В настоящее время связь стала основным звеном производственного процесса. Она находит применение в управление технологическими процессами, электронно-вычислительными машинами, системами автоматического контроля промышленных предприятий и т. д. И ключевым моментом в реализации связи является использование определенной среды передачи данных.
Средой передачи данных называются линии или каналы связи, по которым осуществляется обмен данными между различными устройствами. В качестве физической среды передачи данных используется витая пара, коаксиальный кабель или оптическое волокно. Возможно использование радиоканала и инфракрасного канала, относящихся к беспроводной связи.
Линии связи могут формироваться по средствам кабелей. Кабелем называется конструкция изолированных друг от друга проводников или оптических волокон, помещенных в оболочку. Также кабели могут содержать в себе конструктивные элементы: экран, сердечник, проволочную или стальную броню, металлическую или внешнюю оболочку, заполнитель. Каждый из этих элементов влияет на работоспособность в определенных условиях среды.
Основные требования, предъявляемые к линиям связи:
‒ Защищенность цепей от внешних помех, различных влияний и физический воздействий;
‒ Надежность, устойчивость и стабильность линии;
‒ Реализация связи на требуемые расстояния;
‒ Широкополосность и применимость для переда различных видов данных;
Передаваемые линиями связи сигналы могут быть разделена на два вида: аналоговые и цифровые. Аналоговый канал связи считается наиболее распространенным и простым в реализации. При передаче информации по аналоговым линиям связи применяется модуляция сигнала (амплитудная, частотная, фазовая), при которой информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты. В цифровых линиях связи применяется дискретный сигнал, который предварительно проходит аналого-цифровое преобразование.
При построение промышленной сети могут используются три типа кабельной линии передачи: витая пара, коаксиальный кабель и оптическое волокно.
Витая пара изготавливается из двух одинаковых изолированных проводников, которые скручены вместе по всей длине и имеют определенное количество витков на метр (обычно сорок). Провода скручиваются для того, чтобы уменьшить влияние электромагнитной и электростатической индукции. Вокруг проводов часто имеется экран (а иногда и два), который помогает уменьшить электростатические (емкостные) наводки. В качестве общей механической защиты поверх всего кабеля имеется оболочка из поливинилхлорида [1, c. 97].
Сечение проводника сказывается на потери напряжения, поэтому на длинных расстояниях рекомендуется использовать более толстый проводник. Витая пара, изображенная на рисунке 1, является одним из компонентов современных структурированных кабельных систем, использующихся во многих технологиях в качестве физической среды передачи данных.
Рис. 1. Витая пара
Отличительными качествами данной среды передачи данных является дешевая стоимость и простота соединений, что делает витую пару самым распространенным решением для реализации связи.
Для защиты передаваемого сигнала и самой конструкции кабеля используются различные элементы, которые разделяются в зависимости от их назначения на три вида: экранирование, химическая и механическая защита.
Экранирование подразумевает под собой защиту сигнала, передаваемого по кабелю от внутренних и внешних электромагнитных наводок. Использование экранирования уменьшает излучение электромагнитных колебаний, которые могут быть вредны для пользователя сетей. Также, экран может быть заземлен с использованием неизолированного дренажного провода, хотя такой дополнительный способ защиты удорожает и усложняет прокладку кабеля.
Для обозначения конструкции экранированного кабеля принято использовать сочетание их трех букв: U — неэкранированный кабель, S — металлическая оплетка, F — металлизированная лента. Сочетание этих букв формирует аббревиатуры, показанные в таблице 1, обозначающие тип общего экрана и тип для отдельных пар.
Таблица 1
Типы конструкций экрана
|
Типы конструкций экрана |
Назначение |
|
Неэкранированный кабель (U/UTP) |
Отсутствует защитный экран вокруг отдельной пары |
|
Индивидуальный экран (U/FTP) |
Присутствует экранирование фольгой каждых отдельных пар, защищающее от помех, образующихся между витыми парами |
|
Общий экран (S/UTP, F/UTP, SF/UTP) |
Присутствует экранирование фольгой одного общего экрана, защищающее от внешних электромагнитных помех. |
|
Индивидуальный и общий экран (S/FTP, F/FTP, SF/FTP) |
Присутствует фольгированная экранированная витая пара, внешний экран которой имеет медную оплетку, тем самым защищая от помех, образующихся между витыми парами |
Для механической защиты провода используются особо прочные конструкции в виде оплетки и оболочки из медной проволоки. При прокладке кабеля на открытом воздухе применяется оболочка из черного полиэтилена, которая защищает кабель от солнечного света.
Каждая отдельно взятая витая пара, входящая в состав кабеля, выполняющего функцию передачи данных, должна иметь волновое сопротивление 120 Ом ±20 Oм. Если данное волновое сопротивление не будет поддерживаться, то форма электрического сигнала будет искажена, и передача данных станет невозможной.
