Лекция 10. Кабели связи

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
РТФ
Радиотехнический институт УГТУ – УПИ
Инновационная образовательная
программа
Основы построения
телекоммуникационных
систем и сетей:
краткий курс лекций
Автор курса лекций:
Удинцев Владимир Николаевич, канд. техн. наук, доцент кафедры
ТСС УГТУ-УПИ
Екатеринбург
2008
2
Основы построения
телекоммуникационных
систем и сетей:
краткий курс лекций
лекция 10
Кабели связи
Цели лекции:



Знакомство с основными параметрами линий
связи;
Знакомство с основными типами кабелей
связи;
Знакомство с основными понятиями и
терминами.
4
Основные термины





Аналоговые системы передачи (АСП) – многоканальные системы
передачи с ЧРК (частотным разделением каналов) для передачи
непрерывных (аналоговых) сигналов.
Видеосигнал – сигнал, передаваемый в виде мгновенных значений
постоянного тока или напряжения.
Емкость системы передачи – число каналов ТЧ, образуемых
многоканальной системой передачи.
Мода светового колебания – такой волновой пучок, который сохраняет в
процессе распространения форму распределения амплитуды и фазы
световых колебаний в поперечном сечении
Канал
электросвязи
совокупность
технических
устройств
(преобразователей), обеспечивающих передачу первичных электрических
сигналов на расстояние.
5
Основные термины





Линия связи – инженерное сооружение, включающее в себя систему
передачи, содержащую среду распространения сигналов (направляющую
систему) и комплекс электронного оборудования, обеспечивающий
прохождение сигналов с заданной достоверностью (отношением
сигнал/шум).
Многоканальные системы связи – системы связи, в которых по одной
линии связи осуществляется одновременная и независимая передача
различных сообщений между несколькими парами корреспондентов.
Остаточное затухание – разность между уровнями на входе и выходе
линии связи.
Погонное (километрическое) затухание – затухание сигнала при
прохождении одного километра линии связи [дБ/км].
Проводные линии связи – линии связи в которых сигналы
распространяются вдоль специальной, искусственно созданной и
непрерывной направляющей системы.
6
Воздушные линии связи

Ранее (вплоть до 50 – 60-х годов ХХ века) для создания линий связи широко
использовались воздушные линии (ВЛ) связи – "телеграфные линии" с изоляцией
проводов друг от друга воздушным промежутком, выполненные путем подвески
неизолированных проводников на "телеграфных столбах" – опорах воздушной
линии. Проводники обычно выполнялись биметаллическими в виде стального
сердечника диаметром 1,2 – 4 мм, покрытого медью (сталемедный провод) или
алюминием (сталеалюминевый провод) толщиной 0,04 – 0,2 мм. Провода с
помощью специальных фарфоровых изоляторов закрепляли на столбах – опорах
ВЛ на крюках (ВЛ крюкового профиля), а при большом числе проводов – на
горизонтальных траверзах (ВЛ траверзного профиля).
7
Кабельные линии связи



В настоящее время основной тип линий связи –
кабельные линии. Кабель (от англ. cabel – канат)
представляет собой законченную конструкцию,
состоящую из нескольких изолированных друг от
друга проводников, заключенных в общие изолирующие, экранирующие, защитные и т. п. покровы.
Кабели связи прокладывают по трассе линии связи
в самых различных условиях: под землей в траншеях или трубах – кабельной канализации; подвешивают на столбах ВЛ или протягивают между
зданиями; укладывают в реках, морях и океанах.
По условиям прокладки и эксплуатации принято
различать подземные, подвесные и подводные
кабели.
По конструкции и взаимному расположению проводников различают симметричные и коаксиальные (несимметричные) провода и кабели.
8
Симметричные и
коаксиальные кабели



