МДК.05.02 для группы МТС-17
учебно-методический материал

Практическая работа №__

«Расчет параметров симметричного кабеля»

Цель работы: научиться рассчитывать первичные и вторичные параметры симметричных кабелей связи.

Задание:

1. В соответствии с вариантом из таблицы 1 выписать исходные данные для расчета.

Таблица 1 – Исходные данные

* обозначение типа изоляции:

Т – трубчатая;

КП – кордельно-полистирольная;

СП – сплошная полиэтиленовая;

ПП – пористо-полиэтиленовая.

2. Расшифровать марку заданного кабеля, заполнив таблицу 2.

Таблица 2 – Расшифровка марки кабеля

3. Определить конструктивные размеры кабеля.
4. Рассчитать первичные и вторичные параметры передачи.
5. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. От чего зависят и не зависят первичные параметры передачи?
2. Какие процессы характеризуют параметры R и L?
3. Какие процессы характеризуют параметры G и C?
4. От чего зависит волновое сопротивление кабеля?
5. Назовите единицы измерения первичных параметров передачи.

Методические указания по выполнению:

1. Выпишите исходные данные для своего варианта:

Таблица 1 – Исходные данные

2. Расшифруйте марку заданного кабеля, заполнив таблицу 2. Например, для Варианта 11:

Таблица 2 – Расшифровка марки кабеля

3. Определите конструктивные размеры кабеля.

По заданному значению диаметра токопроводящей жилы необходимо определить диаметр изолированной жилы. Изоляция жил в симметричных кабелях по конструкции может быть представлена различными профилями. Например:

а) Т – трубчатая – выполняется в виде бумажной ленты, наложенной в виде трубки (см. рис.1).

Рисунок 1 – Трубчатая изоляция

Профиль такой изоляции представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Профиль трубчатой изоляции

Диаметр изолированной жилы для трубчатой изоляции определяется по формуле 1:

d1 = d + 2tв + 2tл

где d – диаметр токопроводящей жилы, мм;

tв – диаметр воздушного зазора между жилой и лентой, мм;

tл – толщина бумажной ленты, мм.

б) КП – кордельно-полистирольная – состоит из нити корделя, расположенного открытой спиралью на проводнике, и ленты, которая накладывается поверх корделя (см. рис.3).

Рисунок 3 – Кордельная изоляция

Профиль такой изоляции представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Профиль кордельной изоляции

Диаметр изолированной жилы для кордельной изоляции определяется по формуле 2:

d1 = d + 2dк + 2tл

где d – диаметр токопроводящей жилы, мм;

dк – диаметр корделя, мм;

tл – толщина ленты, наложенной поверх корделя, мм.

в) СП или ПП – сплошная или пористая полиэтиленовая – выполняется из сплошного слоя пластмассы или пенопласта (см.рис.5).

Рисунок 5 – Сплошная или пористая изоляция

Профиль такой изоляции представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Профиль сплошной или пористой изоляции

Диаметр изолированной жилы со сплошной или пористой изоляцией определяется по формуле 3:

d1 = d + 2tи

где d – диаметр токопроводящей жилы, мм;

tи – толщина изоляционного слоя, мм.

Изолированные жилы в кабеле  скручиваются в четверки (звезды), поэтому, рассчитав, диаметр одной изолированной жилы, необходимо определить диаметр звездной четверки, называемой также элементарной группой (см. рис.7).

Рисунок 7 – Элементарная группа (четверка)

Диаметр элементарной группы определяется по формуле 4:

d3 = d1 + a

где а – расстояние между центрами жил, определенное по формуле 5:

а = ⋅d1 , мм

Зная диаметр одной четверки можно определить диаметр всего кабельного сердечника Dкс:

- для кабеля 1х4: Dкс = d3;

- для кабеля 4х4: Dкс = 2,41⋅d3;

- для кабеля 7х4: Dкс = 3⋅d3.

Для Варианта 11 определим все размеры:

d1 = d + 2dк + 2tл = 1,2+2⋅0,8+2⋅0,14 = 3,08 мм 

а ⋅d1 = 1,41⋅3,08 = 4,34 мм

d3 = d1 + a = 3,08+4,34 = 7,42 мм

Dкс = 2,41⋅d3 = 2,41⋅7,42 = 17,88 мм

Зарисуем заданный кабельный сердечник 4х4 и отметим все найденные значения:

Рисунок 8 – Размеры сердечника 4х4

4. Выполним расчет первичных параметров передачи.

Активное сопротивление цепи определим по формуле 6:

R = R0⋅[1+F(kr0)+] +Rм , Ом/км

где р – коэффициент, учитывающий тип скрутки, для звездной скрутки равен 5;

d – диаметр жил, мм (задан в табл.1);

а – расстояние между центрами жил, мм (определили ранее по формуле 5);

k – коэффициент вихревых токов, равный k= ;

r0 – радиус токопроводящей жилы, мм, равный половине диаметра жилы; в общем виде: kr0 = 0,0105d ;

F(kr0), G(kr0), H(kr0) – функции, учитывающие потери на вихревые токи вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости, значения которых приведены в Приложении А;

Rм – составляющая активного сопротивления, обусловленная потерями в окружающих металлических массах, для частоты 200 кГц задана в таблице 1. Для расчета Rм на другой частоте применяется формула 7:

Rм = Rм200 ; Ом/км

где f – частота в Гц (задана в табл.1 в кГц, перевести в Гц).

R0 – сопротивление цепи на постоянном токе, рассчитываемое по формуле 8:

R0 =  ; Ом/км

где χ - коэффициент укрутки (1,02 – 1,07);

ρ - удельное сопротивление материала, для меди равен 0,0175 Ом⋅мм2/м.

Для Варианта 11:

R0 =  = 31,5 Ом/км

kr0 = 0,0105⋅1,2 = 6,3

F = 1,5 ;  G = 1 ;  H = 0,585;

Rм = 15 = 16,8 Ом/км

R = 31,5⋅[1 + 1,5 + ] + 16,8 = 107, 5 Ом/км

Индуктивность симметричной кабельной цепи определяется как сумма внешней межпроводниковой индуктивности и внутренней индуктивности самих проводников:

L = χ⋅[4⋅ln]⋅10-4; Гн/км

где μ - относительная магнитная проницаемость, для меди равна 1;

Q(kr0) – определяется из Приложения А для рассчитанного ранее kr0.  

Для Варианта 11:

Q(kr0) = Q(6,3) = 0,44

L = 1,02[4⋅ln]⋅10-4 = 1,02[7,40+0,44]⋅10-4= 0,79 мГн/км

Емкость симметричной цепи определяется по формуле:

С = χ⋅εэ⋅10-6 / (36 lnψ); Ф/км

где εэ – эквивалентное значение диэлектрической проницаемости, для различной по конструкции изоляции приведено в таблице 3.

Таблица 3 – Значение диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь

ψ - поправочный коэффициент, характеризующий близость проводов цепи к заземленной оболочке и другим проводникам, при звездной скрутке определяется по формуле:

ψ =

Для Варианта 11:

ψ =  = 0,64

С = 1,02⋅1,25⋅10-6 /(36⋅ln 0,028⋅10-6 = 28 нФ/км

Проводимость изоляции кабельных цепей определяется по формуле:

G = ω⋅С⋅tgδэ ; См/км

где ω - угловая частота, равная 2πf;

С – емкость, рассчитанная ранее;

tgδэ  - тангенс угла диэлектрических потерь (см. табл.3).

Для Варианта 11:

G = 2⋅3,14⋅250000⋅28⋅10-9⋅12⋅10-4 = 52,7 мкСм/км

5. Выполните расчет вторичных параметров передачи.

