Электромагнитная совместимость цепей внутриобъектовой связи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Самойлова, Надежда Альвиновна

• Самойлова, Надежда Альвиновна
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Самойлова, Надежда Альвиновна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВЛИЯНИЙ МЕЖДУ НЕРЕГУЛЯРНЫМИ ПО ДЛИНЕ СИММЕТРИЧНЫМИ ЦЕПЯМИ.

1.1. Постановка задачи.

1.2. Уравнения влияния между симметричными цепями.

1.3. Электромагнитные влияния между нерегулярными по длине симметричными цепями на БК.

1.3.1. Влияние между нескрученными участками цепей.

1.3.2. Влияние между цепями с учетом только скрученных участков.

1.3.3. Суммарное влияние от скрученных и нескрученных участков взаимовлияющих цепей.

1.4. Электромагнитные влияния между нерегулярными по длине симметричными цепями на ДК.

1.4.1. Влияние между нескрученными участками цепей.

1.4.2. Влияние между цепями с учетом только скрученных участков.

1.4.3. Суммарное влияние от скрученных и нескрученных участков взаимовлияющих цепей.

1.5. Выводы.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВЛИЯНИЙ МЕЖДУ НЕРЕГУЛЯРНЫМИ ПО ДЛИНЕ СИММЕТРИЧНЫМИ ЦЕПЯМИ.

2.1. Общие положения.

2.2. Идентификация электромагнитных влияний на БК и ДК.

2.3. Связь временных и частотных характеристик влияния.

2.4. Экспериментальные исследования.

2.4.1. Методика проведения экспериментальных исследований.

2.4.2. Результаты исследований, полученных на экспериментальной линии.

2.4.3. Результаты экспериментальных исследований четырехпарных кабелей.

2.5. Математические модели электромагнитных влияний на БК и ДК.

2.6. Выводы.

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЯ МЕЖДУ ЭКРАНИРОВАННЫМИ СИММЕТРИЧНЫМИ ЦЕПЯМИ.

3.1. Общие положения.

3.2. Уравнения влияния между экранированными симметричными цепями.

3.3. Параметры и частотные характеристики влияния экранированных симметричных цепей.

3.3.1. Коэффициенты экранирования экранов.

3.3.2. Сопротивления и проводимости связи.

3.3.3. Частотные характеристики влияния между экранированными симметричными цепями.

3.4. Исследование электромагнитных влияний между экранированными цепями.

3.4.1. Сравнение ЧХВ различных конструкций экранированных кабелей.

3.4.2. Электромагнитные влияния между симметричными цепями с экранами в виде оплетки.

3.4.3. Сопоставление теоретических и экспериментальных исследований экранированных СЦ.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВЛИЯНИЙ МЕЖДУ ЦЕПЯМИ ВНУТРИОБЪЕКТОВОЙ СВЯЗИ.

4.1. Общие положения.

4.2. Качественные параметры оценки ЭМС.

4.3. Этапы исследования обеспечения ЭМС между цепями внутриобъектовой связи.

4.4. Алгоритм анализа ЭМС нерегулярных по длине цепей.

4.5. Методы анализа и обеспечения ЭМС цепей с нерегулярной по длине конструкцией.

4.6. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электромагнитная совместимость цепей внутриобъектовой связи»

Актуальность работы. Быстрое развитие новых технологий открыло возможности для передачи различных видов информации с использованием общей телекоммуникационной среды. Внедрение совместной передачи речи и данных, начавшееся в 80-е годы и базировавшееся на цифровом подходе, явилось важным этапом в процессе развития технологий совместной передачи различных видов информации. Дальнейшая интеграция систем связи для голоса, данных и видео с системами контроля здания усилила необходимость применения структурированного подхода к кабельным системам. Такой подход должен предоставлять пользователю возможность передачи перечисленных видов информации в пределах здания или группы зданий, пользуясь единой структурированной кабельной системой, составной частью которой являются цепи внутриобъектовой связи (ЦВС).

Структурированная кабельная система (СКС) представляет собой иерархическую кабельную систему здания или группы зданий, разделенную на несколько уровней - структурных подсистем, в зависимости от функционального назначения и месторасположения компонентов, из которых можно выделить вертикальную, горизонтальную и административную (подсистему управления).

В качестве цепей внутриобъектовой связи традиционно использовались коаксиальные кабели, симметричные или волоконно-оптические, а также плоские ленточные. В последние несколько лет популярность коаксиального кабеля неуклонно падает, а отдается предпочтение кабелям для локальных сетей на основе неэкранированной и экранированной скрученной (витой) пары [1.3]. Используется технология скрутки, основными достоинствами которой являются увеличение производительности, простота эксплуатации оборудования, малая масса вращающихся элементов, меньшие энергетические затраты, возможность осуществить совмещение нескольких технологических операций в одном непрерывном производственном процессе [4,5]. Такие кабели можно отнести к нерегулярным по длине, так как благодаря разнонаправленной скрутке в них чередуются скрученные и нескрученные участки цепей. Таким образом, кабели на основе витой пары, а также имеющие нерегулярную по длине конструкцию, занимают главное место в современной проводке различных технических объектов, что обусловлено быстрым улучшением характеристик кабеля и потребностью в однотипной проводке для различных приложений. Основными достоинствами таких кабелей является низкая себестоимость, отсутствие требований к заземлению и небольшие размеры.

Согласно [5.7], в СКС используются кабели с витыми парами, маркировка которых определяется первыми буквами слов, связанных с защитным экраном: UTP (Unshielded Twisted Pair) - неэкранированная витая пара из медных проводников; FTP (Foil Twisted Pair) - витая пара с экраном из фольги; S-FTP (Shielded Foil Twisted Pair ) - витая пара с экраном из фольги и защитным экраном; STP (Shielded Twisted Pair) - витая пара из медных проводников с экраном из оплетки и общим защитным экраном; S-STP (Shielded Shielded Twisted Pair) витая пара с экраном из фольги и отдельными экранами.

