Линии связи
Лекция 6. Линии связи
Определения и классификация
Основные характеристики линий
Направляющие системы
Радиолинии
Определения и классификация
Линия связи - физическая среда и совокупность аппаратных средств для передачи и приема сигналов в ней. В зависимости от характера используемой физической среды линии связи делятся на радиолинии и направляющие системы. В радиолиниях физической средой является воздушное или космическое пространство, в направляющих системах – провода, стекловолокна или металлические трубы.
Радиолинии делятся на линии радиосвязи (ЛРС), радиорелейные линии (РРЛ) и спутниковые линии (СЛ).
Направляющие системы делятся на воздушные линии (ВЛ), кабельные линии (КЛ), волноводы (В) и световоды (С). Кабельные линии делятся на симметричные кабели (СК) и коаксиальные кабели (КК).
Рекомендуемые материалы
Полная классификация линий связи приведена на рис. 6.2.
Рис.6.2 Классификация линий связи.
Место линий связи в обобщенной структурной схеме системы электросвязи
показано на рис.6.2
Рис. 6.2 Обобщенная структурная схема системы электросвязи
Основные характеристики линий связи
Основной характеристикой линий связи является коэффициент ослабления 
[дБ/км], который показывает в децибелах насколько уменьшается абсолютный уровень мощности сигнала при прохождении одного километра
пути. 
У радиолиний коэффициент ослабления зависит от направления и величины пройденного сигналом пути. Для направляющих систем коэффициент ослабления (в определенном частотном диапазоне) можно считать постоянным.
Минимальными значениями коэффициента ослабления обладают световоды, для них [дБ/км]= 0,2, для волноводов [дБ/км]= 2 – 3 и для медных кабелей [дБ/км]= 1 - 10.
Важной характеристикой является также полоса пропускания, под ней понимают диапазон частот электрических колебаний, проходящих через линию связи с минимальным ослаблением 
в [Гц]. Минимальной полосой пропускания обладают воздушные линии связи, у них 
= 100 – 150 кГц. Максимальная полоса пропускания является достоинством световодов, = 100 - 1000 ТГц (террагерц).
Эквивалентом полосы пропускания для цифровых систем и линий телекоммуникаций часто выступает пропускная способность в битах в секунду [бит/с]. Она определяет максимальную скорость передачи r цифрового сигнала. Скорость передачи сигнала r и ширина полосы пропускания линии связаны между собой соотношением:
или 
Таким образом,пропускной способности в 1 бит/с соответствует 2 Гц полосы пропускания.
Величина пропускной способности в 2 Мбит/с условно делит линии на узкополосные (например, симметричные кабели) и широкополосные (например, коаксиальные кабели и световоды).
Другой важнейшей характеристикой линий связи является чувствительность к шумам и соответственно высокий темп ошибок при передаче цифровых сигналов. Наибольшей чувствительностью к шумам и внешним воздействиям обладают симметричные пары. У коаксиального кабеля и стекловолокна чувствительность к шумам и внешним воздействиям на порядок меньше, что объясняется более удачной конструкцией. У радиолиний темп ошибок определяется условиями передачи: погодой, наличием препятствий в виде листвы и зданий. Основные характеристики линий связи приведены в таблице ниже.
Таблица 6.1.Основные характеристики линий связи
Имеются различия между линиями связи и по расположению полосы пропускания в общем диапазоне частот.
Медные линии связи (воздушные и кабельные) ведут себя как фильтры низких частот, т.е. пропускают с малым ослаблением только колебания низких частот.
Волноводы пропускают с малым ослаблением только колебания верхних частот, т.е. ведут себя как фильтры верхних частот.
Световоды и радиолинии ведут себя как полосовые фильтры, т.е. пропускают с малым ослаблением колебания в строго определенном диапазоне частот.
Направляющие системы
Направляющая система - линия связи, в которой сигналы распространяются вдоль искусственно создаваемой и непрерывной направляющей физической среды Направляющие системы делятся на воздушные линии (ВЛ), кабельные линии (КЛ), волноводы (В) и световоды (С). В простейшем случае это пара проводов, по которым распространяется электрический ток.
Если провода не имеют специального изолирующего покрытия, их разносят в воздушном пространстве на определенное расстояние и подвешивают на столбах.. По сложившейся терминологии такие направляющие системы называют воздушными линиями (ВЛ).
Использование воздушных линий в настоящее время сокращается из-за того, что они пропускают только низкочастотные сигналы и подвержены сильным влияниям климатических условий. Они применяются преимущественно в сельских сетях.
Рис. 6.3 Столбовая и стоечная (на крыше здания) опоры для воздушных линий.
Направляющие системы, образованные проводами с изоляционным покрытием и помещенные в специальную защитную оболочку, называются кабельными линиями (КЛ) или просто кабелями связи. По конструкции и взаимному расположению проводников однопарные кабели делят на симметричные (СК) и (несимметричные) коаксиальные (КК). Основными элементами кабелей являются пары медных проводов, каждая из которых образует физическую цепь для передачи сообщения. В симметричных кабелях пара образуется с помощью одинаковых по конструкции изолированных проводников. В парах коаксиального кабеля один из проводников сплошной и вложен внутрь другого, полого.
Возможности и область применения кабелей определяются шириной полосы пропускания и емкостью кабеля. Ёмкость кабеля определяется числом пар проводников, заключенных в общую оболочку. По условиям прокладки и эксплуатации различают подземные, подвесные и подводные кабели. Различные виды кабелей показаны на рис.6.4. Они используются в телекоммуникационных сетях, для связи компьютеров в локальных вычислительных сетях, в сетях радиовещания и телевизионного вещания.