Коаксиальный кабель, изображенных на рисунке 2, используется почти без исключений для всех антенных подключений от высокочастотного диапазона (HF), до диапазона СВЧ (SHF) порядка 2 ГГц, где уже начинается использование волноводов.
Рис. 2. Коаксиальный кабель
Импеданс кабеля зависит от отношения диаметров окружающего экрана и внутреннего проводника. Хотя волновое сопротивление телевизионного кабеля составляет 75 Ом, большинство коммуникационных кабелей имеет волновое сопротивление 50 Ом, поэтому при выборе кабеля нужно проявить аккуратность.
Размер коаксиального кабеля определяется двумя факторами — передаваемой мощностью и используемой частотой.
Если передатчик имеет выходную мощность порядка 500 Вт, то максимальное напряжение на 50-омном кабеле может быть 223 В, а ток — 3,3 А. Если диэлектрическая изоляция окажется недостаточной, то кабель будет пробит, а если внутренний проводник будет мал, то в кабеле будут слишком большие резистивные потери.
Высокочастотная энергия имеет тенденцию распространяться по поверхности проводника, а не по его центру, поэтому внутренний проводник небольшого диаметра очевидно, будет иметь небольшую площадь поверхности и, следовательно, большое сопротивление. Отсюда следует, что по мере увеличения частоты должен увеличиваться и диаметр внутреннего проводника, но волновое сопротивление кабеля частично определяется емкостью между внутренним проводником и экраном. Следовательно, чтобы сохранить необходимое волновое сопротивление, важно поддерживать определенное соотношение диаметра внутреннего проводника и расстояния между проводниками, т. е. диэлектрика, и именно они являются критическими элементами конструкции.
Для нетолстых коаксиальных кабелей с диаметром до 10 мм в качестве внешнего проводника используют медный плетеный экран, поскольку он эффективен и недорог в производстве. Более крупные коаксиальные кабели имеют диаметр до 200 мм. Поскольку кабели при прокладке приходится изгибать, а любой изгиб может сильно повлиять на свойства кабеля, были разработаны новые типы экранирующих проводников.
Первым внешним проводником была алюминиевая трубка, но с ней оказалось очень неудобно работать, в результате чего она была заменена медной трубкой в виде гофра. Этот гофр обеспечивал постоянство диаметра в любой точке длины кабеля. Таким образом, среднее расстояние между внутренним проводником и внешним было постоянным, поэтому волновое сопротивление оставалось постоянным, даже если кабель слегка изгибался под небольшим радиусом, причем без каких-либо механических повреждений [2, c. 148].
Производители кабелей опубликовывают точные данные, касающиеся характеристик выпускаемых ими кабелей. Может показаться, что выбор кабеля практически определяется выбором самого дешевого кабеля, который сможет передать необходимую мощность. Однако в большинстве случаев при выборе канала связи это условие является наименее важным, а главным фактором будет ослабление кабеля.
Оптоволоконный кабель, показанный на рисунке 3, обычно используется для передачи цифровых сигналов. Возможности оптоволоконных кабелей удовлетворят любым возникающим требованиям при организации передачи данных, обеспечивая скорости передачи в гигабитах в секунду (Гбит/с). В настоящее время уже существует ряд систем, работающих со скоростями около 10 Гбит/с.
Рис. 3. Оптоволоконный кабель
Оптоволоконные кабели обычно дешевле коаксиальных кабелей, особенно если сравнивать информационную емкость на единицу стоимости. Однако передающее и приемное оборудование, а также сложность способов концевого согласования и соединения этих кабелей делает оптоволоконные кабели самой дорогой средой для передачи информации. По сравнению с 1980-ми годами стоимость кабелей уменьшилась вдвое и ее можно не учитывать при экономических расчетах.
Оптоволоконные кабели обладают следующими достоинствами:
‒ огромная полоса пропускания (возможность передавать большое количество информации);
‒ небольшое ослабление сигнала (лучшие характеристики, относящиеся к скорости и расстоянию);
‒ безопасность сигнала;
‒ небольшая частота появления ошибок;
‒ невосприимчивость к помехам (электромагнитным и высокочастотным);
‒ конструктивные удобства (легкий вес, небольшие размеры);
‒ полная гальваническая развязка между концами (отсутствие проводящих путей);
‒ надежное использование в опасных местах;
‒ отсутствие перекрестных помех.
Литература:
- Информационно-вычислительные сети: учебное пособие / Д. А. Капустин, В. Е. Дементьев. — Ульяновск: УлГТУ, 2011. — 141 с.
- Н. А. Руденков, Л. И. Долинер. Основы сетевых технологий [Текст]/ Н. А. Руденков, Л. И. Долинер. — Е.: 2011. — 342.
