***** Google.Поиск по сайту:


1. Взаимные влияния в линиях связи

Электрические направляющие системы

1. Взаимные влияния в линиях связи

1.1. Проблема электромагнитной совместимости в линиях связи

Цепи и тrакты линий связи постоянно находятся под воздействием сторонних электромагнитных полей того или иного происхождения. Различают две основные группы источников сторонних полей: внешние энергетически и конструктивно не связанные с линией связи – и внутренние – соседние физически и искусственные цепи данной линии связи.

Внешние источники помех по своему происхождению делятся на:

  • естественные – грозовые разряды, солнечная радиация, космическое излучение, магнитные бури;
  • созданные человеком – высоковольтные линии передачи, радиостанции различного назначения, линии электрифицированных железных дорог, метро и трамвая, электрические сети промышленных предприятий и отдельных энергоемких устройств.

Сторонние электромагнитные поля индуцируют в цепях и трактах линий связи помехи, которые не только снижают качество передачи, но иногда возбуждают большие напряжения и токи, приводящие к разрушению линий связи и аппаратуры, а также создающие опасность для жизни и здоровья эксплуатационного персонала. Поэтому для оценки свойств линий связи помимо изучения законов передачи сигналов необходимо также исследование процессов, связанных с воздействием сторонних электромагнитных полей на линии связи и методы защиты. Указанные воздействия называют электромагнитными влияниями или просто влияниями на цепи линий связи.

Данная проблема является общей для всех систем и устройств, связанных с генерацией, передачей, приемом и обработкой электрических сигналов и называется проблемой электромагнитной совместимости. Сущность ее состоит в том, что в процессе проектирования, строительства и эксплуатации вышеуказанных устройств и систем необходимо учитывать, с одной стороны, воздействие на них сторонних электромагнитных полей заданного характера и обеспечить достаточную для их нормальной работы защиту от этих воздействий, а с другой – предусмотреть мероприятия по ограничению уровней влияния электромагнитных полей проектируемых устройств и систем на другие устройства допустимыми значениями.

В большинстве случаев можно выделить следующие основные этапы решения данной проблемы:

анализ характера сторонних электромагнитных полей и зависимостей параметров их источников от различных факторов (состояния внешней среды, режима работы источников излучений, их конструкции, времени и т. д.);

исследование (теоретическое и экспериментальное) законов индуцирования помех, определение их интенсивности, спектральных и временных характеристик, а также степени воздействия на качество передачи информации по линиям связи для различных типов линий связи и систем передачи;

разработка и анализ эффективности мер защиты цепей и трактов от влияния сторонних электромагнитных полей и их оптимизация по заданным критериям (стоимости, эффективности, надежности и др.); при этом рассматриваются как меры по уменьшению интенсивности влияющих полей, так и меры защиты цепей и трактов, подверженных влиянию;

выбор (или разработка) мер защиты линий связи от мешающих или опасных влияний сторонних электромагнитных полей, создаваемых внешними и внутренними источниками;

реализация мер защиты, теоретическое и экспериментальное исследование их эффективности и соответствия максимального уровня помех нормативным значениям.

1.2. Основные определения и методы исследования взаимных влияний

В теории взаимных влияний между цепями линий связи приняты следующие основные определения:

  • влияющая цепь – цепь, создающая первичное электромагнитное поле (рис.1);
  • цепь, подверженная влиянию – цепь, на которую воздействует влияющее электромагнитное поле и в которой определяются помехи;
  • ближний конец линии (кабеля, цепи, тракта) – конец линии, на котором включен генератор влияющей цепи;
  • дальний конец линии (кабеля, цепи, тракта) – конец линии, на котором включена нагрузка влияющей цепи;
  • непосредственные (прямые) влияния – помехи, индуцируемые цепи в цепи, подверженной влиянию;
  • косвенные влияния – помехи, индуцируемые в цепи, подверженной влиянию, вторичными полями влияющей цепи и слагающиеся из влияний от отражений и третьих цепей;
  • влияния от отражений – помехи, обусловленные отраженными от концевых, стыковых и внутренних неоднородностей электромагнитными полями в цепях 1 и 2 (рис.2,а);
  • влияния через третьи цепи – помехи, индуцируемые вторичными электромагнитными полями, возникающими под воздействием поля влияющей цепи в третьих физических и искусственных цепях линии (рис.2,б);
  • влияния, индуцируемые по закону ближнего конца линии – помехи, наводимые в цепи, подверженной влиянию, и распространяющиеся встречно (обратно) направлению передачи сигналов во влияющей цепи (рис.2,в);
  • влияния, индуцируемые по закону дальнего конца линии – помехи, наводимые в цепи, подверженной влиянию, и распространяющиеся в направлении передачи сигналов во влияющей цепи (рис.2,в);
  • влияния на ближнем конце цепи (тракта) – влияния, определяемые суммарной мощностью помех на ближнем конце цепи, подверженной влиянию (рис.1);
  • влияния на дальнем конце цепи (тракта) – влияния, определяемые суммарной мощностью помех на дальнем конце цепи, подверженной влиянию.