Рис. 6.4 Кабели связи из медных проводов
Прогресс в развитии телекоммуникаций в значительной мере определяется созданием новых линий связи. На сегодняшний день наибольшие надежды возлагаются на волоконно-оптические линии связи. Именно их широкое применение позволит в ближайшие десятилетия решить проблему резкого увеличения пропускной способности линий связи. В волоконно–оптических линиях физическая цепь для передачи сообщений представлена двухслойным стеклянным волокном - световодом (С), рис. 6.5.
Рис. 6.5 Принцип распространения светового луча по волокну
Сигналы связи для передачи в световоде переносятся в оптический диапазон частот (сто террагерц). Принцип распространения светового луча вдоль стекловолокна показан на рисунке. Луч распространяется по сердцевине волокна за счет последовательного и полного отражения от её границы с оболочкой. Для этого коэффициент преломления света у сердцевины должен быть немного больше, чем у оболочки.
В оптическом кабеле стекловолокна свободно помещаются внутри полиэтиленовых трубок, скрученных вокруг прочного пластмассового или металлического сердечника.
Для защиты от внешних воздействий в кабеле предусмотрены оболочка и внешний покров.
Особенности и преимущества световодов перед другими линиями связи:
-Высокая емкость передачи. Стекловолокна имеют широкую полосу пропускания, они способны обеспечить высокую скорость передачи данных, вплоть до 50 Гбит/с.
-Низкая стоимость: Стоимость стекловолокна на порядок выше, чем стоимость симметричной пары, однако покрытие и защита его от внешних влияний обходятся на два порядка ниже.
- Устойчивость к внешним воздействиям: электромагнитные поля не оказывают влияния на световой сигнал внутри стекловолокна.
-Малые размеры и низкий вес: Стекловолокно выполняется из материала с низким весом, его диаметр составляет сотню микрон, в то время как диаметр медного провода порядка одного миллиметра.
- Неограниченные ресурсы материала: Кварц, используемый в стекловолокне, является наиболее распространенным материалом в мире.
- Низкий коэффициент ослабления: менее, чем 0,5 дБ/км. Он практически не зависит от скорости передачи данных.
Волновод (В) представляет собой полую металлическую трубу прямоугольного или круглого сечения, внутри которой могут распространяться электромагнитные волны определенной длины волны. Распространение волн вдоль оси волновода сопровождается их полным отражением от стенок волновода. Чтобы уменьшить возникающие при этом потери внутренние стенки волновода покрывают слоем хорошо проводящего металла.
Волноводы изготавливают секциями 2.5 и 5 метров, монтаж секций осуществляют с помощь специальных фланцев, укрепляемых болтами. Как и световоды, волноводы характеризуются низким ослаблением и широким диапазоном частот пропускаемых колебаний.
Рис 6.7 Волноводы.
Радиолинии
Радиолинии используют в качестве физической среды воздушное или космическое пространство. Они делятся на линии радиосвязи (ЛРС), радиорелейные линии (РРЛ) и спутниковые линии (СЛ).
Для использования радиолиний сигналы связи преобразуют в радиоволны, способные излучаться антеннами. Радиоволны представляют собой электромагнитные колебания с частотами от 30 кГц до 300 ГГц, распространяющиеся в свободном пространстве.
В линии радиосвязи используются радиопередатчик и радиоприемник с антеннами. Подлежащий передаче сигнал преобразуется передатчиком в радиоволну, которая излучается в свободное пространство. Эта волна принимается антенной радиоприемника и преобразуется сначала в первичный сигнал, а затем в сообщение. Протяженность линии радиосвязи и возможное число сигналов, передаваемых по ней, зависят от многих факторов: диапазона передаваемых частот, атмосферных условий, технических данных передатчика, приемника и антенн.
Ценными качествами линий радиосвязи являются возможность быстрой организации и невысокая стоимость. Важным является и то, что линии радиосвязи используются для связи с любыми подвижными объектами, а также для связи их между собой.
Рис 6.7 Схемы наземных радиолиний
Радиолинии могут состоять из нескольких участков, в пределах которых осуществляется радиосвязь по рассмотренной схеме: передатчик – приемник. В этом случае сигналы, переданные из первого пункта, принимаются, усиливаются во втором и передаются в третий, от него в четвертый и так далее по цепочке. Такие радиолинии называются радиорелейными линиями. Частоты, используемые для радиорелейной связи (2-8 ГГц), распространяются, подобно лучам света, прямолинейно. Поэтому и станции должны находиться на расстоянии прямой видимости (40-60 км).
По таким линиям можно передавать одновременно несколько тысяч телефонных сигналов или несколько телевизионных программ. Достоинством РРЛ является быстрота сооружений, особенно в труднодоступных и необжитых местах.
Рис. 6.8 Спутниковая линия связи
Разновидностью радиорелейных линий являются спутниковые линии. Радиосигналы с земной передающей станции излучаются в направлении искусственного спутника Земли, где принимаются, усиливаются и вновь передаются в направлении земной принимающей станции, которая может находиться даже на другой половине земного шара. Таким образом, радиоаппаратура искусственного спутника Земли исполняет роль промежуточной станции радиорелейной линии, находящейся на большой высоте.
Контрольные вопросы:
1. Что называется линией связи?
Ещё посмотрите лекцию "13 Особенности построения математических моделей процессов в устройствах пироавтоматики" по этой теме.
2. Перечислите типы линий связи.
3. Каковы основные характеристики линий связи?
4. Укажите виды направляющих систем.
5. В чем заключается принцип распространения светового луча по стекловолокну?
6. Укажите виды радиолиний.
7. Каковы основные применения спутниковых линий связи?
