35. Организация на комуникационните канали за предаване на данни: определение на комуникационен канал, неговата структура, видове и видове комуникационни линии.
Комуникационната линияе физическата среда, през която се предават контролни и управляващи сигнали.
В телемеханиката сигналите за управление и управление са електромагнитни трептения в широк честотен диапазон (Таблица 6.1).
Комуникационен канале набор от технически средства за независимо предаване на информация от източник към получател. Състои се от комуникационна линия и комуникационно оборудване.
Предаването на сигнали по даден канал се извършва независимо от други канали. Броят на каналите в една комуникационна линия с едновременното предаване на всички сигнали се определя от честотната лента на комуникационната линия и честотната лента на комуникационния канал:
където
K е коефициент, който отчита защитните ленти за честотно разделяне и защитните интервали за времево разделение;
За организиране на комуникационни канали се използват видовете и видовете комуникационни линии, дадени в таблица 1. 6.1 [8].
Кабелните комуникационни линии, използвани само за предаване на телемеханична информация, се наричат физически кабелни комуникационни линии.
Широчина на честотната лента на комуникационна линияе непрекъснат диапазон от честоти, за които съотношението на амплитудата на изходния сигнал към амплитудата на входния сигнал надвишава определена предварително определена граница.
Видове и видове комуникационна линия
Тип линия
Тип комуникационна линия
Електропровод (TL)
50 kHz ÷ 500 kHz
10 kHz ÷ 3×10 6 MHz
30MHz ÷ 3×10 4 MHz
30MHz ÷ 3×10 4 MHz
Оптична отворена среда
– обхват на субтонове с честотна лента (40 ÷ 300) Hz,
– тонален диапазон с честотна лента (300 ÷ 3400) Hz,
- обертон с райепредаване (3400 ÷ 5300) Hz,
– високочестотен с честотна лента над (5300) Hz.
Скоростта на предаване се използва за характеризиране на импулсни сигнали и е равна на броя импулси, предавани за секунда.
36. Организация на комуникационни канали за предаване на данни. Кабелни комуникационни линии, техните характеристики: първични и вторични параметри, координиран режим на предаване.
Кабелните комуникационни линии имат следните основни характеристики.
Въздушните комуникационни линии(вижте таблица 6.1) се състоят от метални проводници, окачени с изолатори и специални фитинги на стълбове. В зависимост от условията, в които се намират окачените проводници (лед, вятър и др.), Съществуват четири вида въздушни комуникационни линии: леки, нормални, подсилени и особено подсилени. Като проводници (линейни проводници) се използват проводници:
– стомана с диаметри 5; 4; 3; 2,5; 2; 1,5 мм;
– мед с диаметри 4; 3,5 и 3 мм;
- биметална стомана-мед (стоманена тел с медно покритие с дебелина до 0,2 mm) с диаметри 4; 3; 2; 1,6 мм;
- биметална стомана-алуминий с диаметри 2,6 ÷ 6,5 mm.
Кабелни комуникационни линии. Кабелът се състои от изолирани паралелни проводници, затворени в обща водоустойчива обвивка, а понякога и в бронирани капаци. Разграничаване на подземни, подводни и надземни кабели.
Има високочестотни (честотна лента над 10 kHz) и нискочестотни (до 10 kHz) кабели. Коаксиалните кабели винаги са високочестотни; препоръчително е да ги използвате, започвайки от честота 60 kHz. Честотната лента на такъв кабел достига няколко мегахерца. За телемеханика се използват предимно симетрични многожилни кабели с различна изолация:
- тръбна, изработена отхартия или пластмасова лента, насложена върху сърцевината на кабела под формата на тръба;
- кордел, състоящ се от кордел (нишка или сноп), разположен спирално върху сърцевината на кабела, и лента, поставена върху кордела; този кабелен дизайн е по-икономичен от тръбния, но има ниска твърдост при пренавиване на кабела по време на производството му.
Температурните колебания в съпротивлението на подземните кабели са много по-малки от тези на въздушните линии. Но кабелите с по-тънки жила (не повече от 1,4 мм) имат значително по-високо съпротивление и коефициент на затихване.
Кабелните комуникационни линии се характеризират с първични и вторични параметри.
Основни параметри на кабелни комуникационни линии–линейно активно съпротивление на проводнициR(Ω/km), индуктивностL(H/km), капацитетС(F/km) и проводимост на изолацията на проводникаG(Sym-km).
Активното съпротивление се определя от израза
къдетоR0–DC съпротивление;Rp.e– устойчивост на повърхностен ефект;Rbl–устойчивост на ефект на близост;Rm–устойчивост на загуба на метал (в съседни кабелни вериги и защитна метална обвивка).
Съпротивлението на загубаRmв метал се дължи на факта, че вихровите токове, генерирани от външното магнитно поле на веригата, нагряват околните метални части.
Индуктивността на проводницитеLзависи главно от разстоянието между проводниците, диаметъра на проводника (намалява с увеличаване на диаметъра) и в по-малка степен от материала на проводника (стоманатаLе по-голяма от медта) и честотата на тока (увеличава се с увеличаване на честотата).
Капацитетът на проводницитеCзависи от разстоянието между проводниците (увеличава се снамаляване на разстоянието), диаметър на проводника и диелектричен материал между проводниците на веригата. ПродуктътLC= , където и са съответно магнитната и диелектричната проницаемост. За въздушна линияLC= 1, за кабелLC= .
Проводимостта на изолацията (изтичане)Gзависи от вида на изолацията, честотата на тока (увеличава се с честотата) и климатичните условия. За въздушните вериги ледът и скрежът също оказват влияние върху изтичането. В табл. 6.2 показва примери за някои жични комуникационни линии [8] и техните първични параметри.