Симметричные кабели в своей основе имеют скрученную (витую)
пару (провод), которая в кабелях связи применяется уже более 100 лет
(Twisted Pair – TP). Симметричный кабель (витая пара) может быть
экранированным (shielded) или неэкранированным (unshielded). В
экранированном симметричном кабеле каждая пара имеет экранирующую
оплетку.
Коаксиальные кабели в качестве направляющей системы используют
коаксиальную пару (иногда говорят — коаксиал от англ. co-axial –
соосный), предложенную еще в 1912 году профессором Петербургского
электротехнического института П.Д. Войнаровским, и представляющую
собой два концентрически расположенных цилиндра с совмещенными
осями. Использовать ее для кабелей связи предложил в 1934 году
американский изобретатель С.А. Щелкунов, что позволило значительно
увеличить дальность связи.
Назначением кабеля определяется количество и состав различных направляющих
систем в нем (витых пар, коаксиалов и отдельных медных жил для подачи
дистанционного питания).
9
Симметричные и
коаксиальные кабели

Так, комбинированный междугородный кабель марки КМБ-8/6 имеет 15
коаксиальных пар различного диаметра, 8 симметричных пар и 6 отдельных жил для подачи дистанционного питания и цепей сигнализации. Кабели для закрытых помещений и для прокладки в кабельной канализации не
имеют сложных защитных оболочек и внешних покровов: в закрытых и
защищенных местах этого не требуется. В полевых условиях, в земле или
на морских линиях связи прокладывают кабели со сложными многослойными защитными оболочками.
10
Физические параметры




Проводные линии связи характеризуются первичными и вторичными
параметрами физических цепей, которые обычно приводятся к одному
километру длины и называются погонными параметрами. Первичные:
Lп – погонная индуктивность; Cп – погонная емкость; Rп – погонное
сопротивление потерь; Gп – погонная проводимость линии.
Вторичные: Zв – волновое сопротивление линии; Кв – коэффициент
укорочения волны в линии и ряд других, специфических параметров,
рассматриваемых далее.
Погонная емкость и погонная индуктивность в основном определяется
размерами, конструкцией линии и диэлектрической проницаемостью
изолирующего материала. Погонное сопротивление потерь определяется
свойствами материалов проводников и изолирующих материалов.
Наилучшими свойствами обладают серебряные и медные провода в
полиэтиленовой изоляции.
11
Физические параметры

Волновое сопротивление – это сопротивление распространению электромагнитной волны вдоль однородной линии без отражения, оно зависит от
величин погонной индуктивности и емкости и определяется по формуле:
Zв 

Rп  jLп
Gп  jCп
где ω – частота сигнала в линии.
Коэффициент укорочения волны в линии определяется магнитной и
диэлектрической проницаемостью материалов, образующих линию связи,
и определяется по формуле:
 л V0
Kв 

 0 Vл

где Vo = (μо εо)–1/2 – скорость распространения электромагнитных волн в открытом
пространстве;
Vл = (μ μо ε εо)–1/2 – скорость распространения волны в линии
связи;
μо = 4π ∙10–7 Гн/м – абсолютная магнитная проницаемость вакуума;
εо = (36π ∙ 109)–1 – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума.
12
Кабели связи для
внутренней проводки

С развитием компьютерных сетей требования к кабелям связи для помещений резко возросло – характеристики кабелей для информационных
систем должны быть намного выше, чем у применявшихся ранее. Для
горизонтальных проводок сейчас чаще всего используют четырехпарный
неэкранированный кабель из неэкранированных витых пар, UTP-кабель,
специально разработанный для цифровых абонентских устройств в
цифровых сетях интегрального обслуживания. Он выпускается как для
низких (категории 3), так и для высоких (категории 5 и выше) скоростей
передачи информации. Чем выше категория пары, тем короче шаги
скрутки – категория показывает число скруток на метр длины кабеля.
13
Оптические кабели связи