Коэффициент затухания определяется по формуле:

α = ⋅8,69; дБ/км

Коэффициент фазы:

β = ω ; рад/км

Волновое сопротивление в области высоких частот:

Zв =  ; Ом

Скорость распространения электромагнитной волны:

ν =   ; км/с

Время распространения:

Т = 1/ν; с/км

6. Дайте ответы на контрольные вопросы.

Приложение А

Продолжение Приложения А

Л.1.10.Первичные параметры передачи

Качество передачи по кабельным линиям связи и их электрические свойства полностью характеризуются первичными параметрами кабеля: активным сопротивлением R, индуктивностью L, емкостью C  и проводимостью изоляции G. Эти параметры определяются лишь конструкцией кабеля, используемыми материалами и частотой тока.

По физической природе параметры кабеля аналогичны параметрам колебательных контуров, составленных из элементов R,L, и C. Разница состоит лишь в том, что в контурах эти параметры (G,L и C) являются сосредоточенными, а в кабелях они равномерно распределены по всей длине цепи.

Принято определять параметры линий связи на 1 км длины.

На рис.1 представлена эквивалентная схема участка цепи связи.

Рисунок 1 – Эквивалентная схема цепи связи

Здесь включенные последовательно R и L (продольные) образуют суммарное сопротивление Z=R+jωL, a G и С (поперечные) — суммарную проводимость Y=G+jωC.

Параметры R и L характеризуют процессы в металлических частях линии (проводники, экраны, оболочки), параметры G и С — процессы в диэлектрике (изоляция кабеля, изоляторы воздушных линий).

При прохождении сигналов связи по линии уменьшаются  напряжение и ток, так что мощность сигнала, проходящего в конец линии, существенно меньше начальной.

R обусловливает потери энергии на тепло в проводниках и других металлических частях (экран, оболочка, броня), G — потери в изоляции. Если бы удалось создать линию с проводниками, обладающими сверхпроводимостью (R =0) и идеальной изоляцией (G=0), то передача электромагнитной энергии по такой линии проходила бы без потерь.

Активное сопротивление цепи R складывается из сопротивления проводников самой цепи и дополнительного сопротивления, обусловленного потерями в окружающих металлических частях кабеля (соседние проводники, экран, оболочка, броня). При расчете R обычно суммируют сопротивление цепи постоянному току (Ro) и переменному току  (R~):

R = Ro + R~

Сопротивление цепи зависит от материала, диаметра, длины проводников и наличия окружающих металлических масс и измеряется в Омах на километр (Ом/км).

Индуктивность цепи L обусловлена появлением (индуцированием) электродвижущей силы (ЭДС) при изменении магнитного потока. При этом индуцированная ЭДС может быть вызвана как изменением магнитного потока в соседней цепи (взаимоиндукция), так и — в собственной цепи (самоиндукция). Индуктивность определяется отношением магнитного потока к току L=F/I. 

 Индуктивность цепи складывается из внутренней индуктивности самих проводников и внешней индуктивности, обусловленной внешним магнитным потоком:

L = Lвт+Lвш

Индуктивность цепи зависит от материала, размеров проводников и расстояния между ними. С ростом частоты передаваемого тока уменьшается внутренняя индуктивность. Внешняя индуктивность остается постоянной. Индуктивность измеряется в миллигенри на километр (мГн/км).

Емкость цепи С — аналогична емкости конденсатора, у которого обкладками служат поверхности проводников, а диэлектриком — изоляционный материал. Емкость выражается отношением количества электричества напряжению:  С= Q/U.

Емкость цепи зависит от диаметра проводников, расстояния между ними, свойств изоляционного матери и близости соседних металлических масс. Емкость практически постоянна в очень широком диапазоне частот.

 В кабельной технике емкость цепи принято называть рабочей емкостью в отличие от частичных емкостей, т.е. емкостей между любыми отдельными жилами и жилами-оболочкой кабеля.

Емкость цепи измеряется в нанофарадах на км (нФ/км).

Проводимость изоляции G  xapaктеризует качество изоляции проводников цепи (диэлектрик кабеля, материал изоляторов). Под проводимостью изоляции понимается явление частичной электропроводимости изоляционных материалов, в результате часть передаваемой по цепи энергии рассеивается в диэлектрике, т. е. происходит утечка тока.

Проводимость изоляции складывается из проводимостей изоляции постоянному (Go) и переменному току (G~):

G = G0+ G~

Проводимость изоляции постоянному току обратно пропорциональна величине сопротивления изоляции (Rиз):

Go=1/Rиз

Проводимость изоляции переменному току растет с увеличением частоты и существенно зависит от качества диэлектрика — тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ):

G~= ω·C·tg δ

В результате  проводимость   изоляции определяется  следующей  формулой:

G =1/Rиз + ω·C·tg δ

 Обычно величина G0=1/Rиз — мала, поскольку сопротивление изоляции нормируется 1000—10000 МОм·км.

Проводимость изоляции измеряется в сименсах на километр (См/км).

Первичные параметры передачи (R, L, С, G) зависят от диаметра и материала проводников, расстояния между ними, типа изоляции, частоты и температуры.

Рассмотрим графики зависимости первичных параметров линий связи R, L, С, G от частоты, диаметра проводника и расстояния между проводками.

С увеличением  частоты (рис. 2) значение параметров R и G возрастает за  счет  потерь  в проводниках  на вихревые токи  и  в изоляции  на  диэлектрическую поляризацию, а индуктивность L уменьшается, так как из-за поверхностного  эффекта  уменьшается внутренняя индуктивность проводника. Емкость С от частоты не зависит.

Рисунок 2 – Зависимость первичных параметров от частоты

При увеличении  расстояния  между проводниками   (рис.3) параметры R, С, G закономерно уменьшаются, а индуктивность L возрастает.

Рисунок 3 – Изменение первичных параметров при увеличении расстояния между проводниками

Снижение R обусловлено уменьшением потерь на эффект близости. Рост L связан с увеличением площади контура, пронизываемого магнитным потоком. Емкость С уменьшается, так как проводники удаляются друг от друга и уменьшается их взаимодействие.

С увеличением диаметра проводников (рис.4) параметры С и G растут, a L уменьшается. Изменение активного сопротивления имеет сложный характер. Это обусловлено тем, что с увеличением диаметра проводника сопротивление постоянному току резко уменьшается, а сопротивление за счет поверхностного эффекта и эффекта близости растет. Поэтому вначале R снижается резко, а затем снижение замедляется.

Рисунок 4 – Изменение первичных параметров при увеличении диаметра проводников

Порядок величин первичных параметров КЛС следующий:

R= от 5 до 200 Ом/км;

L = от 0,6 до 2 мГн/км;

С = от 5 до 50 нФ/км;

G = от 1 до 200 мкСм/км.

Теоретически от температуры зависят все четыре первичных параметра. Однако практически следует учитывать лишь температурную зависимость активного сопротивления. Изменение от температуры L, С, G весьма незначительно. Температурная зависимость активного сопротивления цепи определяется по формуле:

Rt = R20[1+αR(t-20)

где Rt — сопротивление при температуре t°С,

R20 — сопротивление при температуре 20°С;

αR — температурный коэффициент сопротивления, равный для меди 0,004 и для алюминия 0,0037.

С увеличением температуры сопротивление цепи растет (рис.5). Физически это объясняется тем, что с увеличением температуры возрастает хаотическое движение атомов решетки и затрудняется прохождение электронов через нее.

Рис.5 - Зависимость электрического  сопротивления от температуры

Л.1.11 Вторичные параметры передачи

Вторичными параметрами линии являются:

- волновое (характеристическое) сопротивление Zв;

- коэффициент распространения γ.

Они широко используются для оценки эксплуатационно-технических качеств линии связи. При проектировании, сооружении и эксплуатации кабельных магистралей в первую очередь нормируются и контролируются именно вторичные параметры линии.