На городских телефонных сетях широкое применение находят кабели типа ТПП с использованием SZ скрутки, а также наметилась тенденция использования конструкции кабеля на основе витой пары для распределительной сети абонентской проводки [8,9]. Это связано с предачей по этим линиям высокоскоростной цифровой информации, работе цифровых систем передачи, высокоскоростных модемов, а также с применением обрудования цифровых систем с интеграцией обслуживания ЦСИО, для которых полосы канала тональной частоты недостаточно.

Ленточные кабели используются в различных системах связи, радиорелейной аппаратуре, ЭВМ, космических изделиях. Применение ЛП вместо жгутовых соединений повышает стабильность параметров передачи и влияния, позволяет передавать по цепям провода повышенную мощность, увеличивает стойкость к изгибающим нагрузкам и, наконец, фиксированное расположение жил в одной плоскости у ЛП открывает широкие возможности для автоматизации монтажа.

Предлагаемые различными компаниями изделия для структурированной проводки отвечают одному из трех стандартов, вышедших в свет один за другим в 1995г.: международному ISO/IEC 11801 (июль), европейскому EN 50173 (август) или американскому ANSI/TIA/EIA-568A (октябрь) [10. 12]. Стандарт 11801 для классификации кабелей применяет понятие «Категория» (использование в частотном диапазоне: 1.16 МГц - Категория 3; 1.20 МГц — Категория 4; 1.100 МГц - Категория 5), а линии проводки определяет в терминах «класс». Существуют классы А, В, С и D, причем классы проводки С и D в 11801 и 50173 приблизительно соответствуют Категориям 3 и 5 стандарта 568А. С учетом вышесказанного в таблице 1 приведены классы проводки стандартов ISO/IEC 11801 и EN50173, а также соответствующие им сетевые протоколы.

Таблица!

КЛАСС ХАРАКТЕРИСТИКА СЕТЕВОЙ ПРОТОКОЛ

А Проводка специфицирована до ЮОкГц Analog Telephone

В Проводка специфицирована до 1 МГц 64 кбит/с ISDN

С Проводка сертифицирована до 16 МГц 4 Мбит/с Token Ring 10 Мбит/с Ethernet

D Проводка сертифицирована до 100 МГц 100 Мбит/с Fast Ethernet 155 Мбит/с ATM

Е Проводку предполагают сертифицировать до 200 МГц 622 Мбит/с ATM 1Гбит/с Gigabit Ethernet

Необходимость поддержки высокоскоростных технологий и существование решений, требования которых превосходят возможности

Категории 5, привело к тому, что в сентябре 1997г. на пленарном заседании технического комитета организации ISO/IEC, отвечающей за стандарт 11801, было решено добавить в него две новые категории. Категория 5 остается в прежнем виде; появляется Категория 6 (канал класса Е), специфицированная до частоты 200 МГц, а верхнюю рабочую частоту 600 МГц теперь будет иметь Категория 7 (канал класса F).

Проводка по Категории 6 может быть сделана на кабелях следующих типов: UTP, FTP, S-FTP и S-STP (или в некоторой литературе обозначается как PiMF-Pairs in Metal Foil - пары в металлической фольге). Возможная конструкция кабеля для Категории 7 - S-STP.

Одним из основных критериев, определяющих возможность использования тех или иных конструкций кабелей в СКС, является помехозащищенность цепей связи от взаимных электромагнитных влияний (ЭМВ). Именно взаимные ЭМВ между цепями связи накладывают ограничения на допустимую длительность передаваемых импульсов и предельную длину используемых кабелей при передаче цифровых сигналов.

Важной характеристикой СКС является возможность организации силовой кабельной проводки к рабочим местам. Таким образом, в ограниченном пространстве оказываются цепи связи, которые несут в себе разную информационную нагрузку (сигналы), имеют разное функциональное назначение. Совместная работа цепей связи различных конструкций, которые используются как для передачи различных информационных сигналов с разными энергетическими уровнями, так и для передачи питания к приборам, приводит к возникновению электромагнитных влияний между ними. Современные телекоммуникационные системы более подвержены различного рода воздействиям, поскольку для приведения такой системы в рабочее состояние требуются достаточно низкие уровни питающего и управляющего напряжений.

Таким образом, приходится предусматривать взаимодействие различных подсистем: экранирования, заземления, интерфейсов, кабельной, питания, фильтров. На цепи воздействуют помехи различных типов - как непрерывные, так и импульсные, поэтому для определения результирующей помехозащищенности ЦВС необходимо знать как частотные, так и временные характеристики цепей и использовать их в тесной взаимосвязи. Поэтому электромагнитная совместимость (ЭМС) цепей внутриобъектовой связи является важной характеристикой, связанной с взаимным влиянием излучающих электромагнитных полей различных подсистем в месте функционирования информационной системы.

Вопросы ЭМС особенно актуальны в СКС, поскольку современное здание, будь то офис, производственный комплекс или жилой дом, насыщено множеством кабельных проводок и информационных сетей: телефонная система, локальная компьютерная сеть, сеть электропитания, офисного телевидения, системы пожарной и охранной сигнализации, контроля за климатом внутри здания и др.

Появление Европейской директивы (1.01.1996г.) по электромагнитной совместимости (European EMC Directive 89/336/ЕЕС), имеющей отношение к сетям передачи данных на базе СКС, вызвало множество публикаций [13. 17]. СКС в целом и ее компоненты не являются предметом рассмотрения в директиве. Однако, объединяя активные устройства, эта система способна как излучать, так и подвергаться воздействию излучений. В связи с этим на стадии проектирования систем и объектов и при их конструировании возникает настоятельная необходимость в анализе внешних и взаимных электромагнитных влияний между различными цепями, а также оптимизации пространственного расположения с целью обеспечения требуемой помехозащищенности цепей внутриобъектовой связи.

Таким образом, является актуальным теоретическое и экспериментальное исследование электромагнитных влияний между ЦВС в частотной и временной областях с учетом их особенностей: нерегулярности конструкций цепей связи по длине, асимметрии цепей, использование в несогласованном режиме, неоднородности конструкций экранов и т.п.

