Безпроводові лінії зв’язку

Лекція № 9 Елементи мереж електрозв’язку

План

Лінії зв’язку

Проводові лінії зв’язку

Безпроводові лінії зв’язку

Лінії зв’язку

Сучасні лінії зв'язку – це грандіозні спорудження, що містять середовище поширення сигналів і комплекс складного електронного обладнання.

Лінії зв'язку забезпечують проходження сигналів в потрібному напрямку і на необхідну відстань. Лінії зв'язку мають довжину в тисячі кілометрів, проходять по зонам з різними кліматичними умовами, постійно піддаються впливу різних природних явищ. Якісна передача сигналів по лініях можлива лише в тому випадку, якщо вони мають певні властивості і параметри, практично не залежать 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 – завдання дуже важке. Сучасні лінії зв'язку – дорогі споруди. На їх частку припадає до 70...80% вартості мереж електрозв'язку. А скільки ліній необхідно для нашої країни? Тому особлива увага при будівництві лінійних споруд приділяється питанням економічності і ефективності використання діючих ліній зв'язку.

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

Лінія зв'язку (рис.1) складається в загальному випадку з фізичного середовища, по якому передаються електричні інформаційні сигнали, апаратури передачі даних і проміжної апаратури. Синонімом терміна лінія зв'язку (line) є термін канал зв'язку (channel).

Рисунок 1 – Склад лінії зв'язку

Фізичне середовище передачі даних (medium) може являти собою кабель, тобто набір проводів, ізоляційних і захисних оболонок і сполучних рознімань, а також земну атмосферу чи космічний простір, через які поширюються електромагнітні хвилі.

В залежності від середовища передачі даних лінії зв'язку розділяються на наступні (рис. 2.):

	проводові (повітряні);
	кабельні (мідні і волоконно-оптичні);
	радіоканали наземного і супутникового зв'язку.

Рисунок 2 – Типи ліній зв’язку

Проводові (повітряні) лінії зв'язку являють собою провід без якої-небудь ізоляції чи екрануючих опліток, прокладений між стовпами і висячій в повітрі. По таких лініях зв'язку традиційно передаються телефонні чи телеграфні сигнали, але при відсутності інших можливостей ці лінії використовуються і для передачі комп'ютерних даних. Швидкісні якість і перешкодозахищеність не кращі. Сьогодні проводові лінії зв'язку швидко витісняються кабельними.

Кабельні лінії являють собою досить складну конструкцію. Кабель складається з провідників, укладених у кілька шарів ізоляції: електричної, електромагнітної, механічної, а також, можливо, кліматичної. Крім того, кабель може бути оснащений роз'ємами, що дозволяють швидко виконувати приєднання до нього різного устаткування. У комп'ютерних мережах застосовуються три основних типи кабелю: кабелі на основі скручених пар мідних проводів, коаксіальні кабелі з мідною жилою, а також волоконно-оптичні кабелі.

Скручена пара проводів називається крученою парою (twisted pair). Кручена пара існує в екранованому варіанті (Shielded Twistedpair, STP), коли пара мідних проводів обертається в ізоляційний екран, і неекранованому (Unshielded Twistedpair, UTP), коли ізоляційна обгортка відсутня. Скручування проводів знижує вплив зовнішніх перешкод на корисні сигнали, що передаються по кабелю.

Коаксіальний кабель (coaxial) має несиметричну конструкцію і складається з внутрішньої мідної жили й оплітки, відділеної від жили шаром ізоляції. Існує кілька типів коаксіального кабелю, що відрізняються характеристиками й областями застосування — для локальних мереж, для глобальних мереж, для кабельного телебачення і т.п.

Волоконно-оптичний кабель (optical fiber) складається з тонких (5-60 мікрон) волокон, по яких поширюються світлові сигнали. Це найбільш якісний тип кабелю — він забезпечує передачу даних з дуже високою швидкістю (до 10 Гбіт/с і вище) і до того ж краще інших типів передавального середовища забезпечує захист даних від зовнішніх перешкод.

Проводові лінії зв’язку

До проводових відносяться усі типи ліній, в яких сигнали поширюються уздовж спеціального, штучно створюваного і безперервного спрямовуючого середовища. У найпростішому випадку проводовою лінією зв'язку є фізичний ланцюг, який утворений парою проводів, по яким поширюється електричний струм (сигнал). Якщо дроти 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. 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 в якості середовища поширення сигналів діелектричні матеріали, зокрема тонкі скляні волокна. Такі лінії отримали назву волоконно-оптичних ліній зв'язку.