Волновое сопротивление ZB — это сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль однородной   линии без отражения, т. е. при условии отсутствия влияния на процесс передачи несогласованности нагрузок по концам линии. Волновое сопротивление свойственно данному типу кабеля и зависит лишь от его первичных параметров и частоты передаваемого тока.

Волновое сопротивление, Ом, рассчитывается по формуле:

По своей физической природе величина ZB не зависит от длины кабельной линии и постоянно в любой точке цепи.

Электромагнитная энергия, распространяясь вдоль кабельной линии, уменьшается по величине от начала к концу линии. Уменьшение или затухание энергии объясняется потерями ее в цепи передачи. Различают два вида потерь.

Во-первых, потери в металлических элементах кабеля (токопроводящие жилы, экран, оболочка, броня). При прохождении тока по кабельной цепи происходит нагревание токопроводящих жил и других металлических элементов и создаются тепловые потери энергии. С ростом частоты эти потери увеличиваются: чем больше активное сопротивление цепи R, тем больше потери энергии в металлических элементах кабеля.

Во-вторых, потери в изоляции (диэлектрике). Эти потери обусловлены несовершенством применяемых изоляционных материалов и затратами энергии на диэлектрическую поляризацию (G).

Потери в цепи передачи учитываются через коэффициент распространения γ, который является комплексной величиной и может быть представлен суммой действительной и мнимой ее частей:

Чем длиннее кабельная линия, тем больше изменяется передаваемая энергия (сигналы связи) по величине и фазе.

При передаче сигналов связи параметры  α и β  характеризуют соответственно   затухание и изменение фаз тока, напряжения  и мощности на участке кабельной цепи длиной 1 км  и называются коэффициентом затухания и  коэффициентом  фазы.

Коэффициент распространения γ =α+jβ одновременно определяет изменение сигнала, как по абсолютной величине, так и по фазе на 1 км длины кабеля.

Логарифмируя обе части  приведенных выше выражений, получаем формулы для расчета затухания, дБ:

αl=20lg|U0/Ul| = 20lg|I0/Il|

αl= 10lg(P0/Pl)  

 Затухание в 1 дБ характеризует уменьшение по мощности в 1,26 раза, а по току или напряжению в 1,12 раз.

Между неперами и децибелами существует следующее соотношение:

1Нп = 8,686 дБ или 1дБ = 0,115 Нп

Коэффициент фазы β измеряется в радианах или градусах на 1 км (1  рад = 57,3°).

Характер изменения тока вдоль однородной кабельной линии показан на рис.1.

Рисунок 1 – Изменение тока по амплитуде и фазе вдоль линии

Как видно из графика, вектор тока уменьшается и изменяет фазу вдоль линии. Уменьшение тока происходит   по   экспоненциальному закону (eαl).

Рассмотрим далее зависимость вторичных параметров кабельной линии от частоты. Для упрощения анализа этой зависимости выразим вторичные параметры кабельных линий ZB и γ сокращенными формулами, которыми можно пользоваться для расчетов.

При постоянном токе (f=0):

 = α+jβ =

 Следовательно, для данного случая коэффициент затухания α = , коэффициент фазы β = 0, а волновое сопротивление:

 =

 В диапазоне низких частот (f ≈800 Гц) индуктивность кабельных цепей невелика, и можно пренебречь величиной ωL по сравнению с R.

В этом случае можно также не считаться с параметром G по сравнению с ωС , т. е. в низкочастотном диапазоне R>ωL и G<ωС, тогда:

 = +j

В свою очередь  Zв:

∙e-j45

 При высокочастотной передаче по кабельной цепи имеют место следующие соотношения:

Тогда, применив к выражению коэффициента распространения γ формулу бинома Ньютона и ограничившись лишь первыми двумя членами разложения, получим:

;

Волновое  сопротивление  в  этом  случае можно рассчитывать по формуле:

Эти формулы обеспечивают достаточную точность при расчетах, начиная примерно с f = 3050 кГц. Для кабельных цепей с искусственно увеличенной индуктивностью эти же формулы справедливы и при  более  низких  частотах.   

 Во всех остальных случаях расчет коэффициентов затухания и фазы, а также волнового сопротивления следует производить по полным формулам.

На рис.2 приведена типовая частотная зависимость коэффициента затухания и коэффициента фазы кабельной цепи.

Рисунок 2 – Частотная зависимость коэффициентов α и β 

Коэффициент затухания α, равный при постоянном токе  вначале растет резко,  а  затем  более плавно.  Коэффициент фазы β растет от нуля почти по прямолинейному закону.

Характер частотной зависимости волнового сопротивления цепи кабеля иллюстрируется графиком, изображенным на рис.3.

Рисунок 3 – Частотная зависимость волнового сопротивления

Модуль волнового сопротивления  с  изменением частоты уменьшается от  значения  (при f = 0) до  и сохраняет эту величину во всей области высоких частот. Угол волнового сопротивления равен нулю при постоянном токе (f = 0) и высоких частотах, а на частотах, близких к 800 Гц, имеет максимальное значение. В кабельных линиях угол всегда отрицателен и по абсолютной величине не превышает 45°, что свидетельствует о преобладании емкостной составляющей и емкостном характере волнового сопротивления кабелей.

В качестве примера укажем, что кабель  с  кордельно-бумажной из изоляцией и диаметром жилы d = 1,2 мм имеет  волновое сопротивление 490e-j41° при  f = 800 Гц и 175е-4°   при f =60 000 Гц.

Лекция №__

Электрические процессы в коаксиальных кабелях.

Первичные и вторичные параметры коаксиальных кабелей.

В коаксиальных кабелях (КК) один проводник находится внутри другого проводника, поэтому они относятся к закрытым направляющим системам. Закрытыми – называются направляющие системы поля, которых не выходят за пределы геометрических размеров этой системы.

В результате по коаксиальному кабелю можно передавать очень широкий спектр частот при сравнительно малых потерях энергии; кабель хорошо защищен от влияния соседних цепей и внешних помех.

Взаимодействие электромагнитных полей внутреннего и внешнего проводников в КК таково, что его внешнее поле равно 0 (см.рис.1).

Рисунок 1 – Результирующее магнитное поле КК

Токи в проводниках а и б равны по величине и обратны по знаку, поэтому магнитные поля внутреннего и внешнего проводников На и Нб в любой точке пространства вне кабеля также равны по величине и направлены в разные стороны, а значит магнитное поле вне кабеля:

Н = На + Нб = I/2πr + (-I/2πr) = 0

Таким образом, линии магнитного поля КК располагаются в виде концентрических окружностей внутри него. Электрическое поле также замыкается внутри КК по радиальным направлениям между проводниками а и б (см. рис.2).

Рисунок 2 – Электромагнитные поля СК (а) и КК (б)

Как видно из рисунка 2, электромагнитное поле КК полностью замыкается внутри него, а силовые линии электрического поля симметричного кабеля (СК) действуют на довольно значительном от него расстоянии. Отсутствие внешнего электромагнитного поля обусловливает основные достоинства КК: широкий диапазон частот, большое число каналов, защищенность от помех и возможность организации однокабельной связи. В симметричных цепях из-за наличия внешнего электромагнитного поля возникают вихревые токи в соседних цепях и окружающих металлических массах (свинцовой или алюминиевой оболочке, экране и т.д.) и часть энергии рассеивается в виде потерь на тепло.

Вывод: вся энергия распространяется только внутри КК и эффективно передается по цепи. На высоких частотах защита от помех также обеспечивается конструкцией КК.

Первичные параметры КК

В области высоких частот (свыше 60 кГц), для которых используется КК, первичные параметры определяются следующими формулами.

