Файл: Телекоммуникационные системы и сети - КНИГА.doc

В 30-х годах XIX в. английский физик М. Фарадей (1791-1867) обна ружил, что в проводнике, помещенном в переменное магнитное поле, возникает ток. Все дело в том, что наш проводник оказался помещен­ным в собственное магнитное поле и под его воздействием в толще проводника образовалось множество замыкающихся по кольцу вихре­вых токов. У поверхности проводника эти токи направлены так же, как и основной ток, и поэтому увеличивают его. В толще же проводника вихревые токи оказываются направленными против основного тока и, следовательно, уменьшают этот основной ток.

Рис. 7.2. Явление поверхностного эффекта

Мы рассмотрели один провод, тогда как для передачи сигналов используются два провода - прямой и обратный (чтобы цепь тока замкнулась). Каждый из проводов образует свое электромагнитное поле. Их взаимодействие дает несколько более сложную картину по­ля, однако эффект излучения поля вне проводов остается практиче-ски неизменным - с ростом частоты излучение увеличивается, В городских телефонных кабелях под одной «крышей» - оболоч-кой- собрано большое число пар проводов. Представим себе, что цифровые сигналы (импульсы) передаются только по одной паре проводов, по одной цепи (а по другим парам в это время ничего не передается). Тем не менее и в остальных «нерабочих» парах можно зафиксировать те же самые сигналы. Правда, очень слабые. И чем дальше «нерабочая» пара расположена от «рабочей», тем слабее в ней сигналы. Однако чем выше скорость передачи импульсов, тем увереннее мы будем регистрировать в «нерабочих» парах эти импульсы. Виной тому увеличивающееся на высоких частотах электромагнитное излучение. При большой скорости передачи влияние одной цепи на другую может быть столь велико, что когда по второй цепи будут передаваться «свои» сигналы, их будет очень трудно отделить от «чужих».

Вот эти-то взаимные влияния между цепями и не дают возможности беспредельно увеличивать скорость передачи импульсов по городским телефонным кабелям. Практически она 2 Мбит/с. Отсюда вывод: такие кабели не позволяют обмениваться видеопрограммами, ведь при передачи подвижного изображения биты «мчатся» со скоростью в 50 раз большей.

Рис. 7.3. Явление эффекта близости в коаксиальной паре

Иное дело междугородный коаксиальный кабель! Один проводник коаксиальной пары - обычный сплошной провод, а другой (по которо му ток «возвращается» обратно) - полый медный цилиндр (рис. 7.3). Сплошной проводник помещен внутрь полого. Отсюда и название -коаксиальная пара, что означает имеющая общую ось (coaxis - соосный). Чтобы строго выдержать соосность проводников, пространство между ними заполняют изолирующим материалом (сплошным поли­этиленом, полиэтиленовыми шайбами и т.п.). Придумал такую конст­рукцию пары проводников еще в 1912 г. профессор Петербургского электротехнического института П.Д. Войнаровский (1886-1913), а ис­пользовать ее в кабелях связи предложил в 1934 г. американский изобретатель С.А. Щелкунов.

Коаксиальная пара - это поистине замечательное изобретение! Она не излучает электромагнитную энергию в пространство, а следо­вательно, не будет влиять на соседние цепи связи. Это имеет принципиально важное значение, поскольку позволяет повысить скорость передачи цифр.

Ток во внутреннем проводнике с ростом частоты также вытесняет­ся на его поверхность. Этот процесс не отличается от описанного выше. Магнитное поле внутреннего проводника наводит в металличе­ской толще внешнего проводника вихревые токи. На наружной сторо­не полого проводника эти вихревые токи направлены против основно­го тока («срабатывает» знакомое из школьного курса правило бурав­чика) и тем самым уменьшают, ослабляют его. Таким образом, ток в полом цилиндре вытесняется не наружу, а внутрь коаксиальной па­ры. Этот эффект ученые назвали эффектом близости. Он-то и явля­ется причиной, по которой электромагнитное поле концентрируется внутри коаксиальной пары и не излучается вне ее.

