Какими свойствами обладают неоднородные линии
Проведённый выше анализ процессов и явлений в симметричных и коаксиальных цепях предполагал однородность линии. Однородная линия имеет постоянные электрические характеристики на всём протяжении, она нагружена на концах сопротивлениями, равными волновому . В этом случае отраженных электромагнитных волн нет и вся передаваемая энергия полностью поглощается приёмником, электрические процессы в линии точно описываются уравнениями (3.1, 3.2), а затухание линии определяется её собственным затуханием.
При изготовлении кабелей вследствие не совершенства технологии возникают различные дефекты: деформации изоляции, проводников, отклонения диаметров проводников и толщины изоляции от номинальных значений, эллиптичность проводников в коаксиальной паре, их несоосность и др. Вследствие этого кабель становится неоднородным по длине, изменяются его параметры, линия становится неоднородной. Однородность линии определяется постоянством волнового сопротивления по длине линии. Мерой неоднородности линии является коэффициент отражения p в месте сосредоточенной неоднородности (рис. 5.6).
Рисунок 5.6 – Схема однородной (а) и неоднородной (б) линии
. (5.31)
В неоднородной линии появляются отраженные волны, которые искажают характеристику собственного волнового сопротивления линии. Теперь линия характеризуется входным сопротивлением, характер которого приведен на рис. 5.7.
Рисунок 5.7 – Частотная зависимость входного сопротивления цепи
Изменение входного сопротивления цепи на её концах приводит к несогласованности на концах линии и к появлению концевых отражений с коэффициентом отражения
,
где – входное сопротивление линии.
Дальность связи по неоднородной линии будет определяться не собственным затуханием линии , а рабочем затуханием
, (5.32)
где и – коэффициенты отражения на стыках “генератор–кабель” и “приёмник–кабель”.
; .
Рабочее затухание – более общий параметр, т.к. кроме собственного затухания кабеля , учитывает также влияние несогласованности на стыках кабеля с нагрузкой.
В линиях неоднородных по длине различают внутренние неоднородности – в пределах строительной длины кабеля, и стыковые – обусловленные разбросом конструктивных, а следовательно, и электрических параметров.
Стыковые неоднородности, как правило, превышает внутренние неоднородности в кабеле сказываются, главным образом, на волновом сопротивлении кабеля, величина которого в месте сосредоточенной неоднородности отличается от номинальной.
Реальный кабель является неоднородной цепью. Электромагнитная волна, распространяясь по такой цепи и встречая на своём пути неоднородность, частично отражается от неё и возвращается к началу линии. При наличии нескольких неоднородных участков при распространении волны возникают многократные частичные отражения, что вызывает увеличение рабочего затухания и искажения характеристик цепи.
Неоднородности в кабеле приводят к появлению в цепи двух дополнительных потоков энергии: обратного (встречного), движущегося к началу цепи (генератору), и попутного, совпадающего с основным потоком. Схема образования встречных и попутных потоков представлена на рис. 5.2.
Рисунок 5.8 – Схема образования встречного и попутного потоков
Попутный поток особенно проявляется на длинных линиях. Попутный поток искажает форму передаваемого сигнала, создаёт помехи. Появление попутного потока отрицательно влияет на передачу телевизионных сигналов,
т. к. в этом случае нарушаются фазовые соотношение в структуре ТВ сигнала.
Величина попутного потока не должна превышать 1% основного. В аналоговых системах передачи попутный лимитируется на участке ОП1 – ОП2 линии, а в цифровых – на длине регенерационного участка.
Для повышения однородности электрических характеристик линии производится группирование строительных длин кабеля. При этом строительные длины располагают так, чтобы величины их волновых сопротивлений нарастали от начала регенерационного (усилительного) участка к его середине. На концах линии прокладываются кабели с номинальным волновым сопротивлением.
Вопросы для самоконтроля
1. Дайте определение однородной и неоднородной линии.
2. Чем характеризуется степень однородности линии?
3. Какие факторы приводят к неоднородности линии?
4. Дайте определение рабочего затухания.
5. Объясните смысл всех слагаемых в 5.1.
6. Как образуются встречный и попутный потоки?
7. Как влияют встречный и попутный потоки на передачу различных сигналов?
8. Какие неоднородности существуют в кабелях?