Був час, коли сигнали електрозв'язку передавалися тільки по повітряних лініях зв'язку. Відносна простота, невеликі вартість і терміни спорудження повітряних ліній забезпечили їм свого часу широке застосування. Однак можливості повітряних ліній незабаром були вичерпані, і вони поступилися місцем більш досконалим кабельним лініям зв'язку. Справа в тому, що повітряні лінії не можуть пропускати однаково ефективно усі 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 невинне на вигляд розгойдування проводів під впливом слабкого вітру призводить до втомного руйнування металу проводів. Під дією вологи і різних речовин, що містяться в атмосфері, вони поступово іржавіють і руйнуються. І вже зовсім безжально розправляється з повітряними лініями стихія: ураган рве дроти, валить опори, блискавка на друзки розбиває, спалює опори, ожеледь призводить до такого обмерзання, що дроти не витримують збільшену у багато разів масу і рвуться. В даний час частка повітряних ліній постійно зменшується.

Сьогодні основним типом проводових ліній зв'язку є кабельні.

Рисунок 3 – Однопарні кабелі зв'язку:

а - симетричний; б – коаксіальний

Сучасні кабелі зв'язку різні за конструкцією, умовами прокладання, можливостям і областю застосування. За конструкцією і взаємним розташування провідників розрізняють симетричні і коаксіальні кабелі. Основними елементами кабелів є струмопровідні жили (пара проводів), що утворюють електричний ланцюг. У симетричних кабелях ланцюжку утворюються за допомогою однакових по конструкції ізольованих провідників. Електричні кола в коаксіальних кабелях утворюються двома циліндричними провідниками з суміщеними осями, причому один провідник (суцільний циліндр) розташований всередині іншого, полого.

На рис.3 показана конструкція однопарного симетричного і коаксіального кабелів. Як видно з рисунка, ізольовані провідники симетричного кабелю поміщені в металеву трубку, що служить екраном, що захищає провідники від впливу різних зовнішніх заважаючи електромагнітних полів. Поверх екрану є ізолююча оболонка, що оберігає кабель від впливу агресивних середовищ. У коаксіальних кабелях взаємне розташування провідників забезпечується за допомогою спеціальної арматури, що виготовляється з діелектричного матеріалу. Зовнішній провідник пари має ізолюючу оболонку.

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

Можливості і область застосування кабелів визначаються шириною смуги пропускання сигналів, тобто робочим діапазоном частот і ємністю кабелю. Ємністю кабелю називається число пар провідників, укладених в загальну оболонку. Сучасні кабелі зв'язку, як правило, мають не одну, а кілька симетричних або коаксіальних пар, або тих і інших.

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

Темпи розвитку електрозв'язку вимагають різкого збільшення загальної протяжності ліній. На виготовлення електричних кабелів витрачається величезна кількість дефіцитних металів, в першу чергу міді і свинцю. Крім того, будівництво лінійних споруд завдає відчутної шкоди природі.

На сьогоднішній день найбільші надії покладаються на волоконно-оптичні лінії зв'язку. Саме їх широке застосування дозволило вирішити основні проблеми електрозв'язку, які полягають в недостатній пропускній здатності ліній зв'язку.

За допомогою волоконно-оптичних ліній організується передача великої кількості телефонних сигналів одночасно. Зовні оптичні кабелі мало відрізняються від вже знайомих нам кабелів зв'язку. Однак замість струмопровідних металевих жил в них застосовуються тонкі (діаметром 125...150 мкм) двошарові скляні волокна-світловоди. Саме вони є середовищем, через яке передаються сигнали електрозв'язку в оптичному діапазоні частот.

Принцип поширення світлового променя уздовж двошарового волокна показаний на рис.4. Промінь поширюється по внутрішньому шару волокна (сердечника) за рахунок послідовного і повного відображення від кордону розділу діелектричних шарів. В оптичному кабелі (рис.5) скловолокна вільно поміщаються всередині поліетиленових трубок, скручених навколо міцного пластмасового сердечника.

Рисунок 4 – Принцип поширення світлового променя по скловолокну

Рисунок 5 – Оптичний кабель:

1 - скловолокно; 2 - поліетиленова трубка; 3 - пластмасовий сердечник; 4 - поліетиленова оболонка; 5 - зовнішній покрив

Оптичні кабелі, як і звичайні, мають захисні поліетиленові оболонки і різні зовнішні покриви. Їх можна прокладати в землі, воді, приміщеннях і т.д. Вони не чутливі до електромагнітних завад і тому не потребують металевих екранів. Дуже істотною перевагою волоконно-оптичних ліній є відсутність в їх конструкції дефіцитних матеріалів: міді, алюмінію, свинцю і ін.

Безпроводові лінії зв’язку

Поряд з провідними лініями в електрозв'язку широко використовуються лінії радіозв'язку. Сигнали електрозв'язку, що підлягають передачі, перетворюються радіопередавачем в радіочастотних сигналів здатні випромінюватися передавальною антеною у відкритий простір у вигляді радіохвиль. Радіохвилі - це електромагнітні коливання з частотами до 3-Ю12 Гц, що поширюються в просторі без штучних напрямних середовищ. У відповідності з міжнародної домовленості всі радіохвилі розділені на дев'ять діапазонів. Далі радіохвилі приймаються антеною радіоприймача і перетворюються в ньому спочатку в сигнали електрозв'язку, а потім до відповідних повідомлень. Протяжність радіолінії і можливе число сигналів, які передаються по ній, залежать від багатьох чинників: діапазону використовуваних частот, умов поширення радіохвиль, технічних даних радіопередавачів, радіоприймачів, антен та ін.