В 1970 году, после многолетних и трудоемких поисков, инженером американской фирмы "Corning glass company" Капроном, было создано кварцевое стеклянное волокно с потерями света при передаче менее 20 дБ/км.
Потери света в кварцевом (SiO2) стекловолокне происходят в основном
поглощением и рассеянием на "загрязнениях" – примесях, неизбежно возникающих при изготовлении. Разработка и совершенствование технологии вакуумного осаждения кварца из газообразной фазы позволило
уменьшить потери до 6 – 10 дБ/км, что стало сравнимым с существующими "медными" линиями связи. Лучшие современные оптические
кабели имеют затухание 0,2 дБ/км.
14
Оптические кабели связи

Типичный световод состоит из сердцевины (ядра) и оболочки
(клэдинга). Сердцевина и оболочки выполняются из кварцевого стекла или
полимерных материалов. Поверх световода обычно накладывают
несколько слоев защитных покрытий, улучшающих его механические и
оптические характеристики. Световод со всеми этими покрытиями
называют оптическим волокном.
15
Типы и параметры
оптических кабелей связи



Существует очень много конструкций световодов и оптических волокон,
но основных типов два: одномодовая и многомодовая. Диаметр
сердцевины у многомодовых волокон в десятки раз превышает длину
волны передаваемого излучения, из-за чего по волокну одновременно
распространяется несколько типов волн (мод).
В световодах модой называется такой волновой пучок, который сохраняет в процессе распространения форму распределения амплитуды и
фазы световых колебаний в поперечном сечении.
Чтобы по волокну передавался только один тип волновых пучков (одна
мода), оно должно быть идеально однородным и иметь строго правильную геометрическую форму по всей длине.
16
Типы и параметры
оптических кабелей связи



Стандартные диаметры сердцевины многомодовых волокон d – 50 или
62,5 мкм.
У одномодового волокна диаметр сердцевины d находится обычно в пределах от 5 до 10 мкм (АТ&Т, например, стандартизировала 8,3 мкм).
Диаметр оболочки световода D также стандартизован и обычно составляет 125 мкм. Диаметр оптического волокна D1 с защитными покрытиями
может быть различным и зависит от конструкции защитного покрытия.
17
Параметры оптических
кабелей связи

Окна прозрачности кварца, из которого обычно изготовляются световоды,
находятся в области длин волн 0,85; 1,3; 1,55 мкм. Зависимость погонного
затухания от длины волны излучения приведена ниже.
18
Параметры оптических
кабелей связи



Параметры оптических кабелей связи подобны параметрам электрических
кабелей.
Параметр "затухание" характеризует ослабление мощности светового
потока при передаче по оптическому волокну и также измеряется в дБ/км.
Дисперсия импульса – это его "размывание" при распространении по
оптоволокну. Если два импульса расположены рядом, то по мере прохождения по волокну из-за дисперсии они наползают друг на друга (межсимвольная интерференция) и перестают различаться приемником. Дисперсия импульса зависит от микронеоднородностей, микротрещин, внутренней структуры материала световода и еще от многих – многих
факторов, о которых можно прочитать в специальной литературе,
приведенной в списке литературы к этой лекции.
19
Параметры оптических
кабелей связи - дисперсия

Зависимость дисперсии световых импульсов от длины волны
излучения приведена на рисунке:
20
Полоса пропускания
оптических кабелей связи

Полоса пропускания оптического кабеля вследствие дисперсии световых импульсов будет зависеть от его длины и
измеряется поэтому в МГц∙км:
21
Потери в оптических
кабелях связи

Потери света в кварцевом стекле световода происходят в основном из-за
его резонансного поглощения ионами гидроксильных групп ОН и рассеяния на "загрязнениях" – примесях и неоднородностях, неизбежно возникающих при изготовлении. Поглощение определяется в основном свойствами материала (его чистотой), длиной волны излучения и протяженностью световода. В результате поглощения увеличивается тепловая энергия материала световода. Рассеяние определяется нарушениями формы и
состава материала световода (величинами не прямо пропорциональными
длине световода). В результате рассеяния часть световой энергии покидает
световод без перехода ее в другие виды энергии. Затухание в световоде
складываются из потерь на поглощение и рассеяние:
  
