Затухание и волновое сопротивление

Степень искажения синусоидальных сигналов линиями связи оценивается таки­ми характеристиками, как затухание и полоса пропускания. Затухание показывает, насколько уменьшается мощность эталонного синусои­дального сигнала на выходе линии связи по отношению к мощности сигнала на входе этой линии. Затухание (А) обычно измеряется в децибелах (дБ) и вычис­ляется по следующей формуле:

А - 10 lg Pout/Pin.

Здесь P_out — мощность сигнала на выходе линии, P_in — мощность сигнала на вхо­де линии. Так как затухание зависит от длины линии связи, то в качестве харак­теристики линии связи используется так называемое погонное затухание, то есть затухание на линии связи определенной длины. Для кабелей локальных се­тей в качестве такой длины обычно используют 100 м, так как это значение явля­ется максимальной длиной кабеля для многих LAN-технологий. Для территори­альных линий связи погонное затухание измеряют для расстояния в 1 км.

Обычно затуханием характеризуют пассивные участки линии связи, состоящие из кабелей и кроссовых секций, без усилителей и регенераторов. Так как мощность выходного сигнала кабеля без промежуточных усилителей меньше, чем мощность входного сигнала, затухание кабеля всегда является отрицательной величиной.

Степень затухания мощности синусоидального сигнала зависит от частоты синусои­ды, и эта зависимость также используется для характеристики линии связи (рис. 8.7).

 

Чаще всего при описании параметров линии связи приводятся значения затуха­ния всего для нескольких значений частот. Это объясняется, с одной стороны, стремлением упростить измерения при проверке качества линии. С другой сто­роны, на практике часто заранее известна основная частота передаваемого сигнала, то есть та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Поэтому достаточно знать затухание на этой частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по линии сигналов.

ВНИМАНИЕ --------------------------------------------------------------------------------------------------------

Как было сказано выше, затухание всегда имеет отрицательное значение, однако знак ми­нус часто опускают, при этом иногда возникает путаница. Совершенно корректно утверж­дение, что качество линии связи тем выше, чем больше (с учетом знака) затухание. Если же игнорировать знак, то есть иметь в виду абсолютное значение затухания, то у более качественной линии затухание меньше. Приведем пример. Для внутренней проводки в зданиях используется кабель на витой паре категории 5. Этот кабель, на котором рабо­тают практически все технологии локальных сетей, характеризуется затуханием не мень­ше, чем -23,6 дБ для частоты 100 МГц при длине кабеля 100 м. Более качественный кабель категории б имеет на частоте 100 МГц затухание не меньше, чем -20,6 дБ. Получаем, что - 20,6 > -23,6, но 20,6 < 23,6.

На рис. 8.8 показаны типовые зависимости затухания от частоты для кабелей на неэкранированной витой паре категорий 5 и 6.

Затухание Рис. 8.8. Затухание неэкранированного кабеля на витой паре

 

Оптический кабель имеет существенно меньшие (по абсолютной величине) величи­ны затухания, обычно в диапазоне от -0,2 до -3 дБ при длине кабеля в 1000 м, а зна­чит, является более качественным, чем кабель на витой паре. Практически все опти­ческие волокна имеют сложную зависимость затухания от длины волны, которая имеет три так называемых окна прозрачности. На рис. 8.9 показана характерная за­висимость затухания для оптического волокна. Из рисунка видно, что область эф­фективного использования современных волокон ограничена волнами длин 850 нм, 1300 нм и 1550 нм (соответственно 35 ТГц, 23 ТГц и 19,4 ТГц). Окно 1550 нм обеспе­чивает наименьшие потери, а значит, максимальную дальность при фиксированной мощности передатчика и фиксированной чувствительности приемника.

 

В качестве характеристики мощности сигнала используются абсолютный и от­носительный уровни мощности. Абсолютный уровень мощности измеряется в ваттах, относительный уровень мощности, как и затухание, измеряется в деци­белах. При этом в качестве базового значения мощности, относительно которого измеряется мощность сигнала, принимается значение в 1 мВт. Таким образом, относительный уровень мощности р вычисляется по следующей формуле:

р = 10 lg Р/1мВт [дБм].

Здесь Р — абсолютная мощность сигнала в милливаттах, а дБм — единица изме­рения относительного уровня мощности (децибел на 1 мВт). Относительные значения мощности удобно использовать при расчетах энергетического бюдже­та линий связи.

Пример

Пусть требуется определить относительную минимальную мощность х (дБм) передат­чика, достаточную для того, чтобы на выходе линии относительная мощность сигнала была не ниже некоторого порогового значения у (дБм). Затухание линии известно и рав­но А. Пусть X и Y — абсолютные значения мощности сигнала на входе и выходе линии соответственно. И пусть они заданы в милливаттах. По определению А = 10 lg X/Y. Используя свойства логарифмов имеем:

А = 10 lg X - 10 lg Y - 10 lg X/l мВт - 10 lg Y/l мВт.

Заметим, что два последних члена уравнения по определению являются относитель­ными значениями мощности сигналов на выходе и на входе, поэтому приходим к про­стому соотношению А = х - у, из которого следует, что минимальная требуемая мощ­ность передатчика может быть определена как сумма затухания и мощности сигнала на выходе: х = А + у.

Предельная простота расчета стала возможной благодаря тому, что в качестве исходных данных были использованы относительные значения мощности вход­ного и выходного сигналов. Использованная в примере величина у называется порогом чувствительности приемника и представляет собой минимальную мощ­ность сигнала на входе приемника, при котором он способен корректно распо­знавать дискретную информацию, содержащуюся в сигнале. Очевидно, что для нормальной работы линии связи необходимо, чтобы минимальная мощность сигнала передатчика, даже ослабленная затуханием линии связи, превосходила порог чувствительности приемника: х - А > у. Проверка этого условия и явля­ется сутью расчета энергетического бюджета линии.

Важным параметром медной линии связи является ее волновое сопротивление, представляющее собой полное (комплексное) сопротивление, которое встречает электромагнитная волна определенной частоты при распространении вдоль од­нородной цепи. Волновое сопротивление измеряется в омах и зависит от таких параметров линии связи, как активное сопротивление, погонная индуктивность и погонная емкость, а также от частоты самого сигнала. Выходное сопротивле­ние передатчика должно быть согласовано с волновым сопротивлением линии, иначе затухание сигнала будет чрезмерно большим.