Цель работы. Целью настоящей диссертационной работы является создание математических моделей и исследование электромагнитных влияний между неэкранированными и экранированными цепями внутриобъектовой связи, для разработки метода прогнозирования их ЭМС на стадии проектирования кабельных сетей. Разработка практических рекомендаций по повышению помехозащищенности взаимовлияющих цепей в процессе проектирования и производства различных конструкций кабелей связи.

Состояние вопроса. Вопросам электромагнитных влияний посвящено большое количество работ. В нашей стране этими вопросами занимались И.И. Гроднев, В.О. Шварцман, В.А. Андреев, А.Д. Ионов, А.Ю. Цым, М.И. Михайлов, Л.Д. Разумов, С.М. Верник, С.А. Соколов и др. Из зарубежных ученых - Э.Ф. Вэнс, К. Купфмюллер, Г. Каден, К. Пауль и др.

Математическое описание ЭМВ между цепями основано на решении уравнений Максвелла во временной области. Однако такой подход оказывается довольно сложным, и поэтому прибегают к определенным приближениям. В частности предполагают, что по цепям связи (ЦС) распространяются только квази-ТЕМ-волны. В этом случае от уравнений Максвелла во временной области переходят к системе обыкновенных дифференциальных уравнений в частотной области. Таким образом, задача анализа электромагнитных влияний между цепями сводится к решению обобщенной системы телеграфных уравнений, которое получают также путем принятия различных ограничений и допущений. Например, в работах В.О. Шварцмана, И.И. Гроднева, П.А. Фролова, В. Клейна, Г. Кадена [18.24] они сводились к следующим. Решение телеграфных уравнений сделано в предположении слабых связей между отдельными цепями в пучке. При анализе ЭМВ между цепями многопроводных линий связи (ЛС) рассматривались всего три цепи: влияющая цепь; цепь, подверженная влиянию; третья цепь (ТЦ), в которую объединялись все искусственные и физические цепи многопроводной ЛС независимо от их конструкции, нагрузочных сопротивлений и протяженности. Предполагалось, что отсутствуют: обратное влияние со стороны цепи, подверженной влиянию и ТЦ на влияющую цепь; обратное влияние со стороны цепи, подверженной влиянию, на ТЦ; влияние между разными ТЦ.

Предполагалось, что влияющая и подверженная влиянию цепи замкнуты по концам на согласованные нагрузки, а также, что цепи имеют одинаковую протяженность.

При анализе ЭМВ между симметричными цепями не учитывалась асимметрия взаимовлияющих цепей и нагрузок. Также не учитывалось вероятностное изменение электромагнитных связей по длине кабеля. При выводе уравнений влияний между экранированными симметричными цепями не учитывалось влияние через промежуточные искусственные цепи и цепи, образованные экранами.

При рассмотрении влияния через третьи цепи при разных длинах взаимовлияющих цепей в работах И.И. Гроднева и В.О. Шварцмана [18,19,21] были сделаны следующие допущения: отсутствует обратное влияние цепей, подверженных влиянию на влияющие цепи; взаимные сопротивления и проводимости между цепями постоянны по длине линии; на участках, расположенных вне сближения с ТЦ, влияние отсутствует.

Рассмотрен только случай активных нагрузок.

В [25.27] для решения обобщенной системы телеграфных уравнений предложен метод последовательных приближений. Предполагалось, что цепи многопроводных ЛС являются слабо нерегулярными, а также слабосвязанными.

Выявлены основные пути перехода энергии и составляющие электромагнитных связей между взаимовлияющими цепями различных конструкций.

В работах Ионова А.Д. [28,29] рассмотрена возможность оценки качества кабельных линий передачи на основе статистических моделей нерегулярных цепей кабелей различных конструкций. Полученные соотношения непосредственного и косвенного влияний устанавливают взаимосвязь выходных параметров взаимных влияний от статистических характеристик неоднородностей коэффициентов электромагнитных связей, функции отклонения волнового сопротивления, влияющей и подверженной влиянию цепи.

Вопросы анализа электромагнитной совместимости при оборудовании цепей многопроводной направляющей системы различными системами передачи изложены Цымом А.Ю. в ряде работ [30.32]. В [30] разработана универсальная частотная модель ЭМС цепей многопроводной направляющей системы, в которой сигнал представлен в виде спектральной плотности, а тракты прохождения сигнала - как цепочки четырехполюсников с заданными коэффициентами передачи, на выходе которых определяется мощность помехи и вероятность мгновенных значений напряжения. Это позволяет решать проблемы ЭМС при оборудовании цепей аппаратурой цифровых и аналоговых систем передачи, а также предоставляет возможность нормирования электрических характеристик строительных длин кабелей, усилительных участков аналоговых систем передачи и регенерационных участков цифровых систем передачи.

Проблема электромагнитной совместимости физических цепей связи остро встает также в микроэлектронике, печатных платах, межблочных соединениях различных радиотехнических устройств ЭВМ. Этой проблеме также посвящено большое количество публикаций следующих авторов: А.Д. Князев, Л.Н. Кечиев, Б.В. Петров, Ю.А. Чурин, М.Л. Волин, Д. Уайт и др. [33.36]. Ввиду малой протяженности цепей связи в таких устройствах подход к решению основывается на замене распределенных параметров взаимной связи сосредоточенными или на представлении распределенных многосвязанных цепей в виде последовательного соединения многополюсников с сосредоточенными параметрами. В ряде работ при анализе электромагнитных влияний цепи связи рассматриваются как распределенные, но при этом не учитываются потери в проводниках.

Общему состоянию проблемы обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств на основе единой позиции комплексного подхода к решению проблемы рассмотрены в [34,35]. Даны общие рекомендации к кабельному монтажу, а также к разъемам и соединителям. В [36] разобраны вопросы экранирования РЭС и проектирование их с точки зрения предохранения от паразитных наводок.

Такой подход к анализу электромагнитной совместимости цепей внутриобьектовой связи приводит при определенных частотах и длительностях импульсов к существенным погрешностям в расчетах. Существующие методы анализа не позволяют прогнозировать ЭМС различных конструкций физических несогласованных цепей разветвленных распределенных сетей внутриобьектовой связи при передаче аналоговых и цифровых сигналов.

