Расчет электромагнитных характеристик структурированной кабельной сети

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет

Кафедра АКИТ

Контрольная работа

По дисциплине: “Сетевые технологии в системах автоматики и автоматизации”

на тему: «Расчет электромагнитных характеристик структурированной кабельной сети»

Харьков, 2013



ВВЕДЕНИЕ

В стандарте ISO/IEC 11801:2002(E) электрические каналы и линии разбиты на шесть классов: A, B, C, D, E и F. Каналы и линии указанных классов обеспечивают гарантированную поддержку аппаратуры соответствующих классов и всех, более низких, чем данные, классов.

А также классы и линии в горизонтальной подсистеме структурированных кабельных систем должны обеспечивать электромагнитные параметры не ниже класса D .

Непосредственно компоненты, из которых создаются СКС (кабели, коннекторы, вилки, гнезда и т.п.) классифицируются в стандарте ISO/IEC 11801:2002(E) по категориям. Критерием отнесения компонента к категории является также ширина полосы пропускания частот:

1) категория 3 - 16 МГц;

2) категория 4 - 20 МГц;

3) категория 5 - 100 МГц;

4) категория 6 - 250 МГц;

5) категория 7 - 600 МГц;

В статистике ISO/IEC 11801:2002(E) компоненты категорий 3 и 4 уже не рассматриваются. Это не значит, что они не применяются при построении СКС. Просто они не позволяют создавать каналы и линии D, E, F, а как уже было сказано, в горизонтальной подсистеме СКС каналы должны быть не ниже класса D.

1. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОГО ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Под волновым или характеристическим полным сопротивлением длинной линии (а в терминах стандарта это -- канал или стационарная линия), Zc (англ. Characteristic impedance), понимается величина, выражаемая соотношением:

, (1.1)

где Z0, Ом/м и Y0, См/м - комплексные сопротивление и проводимость линии;

r0, Ом/м - суммарное сопротивление прямого и обратного проводников;

L0, Гн/м - индуктивность петли прямого и обратного проводников;

g0, См/м - проводимость изоляции между проводниками;

|Z0|, Ом - модуль характеристического полного сопротивления;

щ, рад/с - круговая частота,

и - аргумент характеристического полного сопротивления.

На рисунке 1.1 приведены качественные частотные зависимости модуля и аргумента характеристического полного сопротивления.



Рисунок 1.1 - Качественные частотные зависимости модуля и аргумента характеристического полного сопротивления в длинной линии

Кроме того, линии связи (а СКС и строятся, чтобы их создать) всегда стремятся сделать так, чтобы обеспечить, во-первых, минимальное затухание сигнала и, во-вторых, минимальные искажения сигнала. В идеальном случае «линия без потерь» получается, если r0=0 и g0=0, а «линия без искажений» - если r0/g0=L0/C0, т.е. волновое сопротивление не зависит от частоты и активное.

Требования стандарта к величине Zc аккумулируют в себе, таким образом, возможности кабельной промышленности по созданию кабелей с минимальными и однородными по всей длине кабеля значениями r0 и g0, с одной стороны, и желание пользователей иметь линии без затухания и искажений - с другой.

В результате длительных исследований и обсуждений заинтересованных сторон в стандарте появляется некоторая компромиссная величина волнового сопротивления.

В соответствии с требованиями стандарта ISO/IEC 11801:2002(E) каналы классов D, E и F должны иметь номинальное значение волнового сопротивления 100 ± 15 Ом. Для каналов классов A, B и C предпочтительным является значение 100 Ом, но допускается и значение 120 ± 15 Ом. Допускавшееся ранее значение 150 Ом исключено в действующей редакции стандарта.

Удовлетворение требованиям стандарта по величине Zc и ее отклонениям для каналов и стационарных линий СКС должно осуществляться соответствующим выбором для нее кабелей и компонентов, а также качественным их монтажом.