9. Какие меры применяются для повышения однородности линии?
Рекомендуемые страницы:
Источник
В
неоднородной линии отраженные волны
искажают частотную характеристику
собственного волнового сопротивления
кабеля. Подключенный ко входу цепи
измерительный прибор покажет уже не
волновое, а входное
сопротивление
Zвх,
характеризующее новое электрическое
состояние линии. Затухание неоднородной
линии представляет собой суммарную
величину, включающую, кроме собственного
затухания кабеля также затухание за
счет неоднородности электрических
характеристик цепи. Дальность связи по
такой кабельной линии будет обусловливаться
не собственным затуханием линии a
= l,
а ее рабочим
затуханием
ар.
Следует
отметить, что передача электромагнитной
энергии по неоднородным линиям находится
в неблагоприятных условиях и качество
связи по ним может быть совершенно
неудовлетворительным.
Линии
с несогласованными нагрузками по концам.
Входным
сопротивлением такой линии будет
сопротивление, измеренное на входе
линии при любом нагрузочном сопротивлении
на ее конце.
Zвх
= U / I = Zв
th (γl
+ n)
где
n
= 0,51n[(Zв
+ Zl)/(Zв
– Zl)]
= 0,51n(1/р);
р
—
коэффициент отражения.
Если
линия имеет согласованную нагрузку (Zl
= Zв),
то Zвх
= Zв
и коэффициент отражения р
= 0. Для электрически длинной линии при
любой нагрузке на ее конце.
Входное
сопротивление линии можно также выразить
через величину эквивалентного коэффициента
отражения р,
отнесенную к началу линии, в виде
Zвх
= Zв
[(1 + p)/(1
– p)]
≈ Zв
(1 + 2p)
Рабочее
затухание
aр
является затуханием кабельной цепи в
рабочих условиях, т. е. при любых
нагрузочных сопротивлениях (Z0
и Zl)
на концах. Оно представляет более общий
параметр, так как кроме собственного
затухания кабеля a
= αl
учитывает также влияние несогласованности
на стыках кабеля (Zв)
с нагрузкой (Z0
и Zl).
Рабочее
затухание рассчитывается по формуле
aр
= aсобствен.
+ анач
+ аконец
+ авзаимод.
aр
= αl
+ ln
| (Z0
+ Zв)/2√Z0Zв
| + ln
| (Zl
+ Zв)/2√ZlZв
| + ln
| 1 – p1p2e-2γ
Неоднородности
в кабеле приводят к появлению в цепи
двух дополнительных потоков энергии:
обратного,
состоящего из суммы элементарных
отраженных волн в местах неоднородностей
и движущегося к началу цепи, и попутного,
возникающего по закону двойных отражений
вследствие того, что первоначально
отраженные волны, движущиеся к началу
цепи, встречая места неоднородностей,
частично отражаются и направляются к
концу линии.
12. Оценка искажений импульсных сигналов в двухпроводных линиях связи с потерями
Условие
Хевисайда: если в некоторой цепи L*G=C*R
до искажения будут отсутствовать ( для
реальных кабелей условие не выполняется
).
На
вход подаётся единичный импульс.
При
↑N
↓затухание
отклика
1.
tu/N=200
t1 – текущее время, tu – длительность
импульса
2.
tu/N=20
Параметр N ~ (α*l)2/2
3.
tu/N=2
Форма
искажения импульсных сигналов в
двухпроводных линиях связи с потерями
определяется:
А)
затуханием
Б)
длиной кабельной магистрали
Чем
↑А) и Б) тем ↑ искажение формы сигнала.
Возникает межсимвольная интерференция.
Межсимвольная
интерференция ярко проявляется при
высоких скоростях передачи информации.При
передаче с высокими скоростями –
2400-9600 бит/с и выше, т.е. при удельных
скоростях Бод/Гц и более, наиболее
главными становятся искажения АЧХ и
ФЧХ. Дело в том, что эти искажения вызывают
изменения формы переданных сигналов,
появления «хвостов» которые тянутся
за сигналами переносчиками.
Источник
Исследование отраженного сигнала позволяет обнаруживать, определять местоположение и идентифицировать неоднородности в линии передачи, составлять модели неоднородностей.