Вопросы электромагнитных влияний между экранированными цепями рассмотрены в [22.24,25,26,37.43]. Однако, как правило, исследования ЭМВ выполнены в ограниченном частотном диапазоне (десятки МГц), за исключением [37]. В работах [22.24,37.42] при математическом описании влияний между ЦС не учитывается косвенный переход энергии через промежуточные цепи.

Проблемы ЭМС различных кабелей и проводников рассматриваются на ежегодно проводимых семинарах и симпозиумах. Представленные к обсуждению материалы издаются. На 46-м международном симпозиуме (17.20 ноября, 1997г., Филадельфия) большое внимание было уделено вопросам ЭМС между цепями кабелей структурированных кабельных систем [44.46], где рассматривается проблема обеспечения требуемой помехозащищенности неэкранированных и экранированных симметричных кабелей.

В соответствии с вышеизложенным основные задачи диссертационной работы сводятся к следующим.

1. Разработка математических моделей и исследование электромагнитных влияний между нерегулярными по длине симметричными цепями (СЦ).

2. Разработка методик идентификации электромагнитных влияний между ЦВС по измеренным частотным характеристикам влияния. Установление связи между частотными и временными характеристиками влияния.

3. Разработка математических моделей и исследование электромагнитных влияний между экранированными симметричными цепями с нерегулярной по длине конструкцией. Анализ электромагнитных влияний между цепями при различных путях перехода энергии, законах изменения связей по длине линии, асимметрии цепей, конструкций экранов. Определение основных составляющих влияния и их связь с конструктивными параметрами цепей.

4. Разработка практических рекомендаций по изготовлению и использованию различных конструкций неэкранированных и экранированных СЦ с целью обеспечения требований по наивысшей помехозащищенности взаимовлияющих цепей.

5. Разработка алгоритма и метода прогнозирования электромагнитных влияний между цепями внутриобъектовой связи при передаче аналоговых и цифровых сигналов.

Методы исследования. Основу работы составляют методы теории электрических цепей, статистической теории связи, теории вероятностей и операционных преобразований. Значительная часть результатов работы получена с широким использованием численных методов, реализованных на компьютере в среде «МАТНСАО». Выводы и рекомендации, сформулированные в работе, основаны на теоретических и экспериментальных исследованиях.

Научная новизна работы.

1. Разработаны математические модели электромагнитных влияний между СЦ с нерегулярной по длине конструкцией в частотной и временной областях.

2. Теоретические исследования электромагнитных влияний между СЦ выполнены в области частот до 500 МГц с учетом современной потребности в расширении используемого диапазона частот. Получены новые закономерности изменения частотных характеристик влияния в исследуемом диапазоне частот в зависимости от конструктивных параметров. Определены основные составляющие влияния.

3. Проведен теоретический и экспериментальный (только в частотной области) анализ частотных и временных характеристик влияния в зависимости от длины, частоты, времени, характера изменения связей по длине, протяженности нескрученных и скрученных участков, а также периода следования по длине нескрученных участков. На основе проведенного анализа разработаны методики идентификации, позволяющие по измеренным частотным характеристикам влияния построить математические модели электромагнитных влияний между нерегулярными по длине СЦ.

4. Разработаны математические модели электромагнитных влияний между экранированными СЦ, экранированными СЦ и неэкранированными СЦ в частотной и временной областях. Полученные формулы справедливы для различных конструкций экранов и учитывают несогласованность цепей, а также разное состояние промежуточных цепей.

5. Определены качественные показатели ЭМС ЦВС, а также разработан алгоритм анализа электромагнитной совместимости цепей связи на различных технических объектах. Разработаны частотный и временной методы анализа ЭМС ЦВС с использованием детерминированных и вероятностных методов расчета помех на концах цепей связи.

6. Предложены методики расчета спектральных и временных характеристик помех и сигналов на входах приемных устройств ЦВС.

Практическая ценность работы заключается в следующем.

Разработанные математические модели позволяют анализировать электромагнитные влияния между различными конструкциями кабелей связи с нерегулярными по длине симметричными цепями.

Предложенные методики идентификации позволяют по измеренным частотным характеристикам влияния на базе полученных аналитических выражений построить адекватные математические модели электромагнитных влияний с учетом особенностей конструкции цепей, используемых в качестве внутриобъектовых.

На базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований электромагнитных влияний между неэкранированными и экранированными СЦ с учетом нерегулярности по длине даны рекомендации по конструированию кабелей структурированных кабельных систем с точки зрения обеспечения наивысшей помехозащищенности, оптимальных соотношений конструкции экрана и асимметрии взаимовлияющих цепей, а также подбора шагов скрутки, длин скрученных и нескрученных участков.

Предложенные методики расчета спектральных и временных характеристик помех и сигналов на входах приемных устройств ЦС позволяют определять результирующую помехозащищенность ЦВС с использованием детерминированных или вероятностных моделей влияний между цепями.

Предложенные методики расчета и экспериментальной оценки ЭМС цепей внутриобъектовой связи позволяют прогнозировать ЭМС цепей связи с учетом специфики их применения, определять требования к их помехозащищенности от взаимных влияний и пространственному расположению на стадии проектирования технических объектов.

17

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Математические модели электромагнитных влияний между неэкранированными и экранированными симметричными цепями с нерегулярной по длине конструкцией.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований электромагнитных влияний между различными конструкциями нерегулярных по длине СЦ.

3. Методики идентификации, позволяющие по измеренным частотным характеристикам влияния на базе полученных аналитических выражений построить математические модели электромагнитных влияний в частотной области с учетом особенностей конструкции цепей, используемых в качестве внутриобъектовых.

4. Рекомендации по изготовлению кабелей структурированных кабельных систем с высокой помехозащищенностью.

5. Спектральный и временной методы прогнозирования электромагнитных влияний между цепями внутриобъектовой связи при передаче аналоговых и цифровых сигналов.

1. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВЛИЯНИЙ МЕЖДУ НЕРЕГУЛЯРНЫМИ ПО ДЛИНЕ СИММЕТРИЧНЫМИ ЦЕПЯМИ

1.1. Постановка задачи

В настоящее время в различных системах связи, локальных вычислительных сетях, структурированных кабельных системах, объектах связи находят широкое применение кабели, которые можно отнести к нерегулярным, так как в них чередуются по длине скрученные и нескрученные участки цепей. Отличие этих кабелей заключается в использовании разной протяженности скрученных и нескрученных участков. Если в кабеле СКС скрученные участки составляют десятки сантиметров, то в многопарных кабелях, используемых на местных сетях взаимоувязанной сети, речь идет уже о десятках метров. Как правило, участки параллельного пробега стараются разнести по длине линии относительно друг друга у соседних пар. Это не всегда удается сделать, особенно в многопарных кабелях, в результате происходит полное или частичное совпадение участков параллельного пробега взаимовлияющих цепей.

Использование тех или иных конструкций кабелей в различных системах определяется помехозащищенностью цепей связи от взаимных электромагнитных влияний, поскольку это накладывает ограничения на допустимую длину используемых кабелей при передаче цифровых сигналов. Наихудшим, с точки зрения возникновения электромагнитных влияний считается случай, когда нескрученные участки по длине линии совпадают. Такое расположение цепей специально используется в ленточных кабелях для автоматизации монтажа.

Существующая теория влияний описывает ЭМВ между симметричными цепями с регулярной по длине конструкцией [18.20,25,26]. Основанные на этом математические модели не могут адекватно отображать электромагнитные процессы, происходящие в нерегулярных по длине цепях, поскольку не учитывают их специфики. В [28] предложена математическая модель нерегулярных по длине конструкций кабеля, вызванных случайными отклонениями геометрических размеров конструкции кабеля, электрическими свойствами диэлектрика и другими причинами, являющимися результатом некоторой случайности во времени технологических режимов производства. Однако воспользоваться соотношениями [28] также не представляется возможным, поскольку законы распределения влияний на ближнем и дальнем концах устанавливают взаимосвязь переходных затуханий и защищенности от статистических характеристик неоднородностей коэффициентов электромагнитных связей, функции отклонения волнового сопротивления взаимовлияющих цепей, но не учитывают нерегулярности в конструкции цепей.

Появление новых конструкций кабелей, используемых в качестве внутриобъектовых, возросшие требования к их рабочим характеристикам, скоростям передачи данных и полосам частот потребовало дополнительных теоретических и экспериментальных исследований электромагнитных влияний в диапазоне частот до 200. .500 МГц.

В соответствии с вышеизложенным, является актуальным разработка математической модели электромагнитных влияний между симметричными цепями с нерегулярной по длине конструкцией при различных законах изменения и составляющих электромагнитных связей по длине кабеля.

В этой главе теоретические исследования выполнены для трех наиболее распространенных конструкций нерегулярных по длине симметричных неэкранированных кабелей - четырехпарных кабелей СКС, ленточных кабелей и многопарных кабелей типа ТИП, используемых на местных сетях.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Самойлова, Надежда Альвиновна

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Разработана математическая модель электромагнитных влияний между нерегулярными по длине симметричными цепями. Получены аналитические выражения для частотных и временных характеристик влияния между цепями для различных законов изменения электромагнитных связей по длине линии. Проведен теоретический и экспериментальный анализ изменения ЧХВ в зависимости от длины, частоты, путей перехода энергии, характера изменения связей по длине линии, протяженности скрученных и нескрученных участков, периодов следования нескрученных участков по длине линии. На базе проведенного анализа разработаны методики идентификации, позволяющие по измеренным ЧХВ построить математические модели электромагнитных влияний между нерегулярными по длине симметричными цепями. Приведены соотношения, устанавливающие связь частотных и временных характеристик влияния. Получены формулы и даны рекомендации по определению коэффициентов электромагнитных связей по измеренным частотным характеристикам влияния. Используя предложенные методики идентификации, разработаны математические модели электромагнитных влияний в частотной области для существующих симметричных кабелей связи, с учетом нерегулярной по длине конструкции.

2. Разработана математическая модель электромагнитных влияний между экранированными симметричными цепями. Получены общие уравнения, описывающие влияния между симметричными цепями, разделенными экраном, и цепями, расположенными в разных экранированных группах, когда экраны соприкасаются или изолированы. Приведены аналитические соотношения для частотных характеристик влияния между цепями, находящимися в разных экранированных группах. Установлено, что при влиянии на БК, в низкочастотной области преобладает влияние за счет непосредственного перехода энергии между взаимовлияющими цепями, затем начинает сказываться косвенное влияние через промежуточные цепи, а на более высоких частотах опять непосредственное влияние. При влиянии на ДК, в низкочастотной области преобладает непосредственное влияние, а в области верхних частот косвенное влияние.

3. Проведены теоретические и экспериментальные исследования электромагнитных влияний между СЦ с различными конструкциями экранов: в виде сплошной трубки, трубки с продольной щелью и оплетки. Показано, что полученные выражения позволяют найти оптимальное соотношение значений толщины экрана и асимметрии взаимовлияющих цепей, исходя из требуемой помехозащищенности цепей. Получены формулы, позволяющие определять первичные параметры экранов СЦ по результатам измерения частотных характеристик влияния.

4. Разработан алгоритм анализа ЭМС нерегулярных по длине цепей на объектах связи. Приведены основные качественные показатели ЭМС ЦВС. Разработаны частотный и временной методы анализа ЭМС ЦВС с использованием детерминированных и вероятностных методов расчета помех на концах цепей связи. Приведены методики расчета спектральных и временных характеристик помех и сигналов на входах приемных устройств ЦС.

5. На базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований электромагнитных влияний между неэкранированными и экранированными СЦ с учетом нерегулярности по длине даны рекомендации по конструированию кабелей структурированных кабельных систем с точки зрения обеспечения наивысшей помехозащищенности, оптимальных соотношений конструкции экрана и асимметрии взаимовлияющих цепей, а также подбора шагов скрутки, длин скрученных и нескрученных участков.