Рис. 1

Рис. 2

На рис.1 обозначены мощности, напряжения и токи сигналов и помех на ближнем и дальнем концах влияющей цепи в цепи, подверженной влиянию линии связи, работающих в квазистационарном режиме:

Ρ10(ω), U10(ω), ²10(ω) – мощность, напряжение и ток сигнала на ближнем конце влияющей цепи соответственно на частоте ω;

Ρ1l(ω), U1l(ω), ²1l(ω) – то же, на дальнем конце влияющей цепи;

Ρ20(ω), U20(ω), ²20(ω) – то же, на ближнем конце цепи, подверженной влиянию;

Ρ20п(ω), U20п(ω), ²20п(ω) – мощность, напряжение и ток помехи, наведенной на ближнем конце цепи, подверженной влиянию;

Ρ2lп(ω), U2l п(ω), ²2l п(ω) – то же, на дальнем конце цепи, подверженной влиянию;

ΖВ1(ω), ΖВ2(ω), Ζl1(ω), γ1(ω), Ζl2(ω), γ2(ω) – Волновые сопротивления, коэффициенты распространения цепей, нагрузки на концах цепей соответственно.

Абсолютные значения мощностей и напряжений помех не дают представления о параметрах взаимных влияний линий связи, так как зависят от уровней сигналов во влияющей цепи, значения которых не связаны с параметрами цепи. Поэтому взаимные влияния между цепями принято характеризовать в относительных единицах отношением модулей кажущихся мощностей сигнала во влияющей цепи и помехи от взаимного влияния в цепи, подверженной влиянию, выраженным в логарифмическом масштабе. Подобные параметры влияний не зависят от абсолютных значений сигналов во влияющей цепи вследствие линейности рассматриваемой системы.

Определим основные параметры взаимного влияния между цепями линий связи.

Переходное затухание на частоте ω на ближнем конце линии, дБ или Нп,

Переходное затухание на дальнем конце линии, дБ или Нп,

·

1.3. Влияния в однородных симметричных линиях связи

Взаимные влияния между симметричными цепями обусловлены взаимодействием электромагнитных полей этих цепей, которое можно представить в виде суммарного воздействия электрического и магнитного полей. Влияние от электрического поля называют электрическим, а от магнитного поля магнитным. Значения электрического и магнитного влияний можно определить экспериментально и в некоторых случаях путем расчета.

Эксперементальные методы раздельного определения влияний основаны на измерении токов и напряжений во влияющей цепи и цепи, подверженной влиянию в режимах, когда между цепями существует в основном либо электрическое поле, либо магнитное. Эти условия создаются в коротких по сравнению с длиной волны сигнала λ=υ/f отрезках линий при режимах холостого хода (электрическое поле) и короткого замыкания (магнитное поле).

Отношение комплексных амплитуд тока помех I(ω), наведенного в цепи длиной l, подверженной влиянию, и напряжения U1(ω), во влияющей цепи, определенных в режиме холостого хода цепей, называют электрической связью между этими цепями, См:

(2)

где g12 - активная составляющая электрической связи; iωk1 - емкостная связь между цепями 1 и 2.

Магнитной связью между цепями 1 и 2 называют отношение комплексных амплитуд ЭДС, наведенной в цепи длиной l, подверженной влиянию Е(ω), и тока I1(ω) во влияющей цепи в режиме короткого замыкания в обеих цепях, Ом:

(3)

где r12 - активная составляющая связи; m1 - индуктивная составляющая связи между цепями 1 и 2.

Для однородных линий коэффициенты связи К12(iω), См/км, и М12(iω), Ом/км, обычно нормируют на единицу длины линии:

(4)

Под действием напряжения влияющей цепи U1 в цепи, подверженной влиянию, возникает ток помехи, значение которого пропорционально разности частичных емкостей между проводами цепей 1 и 2 на длине линии l (с13 l + с24 l) - (с14 l + с23 l). Значение этой разности, отнесенное на единицу длины однородной линии, называют коэффициентом емкости или просто емкостной связью, Ф/км,

k1= (с13 + с24 ) - (с14 + с23 ),

где с13= с13 l / l; с24= с24 l / l ; с14= с14 l / l; с23= с23 l / l .

Емкостная связь характеризует емкостную асимметрию между цепями, а после умножения на частоту сигналов определяет мнимую составляющую электрические связи.

