ближайших волокон [Д2]. В соответствии с этими определениями измерение переходного затухания осуществляют путем измерения мощности на входе волокна, влияющего на кабель, а также выходах или входах волокон, подверженных такому влиянию по схеме, представленной на рисунке 10.6.

В качестве источника излучения применяют оптические источники с мощностью, достаточной для проведения измерения в заданном динамическом диапазоне. Длина волны источника излучения должна быть указана в стандартах или технических условиях на конкретный оптический кабель.

Требования к устройству ввода, фильтру мод оболочки, смесителю мод и регистрирующему устройству должны соответствовать указанным в методе измерения затухания.

Приемник излучения должен обеспечивать измерения в динамическом диапазоне, заданном в стандартах или технических условиях на оптический кабель.

Порядок измерения в этом случае тот же, что и в рассматриваемых ранее измерениях вносимых потерь. Волокно, подверженное измеряемому влиянию, выбирается из числа волокон, расположенных в непосредственной близости с влияющим волокном.

Процедуру измерения переходного затухания рассмотрим на примере двух оптических волокон, осуществляя следующую последовательность операций:

1. Соединяют входной конец влияющего волокна с источником излучения, а выходной конец – с приемником излучения. С помощью устройства ввода проводят юстировку входного торца влияющего волокна по максимуму сигнала на выходе приемника излучения. Регистрируют значение уровня мощности на выходе влияющего волокна измеряемого кабеля.

2. Выходной конец влияющего волокна отсоединяют от приемника излучения и соединяют с ним входной (выходной) конец, подверженного влиянию. Регистрируют показания, соответствующие уровню мощности на входе (выходе) волокна, подверженного влиянию.

3. Не изменяя положения влияющего волокна, в устройстве ввода обрывают влияющее волокно на расстоянии (1±0,2) м от входного торца. Выходной торец короткого отрезка волокна подготавливают в соответствии с требованиями, указанными в п. 1.10.10.10.

4. Выходной конец короткого отрезка волокна устанавливают относительно площадки приемника излучения так, чтобы на него попало все излучение с выходного торца. Регистрируют показания, соответствующие уровню мощности, введенной во влияющее волокно.

Переходное затухание на ближнем и дальнем концах оптического кабеля определяют по формулам:

где , и - соответственно, значения уровня мощности на входе влияющего волокна, а также входе и выходе волокна, подверженного влиянию.

Для измерения переходного затухания средства измерения оптической мощности должны иметь высокую чувствительность и позволять измерять оптическую мощность уровнем порядка – 90 дБм и ниже. В случае отсутствия таких средств, фиксируют реальный динамический диапазон измерений, как

где - динамический диапазон, дБм;

И - соответственно, уровень мощности на входе влияющего волокна или канала и минимально измеренный уровень мощности, дБм.

В некоторых случаях измерение переходного затухания может быть выполнено с помощью анализатора оптического спектра, позволяющего установить также спектральную плотность измеренного сигнала .

Максимальное затухание между двумя телефонными аппаратами на городской телефонной сети должно быть не более 28 дБр (децибел-разность). В данном случае все величины затухания показаны от уровня предыдущей точки. При этом затухание абонентских линий (АЛ) не должно превышать 4,5 дБ для кабеля с диаметром жил 0,32 и 3,5 дБ для жил с большим диаметром.

Затухание станционного четырехполюсника не должно превышать 1 дБ на РАТС (районных АТС) и 0,5 на узловых станциях (исходящего УИС или входящего сообщения - УВС).

При четырехпроводной коммутации затухание станционного четырехполюсника узловых станций принимается равным нулю. При переходе от двухпроводного соединения к четырехпроводному тракту затухание равно 1дБ. При использовании электронных АТС затухание на участках с системой передачи ИКМ должна быть 7 дБ. Распределение затухания в дБ на ГТС приведено на рис. 2.6 .

Рис. 2.6.

Переходное затухание

Переходное затухание - величина, которая характеризует относительное количество энергии, переходящей вследствие электромагнитной связи из одной цепи в другую; выражается в децибелах. Так же как обычное затухание, оно измеряется отношением мощности на выходе к мощности на входе. Но в данном случае входным является мощность полезного сигнала одной цепи, выходным - мощность этого же сигнала в соседней цепи. Этот эффект обязательно имеет место между соседними цепями (жилами кабеля, проводами воздушной линии). Он может порождаться переходами сигналов из приемника в передатчик, а также при преобразовании четырехпроводной линии в двухпроводную и обратным преобразованием.

Различаются переходное затухание:

измеряемое на ближнем конце (NEXT - Near End Cornstalk) . Имеется в виду переход мощности от одной пары к другой, который измеряется на конце, ближнем к передатчику пары, подверженной влиянию;
измеряемое на дальнем конце (FEXT - Far End Cornstalk) . Имеется в виду переход мощности от одной пары к другой, который измеряется на конце, дальнем от передатчика пары, подверженной влиянию. Измерение проводятся во всем диапазоне рабочих частот, т.е. для речевого сигнала - в диапазоне частот 300-3400 Гц.

Меры по уменьшению переходного затухания.

Кабель с витыми парами

Для уменьшения влияния переходного затухания применяются кабели с витыми (скрученными) парами . Это многожильные кабели, у которых жилы скручены по парам или четверкам. Принцип борьбы с помехами переходного затухания заключается в том, что при скрутке провода, влияющие на отдельные участки кабеля, наводят электромагнитную энергию, равную по амплитуде и противоположную по направлению, как это показано на рис.2.7 . При идеально сбалансированной скрутке (равный шаг скрутки, идеальная симметрия проводов) переходное затухание равно нулю.

Рис. 2.7. Метод устранения помех с помощью "скрещивания" проводов например, применение в одном помещении электромеханических и электронных систем. В современных системах, применяющих абонентские устройства передачи данных, большое значение имеет показатель коэффициент импульсных помех

Коэффициент импульсных помех служит для цифровой оценки состояния линии, он указывает количество ошибок на определенное число переданных битов. Нормальным считается коэффициент ошибок - это означает, что на битов в канале появляется одна помеха, которая может привести к ошибке. Минимально приемлемая величина коэффициента ошибок (допускается обычно при применении радиотракта) составляет . Величина считается хорошей. Следует учитывать, что эти показатели условны. Они измеряются за определенный интервал времени, например, за час. Но в реальности в течение каждого интервала они распределяются неравномерно и могут приходить концентрированно (пачкой). Поэтому иногда вводят коэффициент "пачечности" (концентрации ошибок), который показывает отношение количества ошибок, полученных в данном интервале времени, к ожидаемому среднему по всем интервалам. Для преодоления ошибок применяются различные алгоритмы, которые будут рассмотрены далее. Помехи ухудшают качество приема речи, а при передаче данных могут привести к неверному их принятию или задержкам, замедляющим реальную скорость обмена данными (скорость модема). Наибольшие проблемы возникают при ухудшении этого коэффициента и при контроле качества канала со стороны передающих или принимающих устройств. Если эти устройства настроены на отключение канала при превышении ошибки, то при случайных возмущениях в сети часто происходит полное отключение станции. Поэтому при автоматическом контроле этого параметра необходимо оставлять возможность регулировки порога.