Активное сопротивление, Ом/км:

R = Rа + Rб =  

где k =  – коэффициент вихревых токов;

σ - проводимость;

rа и rб – радиусы внутреннего и внешнего проводников, равные половине диаметров.

 Для медных проводников:

R = 4,18⋅10-2, Ом/км

Для алюминиевых проводников:

R = 5,4⋅10-2, Ом/км

Если внутренний проводник медный, а наружный алюминиевый:

R = [4,18+5,4]⋅10-2

Индуктивность, Гн/км:

L = Lвш + Lа + Lб = [2ln + (+)]⋅10-7

Для медных проводников:

L = [2⋅ln]⋅10-4 ;  Гн/км

Для алюминиевых:

L = [2⋅ln]⋅10-4 ;  Гн/км

Емкость, нФ/км:

С = εэ⋅10-6 / (18 ln)

где εэ – эффективное значение диэлектрической проницаемости, для различной по конструкции изоляции приведено в таблице 3.

Таблица 1 – Значение диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь

Проводимость изоляции, См/км:

G = G0 + G~ =  + ω⋅С⋅tgδэ 

где ω - угловая частота, равная 2πf;

С – емкость;

tgδэ  - тангенс угла диэлектрических потерь (см. табл.1);

Rиз – сопротивление изоляции, равное 10000 МОм⋅км.

В области высоких частот величиной G0 можно пренебречь.

Вторичные параметры КК

КК используются в спектре от 60 кГц и выше, где R<ωL  и G<ωC, поэтому вторичные параметры можно рассчитать по формулам:

Коэффициент затухания, Нп/км:

α = αм + αд =  

Коэффициент фазы, рад/км:

β = ω 

Волновое сопротивление, Ом:

Zв =  

Скорость распространения электромагнитной волны, км/с

ν =   

Однако, эти параметры целесообразно выражать непосредственно через габаритные размеры (d и D) и характеристики изоляции (ε и tgδ):

α =  (10-3 + 9,08f tgδ⋅10-5

β = ω

Где с – скорость света.

ν =  =

Zв = ln

Практическая работа №__

«Расчет параметров коаксиального кабеля»

Цель работы: научиться рассчитывать первичные и вторичные параметры коаксиальных кабелей связи.

Задание:

1. В соответствии с вариантом из таблицы 1 выписать исходные данные для расчета.

Таблица 1 – Исходные данные

* обозначение типа изоляции:

ПШ – полиэтиленовая шайба;

БП – балонно-полиэтиленовая;

КС – кордельно-стирофлексная;

ПС – полиэтиленовая спираль;

ПП – пористо-полиэтиленовая.

2. Расшифровать марку заданного кабеля, заполнив таблицу 2.

Таблица 2 – Расшифровка марки кабеля

3. Рассчитать первичные и вторичные параметры передачи.
4. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. Перечислите первичные параметры передачи коаксиального кабеля.
2. Почему в коаксиальном кабеле отсутствуют потери в окружающих его металлических массах?
3. Перечислите достоинства коаксиальных кабелей по сравнению с симметричными.

Методические указания по выполнению:

1. Выпишите исходные данные для своего варианта:

Таблица 1 – Исходные данные

2. Расшифруйте марку заданного кабеля, заполнив таблицу 2. Например, для варианта 11:

Таблица 2 – Расшифровка марки кабеля

Зарисуйте сечение кабеля в соответствии с вариантом (см. рис.1).

Рисунок 1 – Поперечное сечение кабеля КМ-4

3. Выполним расчет первичных параметров передачи.

Активное сопротивление для медных проводников определим по формуле 1:

R = 4,18⋅10-2, Ом/км

Для алюминиевых проводников по формуле 2:

R = 5,4⋅10-2, Ом/км

где f – частота, заданная в таблице 1 (необходимо перевести в Гц);

rа и rб – радиусы внутреннего и внешнего проводников, равные половине диаметров, заданных в таблице 1;

Для Варианта 11:

R = 0,0418 = 41,3 Ом/км

Индуктивность коаксиального кабеля для медных проводников определяется по формуле 3:

L = [2⋅ln]⋅10-4 ;  Гн/км

Для алюминиевых – по формуле 4:

L = [2⋅ln]⋅10-4 ;  Гн/км

Для Варианта 11:

L = [2⋅ln]⋅10-4 = 0,266 мГн/км

Емкость коаксиального кабеля определяется по формуле 5:

С = εэ⋅10-6 / (18 ln);  Ф/км

где εэ – эффективное значение диэлектрической проницаемости, для различной по конструкции изоляции приведено в таблице 3.

Таблица 3 – Значение диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь

Для Варианта 11:

С = 1,13⋅10-6 /18⋅ln = 46,9⋅10-9 = 47 нФ/км

Проводимость изоляции  определяется по формуле 6:

G = ω⋅С⋅tgδэ ; См/км

где ω - угловая частота, равная 2πf;

С – емкость, рассчитанная ранее;

tgδэ  - тангенс угла диэлектрических потерь (см. табл.3).

Для Варианта 11:

G = 2⋅3,14⋅106⋅47⋅10-9⋅0,8⋅10-4 = 23,6 мкСм/км

4. Выполните расчет вторичных параметров передачи.

Коэффициент затухания определяется по формуле:

α = ⋅8,69; дБ/км

Коэффициент фазы:

β = ω ; рад/км

Волновое сопротивление в области высоких частот:

Zв =  ; Ом

Скорость распространения электромагнитной волны:

ν =   ; км/с

Время распространения:

Т = 1/ν; с/км

5. Дайте ответы на контрольные вопросы.

Лекция 4

Нормы параметров медно-кабельных линий

Для линий местной связи основными электрическими характеристиками, позволяющими дать оценку состояния цепей, являются:

- величина сопротивления шлейфа Rшл;

- рабочая емкость Cр;

- сопротивление изоляции Rиз;

- собственное затухание А (эквивалент затухания по громкости).

Сопротивление цепи влияет на слышимость, а это учитывается величиной затухания. Сопротивление цепи постоянному току влияет на величину тока питания микрофона.

Большая величина рабочей емкости увеличивает затухание цепи, что приводит к ухудшению слышимости. Сопротивление изоляции зависит от качества диэлектрика, температуры окружающей среды и частоты тока. При уменьшении сопротивления изоляции возрастает собственное затухание цепи.

Основные эл. характеристики кабелей местной связи и проводного вещания приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Электрические характеристики кабелей связи

Практические задания к лекции 4

Задание 1: Определить минимально допустимый диаметр жил кабелей, используемых для абонентской линии (АЛ) СТС, включенной в оконечную станцию (ОС), которая имеет соединительные линии (СЛ) на узловую станцию (УС). При этом АЛ состоит из двух участков:

l1 , выполненного кабелем ТПП;

l2 , выполненного кабелем ПРППМ.

Проверить правильность выбора диаметров жил путем расчета затухания А, сопротивления шлейфа Rшл и рабочей емкости Ср на всю длину АЛ и сравнения результатов расчета с нормами.

Таблица 2 - Исходные данные

Методические указания по выполнению:

Станционное оборудование ОС СТС рассчитано так, чтобы Rшл и рабочая емкость Cр, включаемых в станцию АЛ, не превышали соответственно 1200 Ом и 2 мкФ. Затухание А на АЛ не должно превышать 6 дБ при уплотнении СЛ высокочастотной системой передачи (ВЧ СП) и 4,5 дБ – при уплотнении низкочастотной системой передачи (НЧ СП).

Таким образом, на основании исходных данных необходимо подобрать такие диаметры жил кабелей ТПП и ПРППМ, чтобы вся АЛ длиной L= l1+l2 имела бы А, Rшл и Ср, не превышающие нормы.

Рассмотрим пример решения при условии, что l1 = 2,1 км, l2 =3,7 км и СЛ уплотнена ВЧ СП.