Возможности обнаружения и определения величины неоднородностей, разделения во времени действия двух неоднородностей определяются длительностью фронта зондирующего сигнала, его амплитудой и отношением сигнал/шум стробоскопического преобразователя, используемого в исследованиях. Для подобных исследований используется метод рефлектометрии (от слова «рефлекс») – измерение реакции объекта на сигнал определенной формы.
Принцип действие рефлектометра аналогичен действию локационной системы с высоким разрешением во времени. При исследованиях неоднородностей линии передачи зондирующий сигнал распространяется по неоднородной линии передачи, рисунок 30.
Рисунок 30. Структурная схема измерений неоднородностей линии передачи.
Коэффициент отражения при последовательном включении однородности в линию определяется величиной комплексного сопротивления:
,
при параллельном включении неоднородностей в линию – величиной проводимости:
Таким образом, для получения отрицательного коэффициента отражения используется параллельное подключение элементов к линии передачи или уменьшение волнового сопротивления линии, для получения положительного коэффициента отражения используется последовательное подключение элементов в линию передачи или увеличение волнового сопротивления линии. Значения коэффициента отражения в частотной области могут быть определены по значению комплексного сопротивления или проводимости элементов, полученному из приведенных выше выражений.
Для определения значения элементов по временной зависимости коэффициента отражения используется зондирование линии стандартными сигналами с известным спектром. Чаще всего используется единичный перепад напряжения.
Для определения величины элементов в воспользуемся известными выражениями, используемыми в импульсной рефлектометрии [3].
Рассмотри параллельное подключение емкости в линию. Операторный коэффициент отражения
При малых значениях емкости, Выражение означает, что во временной области происходит дифференцирование зондирующего сигнала и инверсия.
В результате возникает отраженный сигнал
.
Если зондирующий сигнал имеет линейно нарастающий фронт и амплитуду Е, то
Учитывая, что постоянная времени заряда определим значение емкости по величине отраженного сигнала:
.
Обычно в расчетах используются нормированные значения коэффициента отражения, , далее под U0 будем подразумевать нормированную величину.
Заряд емкости происходит по экспоненциальному закону, поэтому погрешность определения величины емкости возрастает при увеличении U0. При U0 =0,5 погрешность . При больших значениях U0 необходимо определять площадь отраженного сигнала:
.
При последовательном включении в линию передачи индуктивности
Меняется знак коэффициента отражения. Поэтому все полученные формулы справедливы и для индуктивности, с учетом . Величину индуктивности определяем по формуле
При больших коэффициентах отражения
Последовательная емкость в линии передачи:
Происходит заряд емкости с постоянной времени
По известному времени нарастания напряжения на конденсаторе и фронту зондирующего импульса определим время заряда конденсатора , с учетом =2,2 τ0
Аналогичны определения параллельной индуктивности по операторному коэффициенту передачи
:
Сведем наиболее часто используемые схемы корректирующих цепей, формы переходных характеристик и расчетные формулы в таблицу 1.
Таблица 1. Расчетные формулы для определения
неоднородностей в линии передачи.
Рассмотрим пример включения неоднородностей в линию передачи, показанный на рисунке 31.
Рисунок31. Структурная схема неоднородностей линии передачи.
Определим точки подключения реактивных неоднородностей С1, Ll, в линию передачи. Расстояния от входа линии до соответствующих неоднородностей связываются с началом процессов следующим соотношением:
При зондировании этой линии передачи перепадом напряжения с коротким фронтом получим рефлектограмму, приведенную на рисунке 32.
Рис.32. Рефлектограмма неоднородностей в линии передачи
Параллельное подключение конденсатора на время заряда емкости снижает сопротивление на конце первого отрезка линии передачи, в результате отраженный сигнал имеет отрицательный знак. В случае малой емкости, при условии, что постоянная времени заряда , длительность переднего фронта отраженного сигнала равна длительности переднего фронта зондирующего импульса. Длительность заднего фронта в этом случае определяется временем перехода от переднего фронта к вершине зондирующего импульса и для случая малого выброса переднего фронта или монотонного импульса принимается также равным переднему фронту зондирующего сигнала.
Таким образом, длительность отраженного сигнала, при условии малых величин неоднородностей (при ), равна удвоенному переднему фронту. После заряда емкости она на зондирующий сигнал больше не влияет.