Ако основните параметри на комуникационната линия са непроменени за който и да е участък от нейната дължина, тогава такава линия се нарича хомогенна. Еднаквостта се осигурява от постоянството на проектните размери. Една нехомогенна линия има различни основни параметри в различните секции. В телемеханиката се използват равномерни линии.
Вторични параметри на жични комуникационни линии–вълнов импедансZV и константа на предаване .Тези параметри характеризират условията за разпространение на електромагнитна енергия по комуникационната линия и зависят само от първичните параметри и честота.
При къси редове текущата стойност е почти еднаква в началото и в края на реда. Ако дължината на линията е голяма, тогава при висока честота текущата стойност в началото и в края на линията е различна. Спадът на напрежението в различни точки на линията също ще има различна стойност. Електрическият модел на дълга жична линия е показан на фиг. 6.1.
Фиг.6.1.Еквивалентна схема на кабелна линия
Съпротивлението, което може да се използва за заместване на отрязаната част от дълга линия, така че във всяка точка на оставащата линия стойностите на тока и напрежението да бъдат еднакви, се нарича вълново или характеристично съпротивление и се обозначаваZB.
Вълновият импеданс се изразява чрез първичните параметри на жичната линия
ZB =
При честоти над 10 kHz, когато първите членове на числителя и знаменателя са малки:
ZB =
За медни въздушни комуникационни линииZV =600 900 Ohm.
Съпротивлението, измерено в началото на линията, се нарича входно съпротивление.
Входният импеданс на линията зависи от характеристичния импеданс, затихването на линията и натоварването в края на линията.
Входното съпротивление съвпада с вълновото само когато товарното съпротивление е равно на вълновото съпротивлениеZН =ZV. Само в този случай ще има най-добро предаване на електромагнитна енергия (най-висока ефективност на предаване), тъй като няма отражение на вълната.
В телемеханиката това е от голямо значение, тъй като телемеханичните сигнали имат малка мощност. Следователно, ако линията не е натоварена с вълнов импеданс, може да има отражения на импулси от несъответстващ товар и тяхното повторно влизане във веригата, което ще причини изкривяване на предаването.
Константа на предаване или фактор на разпространение:
(6.6)
където е коефициентът на затихване, характеризиращ намаляването на тока или напрежението; - коефициент на фазово отместване, който определя промяната във фазата на напрежението и тока.
Затихването на електромагнитната енергия в линия, натоварена с вълнов импеданс, се извършва по експоненциален закон: токътI1 и напрежениетоU1 в началото на линията винаги са по-големи от токаI2 и напрежениетоU2 в края на линията (виж Фиг. 6.1). Следователно,I2=I1e- l ,U2=U1e-l , къдетоlе дължината на линията.
От тези отношения следва, че
(6,7)
Акоl=1km, тогава километричното затихване в линията, в съответствие с товара:
(6,8)
Атенюацията се изразява в неперс. Napier е натурален логаритъм от съотношението на две напрежения, токове или половината от логаритъма на съотношението на входната и изходната мощност. Ако линията има затихване от 1 Np, това означава, че токът и напрежението в края на линията намаляват с фактор e \u003d 2,718 пъти, а мощността - с e 2 \u003d 7,39 пъти. При =2 Np отношениетоU1/U2=e27,4, aPl/P2=e 455.
Затихването също се изразява в децибели:
(6,9)
На фиг. 6.2 показва данни за затихването на някои въздушни и кабелни комуникационни линии [8].
Фиг.6.2.Честотна зависимост на затихването за въздушни и кабелни комуникационни линии:
въздушни линии с диаметър на проводника4mm и разстояние между проводниците20cm:1 -мед,t=-20°C при сухо време;2- мед,t=+20°C при влажно време;3 –мед при ледени условия (диаметър на телта5mm);4-стомана,t=+20 °С при влажно време; кабелни линии:5–MKS-441.2 (диаметър на жилата1.2mm);
За да се преобразува затихването, изразено в непери, в децибели, броят на неперите трябва да се умножи по коефициент 8,686. За обратното преобразуване в nepers броят на децибелите се умножава по коефициент 0,1151.
Затихването зависи главно от активното съпротивление на линията. Графиките, представени на фиг. 6.2 илюстрира казаното и в същото време подчертава силната зависимост на затихването на въздушните линии от метеорологичните условия. Стоманените проводници имат десетки пъти по-голям коефициент на затихване от медните проводници.Следователно, за да се увеличи разстоянието на предаване, е необходимо да се използват проводници с ниско съпротивление или, в линии със стоманени проводници, по-често включвайте междинни усилвателни станции. Например, предаването по стоманени проводници изисква около 10 пъти повече усилватели, отколкото предаването по медни проводници.
От същите графики следва, че кабелните линии с меден проводник имат по-голямо затихване поради по-малките диаметри на жилата. За намаляване на затихването се използват кабели с повишена индуктивност. Това се постига чрез включване на допълнителни индуктори (пупинизация) или чрез обвиване на кабела със стоманена тел или лента (намотка на Крупов). Въпреки това, едновременно с намаляването на затихването, най-високата допустима честота на спектъра на предавания сигнал също намалява.
При изчисляване на комуникационните линии често се използват не абсолютните стойности на мощността на сигнала, изразени във ватове, а техните относителни стойности, изразени в логаритмични единици - абсолютни нива. Под абсолютно ниво се разбира нивото (Np), определено от отношението
(6.10)
къдетоP–е мощността на предавания сигнал;
P0–нулево ниво, чиято мощност се приема за 1 mW.