На основании вышеизложенного необходимо, чтобы АЛ, выполненная из кабеля ТПП длиной 2,1 км и кабеля ПРППМ длиной 3,7 км, имела бы электрические характеристики, не превышающие норм:

А = 6 дБ, Rшл = 1200 Ом. Cр = 2 мкФ

Общее затухание составной линии определяется по формуле:

А = α1·l1 + α2·l2,     дБ

где α1, α2 – коэффициенты затухания кабелей ТПП и ПРППМ, дБ/км (определяются по таблице 1);

l1, l2 – длина линии соответственно из кабелей ТПП и ПРППМ, км.

Предположим, что для данной линии будем использовать кабели с минимальным диаметром: ТПП с диаметром 0,32 мм и ПРППМ с диаметром 0,8 мм. Тогда по табл.1 α1= 1,92 дБ/км, α2 = 0,73 дБ/км и общее затухание АЛ составит:

А = 1,92·2,1 + 0,73·3,7 = 6, 733 дБ

Полученное затухание больше нормы:

6,733 дБ > 6 дБ

Тогда с таким диаметром кабели выбирать нельзя.

Попробуем выбрать кабель ТПП с диаметром 0,4 мм, у которого α1 = 1,54 дБ/км, кабель ПРППМ оставим с диаметром 0,8 мм. Тогда общее затухание:

А = 1,54·2,1 + 0,73·3,7 = 5.93 дБ

Теперь полученное затухание не превышает норму:

5,93 дБ < 6 дБ

Тогда проверяем правильность выбора диаметром по сопротивлению шлейфа и емкости. Из таблицы 1 видно, что для кабеля ТПП с диаметром 0,4 мм Rшл = 278 Ом/км, Ср = 0,045 мкФ/км. Для кабеля ПРППМ диаметром 0,8 мм: Rшл = 72 Ом/км, Ср = 0.05 мкФ/км.

Сопротивление шлейфа определяется по формуле, Ом:

Rшл = Rшл к · l

где Rшл к – сопротивление шлейфа одного километра линии, Ом/км;

l – длина линии, км.

Рабочая емкость цепи определяется по формуле, мкФ:

Ср = Ср к · l

где Ср к – рабочая емкость одного километра цепи, мкФ/км.

Используя вышеприведенные формулы, определим сопротивление шлейфа всей АЛ:

Rшл = Rшл к1·l1 + Rшл к2·l2 = 278·2,1 + 72·3,7 = 850,2 Ом,

что не превышает норму Rшл н = 1200 Ом.

Рабочая емкость всей АЛ будет равна:

Ср = Ср к1·l1 + Ср к2·l2 = 0,045·2,1 + 0,05·3,7 = 0,28 мкФ

что также меньше нормы Ср н = 2 мкФ.

Вывод: из полученных результатов расчета видно, что для данной АЛ диаметры жил кабелей ТПП и ПРППМ выбраны правильно.  

Ответьте на контрольные вопросы:

1. Расшифруйте марки кабелей ТПП и ПРППМ, укажите их назначение, конструкцию, материал оболочки и изоляции, скрутку, возможные емкости, диаметры жил и способы прокладки.
2. Для чего применяется аппаратура уплотнения на кабелях?
3. Зарисуйте схему двухступенчатой СТС, обозначьте на схеме все линии, станции, кабели.

Задание 2: Определить минимально допустимый диаметр жил и выбрать марку кабеля для АЛ или СЛ ГТС. Рассчитать затухание А, сопротивление шлейфа Rшл, рабочую емкость Cр АЛ или СЛ с применением выбранного кабеля. Сделать вывод о правильности выбора марки кабеля на основании сравнения результатов расчета с нормами.

Таблица 3 – Исходные данные

Методические указания по выполнению:

Нормы затуханий на ГТС приведены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Распределение затухания на ГТС

Затухание АЛ на частоте 800 Гц зависит от диаметра жил кабелей:

- для диаметра 0,32 мм – А=3,5 дБ;

- для диаметра 0,4 мм – А=4,0 дБ;

- для диаметра 0,5 мм – А=4,5 дБ.

Для АЛ ГТС Rшл = 1000 Ом, Ср=0,5 мкФ; для СЛ ГТС Rшл=3000 Ом, Ср=1,6 мкФ.

Например, определим минимально допустимый диаметр жил и выберем марку кабеля для АЛ ГТС (участок АТС-ТА) длиной 2 км.

Минимально допустимая норма затухания А на АЛ составляет 3,5 дБ (см.рис.1), тогда коэффициент затухания α равен:

α = А/l,

где А – норма затухания АЛ;

l – длина АЛ.

Подставим заданные значения в формулу:

α = 3,5/2 = 1,75 дБ/км

Для АЛ ГТС наиболее часто применяют кабели ТПП. Из табл.1 выбираем кабель ТПП  с таким (минимальным) диаметром жил, коэффициент затухания которого был бы близок к расчетному, но не больше его. Например, выберем кабель ТПП с диаметром жил 0,4 мм. Пересчитаем коэффициент затухания для этой нормы:

α = 4/2 = 2 дБ/км

Выпишем характеристики выбранного кабеля:

Rшл = 278 Ом/км, Ср = 0,045 мкФ/км, α=1,54 дБ/км

Проверим, подходит ли выбранный кабель для АЛ по Rшл и  Ср:

Rшл = Rшл к · l = 278·2 = 556 Ом

Ср = Ср к · l = 0,045·2 = 0,09 мкФ

Сравнивая полученные расчеты с нормами для АЛ (Rшл = 1000 Ом, Ср=0,5 мкФ), можно сделать вывод, что выбранный кабель подходит для АЛ по сопротивлению шлейфа и рабочей емкости. Затухание такой линии составит:

А = α·l = 1,54·2 = 3,08 дБ

что меньше допустимой нормы 4,0 дБ.

Ответьте на контрольные вопросы:

1. Зарисуйте нерайонированную и районированную схему построения ГТС. На схеме обозначьте линии, станции, кабели.
2. Расшифруйте марку кабеля ТППэПЗ-100х2х0,4, укажите его назначение, конструкцию, материал оболочки и изоляции, назначение экрана и гидрофобного заполнения, скрутку, емкость, диаметр жил. Выпишите из таблицы 1 нормы параметров для этого кабеля.
3. Укажите аппаратуру уплотнения для кабеля ТПП.

Описание типов событий OTDR

В данном пункте описываются все типы событий, которые могут появиться на графике, созданном приложением. Вот основные принципы описания.

• Каждый тип события обладает своим собственным символом;
• Каждый тип событий представлен графиком трассы волокна, который изображает мощность, отраженную в направлении источника, как функцию расстояния;
• Стрелка указывает на местоположение типа события на трассе;
• На большинстве графиков показана одна полная трасса, то есть полный диапазон;
• На некоторых графиках показана только часть полного диапазона для более детального рассмотрения интересующих событий.

Начало участка

Начало участка трассы представляет собой событие, отмечающее начало участка волокна. По умолчанию начало участка сопоставляется с первым событием тестируемого волокна (обычно первый разъем OTDR).

Можно назначить другое событие началом участка, анализ которого требуется произвести. При этом таблица событий будет начинаться с определенного события трассы.

Конец участка

Конец участка трассы — это событие, обозначающее конец участка волокна. По умолчанию событие конца участка помещается на последнее событие тестируемого волокна и называется событием конца волокна.

Можно назначить другое событие концом участка, анализ которого требуется произвести. При этом конец таблицы событий переместится на определенное событие трассы.

Короткие волокна

С помощью приложения можно тестировать короткие волокна. Можно определить участок волокна для коротких волокон, поместив начало и конец участка на одно событие.

Непрерывное волокно (см.рис.1).