6. Установленные в результате проведенных исследований закономерности изменения характеристик электромагнитного влияния рекомендуется использовать при выборе мероприятий по повышению защищенности ЦВС на стадии проектирования кабельных сетей внутриобъектовой связи.

171

Результаты диссертации использовались при разработке ТУ на кабели структурированных кабельных систем, а также при выпуске опытной партии кабелей ККПВ-4х2х0.53.

Внедрение результатов диссертации позволило подобрать оптимальные параметры цепей с целью обеспечения требуемой помехозащищенности цепей, минимума цены, материалоемкости и массы.

В настоящее время результаты диссертационной работы используются при подготовке производственной линии по выпуску кабелей структурированных кабельных систем, отвечающих международному стандарту ISO/IEC 11801 (Категория 5).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Самойлова, Надежда Альвиновна, 1999 год

1. Майоров А.П. Медные провода «протянут» до XX1.века//Сети и системы связи.-1998.-№1.-С.28-33

2. Гальперович Д., Лаптев А. Неэкранированные кабели Категории 5//LAN.1997,июнь.-т.4.- №4

3. Гальперович Д. Горизонтальная проводка Категории 5//LAN.-1996,декабрь.1. Т.2.- №8

4. Боксимер Э.А., Кузьмин В.В., Шляхтер Г.Н. Линии для SZ-скрутки кабелей связи//Кабельная техника.-1996.-№8-9.-С.46-51

5. Годе Э., Монтускла X. Разработки по кабелям категории 5/6//Wire Technology International.-1997,март-апрель

6. Смирнов И.Г. Структурированные кабельные системы.-М.:ЭКО-ТРЕНДЗ, 1998.-178с.

7. Никольский К.К. Кабели для структурированных сетей//Вестник связи.1998.-№5.-С.58

8. Парфенов Ю.А., Рысин Л.Г. Последние метры последней мили//Вестник связи.- 1998.-№4.-С. 108-110

9. Парфенов Ю.А., Кайзер Л.И. Комментарий к новому стандарту на абонентские линии//Вестник связи.-1998.-№7.-С.23-25

10. Ю.Гальперович Д. Путаница стандартов//ЬАЫ.-1996,ноябрь.-т.2.-№7 П.Беляев М. Стандарты структурированных кабельных систем//ЬАК-1997,май.-т.2.-№5

11. Гилмор М. Перспективы развития кабельных систем//Сети и системы связи.-1997.-№6.-С.39-41

12. Капустян В.И. О Европейской Директиве и экранированных кабельных проводках//Сети и системы связи.-1997.-№10.-С.30-35

13. Воловодов А.А. ЭМС и Европейская Директива//Сети и системы связи.-1997.-№12.-С.48-53

14. Смирнов И.Г., Роберт У., Фабер мл. Телекоммуникационные системы: электромагнитные помехи и электромагнитная совместимость//Сети и системы связи.-1997.-№4.-С.28-32

15. Смирнов И.Г. ОТР или 8ТР?//Сети и системы связи.-1997.-№6.-С.28-32

16. ТАЫ Т.С. Экранировать или не экранировать//Сети и системы связи.-1996.-№3

17. Шварцман В.О. Защищенность цепей связи от влияния электромагнитных полей.-М. :Связь, 1971 .-64с.

18. Шварцман В.О. Взаимные влияния в кабелях связи.-М.:Связь,1966.-430с.

19. Клейн В. Теория взаимного влияния в линиях связи.-М.:ИЛ, 1959.-204с.

20. Гроднев И.И., Шварцман В.О. Теория направляющих систем связи.-М. :Связь, 1978.-296с.

21. Каден Г. Электромагнитные экраны в высокочастотной технике и технике электросвязи.-М.-Л. :ГЭИ, 1957.-326с.

22. Гроднев И.И., Фролов П.А. Коаксиальные кабели связи.-М.:Радио и связь, 1983.-208с.

23. Гроднев И.И. Электромагнитное экранирование в широком диапазоне частот.-М.:Связь, 1972.-112с.

24. Андреев В.А. Временные характеристики кабельных линий связи.-М.:Радио и связь, 1986.-104с.

25. Андреев В.А. Развитие теории и методов анализа электромагнитной совместимости цепей линий связи при передаче аналоговых и цифровых сигналов:Дисс. на соиск. учен, степени докт. техн. наук.-М.:МЭИС,1991.-470с.

26. Андреев В.А. Математическое описание электромагнитных влияний на цепи многопроводных линий связи//Электросвязь.-1996.-№7.-С.17-19

27. Ионов А.Д. Статистически нерегулярные оптические и электрические кабели связи.-Томск:Радио и связь,Томский отдел, 1990.-323с.

28. Ионов А.Д. Разработка и исследование методов формирования качества кабельных линий передачи сетей связи: Автореферат дисс. на соиск. учен, степени докт. техн. наук.-Новосибирск, 1993.-28с.

29. Цым А.Ю. Повышение эффективности высокочастотных симметричных кабелей связи на основе развития теории многопроводных направляющих систем: Дисс. на соиск. учен, степени докт. техн. наук.-М.:ЦНИИС,1992.-268с.

30. ЦымА.Ю., Камалягин В.И. Соотношение между различными видами помех на регенерационном участке симметричного кабеля//Электросвязь.-1979.-№12.-С.1-7

31. Цым А.Ю., Деарт И.Д., Камалягин В.И. Взаимное влияние ИКМ-120 и ИКМ-480 при совместной работе по одному кабелю//Электросвязь.-1984.-№4.-С.27-30

32. ЗЗ.Чурин Ю.А. Переходные процессы в линиях связи быстродействующих схем ЭВМ.-М.:Сов. радио, 1975.-207с.

33. Князев А.Д., Кечиев JI.H., Петров Б.Н. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости.-М.:Радио и связь, 1989.-224с.

34. Уайт Д. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи/Внутрисистемные помехи и методы их уменьшения.-М.:Сов. радио,1978.-Вып.2.-272с.

