Еднопроводна и двупроводна връзка. Въздушни линии. Абонатни кабелни двойки. Съединителни линии. Симетрични и коаксиални кабели. Вълноводи. Свръхпроводящи и оптични кабели. Радиорелейни линии. Спътникови линии

Основни понятия:

Преносна среда - физическата среда, в която се разпространява сигнала от предавателя до приемника информация. Преносната среда бива непрекъсната (проводна линия) и прекъсната (ефир)

Проводна линия - изкуствено създадена направляваща среда с непрекъсната конструкция, в която електромагнитната енергия във вид на конкретно формиран сигнал се предава в съответното направление.

• електропроводни линии - сигналът е електрически ток, биват въздушни или кабелни
• световодни (оптически), в които сигналът е светлинен лъч, вълноводи

Ефир - сигналът се предава във вид на радиовълни в открито пространство, където неговото поведение е трудно предсказуемо и във вакуум, където поведението му е почти напълно предсказуемо.

При разпространението си в преносната среда, сигналът губи част от енергията си и постепеннно затихва. Колкото е по висока честотата, толкова затихването е по-бързо. Това налага загубите на енергия да се компенсират. Това става с помощта на усилватели за аналоговите сигнали и регенератори на цифровите сигнали.

Освен това се налага сигналите да се разпределят и съгласуват с преносната среда. В ефира не могат да се предават постояннотокови сигнали - за тяхното пренасяне се използват модулации, което превръща преносната среда в преносна система. Преносни системи са кабелните, радиорелейните и сателитните линии.

Електропроводни линии с разпределени параметри.

Елементите на телекомуникационния канал - усилватели, разделители, филтри и др. имат съсредоточени в определени места параметри (активни елементи, съпротивления, капацитети, индуктивности), а свързващите линии имат характера на верига с разпределени равномерно по цялата дължина параметри (сечение, материал на проводниците, диелектрична проницаемост и др.). Линиите с разпределени параметри се наричат още и хомогенни.

Ако в началото на една хомогенна линия се включи източник на постоянно напрежение U в двата проводника на линията се проявяват противоположни по полярност електрически заряди. Потенциалната разлика между тях формира електрическо поле с интензитет Е (фиг.3.3) В резултат на възникналия електрически ток(движението на зарядите по дължината на линията) около проводниците се възбужда магнитно поле с интензитет H.

Когато източникът е с променливо напрежение, електрическото и магнитното поле се изменят хармонично (по синусоидален закон) и алтернативно (максимум на едното поле съответства на минимум на другото и обратно). Изменението става с честотата на източника и се разпространява по линията като електромагнитна вълна. Поради съпротивата на преносната среда (т.нар. вълново съпротивление) Z_c, сигналът постепенно затихва по амплитуда и се изменя по фаза. Конкретните стойности на това затихване е функция от характеристиките и параметрите на преносната линия.

|Z_c| = |E| / |H| =  |U| / |I|  [Ω], където U и I са напрежението и тока по линията.

Еднопроводна и двупроводна връзка. 

Най-простата връзка се реализира с един проводник, а като втори проводник, който затваря електрическата верига се използва земята (фиг.3.1а)

Еднопроводната връзка е много икономична, но сериозният и недостатък е, че е силно уязвима от шумове. Единичният проводник се проявява като антена за смущаващи полета от всякакъв вид (преносни електропроводи, контактни мрежи на ел.транспорт, атмосферно статично електричество, близост до други проводници и др.) Неприятното е, че при еднопроводната схема, целият смущаващ ток I_cм преминава по линията и стига до приемника, като силно влошава качеството на приемане на полезния сигнал. Този проблем успешно се елиминира при двупроводните линии (фиг.3.1б), където изграждането на линията е реализирано с два близки и симетрично разположени спрямо земята проводника. При тази схема, смущаващите токове, индуцирани в проводниците имат почти напълно равна големина и противоположна посока, което взаимно ги неутрализира. Това дава съществено предимство на двупроводната линия и я прави масово използвана.

Електрически параметри на преносните линии.

Първични параметри - активно съпротивление R [Ω] (проводимост G = 1/R [S]), капацитет C [F] и индуктивност на линията L [H], съотнесени на километър от линията.

активното съпротивление има 4 основни проявления - съпротивление по постоянен ток, зависи от материала и сечението на проводника; скин-ефект - плътността на тока е по-голяма по периферията на сечението, пропорционален е на проводимостта, магнитната проницаемост на материала и честотата; ефект на близост - плътността на тока в участъците от проводника в близост до другия проводник е по-висока отколкото в останалата част на проводника; вихрови токове - породени от нехомогенността на материала на микро ниво.

капацитетът - линията наподобява кондензатор, чиито електроди са проводниците, а диелектрикът между тях - изолацията при кабелните линии или въздуха при въздушните.