Рисунок 1 – Непрерывное волокно

Данное событие обозначает, что выбранный диапазон измерения короче, чем длина волокна.

• Конец волокна не обнаружен, поскольку процесс анализа завершился до достижения конца волокна;
• Диапазон расстояний измерения следует увеличить до значения, превышающего длину волокна;
• Для событий непрерывного волокна не указываются потери и отражательная способность.

Конец анализа (см.рис.2):

Данное событие означает, что использованная длительность импульса не обеспечивает достаточного динамического диапазона для достижения конца волокна.

• Анализ был завершен до достижения конца волокна, поскольку отношение сигнал-шум было слишком низким;
• Следует увеличить длительность импульса, чтобы сигнал достиг конца волокна с достаточным отношением сигнал-шум;
• Для событий конца анализа не указываются потери и отражательная способность.

Рисунок 2 – Конец анализа

Неотражающее событие (см.рис.3).

Рисунок 3 – Неотражающее событие

Данное событие характеризуется резким снижением уровня рэлеевского обратного рассеяния сигнала. Оно выглядит как разрыв нисходящего уклона трассировочного сигнала.

• Это событие часто происходит на соединениях, изгибах и микроизгибах волокна;
• Для неотражающих событий указывается величина потерь;
• Отражательная способность для данного типа событий не указывается;
• При установке порогов приложение отображает неотражающие сбои в таблице событий, только если значение превышает пороговые потери.

Положительное событие (см.рис.4).

Рисунок 4 – Положительное событие

Данное событие указывает на соединение с явным усилением из-за соединения двух участков волокна с различными характеристиками обратного рассеяния (коэффициента обратного рассеяния и коэффициента потерь обратного рассеяния).

• Для положительных событий указывается величина потерь;
• Указанные потери не отражают реальных потерь события;
• Реальные потери должны измеряться путем выполнения двухмерных измерений параметров волокна и двухмерного анализа.

Уровень ввода (см.рис.5).

Рисунок 5 – Уровень ввода

Данное событие обозначает уровень вводимого в волокно сигнала.

На  рисунке 4.14 показано, как измеряется уровень ввода. Прямая линия строится при помощи аппроксимации по методу наименьших квадратов для согласования всех точек трассы в линейной области между первым и вторым обнаруженными событиями. Прямая линия проецируется на ось Y (дБ) до пересечения с осью. Точка пересечения обозначает уровень ввода.

Совмещенное отражающее событие (см.рис.6).

Рисунок 6 - Совмещенное отражающее событие

Данный символ обозначает отражающее событие, объединенное с одним или несколькими отражающими событиями. Он также обозначает суммарные потери, вызванные совмещенными отражающими событиями, указанными в таблице событий.

Участок волокна (см.рис.7).

Рисунок 7 - Участок волокна

Данный символ обозначает участок волокна без событий.

• Сумма всех участков волокна, содержащихся в трассе волокна, равна общей длине волокна. Обнаруженные события являются точечными—даже если они покрывают более одной точки трассы;
• Для событий участков волокна указывается величина потерь;
• Отражательная способность для данного типа событий не указывается;
• Значение затухания (дБ/расстояние в километрах) получается путем деления потерь на длину участка волокна.

Отражающее событие (возможный эхо-сигнал) (см.рис.8).

Рисунок 8 - Отражающее событие (возможный эхо-сигнал)

Эхо (см.рис.9).

Рисунок 9 - Эхо

Данный символ обозначает, что после окончания волокна было обнаружено отражающее событие.

• В приведенном выше примере запущенный импульс проходит до конечного разъема и отражается обратно по направлению к OTDR. Затем он достигает второго разъема и отражается обратно по направлению к конечному разъему. Потом он отражается обратно по направлению к OTDR;
• Приложение интерпретирует это новое отражение как эхо из-за его характеристик (отражательная способность и особое положение по отношению к другим отражениям);
• Расстояние между отражением второго разъема и отражением конечного разъема равно расстоянию между отражением конечного разъема и эхом;
• Для событий типа эхо уровень потерь не указывается.

Отражающее событие (см.рис.10).

Рисунок 10 – Отражающее событие

Отражающие события отображаются как пики на графике трассы волокна. Они вызваны резкими изменениями показателя преломления.

• Отражающие события приводят к тому, что значительная часть энергии, направленной в волокно, отражается обратно к источнику.
• Отражающие события могут свидетельствовать о наличии разъемов, механических сращиваний или даже низкокачественных соединений сваркой или трещин.

Лабораторная работа №

«Чтение рефлектограмм OTDR»

Цель работы: научиться анализировать рефлектограммы действующих линий.

Задание:

1. В соответствие с вариантом скачайте с сайта nsportal свою рефлектограмму.
2. Укажите дату проведения измерения, длину волны, на которой проводились измерения, длину линии, ширину импульса, тип измерительного прибора.
3. Зарисуйте рефлектограмму, соблюдая масштаб, отметьте все величины и номера событий.
4. По отчету OTDR укажите вид дефекта (отражающий, неотражающий, положительный), поясните возможную причину каждого события (коннектор, сварка, изгиб, соединение двух разных волокон,  трещина). Укажите потери на каждом событии, если это возможно и поясните являются ли такие потери нормой или превышают ее.
5. Ответьте на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы (отдельная оценка):

1. Что показывает первое событие в начале участка рефлектограммы?
2. Почему появляется «мертвая зона» при измерении рефлектометром? Можно ли ее избежать или уменьшить?
3. Как ширина импульса зависит от длины линии?
4. Почему оптическая длина всегда больше физической длины линии? Какая между ними зависимость?

Лабораторная работа №__

«Контроль качества торцов оптических коннекторов»

Цель работы: научиться определять дефекты торцов волокна оптическим микроскопом.

Задание:

1. Повторить виды оптических коннекторов, их полировки.
2. Изучить способы чистки оптических коннекторов.
3. Описать порядок определения качества торцов оптических коннекторов с помощью оптического микроскопа.
4. Определить по рисунку тип дефекта оптического коннектора и заполнить таблицу 1.

Таблица 1 – Проверка торцов оптических коннекторов

5. Ответить на контрольные вопросы.

Содержание отчета:

1. Цель работы.
2. Виды полировок и коннекторов.
3. Способы чистки торцов коннекторов.
4. Порядок определения качества торцов.
5. Заполненная таблица 1.
6. Ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. Назовите негативные последствия, к которым может привести недостаточная чистота поверхности торцов оптических разъёмов.
2. К чему приводит использование чрезмерного количества очистителя?

Методические рекомендации по выполнению работы:

1. Теоретические сведения:

Оптические коннекторы отличаются по форме и типом фиксации конструкции, а также по способу полировки торцов.

По форме коннекторы различаются:

ST-коннектор (от англ. Straight Tip – прямой свет) – это оптический коннектор с байонетным механизмом присоединения к разъему. Керамический наконечник имеет цилиндрическую форму диаметром 2.5 мм со скругленным торцом. Фиксация производится за счет поворота оправы вокруг оси коннектора, при этом вращения основы коннектора отсутствуют (теоретически) за счет паза в разъеме розетки. Направляющие оправы сцепляясь с упорами ST-розетки при вращении вдавливают конструкцию в гнездо. Пружинный элемент обеспечивает необходимое прижатие. Слабым местом ST – технологии является вращательное движение оправы при подключении/отключении коннектора. Даже минимальные изменения положения наконечника влекут рост потерь в оптических соединениях. Наконечник выступает из основы конструкции на 5-7 мм, что ведет к его загрязнению.