Активная составляющая электрической связиg12 между первой и второй цепями выражается через разность потерь в диэлектрике g13 l , g14 l , g24 l аналогичным выражением, См/км

g12 = (g13+ g24 ) - (g14 + g23 ).

Индуктивная связь m1 между цепями по аналогии представляется мостом частичных индуктивностей, имеющих трансформаторную связь. Коэффициент индуктивной связи характеризует асимметрию моста и соответственно относительную величину перехода энергии магнитного поля влияющей цепи в цепь, подверженную влиянию, Гн/ км,

m1= ( m13+ m24)-( m14+ m23).

Активная составляющая магнитной связи r12 обусловлена различием потерь на вихревые токи в проводах и металлических оболочках кабеля, возникающих вследствие несимметричности расположения проводов цепей относительно оболочки экранов и третьих цепей кабеля. В результате мост активных сопротивлений r13 l , r23 l, r14 l, r24 l расстраивается и появляется активная составляющая комплексной магнитной связи, Ом/км,

r12 = (r13 + r24 ) - (r14 + r23).

1.4. Влияние между цепями симметричных кабельных линий связи

Общие положения.

Взаимные влияния между цепями симметричных кабельных линий связи характеризуются следующими особенностями:

  • расстояния между цепями в симметричных кабельных линиях связи сопоставимы с диаметрами проводников кабеля, а окружающее цепи пространство заполнено диэлектриком, часто неоднородной структуры, проводниками соседних цепей, металлическими экранами и оболочками. Указанные факторы приводят к заметному искажению электромагнитных полей, возрастанию случайных составляющих электромагнитных связей и к усложнению задачи расчета и оценки взаимных помех;
  • кабельные линии связи создаются в два этапа: на первом этапе изготавливаются строительные длины кабеля, на втором – строится кабельная магистраль;
  • процессы индуцирования взаимных влияний в строительных длинах кабеля и на длинных линиях существенно различаются, что приводит к необходимости раздельного рассмотрения этих процессов. Кроме того, возникают задачи измерения и нормирования параметров влияния в строительных длинах кабеля и на ретрансляционных (усилительных и регенерационных) участках линии;
  • симметричные кабельные линии используются для организации различных систем передачи (аналоговых и цифровых), работающих в диапазоне от тональных частот до десятков мегагерц. Это приводит к необходимости определения частотных характеристик первичных и вторичных параметров взаимных влияний для каждой из 10…12 систем передачи, работающих по симметричным кабелям.
  • Рассмотрим параметры влияния в строительных длинах симметричных кабелей связи. В общем случае здесь необходимо учитывать все четыре первичных параметра влияния (m, k, r и g), причем в зависимости от частоты их соотношение и удельная значимость меняются.

В тональном спектре частот (0,3…3,4 кГц) значения активных составляющих электромагнитных связей (r и g) малы по сравнению с реактивными, а емкостная связь ωk1Zв на частоте 1 кГц примерно в 10 раз превышает магнитную (ωm1/Zв) вследствие большого значения Zв (1 кГц) ≈ 600 Ом. Поэтому на строительной длине низкочастотных кабелей электромагнитные связи на ближний N12 нч и дальний - F12 нч концы кабеля оказываются примерно одинаковыми и равными N12 нч ≈ F12 нч ≈ iωk1Zв.

1.5. Влияния в строительных длинах кабеля

Теоретическое и экспериментальное исследование первичных параметров влияния в строительных длинах кабеля в области высоких частот сопряжено с большими трудностями в связи с невозможностью выполнения условия lС.Д < λmin/4, при котором | Zx.x(ω) | >>| Zв(ω) | θ | Zкз(ω) | << | Zв(ω) |, ΰ также со случайным характером электромагнитных связей. Так, строительная длина кабеля MKC-4×4×1,2 ñоставляет 0,825 км, а минимальная длина волны на частоте 252 кГц (система К-60) равна примерно 1 км, что делает невозможным раздельное измерение комплексных электрической и магнитной связей.

В качестве основного параметра взаимных влияний на строительных длинах кабеля приняты значения переходных затуханий на ближний и дальний концы цепей кабеля и их частотные характеристики.

Частотные характеристики переходных затуханий на ближнем А0(ω)С.Д и дальнем Аl(ω)С.Д концах строительной длины зависит от значений и функции распределения электромагнитных связей по длине кабеля (параметр x) как между взаимовлияющими, так и между третьими физическими и искусственными цепями.