Последовательно включенная небольшая индуктивность приводит к кратковременному повышению сопротивления на выходе второй линии передачи. Отраженный сигнал при этом имеет положительный знак. При условии, что постоянная времени изменения тока через индуктивность , длительность отраженного сигнала принимается равной удвоенному фронту.
Изменение волнового сопротивления линии приводит частотно-независимому отражению, а длительность реакции определяется передним фронтом зондирующего импульса и длиной линии передачи с неизменным волновым сопротивлением.
Знак коэффициента отражения при подключении активного частотно-независимого сопротивления на конце линии передачи определяется величиной этого сопротивления относительно волнового сопротивления.
Время, когда проявляется действие неоднородностей, определяется временем задержки сигнала в линиях передачи, расположенных до неоднородности и не зависит от величины их волновых сопротивлений:
В качестве примера определим параметры кольцевой корректирующей цепи по известным искажениям ПХ корректируемой системы. Пусть максимальные значения отклонений этой характеристики от l(t) составляют: , а длительность по уровню 0,1 от их максимальных значений не превышает 2tф. Пусть также t1 = tф = 50 пс, t2 – 105 пс, t3 = 500 пс, t4 = 605 пс, а линия имеет волновое сопротивление р – 50 Ом и выполнена из диэлектрика с относительной диэлектрической проницаемостью = 9.
Расстояния от входа линии до места включения неоднородностей определим из формулы , где с – скорость света в свободном пространстве. Из этой формулы находим: l1 = 0,25 см, l2 = 0,502 см, l3 = 2,025 см, l4= 2,5 см. Как видим, получены вполне приемлемые расстояния реализации кольцевой цепи в микроминиатюрном исполнении. Из формул, приведенных в таблице 1 определяем значения емкостей и индуктивностей: C1 = 0,2 пФ, С2 = 0,18 пФ, L1 = 0,3 нГн, L2 = 0,4 нГн. При р = 50 Ом ее сопротивление Z0 = 50 Ом.
Отметим, что при затянутых начальных участках фронта ПХ, во избежание ошибок в определении места включения неоднородностей в линию передачи, начало отсчета времени следует определять как точку пересечения касательной к фронту при с осью абсцисс.
5.4 Определение времени задержки через преобразование Гильберта
При анализе отраженных сигналов в пикосекундном диапазоне, благодаря высокой разрешающей способности, становится возможным определение внутренней структуры объектов или взаимного расположения отдельных частей объекта. Для этого необходимо определять соответственные времена задержки отраженных сигналов. При прохождении сигнала через объект и многократных отражениях сигнала форма отраженного сигнала значительно отличается от зондирующего сигнала. Возникает проблема в определении точек, между которыми необходимо производить отсчеты времени задержки.
Как следует из предыдущего материала, изменение времени задержки, приводящее к изменению фазовых свойств объекта, влияет на частотные характеристики объекта. Это означает, что характеристики объекта будут либо неоднозначными, при учете неминимально-фазовых свойств, либо искаженными, если их не учитывать.
Предлагается следующий алгоритм определения задержки [3]. Исследуемую характеристику можно изобразить в виде каскадного соединения двух частей. Первая часть описывается минимально-фазовым коэффициентом передачи , вторая часть – неминимально-фазовым коэффициентом передачи , рисунок 33.
Рисунок 33. Каскадное соединение минимально-фазового и
неминимально-фазового звеньев.
Модуль и аргумент первой передаточной функции, также, как и спектр минимально-фазовой части отраженного сигнала связаны преобразованием Гильберта:
Эта часть передаточной функции ответственна за искажения спектральных составляющих. В этой части передаточной функции появление выходного сигнала начинается в момент подачи входного сигнала, то есть задержка отсутствует.
Неминимально-фазовая часть представляет собой характеристику фазового корректора с передаточной функцией . Так как модуль коэффициента передачи этой функции равен единице, то его импульсная характеристика содержит , с соответствующим групповым временем задержки. Время задержки определяется по первому экстремуму ненеминимально-фазовой передаточной функции.