35. Волин M.JL Паразитные процессы в радиоэлектронной аппаратуре.-М. :Радио и связь, 1981 .-296с.

36. Backmann М., Dr. Pfeiler С., Wabmuth A. Crosstalk model for pair-shielded data cables// International Wire & Cable Symposium Proceedings.- 1997.-P.238-243

37. Вэнс Э.Ф. Влияния электромагнитных полей на экранированные кабели.-М.:Радио и связь, 1982.-118с.

38. Бароева И.М., Казанчян Г.П., Карамян С.Г., Тареев Б.М. Металлизированные ленты для экранирования кабелей и проводов//Кабельная техника.-1982.-Вып.1.-С.12-13

39. Tomita N., Ohmura M., Kojima N. Crosstalk Loss Characteristics between Shielded Balanced Pairs //REVIEW Electical Communication Laboratories.-1983.-Vol.31 ,№.2.-P.205-211

40. Kley Т. Optimized single-braided cable shields//IEEE Transactions on electromagnetic compatibility.-1993.-Vol.35,№1 .-P. 1-9

41. Kley Т. Electromagnetic coupling to and from shielded cables-optimizing factors// IEEE Transactions on electromagnetic compatibility.-1992.-Vol.34,№l.-P.39-46

42. Попов В.Б. Исследование и разработка метода оценки электромагнитных влияний между коаксиальными цепями внутриобъектовой связи:Дисс. на соиск. учен, степени канд. техн. наук.-М.:МЭИС, 1991.-200с.

43. Prudhon D., French М. EMC compliance testing of link termination in local area networks//International Wire & Cable Symposium Proceedings.- 1997.-P. 107-110

44. Wilhelm D. Measurement of coupled noise attenuation//International Wire & Cable Symposium Proceedings.- 1997.-P.534-538

45. Pelt M., De Win P. Termiation of a screen in practise earthing versus grounding//International Wire & Cable Symposium Proceedings.- 1997.-P.692-697

46. Джорджевич A.P., Саркар Т.К., Харингтон Р.Ф. Временные характеристики многопроводных линий передачи//ТИИЭР.-1987.- т.75.-№ 6.-С. 100-118

47. Абрамов К.К. Моделирование и расчет кабелей связи на ЭВМ.-М. :Связь, 1979.-78с.

48. Schelkunof S.A. Conversion of Maxwell's equations into generalized telegrapher's equations //Bell Syst. Tech.I.-1955,Sept.-Vol.34.-P.995-1043.

49. Lorenz R.M. Uber Lecher-Wellen, Leitungs-Wellen und TEM-Wellen aufVerlustbehaften Mehrleitersystemen und die Bedeutung der Diffusions-gleichnung zur Ermittlung der Leitungsbelage//Frequens.-1971,July.-Vol.25.-P.208-214.

50. Ионов А.Д., Попов Б.В. Линии связи: Учебн. пособие для вузов.-М.:Радио и связь, 1990.-168с.

51. Самойлова H.A. Исследование параметров взаимного влияния кабелей локальных сетей, имеющих нерегулярную конструкцию: Тез. докл. МКЭМК-97-М. :ВНИИКП, 1997,-123с.

52. Самойлова H.A. Исследование параметров взаимного влияния кабелей локальных сетей//Сборник научных трудов молодых ученых ПИИРС/АТИ.-Самара,1997. -Вып.2.-С.46-49

53. Андреев В.А., Самойлова Н.А Математическое описание электромагнитных влияний между нерегулярными по длине симметричными цепями: Тез. докл. Vpocc. научно-техн. конф.-Самара:ПИИРС,1998.- 65с.

54. Андреев В.А, Самойлова H.A. Математическое описание ЭМВ между нерегулярными по длине СЦ: Тез. докл. LUI научной сессии, посвящ. Дню радио-М.:МТУСИ,1998.- 98с.

55. Диткин В.А., Прудников А.П. Справочник по операционному исчислению.-М.:Высшая школа, 1965.-466с.

56. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Кн. 1.-М.:Сов. радио, 1974.-522с.

57. Лившиц H.A., Пугачев В.Н. Вероятностный анализ систем автоматического управления. Часть I.-M. :Сов. радио, 1963 .-896с.

58. Купер Д., Макгиллем К. Вероятностные методы анализа сигналов и систем: Пер. с англ.-М.:Мир,1989.-376с.

59. Строительство кабельных сооружений связи:Справочник/Д.А.Барон, И.И. Гроднев, В.Н. Евдокимов и др.- 4-е изд., перераб. и доп.-М.:Радио и связь, 1988.-768С.

60. Гроднев И.И., Верник С.М. Линии связи.-М.:Радио и связь, 1988.-542с.

61. Смирнов И.Г. Распространение сигналов: задержка прохождения и смещение задержки//Вестник связи.-1998.-№8.-С.39-40

62. Цым А.Ю., Камалягин В.И. Междугородные симметричные кабели для цифровых систем пере дачи.-М.:Радио и связь, 1984.-160с.

63. Цветков Д.В. О возможностях частотного метода измерения волновых параметров коротких трактов.-М.:ИТМ-ВТ АН СССР, 1971.-23с.

64. Введенский Ю.В., Глебович Г.В., Горячев JI.H., Ковалев И.П. Применение импульсного рефлектометрического способа для измерения простейших неоднородностей СВЧ линий передачи//Измерительная техника.-1979.-№1.-С.63-64

65. Гальперович Д., Яшнев Ю. Испытания проводки Категории 5//LAN.1997,апрель.-т.З .-№3

66. Гальперович Д. Расширенная Категория 5 или Категория 67//LAN.1998,апрель.-т.4.-№4

67. Андреев В.А., Самойлова H.A. Исследование электромагнитных влияний между симметричными цепями. Первая международная НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов/ТВестник связи/Минск.-1999.-№1.-С.31-34

68. Гальперович Д., Лаптев А. Жизнеспособны ли кабельные системы Категории 67//LAN.-1996,октябрь.-т.2,- №6

69. Гальперович Д., Яшнев Ю. Экранировать сетевую проводку или HeT?//LAN.-1996,сентябрь.-т.2.- №5

70. Майоров А.П. Категории 6 и 7: будущее медных кабелей//Сети и системы связи.-1997.-№11.-С. 19

71. Андреев В.А., Самойлова H.A. Электромагнитные влияния в экранированных кабелях структурированных кабельных систем: Тез. докл. LIV научной сессии, посвящ. Дню радио-М.:МТУСИ,1999,- 54с.