Расчетные параметры:

Z0 = 149 (Ом/м)

и = 0

(1.2)

2. РАСЧЕТ ВОЗВРАТНЫХ ПОТЕРЬ

Возвратные потери канала или линии RL (англ. Return Loss), характеризуют степень однородности их волнового сопротивления Zc по длине и степень согласованности его с полным сопротивлением нагрузки Zн в определенном частотном интервале. При подаче на вход линии или канала импульса напряжения с амплитудой U0 в случае несогласованности нагрузки, Zc?Zн, или наличия неоднородности за счет производственных и эксплуатационных дефектов кабеля или несогласованности элементов тракта в них возникает отраженный импульс, распространяющийся в обратном направлении. Этот эффект иллюстрируется на рисунке 2.1.



Рисунок 2.1 - Отражение импульса в канале или линии при наличии в них неоднородности волнового сопротивления

Возвратные потери RL определяются из соотношения:

RL = 20 lg(|URL|/U0),	(2.1)

где |URL| - амплитуда отраженного импульса (по модулю);

U0 - амплитуда входного импульса линии.

Заметим, что поскольку для амплитуд всегда URL<U0, то значения логарифма всегда отрицательны, что необходимо учитывать при расчете абсолютных величин URL и U0.

В таблице 2.1 приведены минимальные по модулю значения RL для канала и стационарной линии, требуемые стандартом ISO/IEC 11801:2002(E) на верхних граничных частотах соответствующих классов.



Таблица 2.1 - Минимально допускаемые стандартом ISO/IEC 11801:2002(E) значения возвратных потерь RL, дБ, для канала и стационарной линии классов C, D, E, F на граничных частотах (в формате «канал/стационарная линия»)

Рассчитаем ту долю от амплитуды входного импульса, которую составляет амплитуда отраженного, для заданного канала класса E на частоте 100 МГц, где RL принимает значения от -12 до 14 дБ, если значение RL = 14 дБ:

линия сопротивление канал импульс

14 = 20*lg (URL/U0)

0,7=lg (URL/U0)

URL/U0 =100,7

URL/U0 = 5,011

Подчеркнем, что при создании реальной СКС нужно стремиться сделать величину RL по модулю как можно больше, поскольку в идеальном случае RL = -?.

Параметр RL специфицирован только для классов C, D, E и F. Он должен измеряться на обоих концах канала или линии. Если в канале или линии на некоторых частотах невелико затухание (менее 3 дБ), то значения RL на этих частотах служат только для информации и не нормируются.

Заметим, что всегда требования стандарта к каналу мягче, чем к стационарной линии, поскольку последняя всегда короче и всегда содержит меньшее число элементов тракта. Также и с частотой: чем она выше, тем мягче требования стандарта, т. к. труднее согласовать тракт на высоких частотах.

Отметим, что параметр RL - частотно-зависимый и требования стандарта должны быть удовлетворены на любой частоте из диапазона рабочих частот соответствующего класса [1-3].

3. РАСЧЕТ ПОТЕРЬ ВВОДА

Уменьшение амплитуды импульсов на выходе канала или линии возникает из-за джоулевых потерь в проводнике и изоляции, а также из-за отражений на скачках волнового сопротивления. Этот эффект, иллюстрируемый рисунок 3.1, проявляется в том, что при подаче на вход тракта импульса напряжения с некоторой амплитудой на ее выходе появляется импульс с меньшей амплитудой.

Рисунок 3.1 - Уменьшение амплитуды импульса в тракте

Параметр IL нормируется для всех классов и, в принципе, должен измеряться на обоих концах тракта. Интересно заметить, что это особенно необходимо в волоконно-оптических трактах, где всегда измерялись именно потери ввода и именно при противоположных направлениях распространения света. В таблице 3.1 приведены максимально допустимые значения (по модулю) параметра IL для каналов и стационарных линий всех классов на граничных частотах последних. Отметим снова, что требования к каналу мягче, чем к линии, и смягчаются с ростом частоты [1-3].

Таблица 3.1 - Максимально допускаемые стандартом ISO/IEC 11801:2002(E) значения потерь ввода IL, дБ, для каналов и линий всех классов на граничных частотах (в формате «канал/стационарная линия»)

Численно этот эффект характеризуется параметром, носящим название потери ввода (англ. insertion loss).

IL = 20 lg (UIL/U0)	(3.1)

где UIL - амплитуда импульса напряжения на выходе линии, U0 - амплитуда импульса напряжения на входе линии.