Цінним якістю радіоліній є можливість їх швидкої організації і порівняно 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. Термін радіолінія поширюється на усі типи ліній, в яких сигнали електрозв'язку, перетворені в радіосигнали, передаються у відкритому просторі у вигляді радіохвиль.

Лінія радіозв'язку може складатися з декількох або багатьох ділянок (інтервалів), в межах яких передача сигналів відбувається згідно розглянутої схеми.

Рисунок 6 – Схеми радіолінії; радіорелейної лінії; супутникової радіолінії

У цьому випадку сигнали, передані з одного пункту, приймаються в іншому, посилюються і передаються далі в третій пункт і т.д. Такі лінії називаються радіорелейними лініями РРЛ. На рис.6 приведена схема РРЛ, що забезпечує двосторонню передачу сигналів. Кожен крайовий пункт РРЛ, званий кінцевою станцією, має радіопередавач і радіоприймач для одночасної передачі і прийому сигналів. Передача і прийом виробляються на різних частотах, тому передавальна апаратура не заважає роботі приймальної. На кожній проміжній станції є, принаймні, по два радіопередавача і радіоприймача для одночасного прийому і передачі сигналів в двох напрямках.

Радіохвилі, які використовуються для радіорелейного зв'язку (частоти 2...8 ГГц), поширюються прямолінійно, подібно до променів світла. Тому і станції один від одного повинні знаходитися в межах прямої «радіовидимості», зазвичай не перевищує 40...60 км. Це відстань залежить, в основному, від висоти підняття антен над землею. Загальна протяжність РРЛ може досягати декількох тисяч кілометрів. По таким лініях можна передавати одночасно тисячі телефонних сигналів або кілька програм телевізійного мовлення.

Різновидом радіорелейних ліній є супутникові радіолінії (рис.5). Радіосигнали із земної передавальної станції випромінюються в напрямку штучного супутника Землі (ШСЗ), де приймаються, посилюються і знову передаються за допомогою радіопередавача в напрямку земної станції прийому. Радіотехнічне обладнання ШСЗ виконує функцію проміжної станції радіорелейної лінії, яка знаходиться на великій висоті.

Створення супутникових ліній стало можливим після запуску в СРСР 4 жовтня 1957р. першого в світі ШСЗ. Широкі можливості супутникового зв'язку роблять його свого роду унікальним і надзвичайно ефективним засобом електрозв'язку. Супутниковий зв'язок дозволяє швидко перекинути «мости» зв'язку між окремими районами країни.

Радіоканали наземного і супутникового зв'язку утворяться за допомогою передавача і приймача радіохвиль. Існує велика кількість різних типів радіоканалів, що відрізняються як використовуваним частотним діапазоном, так і дальністю каналу. Діапазони коротких, середніх і довгих хвиль (KХ, СХ і ДХ), називані також діапазонами амплітудної модуляції (Amplitude Modulation, AM) по типі використовуваного в них методу модуляції сигналу, забезпечують далекий зв'язок, але при невисокій швидкості передачі даних. Більш швидкісними є канали, що працюють на діапазонах ультракоротких хвиль (УКВ), для яких характерна частотна модуляція (Frequency Modulation, FM), а також діапазонах надвисоких частот (СВЧ чи microwaves). У діапазоні СВЧ (понад 4 Ггц) сигнали вже не відбиваються іоносферою Землі і для стійкого зв'язку потрібно наявність прямої видимості між передавачем і приймачем. Тому такі частоти використовують або супутникові канали, або радіорелейні канали, де ця умова виконується.

В комп'ютерних мережах сьогодні застосовуються практично всі описані типи фізичних середовищ передачі даних, але найбільш перспективними є волоконно-оптичні. На них сьогодні будуються як магістралі великих територіальних мереж, так і високошвидкісні лінії зв'язку локальних мереж. Популярним середовищем є також кручені пари, що характеризуються відмінним співвідношенням якості до вартості, а також простотою монтажу. За допомогою крученої пари звичайно підключають кінцевих абонентів мереж на відстанях до 100 метрів від концентратора. Супутникові канали і радіозв'язок використовуються найчастіше в тих випадках, коли кабельні зв'язки застосувати не можна — наприклад, при проходженні каналу через малонаселену чи місцевість же для зв'язку з мобільним користувачем мережі, таким як шофер вантажівки, лікар, що робить обхід, і т.п.

Контрольні питання

1. Що забезпечують лінії зв’язку?

2. На які групи поділяються типи ліній зв’язку?

3. Чим визначаються можливості і область застосування кабелів?

4. Як поширюється світловий промінь уздовж двошарового волокна?

5. Які істотні переваги мають волоконно-оптичні лінії?