с

п
Затухание в кабеле определяется как сумма потерь в световоде и
«кабельных» потерь:
  
с

р
Кабельные потери
к
 к составляют примерно 0,1 дБ/км.
22
Потери в оптических
кабелях связи

Потери на поглощение можно определить по формуле:
n
 п  8,69 tg

1

где  – длина волны, а  – тангенс угла диэлектрических потерь в световоде. Для кварца постоянная n1 = 1,485 10-12.
Потери на рассеяние можно определить по формуле:
  4,34
р
где К = 1.38 ∙10
твердую фазу.
-23
8 3
34
(n1  1) KT  10 3
Дж/К; Т = 1500 оК – температура перехода стекла в
23
Потери в оптических
кабелях связи

Оценим типичные потери в кварцевом оптическом волокне:
8,69  3,14  1,485  10 12
п 
 0,026дБ/км
9
1,55  10
8  3
2
 23
11
3
 р  4,34 

(
1
,
485

1
)

1
,
38

10

1500

8
,
1

10

10

9 4
3  (1,55  10 )
 0,086дБ / км.
 с   п   р  0,026  0,086  0,112дБ/км
   с   к  0,112  0,1  0,212дБ/км
24
Моды световых колебаний

Распространение электромагнитных световых волн в диэлектрическом
цилиндре – световоде во многом схоже с распространением электромагнитных волн в металлических волноводах. Однако, если структура диэлектрического цилиндра – волновода такова, что в ней может распространяться большое количество мод (типов) электромагнитных световых волн,
то уравнения Максвелла дают множество частных решений – мод
высших порядков – волновых пучков с сохраняющейся
формой распределения амплитуды поля по поперечным
сечениям. Поскольку точного аналитического решения уравнений
Максвелла получить обычно не удается, принято аппроксимировать их
полиномами Эрмита (в системе координат Декарта) или полиномами
Лагерра (в цилиндрической системе координат). Т. е. принято описывать
моды произведением функций Эрмита и Гаусса или Лагерра и Гаусса в
зависимости от выбранной системы координат.
25
Моды световых колебаний



Полиномы Эрмита имеют вид:
H0(t) = 1; H1(t) = 2t; H2(t) = 4t2 – 2; …Нn(t)…,
а полиномы Лагерра l
1
1 2
l
l
L0 (t )  1; L1  1  l  t ; L2  (1  l )(2  l )  (2  l )t  t ... Llp ...
2
2
где p и l – угловой и радиальный индексы, показывающие число изменений
поля в радиальном и азимутальном направлении. Все решения образуют
полную ортогональную систему функций, что позволяет любое
произвольное распределение монохроматического поля разложить по
модам. Порядок аппроксимирующего полинома (индекс) показывает,
сколько раз поле меняет знак по координате поперечного сечения. Для
основной моды индексы будут равны нулю. Следует помнить, что такое
решение волнового уравнения является приближенным, и, например, при
большом содержании в пучке света мод высших порядков, дает большие
ошибки.
26
Моды световых колебаний

Лучевая (геометрическая) оптика дает крайне упрощенную картину
процессов, происходящих в световоде, но, с другой стороны, позволяет
более просто понять их физическую сущность. Если учесть, что сейчас
наиболее распространенным источником света в волоконно-оптических
линиях связи является полупроводниковый лазер, генерирующий
когерентное излучение в виде слабо расходящегося гауссова волнового
пучка, то геометрическая оптика позволяет существенно упростить
решение многих важных в практическом отношении задач. Образующая
гауссова пучка волн w(z) представляет собой гиперболу, асимптота которой
наклонена к направлению распространения z под углом Θ = λ/πw0. Именно
такой пучок принимают за основную моду свободного пространства.
27
Моды световых колебаний