72. Андреев В.А., Самойлова Н.А Математическое описание электромагнитных влияний между экранированными симметричными цепями: Тез. докл. VI росс, научно-техн. конф.-Самара:ПГАТИ,1999.- 38с.

73. Иванов M. Структурированные кабельные системы//Компьютер пресс.-1996.-№10.-С.7-18

74. Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи/В.И. Кравченко, Е.А. Болотов, Н.И. Летунова; под ред. В.И. Кравченко.-М.:Радио и связь, 1987.-256с.

75. Справочник по расчету электромагнитных экранов.-Л.:Энергоатомиздат. Ленингр. отделение,1988.-224с.

76. Конструирование функциональных узлов ЭВМ на интегральных схемах/Б.И. Ермолаев, В.И. Вартанян, В.И. Дудоров и др.; под ред. Б.И. Ермолаева.-М. :Сов.радио, 1978.-200с.

77. Хабигер Э. Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике:Пер. с нем./И.П. Кужекин; под ред. Б.К. Максимова.-М. :Энергоатомиздат, 1995 .-304с.

78. Прудон Д. Кабельные системы для скоростной передачи данных//Сети и системы связи.-1998.-№5.-С.44-48

79. Бакланов И.Г. Концепция системного внедрения оборудования «последней мили»//Вестник связи,-1998.-№11.-С.38-46

80. Самойлова Н.А, Шашкин О.Ю. Проблемы электромагнитной совместимости цепей внутриобъектовой связи: Тез. докл. III росс, научно-техн. конф.-Самара:ПИИРС, 1996.- 89с.

81. Самойлова Н.А. Анализ электромагнитной совместимости в структурированных кабельных системах: Тез. докл. V росс, научно-техн. конф.-Самара:ПИИРС,1998.- 71с.

82. Самойлова Н.А. Исследование взаимных влияний между цепями ленточных проводов: Тез. докл. IV росс, научно-техн. конф.-Самара:ПИИРС,1997.- 82с.

83. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений.-М.:Сов.радио,1970.-727с.

84. Hansen D. EMV in spannungsfeld zwischen entwicklung, verkauf und management und technik. etz.//Techn. Rundschau.-1989.-№9.-P.36-41

85. Feser К. ЕМУ eine aktuelle herausforderung fur wissenschaft//Techn. Rundschau.-1989.-№ 16.-P.800-806

86. Jasper J.G. Electromagnetic compatibility (EMC)//Phys. Technol.(GB).-1997.-Vol. 18,№.2.-P.61-67

87. Самойлова H.A. Идентификация электромагнитных влияний между нерегулярными по длине симметричными цепями: Тез. докл. VI росс, научно-техн. конф.-Самара:ПГАТИ,1999.- 44с.

88. Андреев В.А., Самойлова Н.А. Косвенный метод определения первичных параметров влияния по результатам измерения электромагнитных влияний между цепями//Труды учебных заведений связи/СПбГУТ.-СПб,1998.-№164.-С.98-103

89. Андреев В.А., Самойлова Н.А. Исследование электромагнитных влияний между цепями в структурированных кабельных системах//Сборник научных трудов молодых ученых Поволжья/АТИ.- Самара, 1999. -Вып.4.-С.44-47

90. Самойлова Н.А. Математическое описание электромагнитных процессов в несогласованных цепях внутриобъектовой связи: Тез. докл. LII научной сессии, посвящ. Дню радио-М.:МТУСИ,1997.- Часть1.-95с.

91. Самойлова Н.А. Влияния между симметричными и коаксиальными цепями: Тез. докл. LIII научной сессии, посвящ. Дню радио-М.:МТУСИ,1998.- 98с.

92. Самойлова Н.А. Методы анализа электромагнитной совместимости цепей внутриобъектовой связи//Сборник научных трудов молодых ученых ПИИРС/АТИ.- Самара, 1996. -Вып. 1.-С.41-44

93. Андреев В.А., Попов В.Б., Самойлова Н.А. Методика расчета и анализа результирующих электромагнитных влияний в сложных разветвленных жгутах станционных кабелей: Тез. докл. LI научной сессии, посвящ. Дню радио-М. :МТУСИ, 1996.- 98с.

94. Левин Л.С., Плоткин М.А. Цифровые системы передачи информации.-М.:Радио и связь, 1982.-216с.97.0птические системы передачи:Учебник для вузов/ Б.В. Скворцов, В.И. Иванов, В.В. Крухмалев и др.; под ред. В.И. Иванова.-М.:Радио и связь, 1994.-224С.

95. Новиков Ю.В., Карпенко Д.Г. Аппаратура локальных сетей: функции, выбор, разработка/под ред. Ю.В.Новикова.-М.:ЭКОМ,1998.-288с.

96. Самойлова H.A. Исследование параметров взаимного влияния кабелей локальных сетей, имеющих нерегулярную конструкцию//Электросвязь.-1999.-№6.-С.38-40

97. Андреев В.А., Самойлова H.A. Определение сопротивления и проводимости связи по результатам измерения электромагнитных влияний между цепями//Радиотехника.-1999.-№8.-С.37-39

98. Самойлова H.A. Теоретический анализ электромагнитных влияний между цепями многопарных кабелей с нерегулярной конструкцией//В кн.:Андреев В.А. Теория электромагнитных влияний между цепями связи.-М.:Радио и связь, 1999.-С.86-92

99. Самойлова H.A. Исследование электромагнитных влияний между экранированными цепями//В кн.¡Андреев В.А. Теория электромагнитных влияний между цепями связи.-М.:Радио и связь, 1999.-С. 167-172