SC-коннектор (от англ. Subscriber Connector – абонентский разъем) – этот тип коннектора широко применяется как для одномодового, так и для многомодового волокна. Сечение корпуса имеет прямоугольную форму с диаметром наконечника 2,5мм. Подключение/отключение коннектора осуществляется поступательным движением по направляющим и фиксируется защелками. Отсутствие вращательных движений обуславливает более осторожное прижатие наконечников. В некоторых случаях SC-коннекторы применяются в дуплексном варианте. На конструкции могут быть предусмотрены фиксаторы для спаривания коннекторов, или применяться специальные скобы для группировки корпусов. Коннекторы с одномодовым волокном обычно имеют голубой цвет, а с многомодовым серый.

FC-коннектор (Ferrule Connector – коннектор с предохранительным кольцом) – встречается в одномодовых системах. Они характеризуются отличными геометрическими характеристиками и высокой защитой наконечника. В данной конструкции подпружиненный наконечник жестко не связан с корпусом и хвостовиком, что усложняет и удорожает коннектор, однако такое дополнение окупается повышенной надежностью. Коннекторы типа FC устойчивы к воздействию вибраций и ударов, что позволяет применять их на соответствующих сетях, например, непосредственно на подвижных объектах, а также на сооружениях, расположенных вблизи железных дорог.

LC-коннекторы (Little Connector) – миниатюрные, имеют размеры примерно в два раза меньше, чем обычные варианты SC, FC, ST с диаметром наконечника 1,25 мм, вместо стандартного 2,5 мм. Он также имеет прямоугольное сечение корпуса. Это позволяет реализовать большую плотность при установке на коммутационной панели и плотную схему установки в стойку. Коннектор фиксируется с помощью прижимного механизма, исключающего случайное разъединение. Встречаются как многомодовые, так и одномодовые варианты коннекторов.

Внешний вид коннекторов показан на рисунке 1.

Рисунок 1 –  Внешний вид коннекторов

По типу полировки коннекторы бывают следующих видов:

PC – Physical Contact. В первых вариациях полировки был предусмотрен исключительно плоский вариант коннектора, однако жизнь показала, что плоский вариант дает место воздушным зазорам между световодами. В дальнейшем торцы коннекторов получили небольшое закругление. В класс PC входят заполированные вручную и изготовленные по клеевой технологии коннекторы. Недостаток данной полировки заключается в том, что возникает такое явление как «инфракрасный слой» – в инфракрасном диапазоне происходят негативные изменения на торцевом слое. Данное явление ограничивает применение коннекторов с такой полировкой в высокоскоростных сетях (>1G).

 SPC – Super Physical Contact. По сути та же PC, только сама полировка является более качественной, т.к. она уже не ручная, а машинная. Также был сужен радиус сердечника и материалом наконечника стал цирконий. Дефекты полировки конечно снизить удалось, однако проблема инфракрасного слоя осталась

UPC – Ultra Physically Contact. Данная полировка осуществляется уже сложными и дорогими системами управления, в результате чего проблема инфракрасного слоя была устранена, а параметры отражения значительно снижены. Это дало возможность коннекторам с данной полировкой применяться в высокоскоростных сетях.

АРС – Angled Physically Contact. На данный момент считается, что наиболее действенным способом снижения энергии отраженного сигнала является полировка под углом 8-12°. В таком исполнении отраженный световой сигнал распространяется под большим углом нежели вводимый в волокно. Коннекторы с косой полировкой отличаются цветом, они обычно зеленые.

Все перечисленные виды полировок представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Типы полировок оптических коннекторов

Недостаточная чистота поверхности торцов оптических разъёмов приводит к ряду негативных последствий, отрицательно сказывающихся на стабильности работы волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) в целом:

• Увеличение потерь и уровня обратного отражения от оптического соединения;
• Необратимые нарушения рабочей поверхности оптических коннекторов за счёт воздействия на них загрязняющих частиц;
• Возможность переноса загрязнений на чистые соединения, например, за счёт подключений/отключений тестовых оптических шнуров на этапе тестирования или контроля параметров ВОСП.

Таким образом, даже малейшие следы загрязнения, которые невозможно увидеть невооружённым зрением, приводят к существенным изменениям условий распространения оптического излучения в месте соединения оптических волокон.

При работе с оптическими соединениями необходимо соблюдать особое внимание. Даже случайного лёгкого прикосновения торца коннектора к коже человека или посторонним предметам достаточно для получения весьма сильного загрязнения.

Для удаления загрязнений необходимо использовать специальные очищающие жидкости (например, изопропиловый спирт). Однако после протирки коннектора салфеткой, смоченной очищающей жидкостью, необходимо повторно протереть торец сухой частью салфетки, потому что использование чрезмерного количества очистителя приводит к «разводам» на поверхности торца коннектора.

Другая проблема, возникающая из-за наличия загрязнений оптических соединений, связана с необратимыми нарушениями рабочей
поверхности оптических коннекторов за счёт воздействия на них загрязняющих частиц. При многочисленных стыковках загрязнённого оптического разъёма происходит деформация его отполированной торцевой поверхности.

Деформация отполированной поверхности оптического коннектора приводит к резкому увеличению как уровня обратного отражения, так и вносимых потерь в месте соединения.

Особенно важно соблюдать чистоту тестовых оптических шнуров, с помощью которых проводится контроль и испытание существующих линий связи и приёмопередающего оборудования, если регулярно не контролировать чистоту коннекторов тестовых шнуров и не очищать их, это, безусловно, вызовет появление дополнительных погрешностей результатов тестовых измерений. Более того, результаты измерений, полученные при выполнении разных тестов, могут сильно варьироваться, поскольку грязь перемещается по поверхности наконечника разъёма.

Существует множество методов и средств очистки оптических соединений. Все их можно разделить несколько групп:

1. Контактная очистка с помощью специальных безворсовых салфеток (или другого протирочного материала) и очищающих жидкостей.
2. Бесконтактная очистка путём воздействия на место загрязнения потока специального очищающего средства и/или сжатого воздуха без необходимости применения салфеток или другого протирочного материала.
3. Полировка торцов оптических коннекторов ручным способом с помощью полимерной пленки с нанесенным на нее абразивным покрытием (алмаз, карбид кремния, оксид алюминия...), которая используется для полировки торца оптического коннектора при изготовлении оптического патчкорда. На разных стадиях полировки коннекторов используются пленки с разной зернистостью абразива (от единиц мкм для начальной стадии до долей мкм для финишной полировки). Полировальные пленки также различаются по форме и размеру. Для ручной полировки удобнее использовать пленки прямоугольной формы, в то время как при использовании полировальной машины требуются круглые полировальные диски определенного диаметра. Такой способ используется при таких повреждениях торцов коннекторов, как царапины или следы от грубой шлифовки.
4. Существуют специальные устройства для чистки торцов коннекторов, выполняются, как правило, в виде ручек (см.рис.3).

Рисунок 3 – Очиститель оптических коннекторов

Определить качество торцов оптических волокон можно с помощью оптического микроскопа, например, FIS-F1V5400U, имеющийся в лаборатории 405 ЯКСЭ (см. рисунок 4).

Рисунок 4 –  Внешний вид микроскопа и кнопки управления

Предупреждение: Категорически запрещается использование микроскопа на активных (действующих) линиях!

Ни при каких условиях нельзя применять волоконный микроскоп для просмотра торцов патчкордов, пигтейлов и других компонентов оптической сети, если в них есть активные сигналы, например, подключен визуализатор повреждений (лазер). Активные волокна содержат сигналы невидимого лазерного излучения, контакт с которым, может привести к серьезному повреждению глаз. Микроскоп увеличивает лазерный луч в волокнах с сигналом. Прямой зрительный контакт с увеличенным лазерным излучением должен быть исключен.

Принцип работы с микроскопом:

1. Сначала нужно выбрать подходящий для коннектора адаптер (см. рисунок 5).