Отличие гауссова пучка от плоской электромагнитной волны состоит в том, что
распределение энергии Е (интенсивности света) в нем неоднородно (мощность
сконцентрирована вблизи оси), а фазовый фронт (волновой фронт – поверхность, на
которой все точки колеблются в одной фазе) Ф = arctg (λz/πw02) несколько отличается от плоского. Из рисунка видно, что на расстоянии w от оси (направления
распространения) амплитуда поля убывает в е раз, а распределение поля подчиняется закону Гаусса. Сферическому волновому фронту гауссова пучка с начальным радиусом w0 (радиусом горловины, в которой фазовый фронт принято считать
плоским) в любом его поперечном сечении на расстоянии z от источника с достаточной для практики точностью можно поставить в соответствие пучок лучей,
исходящих из одной точки (исходящих от точечного источника света).
28
Профили показателя
преломления световодов

По профилю распределения показателя преломления луча света различают
световоды со ступенчатым и градиентным (плавным) его изменением.
Показателем преломления называется отношение скорости распространения света в вакууме (с = 300 000 км/с) к скорости распространения в
диэлектрике:
n = c/v
29
Профили показателя
преломления световодов


Для местной связи чаще всего
используют
многомодовые
волокна – они все же проще в
изготовлении,
монтаже
и
эксплуатации. Максимальная
скорость передачи по ним около
20 Мбит/с.
Для дальней связи используют
одномодовые волокна – они
имеют значительно меньшее
затухание и уменьшенную
дисперсию светового импульса
(скорость до 100 Гбит/с), хотя
они дороже и их сложнее
монтировать и эксплуатировать.
Тип
волокна
Диаметр
ядра
[мкм]
Диаметр
клэдинга
[мкм]
Длина волны
Одномодовое
Со сглаженным
индексом
Ступенчатый
индекс
Затухание
[дБ/км]
Полоса
пропускания
[МГц∙км]
850 1300 1550
9,3
8,1
125
125
50
62,5
85
125
125
125
2,4
3,0
2,8
200
380
6,0
0,4
0,5
0,3
0,25
5000 для
850 нм
0,6
0,7
0,7
0,5
0,3
0,4
600 для
850 нм;
1500 для
1300 нм
6 при
850 нм
30
Определение параметров
оптических кабелей связи


Рассмотрим световод со ступенчатым профилем распределения показателя
преломления по сечению. У сердцевины показатель преломления больше, чем у
оболочки, из-за чего световой луч испытывает практически полное внутреннее
отражение. В таком световоде, согласно лучевой теории, может существовать два
типа лучей: меридиональные, пересекающие ось симметрии световода, и косые,
не пересекающие эту ось. До тех пор, пока угол падения луча Θо, который он
образует с осью световода, меньше некоторого критического угла, луч будет
испытывать полное внутреннее отражение на границе сердцевина – оболочка.
В геометрической оптике существует закон Снеллиуса:
NA = n1 sin Θ0 = n0 sin Θ = n0 sin (90 – φкp) = (n21 – n20)1/2
где Θ0 – угол падения;
Θ – угол преломления;
φкр – критический угол
отражения луча.
31
Определение параметров
оптических кабелей связи

Величина n0 sin Θ0 называется числовой апертурой NA световода. Эта
формула позволяет вычислить, под каким углом должен осуществляться
ввод светового луча в световод, а также получить длину пути меридионального луча:
sin Θ0 = (n1 sin Θ) / n0,
Р(Θ) = L sec Θ,

где L – длина световода.
Длина пути, а, следовательно, время прохождения луча света являются
функцией угла падения (ввода) лучей. Различие времени прохождения по
длине световода для различных мод (дифференциальная задержка)
приводит к дисперсии (размыванию, увеличению продолжительности)
световых импульсов и межсимвольной интерференции. Косые лучи,
попадая в световод, могут отражаться под очень большими углами и также
приводят к дисперсии световых импульсов.
32
Конструкции оптических
кабелей связи