Алгоритм определения времени задержки следующий:
1. По отраженному сигналу через преобразование Фурье определить его спектр ;
2. Определить модуль спектра ;
3. Определить фазовую характеристику минимально-фазовой части через преобразование Гильберта
4. Найти спектр минимально-фазовой части ПФ
5. Найти спектр неминимально-фазовой части ПФ
6. Через обратное преобразование Фурье определить импульсную функцию
7. Определить задержку сигнала по первому экстремуму импульсной функции
Интуитивно было очевидно, что время задержки необходимо определять по первому отклику.
Рекомендуемые страницы:
Читайте также:
Источник
Основным методом точного определения неоднородностей оптической линии является метод обратного рассеяния, или рефлсктоме- грия. Этот метод тестирования оптического волокна очень удобен тем, что требует доступа только к одному концу оптического кабеля и дает о нем полную информацию. Для определения неоднородностей в оптической линии методом рефлектомстрии используют ОР (см. п. 9.1.5).
В основе этого метода лежат два физических эффекта, возникающих в оптическом волокне при распространении в нем оптического импульса. Рэлеевскос рассеяние — постоянное ослабление оптического импульса, связанное с наличием микрочастиц и неоднородностей в оптическом волокне. Френелевское отражение — отражение части светового потока на границах раздела сред, имеющих различный коэффициент распространения световых волн.
При проведении рефлектомстрии в оптическое волокно вводится короткий оптический импульс. Вследствие эффекта рэлеевского рассеяния некоторая часть фотонов отражается на неоднородностях оптического волокна и меняет траекторию. Из-за этого небольшая часть светового потока распространяется в обратном направлении и регистрируется фотоприемником ОР. Так как примеси и неоднородности оптического волокна распределяются равномерно по всей длине, то отраженная энергия несет информацию о состоянии всей оптической линии.
Главным фактором, влияющим на величину энергии, отраженной в обратном направлении и принятой фотоприемником ОР, является коэффициент распространения сигнала по волокну. Как правило, величина коэффициента распространения для одномодового волокна на длине волны 1550 нм составляет 0,2 дБ/км. Коэффициент обратного рассеяния А’выражас гся как отношение отраженной мощности сигнала к мощности, распространяемой в прямом направлении. Логарифмический коэффициент обратного рассеяния, нормализованный при длительности импульса 1 нс, определяется формулой /С= 10 log А”— 90.
Эффект френелевского отражения — основной фактор, позволяющий определять точное местонахождение точек резкого изменения коэффициента распространения света в оптической линии. Такими точками могут быть места сварок участков оптического волокна, электрические и механические соединители, места сколов и обрывов оптических волокон. На этих участках значительная часть энергии отражается в обратном направлении. Например, уровень мощности отраженного светового импульса от границы раздела кварц/воздух (обрыв оптического волокна со сколом под углом 90°) составляет 14 дБ. Этот уровень в 4000 раз больше уровня сигнала, генерируемого рэлеевским рассеянием. Уровень отражения мощности в местах сварок и механического соединения, где используется специальный гель, во много раз меньше.
Результаты тестирования оптической линии представляются в виде рефлектограммы и выводятся на дисплей ОР. Пример рефлектограм- мы приведен на рис. 9.6.
Рис. 9.6. Пример рефлектограммы
На точность измерений, проводимых с использованием ОР, влияет достаточно большое число факторов, включая как метрологические характеристики ОР, так и выбор оптимальных параметров измерения для каждого индивидуального оптического волокна.
Важное значение при проведении измерений имеет подготовительная фаза. Следует обратить внимание на условие полного отсутствия пыли и грязи в точках физического соединения оптического волокна и ОР. При диаметре сердечника менее 10 мкм в одномодовом волокне частица грязи в 5 мкм, расположенная на коннекторе, может полностью блокировать передачу. От частоты сопрягаемых поверхностей напрямую зависит уровень инжекции.
Современные ОР позволяют практически полностью автоматизировать измерения, требуют минимального вмешательства оператора и определяют нижеследующие параметры тестируемых оптических линий.
Для каждого события на рефлектограмме:
- — расстояние;
- — потери;
- — коэффициент отражения.
Для каждого участка оптического волокна:
- — длина;
- — потери на участке (коэффициент затухания);
- — обратные оптические потери.
Для полной оптической линии:
- — длины отдельных звеньев и всей линии;
- — потери в звене и общие потери;
- — обратные оптические потери каждого звена.
Источник