проводимостта на изолацията (утечка) - диелектрични загуби от несъвършенствата в изолацията.

индуктивността - сигналът създава магнитно поле около проводника. Зависи от магнитните свойства на материала на проводниците, разстоянието между тях и сечението  им.

Може да се приеме с достатъчна практическа точност, че всяка хомогенна линия се състои от неограничен брой безкрайно малки последователно свързани четириполюсници (фиг.3.5)

С риск да се допусне известна неточност на модела, тази концепция може да бъде представена със заместващата четириполюсна схема от фиг.3.6.

Основите фактори, които влияят върху първичните параметри на съобщителните линии са честотата на сигнала, сечението на проводниците и разстояннията между тях.

Вторични праметри - зависят от честотата на сигнала ω = 2πf и от всички първични параметри на линията.

километричен коефициент на затихване α - величина, която характеризира затихването на сигнала. Тя дава количествена оценка за намаляването на тока, напрежението или мощността на сигнала при неговото разпространение по линия с дължина 1 км и се измерва в [dB/km] и представлява реалната част на комплексното число γ, което се нарича константа на разпространение на сигнала.
        _________________
γ = √(R + jωL)(G + jωC) = α + jβ

Имагинерната част β се нарича километривна фазова константа, Тя показва изменението на фазата на тока (напрежението) на километър дължина на линията и се измерва в радиани. С увеличаване на честотата, нарастват загубите в метала и диелектрика, и загубите от вихрови токове. В резултат на това α расте нелинейно, а β се увеличава почти пропорционално (фиг3.7а).
                                           __________________
Вълновият импеданс Z_c = √(R + jωL) / (G + jωC) = |Z_c|. e^-jφ и показва способността на линията да пренесе зададена от предавателя  мощност на сигнала. Модулът на импеданса намалява от
  _____                                      _____
√R / G   при постоянен ток до  √ L / C  при много високи честоти (фиг.3.7б). За да няма отразен сигнал и прехвърлената мощност към товара да е максимална, импедансът на товара Z_т = Z_c

Към вторичните параметри спада и скоростта на разпространение ν на електромагнитната енергия по линията ν = ω / β (фиг.3.8). При постоянен ток, скоростта на разпространение е около 30000 км/с, а при високи честоти, достига скоростта на светлината.

Преходно затихване - в металните преносни линии е налице и взимно влияние между веригите под формата на индуктивно прехвърляне на сигнал от един чифт проводници в друг- т.нар. преслушване. То е нежелано явление по две причини - нарушава тайната на комуникацията и внася смущения в разговора тъй като единият сигнал пречи на другия.

За оценка на това явление е приет показателят преходно затихване

А = 10lg P₁ / P₂ , [dB] , където P₁ е мощността на сигнала на влияещата верига, а P₂ е мощността на сигнала в разглежданата точка от веригата подложена на влияние. Изискването е нивото на смущаващите сигнали да не превишава -65 dBm.

Основният метод за преодоляване на това явление е кръстосването (усукването) на двойките проводници, на всеки следващ стълб, а в кабелните двойки, проводниците се усукват със стъпка от няколко сантиметра до няколко десетки сантиметра. Това води до рязко намаляване на токовете породени от взаимни влияния поради взаимното компенсиране на индуктивните съставки.

Въздушни линии - представлява двойка метални (медни, стоманени или медно-стоманени) проводници, закрепени чрез керамични или стъклени изолатори към носещи железобетонни или дървени стълбове. Тези проводници трябва да имат висока механична якост и еластичност, добра електро проводимост и устойчивост на корозия.

медни линии - изградени са от проводници с диаметър 4-5 mm, които осигуряват качествено пренасяне на сигнали в честотния диапазон 0-150 kHz. За стандартен телефонен канал е необходима честотна лента от 3.1 kHz, следователно по една двупроводна медна линия могат да бъдат осигурени 30-40 телефонни канала. На практика медните линии се натоварват с 24 еднопосочни или 12 двупосочни канала, като за едната посока е заделена лента 36 до 84 kHz, а за обратната посока - от 92 до 140 kHz.

стоманени линии - проводници с диаметър 3 mm, честотна лента около 15 kHz, до 3 телефонни канала

биметални линии - стоманени помеднени проводници, имат висока здравина и почти същата проводимост като медните поради скин-ефекта.

Въздушните линии са сравнително доста по-евтини за изграждане, но уязвимостта от метеорологични влияния и незадоволителните за съвременните комуникации преносни качества ги правят все по-рядко използвани.

Кабелни линии

Абонатни кабелни двойки.

Съединителни линии. Симетрични и коаксиални кабели. Вълноводи. Свръхпроводящи и оптични кабели. Радиорелейни линии. Спътникови линии