Радкевич И.А.Конспект лекций по курсу Информационные сети и телекоммуникации

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Южно-Уральский государственный университет

Кафедра Автоматики и управления

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по курсу

“Информационные сети и телекоммуникации”

Радкевич И.А.

Редакторы

студенты группы ПС-463

Иванова Е.А.

Лесничая И.В.

Чугаев А.И.

Челябинск 2005 г.

Содержание

Линии связи. Их классификация..................................................................................................3

Параметры проводных линий связи............................................................................................5

Скорости передач сигналов.........................................................................................................11

Логарифмические меры сигналов и диаграмма уровней......................................................12

Взаимное влияние между цепями связи и их оценка..............................................................13

Информационные сети РФ...........................................................................................................15

Канал тональной частоты............................................................................................................19

Псофометрическая мощность помех КТЧ................................................................................20

Фрагмент линии связи РФ...........................................................................................................20

Нормированные параметры аналоговой сети.........................................................................21

Международная цифровая сеть...................................................................................................23

Аппаратура информационных сетей.........................................................................................24

Принципы построения канальной аппаратуры......................................................................28

Структура аналоговой аппаратуры...........................................................................................28

Типовой цифровой телефонный канал.....................................................................................33

Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция..............................................................34

Дельта модуляция (ДМ)................................................................................................................34

Структурная схема передачи первичной ИКМ.......................................................................36

Генераторное оборудование ИКМ-30.........................................................................................39

Объединение цифровых потоков................................................................................................39

ИКМ – 120........................................................................................................................................40

ИКМ – 480........................................................................................................................................41

ИКМ – 1920......................................................................................................................................42

Линии связи. Их классификация.

Линия связи – совокупность технических средств, которая обеспечивает передачу сигналов

от передатчика к приёмнику.

В неё входят:

 физическая среда распространения сигналов

 различные технические средства, обеспечивающие передачу и распространение

сигнала.

Линия связи как «направляющая среда», делится на проводную связь и свободное

распространение.

Проводная связь бывает:

 воздушная;

 кабельная;

 волноводная;

 световодная.

Свободное распространение волн («ненаправляющая среда») – радиосвязь.

Напомним, что:







- путь, который проходит волна (длина волны);

./103

скм



- скорость распространения света в пространстве.

Тогда выделим следующие диапазоны распространения радиоволн:

 ОНЧ (очень низкие частоты)

кГцкГцf 30...3

кмкм 10...100



 НЧ (низкие частоты)

кГцкГцf 300...30

кмкм 1...10



 СЧ (средние частоты)

МГцкГцf 3...300

мкм 100...1



 ВЧ (высокие частоты)

МГцМГцf 30...3

мм 10...100



 ОВЧ (очень высокие частоты)

МГцМГцf 300...30

мм 1...10



 УВЧ (ультравысокие частоты)

ГГцГГцf 3...3.0

мм 1.0...1



 СВЧ

ГГцГГцf 30...3

смм 1...1.0



 КВЧ

ГГцГГцf 300...30

мммм 1...10



 ГВЧ (гипервысокие частоты)

ГГцГГцf 3000...300

мммм 1.0...1



Существует 4 способа распространения радиоволн:

 Поверхностные (земляные)

 Пространственные (тропосферные) – происходит отражение волн от однородности

тропосферы.

 Ионосферные

 Прямые

Рассмотрим подробнее проводную связь.

Воздушная линия связи – связь, которая осуществляется по проводам (по голому

проводящему материалу). В качестве проводника используется медный, стальной,

биметаллический проводник. Воздушные линии связи крепятся на столбах, расстояние

между которыми от 25м до 50м.

Кабель - системы изолированных друг от друга проводников, расположенных

определённым образом и заключённых в общую оболочку.

По конструктивному расположению кабель делится на:

 Симметричный (два изолированных проводника);

 Коаксиальный (имеется один центричный проводник, а второй идёт как покрытие).

Также выделяют кабель:

 магистральный;

 городской;

 распределительный:

земля

 зоновый.

Существует кабель:

 подземный;

 подводный.

Оптоволоконный кабель – передача светового луча по чистому стеклу – кварцу.

Параметры проводных линий связи.

Существует два вида параметров проводных линий связи: первичные и вторичные.

Первичными называются параметры, которые в основном определяются конструкцией

построения проводных линий связи и очень слабо зависят от электрического сигнала.

