Линии связи являются одним из основных элементов любого канала, определяющим главные технические характеристики канала связи: надежность, помехоустойчивость, нагрузочная способность.
По способу физической реализации линии связи подразделяются на четыре вида:
- проводные,
- оптические,
- радиолинии
- оптоволоконные.
В системах управления технологическим оборудованием широкое распространение получили два вида линий - проводные и оптоволоконные. Использование оптических линий затруднено тем, что они требуют размещения приемника с передатчиком в пределах прямой видимости, что далеко не всегда возможно в производственных условиях. Применение радиолиний также проблематично из-за воздействия на канал мощных индустриальных помех с достаточно широкой полосой пропускания, немалую проблему составляют также помехи от многократных отражений радиосигнала от окружающих в основном радио непрозрачных материалов оборудования, зданий, оснащения.
Проводные линии связи.
Конструктивной особенностью таких линий является наличие металлических токопроводящих проводников с соответствующей защитной и электрической изоляцией от окружающей Среды.
Как известно, передача цифровой информации на физическом уровне носит импульсный характер, но процесс формирования импульса проходит три стадии: нарастание напряжения на проводнике до заданного уровня амплитуды импульса - передний фронт, сохранение амплитуды импульса в течение его информативной длительности, спад напряжение на проводнике до уровня отсутствия информационного импульса - задний фронт. Аналогично изменяется в проводнике и электрический ток, но со сдвигом по фазе на 90 градусов.
|
Таким образом, вследствие изменения напряжения в линии в течение определенного времени сам процесс передачи энергии от передатчика к приемнику носит волновой характер: возникшая в передатчике электромагнитная волна распространяется вдоль сигнальной линии. Дойдя до приемника, волна частично поглощается приемником, а частично - отражается и возвращается к передатчику, где также частично отражается и возвращается снова к приемнику, естественно с определенной задержкой. Таким образом, в сигнальной линии возникает явление называемое стоячей волной. Данная волна производит искажение основного сигнала. Степень искажения характеризуется коэффициентом стоячей волны:
КСВv = Vмах / V мин, где:
V мах - максимальная амплитуда результирующей волны,
V мин - минимальная амплитуда результирующей волны.
аналогично и для тока:
КСВi = I мах / I мин.
причем: КСВv = КСВi = Ксв.
Степень искажения сигнала и соответственно КСВ зависит в первую очередь от несогласованности сопротивления нагрузки линии и волнового сопротивления линии:
КСВ = Zо / R н при Rн < Zо
и
КСВ = Rн / Zо при Rн > Zо
где: Rн - активное сопротивление нагрузки линии,
Zо - волновое сопротивление линии связи.
Очевидно, что наилучшим будет вариант, когда КСВ = 1, т.е. Zо = Rн, в этом случае волна полностью поглощается нагрузкой и ее отражения не происходит. Однако это частный и достаточно редкий случай, так как для построения экономичных систем передачи информации входное сопротивление нагрузки стараются делать как можно больше, а волновое сопротивление линий связи зависит в основном от их конструктивных параметров. Рассмотрим несколько примеров.
|
А )Коаксиальный кабель. Схематическое изображение такого кабеля приведено на рис.1.21.а.
А. б. D d
D
![]() | |||
![]() | |||
d
1 2 3 1 2 3
Рис.1.21. Схемы сечений линий связи.
Кабель состоит из наружного проводника 1, внутреннего проводника 3 и разделяющего их слоя диэлектрика 2. Волновое сопротивление такого кабеля равно:
Zо = 138 / К * ln D / d (ом), где:
а, в - размеры сечения кабеля на рис.1.21.а.
К - диэлектрическая проницаемость диэлектрика.
Значения диэлектрической проницаемости некоторых изолирующих материалов приведены в таблице 1.9
Таблица 1.9
Материал диэлектрика | К |
Воздух Бакелит Ацетилцеллюлоза Оконное стекло Слюда Бумага Оргстекло Полиэтилен Полистирол Фарфор Кварц Тефлон | 4,4...5,4 3,3...9,9 7,6...8,0 5,4 3,0 2,8 2,3 2,6 5,1...5,9 3,8 2,1 |
Выпускаемые отечественной промышленностью коаксиальные кабели обычно сопровождаются данными об их распределенной емкости, индуктивности и волновому сопротивлению. Обозначение типов отечественных кабелей состоит из четырех частей:
· букв РК,
· первое число - волновое сопротивление в ом,
· второе число - номинальный радиус изоляции, мм,
· третье число - вид изоляции (диэлектрика) и порядковый номер разработки:
вид изоляции обозначается: 1 - полиэтилен, 2 - фторопласт, 3 - полистирол, 4 - полипропилен, 5 - резина, 6 - неорганическая изоляция.
В таблице 1.10 приведены данные некоторых типов отечественных и зарубежных коаксиальных кабелей.
|
Таблица 1.10.
Марка кабеля | Волновое сопротивление, ом | Распредел. емкость, пф/м | Распредел. индуктивн. мкгн/м | Наружный диаметр, мм |
РК-50-2-13 РК-50-3-13 РК-50-2-21 РК-75-2-21 РК-75-3-11 РК-75-1,5-11 RG-8A/U RG-11A/U RG-59A/U 214-023 214-076 | - - - - - | 96,8 67,3 68,9 65,6 12,8 | - - - - - - 0,27 0,38 0,36 0,36 1,15 | 4,0 5,0 4,0 4,0 5,0 3,0 - - - - - |
Волновое сопротивление можно рассчитать по известным значениям распределенных емкости и индуктивности:
![]() |
Zо = L / C (ом), где:
L - распределенная индуктивность в Гн /м,
С - распределенная емкость в Ф / м.
Б) Двухпроводная линия. Схематическое изображение такой линии приведено на рис. 1.21.б. Волновое сопротивление такой линии (витая пара, ленточные кабели - шлейфы и т.п.) можно рассчитать по формуле:
![]() |
Zо = 276 / К * ln D / d (ом), где:
D, d - размеры линии по рис. 1.21.б.
Как показано выше, наилучшие условия передачи энергии по линии возникают при условии КСВ = 1, В большинстве же случаев КСВ не равен единице, поэтому часть энергии отражается от нагрузки, и степень отражения определяется коэффициентом отражения:
К = (КСВ-1) / (КСВ+1),
а отраженную мощность можно определить как P отр. = К2.
И полезная мощность, переданная нагрузке, определится как:
Рп = Р (1 - К2), где
Р - мощность передатчика,
К - коэффициент отражения.