Рассчитаем для заданного канала класса E на частоте 100 МГц, где IL принимает значения от -21,7 до 18,5 дБ (таблица 3.1), если значение IL=18,5 (дБ):

18,5= 20*lg (UIL/U0)

0,92=lg (UIL/U0)

UIL/U0 =100,92

UIL/U0 = 8,413



Ранее в стандарте использовался термин «затухание» A (англ. Attenuation), однако он отражает лишь одну причину уменьшения амплитуды импульса джоулевы потери, ничего не сообщая о другой - об отражении мощности на неоднородностях волнового сопротивления тракта. Параметр потери ввода IL полнее характеризует эти свойства тракта и, в конечном итоге, именно он влияет на работоспособность активного оборудования. Важно, что параметр IL, в отличие от параметра A, не меняется линейно с увеличением длины тракта. Кроме того, именно параметр IL теперь должен применяться при расчетах других параметров (ACR, ELFEXT), о которых будет сказано ниже. В то же время термин «затухание», A, все равно традиционно используется, например, для описания параметра ACR и ряда других [1-3].

4. РАСЧЕТ ПЕРЕХОДНОГО ЗАТУХАНИЯ НА БЛИЖНЕМ КОНЦЕ

Переходное затухание на ближнем конце (англ. Near End CrossTalk Loss или NEXT, где в английской аббревиатуре значок Х означает «крест», т. е. по-английски “cross”) характеризует восприимчивость линии (пары) к помехам, обусловленным существованием сигналов в соседних линиях (парах). Эффект иллюстрируется на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Переходное затухание в тракте передачи сигналов



Таблица 4.1 - Минимально допускаемые стандартом ISO/IEC 11801:2002(E) значения NEXT, дБ, для канала и стационарной линии всех классов (в формате «канал/стационарная линия»)

Переходное затухание на ближнем конце UNEXT/U0, определяется по формуле:

NEXT = 20 lg (UNEXT/U0)	(4.1)

где UNEXT - амплитуда импульса, наведенного на входе пары;

U0 - амплитуда импульса, передаваемого по соседней паре.

Рассчитаем для заданного канала класса E на частоте 100 МГц, где NEXT принимает значения от -39,9 до 41,8 дБ (таблица 4.1), если значение NEXT =41,8 (дБ):

41,8= 20*lg (UNEXT/U0)

2,09=lg (UNEXT/U0)

UNEXT/U0 =102,09

UNEXT/U0 = 123,026

Снова заметим, что значения логарифма всегда отрицательны, т.к. всегда UNEXT < U0. В идеальном случае UNEXT = 0 и NEXTид = -?.

Параметр NEXT специфицирован для всех классов и должен измеряться на обоих концах тракта. На частотах, где параметр IL меньше 4 дБ, значения NEXT не нормируются и служат только для информативных целей.

Отметим, что параметр NEXT не зависит от длины кабелей, он определяется только конкретным взаимным влиянием пар [1-3].

5. РАСЧЕТ «СУММАРНОГО» ПЕРЕХОДНОГО ЗАТУХАНИЯ

«Суммарное» переходное затухание на ближнем конце PSNEXT (англ. Power Sum NEXT или PSNEXT) - это параметр, который характеризует наводку на одной паре от всех остальных пар, работающих одновременно. Параметр PSNEXT вычисляется (не измеряется непосредственно) по измеренным значениям параметра NEXT для каждого сочетания пар по формуле:

, (5.1)

где n - число пар;

PSNEXT (k) - параметр «возмущаемой» пары k;

NEXT (i, k) - параметр NEXT для «возмущаемой» пары k и «возмущающей» пары i.

Параметры PSNEXT специфицированы только для классов D, E, F и должны измеряться на обоих концах тракта. На частотах, где параметр IL меньше 4 дБ, параметр PSNEXT не специфицируется и носит информативный характер.

В таблице 5.1 приведены минимально допустимые стандартом ISO/IEC 11801: 2002(E) значения PSNEXT (по модулю) на граничных частотах классов (в формате «канал/стационарная линия»).