Т.к линия связи – сооружение с распределёнными параметрами, то для расчётов используют

сосредоточенные параметры на длину 1км, поэтому их называют километрическимим.

Первым и основным первичным параметром является активное сопротивление проводников:

 

кмОмRkR /



где

- активное сопротивление постоянному току, зависящее от материала и сечения

проводника;

- коэффициент, зависящий от частоты сигнала.

 

ммОм 





- длина проводника;

- поперечное сечение проводника;



- удельное сопротивление проводника, которое зависит от температуры (причем

зависимость эта обратно пропорциональная).

Вторым первичным параметром является индуктивность:

)/(10ln4

кмГнk





















- расстояние между центрами проводов (очень малая величина);

- радиус провода (очень малая величина);



- относительная магнитная проницаемость материала;

- коэффициент, учитывающий действие эффекта близости (чем ближе провода друг к

другу, тем он меньше).

Третьим первичным параметром является ёмкость:

)(

ln36

05.1

C 

Четвёртый параметр – проводимость:



 fGG



- изоляция при постоянном токе (при сухой погоде

1001.0



G

, при влажной погоде

105.0



G

);

- частота (Гц);



- коэффициент электрических потерь в изоляторах (при сухой погоде

05.0



, при

влажной погоде

25.1



Для кабельной сети сопротивление постоянному току составляет сотни Мом.

Линию связи можно представить как симметричный четырёхполюсник:

Рисунок 1

Вторичные параметры определяются первичными параметрами и частотой сигнала,

который передаётся. К ним относятся входное сопротивление линии и постоянная

распространения сигнала в лини связи: Zвх и

g 

Рассмотрим условия распространения сигнала в линии без потерь:

Вообще, любая ЛС может рассматриваться как волна тока и волна напряжения.

Линия без потерь – когда активное сопротивление R = 0, и есть только C и L, которые

сказываются в момент переходного процесса. Если к ЛС подключить генератор постоянного

тока, при условии, что ЛС без потерь, то при распространении электромагнитной волны на 1

км линия зарядится на

tIq 

или

UСtI 

. При этом количество энергии:

ILUC

tIq









. В линии без потерь:

ILUC 





Скорость распространения по ЛС:







I 



- характеристическое сопротивление линии без потерь.

Рассмотрим условия распространения сигнала в линии с потерями:

Эквивалентная схема замещения линии связи представлена на рисунке 2:

Рисунок 2











12211

III

ZIUZIU

U1 U2

I1 I2

U1 U2

Zг Z1 Z1=Z3

Zпр

I 

322

ZIU













































 1























































 12

232211

UZIUZ

Запишем телеграфное уравнение:









DICUI

BIAUU

221

Если четырёхполюсник симметричный, то











1A ,1

CBCBDA

Для симметричного 4х-полюсника:



C 



B 

Учтём при этом, что

LiR







002 CiGZ 



Входное сопротивление линии с потерями:

IDUC

IBUA

Zвв





ZппIU  22

кзZввххZвв

DZппC

BZппA

Zвв .. 





, где

кзZвв .

(

0 Zп ,02 U

) и

ххZвв .

(

 Zп ,02I

Отсюда

Zвв





, для симметричного 4х-полюсника

ZсZпп 

Zвв

характеристическое сопротивление.

Если линия согласована, то входное сопротивление является характеристическим.

g 

lg20

lg10

g 

IBUA





IDUC





ZнIU  22

ZZн  0

, D = A.

   

ACBDCBg  lnln

Используя формулы Эйлера, получим:

gch







gsh





ACBe



BCA

BCAABC

BCA

ACB

CBAe



















)(

)()(

)(1

Можно записать:

g chA 

g 0 shZB 

g sh

C 

g chD 

Тогда телеграфное уравнение запишется как:















g 2

g 02g 21

chI

shZIchUU

Вообще g=g

L, где g

– километрическое (расчётное) затухание.

L – длина линии в км.

Lth

Zн

Lth

Zн

LchZLshZн

LshZLchZн

Zвв











g 0g

, при этом было учтено, что

ZнIU  22

Выразим входное сопротивление и постоянную распространения через первичные

параметры.

Рисунок 3

LiRI

)(







CiGU

)0(2







I 

022 ZIU 













LiR

U )(













)0(

CiG



- относительный коэффициент уменьшения сигнала.