С ростом частоты действие эффекта близости увеличивается и поле все сильнее и сильнее концентрируется между внутренним и внешним проводниками. Именно поэтому по коаксиальным парам потоки информации могут «нестись» с колоссальной скоростью, превышающей сотни миллионов бит в секунду.

Междугородные симметричные кабели имеют такую же конструк­цию пар, как и городские телефонные (два скрученных, изолирован­ных проводника). Однако за счет небольшого количества пар и более тщательной их изоляции удается ослабить влияние между цепями и повысить тем самым скорость цифрового потока. По междугородным кабелям связи цифры передаются со скоростью порядка 8 Мбит/с.

7.2. Радиолинии

Что представляет собой радиоволна? Обратимся к проводнику, по которому протекает ток, изменяющийся во времени подобно синусоиде. Вокруг проводника с током создается переменное магнитное поле. Его интенсивность в каждой точке пространства будет меняться по такому же закону синусоиды. Переменное магнитное поле рождает в пустом пространстве переменное электрическое поле (тоже меняющееся в каждой точке пространства по синусоидальному закону). Обнаружить это поле можно с помощью другого проводника: электроны в нем придут в движение, появится переменный синусоидальный ток. В свою очередь меняющееся электрическое поле вновь рождает магнитное поле а оно - электрическое и т.д. Причем возникающие электрические и магнитные поля, распространяясь, охватывают все новые и новые области пространства. Чем дальше расположена точка пространства от проводника с током, тем позднее достигнут ее колебания полей.

Взаимодействие электрического и магнитного полей не есть нечто обособленное, независимое друг от друга. Оно - проявление единого целого которое носит название электромагнитного поля.

В физике изменяющееся во времени, т.е. движущееся, простран-ственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины называется волной. Волны мы наблюдаем при бросании камешков в воду. Волну можно пустить по натянутой веревке. Зву-

ковые волны испускает колеблющаяся струна. Распространяющее-ся в пространстве электромагнитное поле образует электромагнитную волну.

Самые разные по своей природе волны имеют одну и ту же общую характеристику - длину волны. Пояснить ее можно на простом и зна-комом примере движения волны на поверхности воды. Длина волны - это расстояние между соседними гребнями. Время, за которое один гребень сменяет другой, составляет период колебания волны Т. Если знать скорость с, с какой происходит эта смена, то легко вычислить расстояние между гребнями, т.е. длину волны, как произведение ско-рости на время: λ = сТ. Величина, обратная периоду колебания вол-ны, - это частота колебания f = 1/T. Поэтому λ = c/f.

Скорость распространения электромагнитной волны равна ско-рости света с = 300000 км/с. Следовательно, ток, колеблющийся с частотой, например: 300000 Гц, создает электромагнитную волну длинной 1 км, а с частотой 300 000 000 Гц - 1 м.

В диапазоне радиоволн - ультракоротковолновом – размещаются волны длиной от 10 м до 0,3 мм. Это очень широкий диапазон. Поэтому ультракороткие волны подразделяют на метровые, деци-, санти- и миллиметровые. Первые из них занимают частоты 30...300 МГц, а последние - частоты 30 000...1 000 000 МГц. Для таких сверхвысоких частот (принято сокращение СВЧ) введены специальные обозначения: гигагерцем (ГГц) называют каждую тысячу мегагерц, а терагерцем (ТГц) - каждую тысячу гигагерц. Таким образом, миллиметровым волнам соответствуют частоты 30 ГГц...1 ТГц.

Ультракороткие волны не отражаются от ионосферы и почти не по глощаются ею. Они ведут себя подобно лучам света: пронизывают ионосферу и уходят в космос. В атмосфере Земли существует всего два «окна». Одно из них - в области видимого света. Им человечест во пользуется уже тысячи лет, изучая звезды в телескоп. Второе -«радиоокно» в области УКВ. Оно обнаружено только в XX в. благода ря развитию техники радиосвязи. Именно с помощью этого «окна» осуществляется связь с космическими кораблями.