Рисунок 5 – Адаптеры

Коннекторы типа FC, SC и ST совместимы с адаптером 2.5 мм. Для осмотра разъемов LC, на микроскоп должен быть установлен адаптер 1.25 мм.

2.   Затем нужно вставить оптический коннектор в подходящий адаптер до упора (см. рисунок 6).

Рисунок 6 – Вставка коннектора в микроскоп

Нет никаких специальных фиксаторов, или защелок для удержания коннектора, его фиксация происходит за счет плотного обхвата гильзовой частью универсального адаптера.

3. Для получения изображения в микроскопе нужно включить подсветку, нажав её и удерживая для просмотра качества торца волокна. Затем нужно поднесите окуляр к глазу и сфокусировать изображение с помощью фокусирующего колесика. Центровка положения коннектора не требуется.
4. Например, просмотрев два идеально чистых и новых коннектора, мы увидели следующие изображения:

                                                А                         Б

Рисунок 7

Из рисунков видно, что коннекторы чистые и исправные, без царапин и сколов. На рисунке 7,А изображен коннектор одномодового волокна, имеющего сердцевину диаметром 8-10 мкм. На рисунке 7,Б – коннектор многомодового волокна, имеющего сердцевину диаметром 50 или 62,5 мкм.

В соответствии с Вашим вариантом и полученным изображениям заполните таблицу 1.

Рисунок 8 – Изображение на оптическом микроскопе

Рисунок 9 - Изображение на оптическом микроскопе

Для определения типа дефекта торца оптического коннектора можно воспользоваться интернет-источниками. Определив тип деффекта, подумайте, можно ли его исправить чисткой или необходима его замена на новый. По диаметру сердцевины определите тип оптического коннектора – одномодовый или многомодовый.

Практическое занятие №__

«Расчет бюджета оптической линии»

Цель работы: научиться рассчитывать бюджет оптической линии.

Задание:

1. В соответствии с вариантом выпишите исходные данные, представленные в таблице 1.

Таблица 1 – Исходные данные

2. Зарисуйте схему заданной линии и обозначьте на схеме все параметры.

3. Рассчитайте выходную мощность оптического сигнала Pисх, дБ и сделайте вывод о работоспособности линии. Оптические передатчик и приемник работают на длине волны 1550 нм.
4. Предложите возможные решения проблемы в случае, если мощность выходного сигнала окажется меньше чувствительности приемника и линия является неработоспособной.
5. Ответьте на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы (отдельная оценка):

1. Почему возникают потери в оптическом кабеле? Как их уменьшить?
2. Укажите нормы потерь оптического кабеля на длине волны 1310 нм и 1550 нм.
3. Приведите примеры оборудования, которое может использоваться в качестве оптического передатчика и оптического приемника.

Методические указания по выполнению:

1. Теоретические сведения:

Оптический бюджет ВОЛС, или ориентировочное затухание оптической линии – это прогнозируемая сумма потерь оптического сигнала на всех компонентах ВОЛС. Оптический бюджет ВОЛС рассчитывается в основном на этапе проектирования линии и подбора оборудования.

Чтобы абонент получал услуги оператора связи (интернет, IP-TV, телефонию), на его терминал (приставку GPON или роутер) должен приходить сигнал требуемого уровня. Чтобы определить мощность сигнала, поступающего на абонентское оборудование, необходимо знать мощность передатчика (Tx – Transmitter), чувствительность приемника (Rx – Receiver) и суммарные потери в оптической линии.

Мощность передатчика определяется типом и техническими характеристиками оборудования и составляет, как правило, от -15 до +20 дБм.

Чувствительность приемника – это минимальная мощность, которую он способен зафиксировать (принять), также определяется типом и техническими характеристиками оборудования и составляет в среднем от +1 до -30 дБм. Приемник будет работать устойчиво, если на него поступает не минимальный уровень сигнала, а уровень на 85% больший минимального. Например, для корректной работы приемника с чувствительностью Rх= -28 дБм уровень оптического сигнала должен быть не ниже -24 дБм. Если же на такой приемник поступит сигнал с уровнем -29 дБм и меньше, то такой сигнал приемник не почувствует и работать  не будет.    

2. Порядок расчета бюджета оптической линии:

1.  Выпишите исходные данные для своего варианта, зарисуйте схему, обозначьте на схеме все параметры.
2.  Определите суммарную длину линии, состоящую из трех участков:

L = L1+L2+L3, км

3.  Рассчитайте суммарные потери в оптической линии:

A = Ак·L+Ар·n

где Ак – потери в кабеле, равные 0,22 дБ на 1 км для λ=1550 нм;

Ар – потери на разъемном соединении (коннектор, перемычка), равные 0,4 дБ;

L – длина линии, км;

n – количество разъемных соединений. Для определения n необходимо учесть, что передатчик и приемник подключаются через шнур с разъемом SC, LC, или FC, а перемычка – это шнур с двумя разъемами на концах.

4. . Определите мощность выходного сигнала:

Pисх = Тх – А, дБ

5. Сделайте вывод о возможности получения такого сигнала оптическим приёмником при условии, что:

Рисх ≥Rх·0,85

6.  Если при расчете получится Рисх ≤ Rх·0,85, линия не удовлетворяет условиям по бюджету мощности и будет неработоспособной. Тогда необходимо предложить возможные варианты решения этой проблемы. Для этого воспользуйтесь интернет источниками.
7.  Ответьте на контрольные вопросы.

Практическое занятие №__

«Расчет бюджета сети GPON»

Цель работы: научиться рассчитывать бюджет сети GPON.

Задание:

1. В соответствии с вариантом выпишите исходные данные, представленные в таблице 1.

Таблица 1 – Исходные данные

2. Зарисуйте схему участка сети GPON и обозначьте на схеме все параметры.

3. Рассчитайте выходную мощность оптического сигнала Pисх, дБ и сделайте вывод о работоспособности сети. Оптические передатчик и приемник работают на длине волны 1310 нм.
4. Предложите возможные решения проблемы в случае, если мощность выходного сигнала окажется меньше чувствительности приемника и линия является неработоспособной.
5. Ответьте на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы (отдельная оценка):

1. Для чего применяют оптические сплиттеры?
2. На какое максимальное количество абонентов можно поделить сигнал с одного волокна (одного порта OLT)?
3. Поясните назначение OLT и ONT. Это оборудование относится к активному или пассивному? Ответ обоснуйте.

Методические указания по выполнению:

1. Теоретические сведения:

Понятия Тх и Rх изложены в Практическом занятии №10.

Нормы потерь на сплиттеры с различными коэффициентами деления приведены в таблице 1 лекции 1.7 «Пассивные оптические компоненты» МДК.05.01.

2. Порядок расчета бюджета оптической линии:

1.  Выпишите исходные данные для своего варианта, зарисуйте схему, обозначьте на схеме все параметры.
2.  Определите суммарную длину линии, состоящую из трех участков:

L = L1+L2+L3, км

3.  Рассчитайте суммарные потери в оптической линии:

A = Ак·L+ΣАspln+Ар·n

где Ак – потери в кабеле, равные 0,36 дБ на 1 км для λ=1310 нм;

Ар – потери на разъемном соединении (коннектор), равные 0,4 дБ;

L – длина линии, км;

n – количество разъемных соединений;

ΣАspl – суммарные потери, вносимые сплиттерами.

4.  Определите мощность выходного сигнала:

Pисх = Тх – А, дБ

5. Сделайте вывод о возможности получения такого сигнала оптическим приёмником при условии, что:

Рисх ≥Rх·0,85

6.  Если при расчете получится Рисх ≤ Rх·0,85, линия не удовлетворяет условиям по бюджету мощности и будет неработоспособной. Тогда необходимо предложить возможные варианты решения этой проблемы. Для этого воспользуйтесь интернет источниками.
7.  Ответьте на контрольные вопросы.