Для передачи световой энергии от источника к волокну очень важна числовая
апертура NA = n0 sin Θ0, т.е. действующий раскрыв на входе световода. Апертура
зависит от размера сердцевины волокна и от согласования источника излучения с
оптоволокном. При плохом согласовании лишь небольшая доля мощности
источника света попадет в световод, а остальная энергия будет потеряна. Наоборот,
при хорошем согласовании с источником почти вся энергия попадает в световод.
Для согласования волокон световода с источником излучения применяют линзы или
сложные системы линз или зеркал – объективы. Часто применяется параллельный
ввод излучения в параллельные световоды одного оптического кабеля,
расположенные либо в виде окружности, либо в виде ленты.
Световоды плохо переносят внешние воздействия - изгибы, растяжения, влагу,
поэтому их покрывают защитными материалами (лаками, пластиками) и окружают
кевларовыми волокнами. И хотя сам световод имеет диаметр 125 мкм, с защитными
покрытиями его размер достигает 0,5 мм. При изготовлении кабеля принимают
дополнительные меры по защите волокон: помещают оптические волокна в
пластиковые трубки, укладывают упрочняющие стальные и пластмассовые
стержни, а весь внутренний объем кабельной оболочки заполняют гидрофобными
(водоотталкивающими) материалами или толстыми и прочными пучками
пластиковых волокон.
33
Конструкции оптических
кабелей связи

Конструкция оптических кабелей зависит от назначения кабеля. Чаще
всего это сложные конструкции, содержащие множество оптических волокон, помещенных в специальные модули, дополненные еще различными несущими, защитными, питающими и другими элементами. Есть
конструкции, где оптические волокна свободно лежат в трубках или
"звездочках", но есть и такие, где они крепко зажаты в прозрачной ленте
из пластмассы, например, как в конструкции, показанной справа.
34
Соединение оптических
кабелей связи

Крайне важна заделка оптоволокна в разъемное или неразъемное
соединение – от этого зависит эффективность перехода световых лучей в
местах соединений. Заделанный в разъеме конец оптоволокна
герметизируют клеем, эпоксидной смолой или другим заполнителем.
Пристальное внимание обращают и на радиус изгиба оптического кабеля.
При малом радиусе изгиба увеличивается затухание тракта, а при
слишком малом – возможны даже поломки световедущих частей
оптических кабелей. Операция по изгибанию оптического кабеля
выполняется не как с медными кабелями (в пространстве), а на
специальной полке, где аккуратно изогнутые кольца и петли из
оптического кабеля тщательно закрепляют.
35
Контрольные вопросы










Дайте определение понятию «линия связи».
Какие типы линий связи Вы знаете?
Какие кабели применяются в системах связи?
Как кабели различаются по конструкции и условиям прокладки и
эксплуатации?
Назовите основные первичные и вторичные параметры проводной линии
связи.
Что такое «мода светового колебания»?
Что такое «дисперсия светового импульса» и как она влияет на полосу
пропускания оптического кабеля?
Как полоса пропускания оптического кабеля зависит от длины волны
излучения и длины кабеля?
Что такое «числовая апертура» световода и как она определяется?
Как осуществляется соединение строительных длин оптических кабелей?
36
Информационное обеспечение
лекции
Список литературы

Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. В 3 томах. Том
1 - Современные технологии / Б. И. Крук, В. Н. Попантонопуло, В. П.
Шувалов; под ред. профессора В. П. Шувалова. – Изд. 3-е, испр. и доп. –
М.: Горячая линия-Телеком, 2003. – 647 с.: ил.

Д.В. Иоргачев О.В. Бондаренко. Волоконно-оптические кабели и линии
связи. – М.: Эко-Трендз, 2002.

Воронцов А.С., Гурин О.И., Мифтяхетдинов С.Х. Оптические кабели связи
российского производства. Справочник. – М.: Эко-Трендз, 2003. – 288с.: ил.

Портнов Э. Л. Оптические кабели связи: Конструкции и характеристики. –
М.: Горячая линия-Телеком, 2002. – 232 с.:

Гаранин М.В. и др. Системы и сети передачи информации: Учеб. пособие
для вузов. – М.: Радио и связь, 2001. – 336 с.:ил.
37
Конец фильма
Спасибо за внимание!