Если

n

, то

dII dU,U ,  dl

. Тогда

dldl





dU1





1ln





2ln

eUU





 12

eII





 12





0)00(

ZCiG

LiR





















 eZ

CiG

LiR

измеряется в Нп/км или дБ/км, причём 1 Нп = 8,686 дБ, а 1 дБ = 0,115 Нп.

Постоянная распространения g

 

000

00)0(



iCiGLiR 

, где

– постоянная затухания,

– постоянная сдвига по фазе.





[Нп/км],





[рад/км].

Если линия длинная, то

Lgg 

LL 



- собственное затухание и

собственный сдвиг фаз.

Если линия неоднородная: Zс1≠ Zс2, g

≠ g

. Найдём для неё α и β.

Рисунок 4

L/n L/n L/nR/n

R/n R/n

G/n

G/n G/n

C/n

C/n C/n

с1

= g

L Z

с2

= g

L Z

L = L

+ L

Uк

Zг

Zн

Iк

с1

g1 Z

с1

с2

g2 Z

с2

Рисунок 5









2'2'1

UCIAI

IBUAU

- для первого 4-хполлюсника (рисунок )









UкCIкAI

IкBUкAU

''''2

- для второго 4-хполюсника (рисунок )

 

IкABBAUкCBAAUкCIкABIкBUкAAU )''''''()''''''()''''(''''''1 

 

UкACCAIкCBAAIкBUкACUкCIкAAI )''''''()''''''()''''(''''''1 

Тогда,









UкCIкDI

IкBUкAU









'''1

UкCIкAI

IкBUкDU

Zх ,

Zк ,..  кзZсххZсZс

Zс 1

ZккZс 2

Zхх 

Zс 3

ADg ch

BCg sh

g shZсB 



212

ln21

ZcZc









Т.е рабочим затуханием линии называется ½ натурального логарифма максимальной

мощности, отдаваемой в нагрузку к мощности на выходе линии связи:

max2





P2 будет максимальной, когда

ZнZг 

Zг

max2



Найдём приведённое входное сопротивление линии. Пусть линия однородна, т.е

21 ZcZс 









DICUI

BIAUU

221

ZгIEU  11

ZнIU  22

 

ZгUCIAEIBAU 2222 

 

СZгZнZнAIEBZнAI  2)(2

ZпприIZгAСZнZгBZнAIE  2)(2

с1

g1 Z

с1

с2

g2 Z

с2

’

U2’

Uк'

I1’

I2’

Iк’

Zн

Zг

DACCA

CABBA

BBCAA

ACBAA



''''''

'''''

где

ZнZгCBAZнZгСZнZгZгABZнAZппри  )(

Zc 

g )(g )()()( sh

Zн

ZгZсchZнZгBC

Zн

ZгZсAZнZгZппри 

   



































































 gggg

ZcZнZcZг

ZcZгZcZн

ZcZнZгZc

ZнZгZнZc

Zпп

))((

)(

))((

Если

ZнIP 

Zпп

I 2

, значит

Zпп

ZнE





ZнZг

Zпп

ZнEZг

ZппE













ZcZнZcZг

ZсZнZcZг

ZcZн

ZнZc

ZcZг

ZгZc

))((

1ln





















, где α = α

1я составляющая – собственное затухание линии, которое определяется длиной линии связи.

2я составляющая – затухание, вызванное несогласованностью генератора и входом в линию

связи.

3я составляющая – затухание, вызванное несогласованностью нагрузки с линией связи.

Рабочее затухание определяет максимальную дальность передачи, чем больше затухание,

тем меньше дальность передачи. Рабочее затухание минимально, когда вся линия

согласована, т. е когда

ZнZcZг 

. Если один конец линии не согласован, то

ZcZн

ZнZc









(

ZнZc 

), или

ZcZг

ZгZc









(

ZcZг 

Скорости передач сигналов.

Существует 2 вида скоростей: фазовая и групповая.

Фазовая скорость – путь, пройденный точкой гармонического сигнала за время, равное

периоду этого сигнала.







В проводниках













, β

- постоянная фазового распространения,









Скорость зависит от диаметра провода: чем больше диаметр, тем меньше скорость.

Наибольшей скоростью распространения обладает медь.

Теперь рассмотрим групповую скорость.

Пусть имеем сигнал

)cos()(1

LtwSmtS





LltdwwSmtS  )()cos()(2



))

()

cos(()

cos(2)(2)(1)( L

dwtdL

SmtStStS









0 dwtdL









Учитывая, что













, то

































)(

)

)(22

()(











фф





























фф











 )

)(22

(