В области средних частот, при которых λmin > (1,25…2,5)lС.Д переходные затухания в строительных длинах кабеля определяются в основном непосредственными влияниями. Характеристики А0(ω)С.Д и Аl(ω)С.Д имеют вид монотонно убывающих с ростом частоты кривых. Годографы ПФВП на ближнем конце А0(iω)С.Д обычно представляются начальными отрезками спирали. Кривые Аl(iω)С.Д 1/2 и Аl(iω)С.Д 2/1 имеют плавный характер, а различия влияния 1/2 и 2/1 незначительны по модулю и сравнительно малы по аргументу (фазе). Различия фазо-частотных характеристик Аl(iω)С.Д 1/2 и Аl(iω)С.Д 2/1 возрастают, если взаимовлияющие цепи расположены в разных четверках, когда фазовые постоянные цепей различаются друг от друга вследствие неодинаковых шагов скрутки четверки.

Косвенные влияния на строительных длинах кабеля в диапазоне частот до 250…500 кГц обычно остаются значительно меньше непосредственных влияний, что затрудняет их учет при измерении переходного затухания.

Вместе с тем уже в процессе изготовления магистральных симметричных кабелей возникает необходимость контроля косвенных влияний через третьи цепи и отражений, которые быстро возрастают при соединении строительных длин кабеля в процессе строительства кабельных магистралей. Поэтому в высокочастотных кабелях типа МКС и аналогичных им марок нормируются не только значения переходных затуханий на ближний и дальний концы строительной длины, но и значения емкостных связей между основными и искусственными цепями, расположенными в одной четверке (к2 и к3),емкостная асимметрия цепей относительно земли (e1 и e2), а также отклонения величины рабочей емкости.

Для иллюстрации приведем нормы на вышеуказанные величины для MKC-4×4×1,2, ïредназначенного для передачи сигналов до 252 кГц. В диапазоне частот до 12…252 кГц значения А0(ω)С.Д должны быть не менее 62,5 дБ для 90% комбинаций влияния и 59,0 дБ для 100% измеренных величин. Значения Аl(ω)С.Д должны быть соответственно не менее 73,8 дБ для 90% и 67,7 дБ для 100% измеренных величин.

Распределение емкостных связей к2, к3 и емкостной асимметрии e1 и e2 – не более 230 пФ для 90% и 570 пФ для 100% измеренных величин. Отклонение рабочей емкости от номинального значения 25 нФ/км не должны превышать ±0,8 пФ/км.

Для контроля за косвенными влияниями во всем диапазоне рабочих частот производится измерение распределения так называемого параметра симметрируемости внутричетверочных комбинаций влияния, определяемого минимальным значением Аl(ω)сим, которого можно достичь при компенсации непосредственных влияний. Для кабеля MKC-4×4×1,2 ýта величина должна составлять не менее 85,1 дБ для 90% и 80,8 дБ для 100% измеренных величин.

В области высоких частот (системы ЦСП и К-1020с), когда λmin << lС. Д, характер взаимных влияний между цепями на строительной длине кабеля изменяется. Усиливаются косвенные влияния между цепями, режимы работы основных и третьих цепей приближаются к режимам работы электрически длинных линий. Однако самое существенное изменение состоит в том, что структура параметров взаимных влияний на ближнем конце строительной длины кабеля при высоких частотах становится иной. Влияния уже не могут рассматриваться как единая случайная величина, а начинают распадаться на ряд случайных величин, соответствующих параметрам влияния более коротких отрезков кабеля. Этот процесс характеризуется множителем е–(γ1 + γ2)l в уравнении (6.19) неравномерной зависимостью параметров влияния N12 от х. Под воздействием этих факторов единые для строительных длин кабеля при низких и средних частотах параметры N12(х, ω) распадаются на независимые случайные величины, число которых определяется значением радиуса частотной корреляции ρ(ƒ ) ÏФВП. При lС.Д ≈ 1 км ρ(ƒ ) ≈ 0,5…1,2 ÌГц. Данное обстоятельство означает, что в интервале частот |ƒ1 – ƒ2 | = ∆ ƒ > ρ(ƒ ) βлияние на ближнем конце строительной длины кабеля при частоте ƒ1 2). Указанный вывод следует из характера влияний, индуцируемых по закону ближнего конца. Возрастание фазовых сдвигов сигнала и помехи за счет множителя е–(γ1 + γ2)l в уравнении (6.19) при неравномерном распределении связей по длине кабеля приводит к изменению величины и фазы составляющих помех, приходящих с отдельных участков строительной длины кабеля. В результате этого, а также вследствие все более заметного увеличения затухания токов помех, приходящих с дальних участков строительной длины кабеля с ростом частоты, изменяется исходная совокупность случайных величин, сумма которых при ∆ ƒ > ρ(ƒ) ρтановится практически независимой от исходного значения тока помех.

Электрические направляющие системы



***** Яндекс.Поиск по сайту:



© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.