Из-за «прямолинейного» характера распространения ультракорот ких волн связь на них возможна только до тех пор, пока антенна при емника «видит» антенну передатчика. Если на пути волны встречает ся препятствие (высокий дом, гора, лес), то связь становится невоз можной.

Системы вещания - радио- и телевизионного - служат для достав ки информации от одного ее источника к большому числу потребите лей. В системах же связи информацию нужно доставлять от каждого конкретного источника к каждому конкретному потребителю. Подходят ли для этого радиоволны? Ведь их можно принять в любой точке зем ного шара.

Вывод один: энергия радиоволн не должна рассеиваться в про странстве, ее нужно сконцентрировать в очень узкий луч. Однако хо рошо концентрирует энергию только антенны достаточно больших по сравнению с длиной волны размеров. Это напоминает оптику, где раз меры зеркал и линз во много раз превышают длину световой волны.

Вот еще одно неоспоримое преимущество ультракоротких волн для них легко сделать не очень большие и исключительно направ ленные антенны, которые, условно говоря, фокусируют, «собирают» волну.

Вы обращали внимание, как концентрируется луч света в электрическом фонарике? Лампочка помещается в фокусе зеркального от­ражателя. Подобно этому рупор, излучающий электромагнитную вол ну, помещают в фокусе параболической антенны (рис. 7.4). Она как рефлектор собирает электромагнитные волны в узкий параллельный

пучок лучей и направляет его на при­емную антенну. Принимаемые волны в свою очередь «стягиваются» металли­ческим зеркалом приемной антенны на рупор и через рупор и волновод на­правляются к приемнику.

Итак, уже не трудно представить себе основные контуры радиолинии, работающей на УКВ. Передатчик – в основе его лежит специальный квантовый генератор, использующий внутреннюю энергию атомов, и вырабатывает СВЧ-колебания, которые по волноводу передаются в антенну. Посылаемый в эфир радиолуч достигает приемной антенны и по волноводному тракту добирается до приемника. А не мало ли это - всего один луч между двумя пунктами? Ведь тот же коаксиальный кабель содержит несколько коаксиальных пар, и по каждой из них можно передавать цифровые потоки с огром-ными скоростями - сотни мегабит в секунду. Следует заметить, что пропускная способность» у УКВ-луча во много раз больше, чем у ко-аксиальной пары. Скорость цифрового потока, как вы помните, зави-сит от частотного диапазона, в котором работает линия связи. А у ра­диолиний на УКВ он значительно шире, значит эти волны могут пере-нести как мощные «тяжеловозы» большее количество бит в одну секунду - свыше тысячи мегабит.

Что же касается увеличения числа лучей, то делают так: несколь-ко передаттчиков, генерирующих волны различных длин, заставляют работать на общую антенну. Антенна, таким образом, излучает од-новременно несколько лучей с различными длинами волн. В прием-ной антенне каждая волна отфильтровывается и точно в соответствии со своей длиной поступает в свой приемник. Говорят, что каждый такой луч образует ствол радиолинии. Обычно число стволов не превышает 4-5.

В1935 г. между Нью-Йорком и Филадельфией вступила в строй радиолиния на ультракоротких волнах. Она имела протяженность 150 км. Чтобы перекрыть это расстояние, через 50 и 100 км были построены две промежуточные «релейные» станции, которые при­нимали ослабленные радиоволны, «заменяли» их новыми и посы-дали дальше. Сама радиолиния была названа радиорелейной. Пер-вая радиорелейная линия в нашей стране была построена в 1953 г. между Москвой и Рязанью. Однако еще в начале 30-х годов совет-ские инженеры М.И. Греков и В.М. Большеверов провели опыты по направленной радиосвязи на дециметровых волнах между Москвой и Люберцами.

Рис. 7.5. Радиорелейная линия связи