Таблица 5.1 - Минимально допускаемые стандартом ISO/IEC 11801:2002(E) значения PSNEXT для канала и стационар ной линии на граничных частотах классов D, E и F (в формате «канал/стационарная линия»)

Требования к стационарной линии, естественно, жестче, чем к каналу, и тем жестче, чем выше класс тракта.

Заметим, что в многопарных кабелях, в которых пары не имеют индивидуального экрана, проблема взаимного влияния пар усугубляется, что не позволяет изготавливать многопарные кабели такой конструкции высоких категорий.

Если для всех пар канала или стационарной линии параметр NEXT удовлетворяет требованиям стандарта, но близок к допустимым пределам, то может оказаться, что такой тракт не будет удовлетворять требованиям стандарта по параметру PSNEXT [1-3].

Произведем расчет в стационарной линии класса Е для одной пары 4-х парного кабеля (k=1),. В этом случае допустимые стандартом ISO/IEC 11801:2002(E) значение NEXT (j,k)=41,8 дБ (по таблице 4.1). Произведем расчет по формуле (5.1):

Данный тракт удовлетворяет требованием стандарта по данному параметру, поскольку согласно таблице 5.1 максимальное значение PSNEXT = 39,3 дБ.

6. РАСЧЕТ ПЕРЕХОДНОГО ЗАТУХАНИЯ НА ДАЛЬНЕМ КОНЦЕ И ЕГО СУММАРНОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Воздействие одной пары на другую сказывается не только на ближнем, но и на дальнем конце. Это явление иллюстрируется на рисунке 6.1:

Рисунок 6.1 - Переходное затухание на дальнем конце тракта передачи сигнала

Его принято характеризовать как переходное затухание на дальнем конце UFEXT/U0.

FEXT = 20 lg (UFEXT/U0)	(6.1)

Рассчитаем для заданного канала класса E на частоте 100 МГц, если значение FEXT =44 (дБ):

44= 20lg (UFEXT/U0)

2,2=lg (UFEXT/U0)

UFEXT/U0 =158,48

Параметр FEXT, как правило, сам по себе не измеряется в «полевых» условиях на инсталлированной СКС, но используется для определения других параметров тракта на дальнем конце.

«Суммарное» значение этого параметра, PSFEXT, учитывает взаимное влияние всех пар на одну при их одновременной работе и вычисляется по формуле:

где n - число пар;

PSFEXT (k) - «суммарный» параметр «возмущаемой» пары k;

i - номер «возмущающей» пары;

k - номер «возмущаемой» пары;

FEXT (i, k) - параметр FEXT, обусловленный воздействием пары i на пару k.

ВЫВОДЫ

В данной курсовой работe был произведен расчет электромагнитных характеристик линий, каналов. А именно: расчет характеристического полного сопротивления Zc=149 Ом/м, соотношение при известном значении возвратных потерь URL/U0=5,011, соотношение при известном значении потерь ввода UIL/U0 = 8,413, соотношение при известном значении затухания на ближнем конце UNEXT/U0 = 123,026, расчет «суммарного» переходного затухания PSNEXT(k)=37,028 дБ, соотношение при известном значении затухания на дальнем конце UFEXT/U0 =158,48 и его «суммарное» значение PSFEXT(k)=39,228 дБ.

Основой компьютерно-интегрированных систем автоматики и автоматизации сегодня является структурированная кабельная система СКС - содержащая электрический и волокно - оптический кабели и компоненты, способности передавать информацию со скоростью 1 Гб/с и более. Именно создание капитальной СКС, разработанной и смонтированной с выполнением требований и рекомендаций действующих стандартов, решает эту задачу и позволяет предприятию эффективно использовать информационные технологии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Семенов А.Б., Стрижаков С.К. Структурированные кабельные системы, 5-е издание, М: Компания АйТи, ДМК Прес, 2004 - 642 с.

2. Самарский П.А. Структурированная кабельная система АйТи - СКС, Учебное пособие для руководителей, - Москва, 2001 - 228 с.

3. Смирнов И.Г. Структурированные кабельные системы - проектирование, монтаж и сертификация. Из-во: Экон-Информ, 2005 г - 347 с.

Размещено на Allbest.ru