Domov › Nastavení › Jak se nazývá celková charakteristická impedance kabelu? Výuka elektrických obvodů - přenosové vedení. Model převodového vedení

Jak se nazývá celková charakteristická impedance kabelu? Výuka elektrických obvodů - přenosové vedení. Model převodového vedení

Než se pustíte do čtení článku, zkuste se zamyslet nad otázkou: poteče proud, když k baterii připojíte velmi dlouhý drát (více než 300 tisíc kilometrů, supravodič), když opačné konce drátu nebudou nikde připojeny? Kolik ampérů?

Po přečtení tohoto článku pochopíte význam vlnového odporu. Z přednášek o vlnové teorii jsem si odnesl to charakteristická impedance- to je odpor vůči vlnění. Zdálo se, že většina studentů rozumí přesně tomu samému. Tedy nic.

Tento článek je velmi volným překladem této knihy: Lessons In Electric Circuits
Související články: Na Habrého: Kontakt je, ale není signál
Trash na Wikipedii: Long Line

50 ohm kabel?

Na začátku své vášně pro elektroniku jsem často slýchal o charakteristické impedanci 50Ω koaxiálního kabelu. Koaxiální kabel je dvoužilový. Středový drát, izolátor, opletení, izolátor. Opletení zcela zakrývá střední vodič. Tento vodič se používá k přenosu slabé signály a opletení chrání signál před rušením.

Byl jsem zmatený tímto nápisem - 50 Ω. Jak mohou mít dva izolované vodiče vůči sobě odpor 50 Ω? Změřil jsem odpor mezi dráty a viděl podle očekávání přerušený obvod. Odpor kabelu z jedné strany na druhou je nulový. Bez ohledu na to, jak jsem připojil ohmmetr, nemohl jsem získat odpor 50 ohmů.

Co jsem tehdy nechápal, bylo, jak kabel reaguje na impulsy. Ohmmetr samozřejmě pracuje se stejnosměrným proudem a ukazuje, že vodiče nejsou vzájemně propojeny. Kabel se však vlivem kapacity a indukčnosti rozložených po celé délce chová jako rezistor. A stejně jako v běžném rezistoru je proud úměrný napětí. To, co vidíme jako dvojici vodičů - důležitý prvek obvody v přítomnosti vysokofrekvenčních signálů.

V tomto článku se dozvíte, co je to komunikační linka. Při provozu na stejnosměrném nebo 50 Hz síťovém kmitočtu nedochází k mnoha efektům vedení. Nicméně, v vysokofrekvenční obvody tyto účinky jsou poměrně významné. Praktická aplikace přenosové linky - v radiokomunikacích, v počítačové sítě a v nízkofrekvenčních obvodech pro ochranu před přepětím nebo úderem blesku.

Dráty a rychlost světla

Zvažte následující diagram. Obvod je uzavřen - lampa se rozsvítí. Obvod je otevřený - lampa zhasne. Ve skutečnosti se lampa nerozsvítí okamžitě. Potřebuje se alespoň ohřát. Ale to není to, na co se chci zaměřit. Přestože se elektrony pohybují velmi pomalu, interagují spolu mnohem rychleji – rychlostí světla.

Co se stane, když bude délka drátů 300 tisíc km? Protože elektřina je přenášena konečnou rychlostí, velmi dlouhé dráty způsobí zpoždění.

Při zanedbání doby zahřátí lampy a odporu vodičů se lampa rozsvítí přibližně 1 sekundu po zapnutí vypínače. Nehledě na to, že stavba supravodivých silových vedení takové délky vytvoří obrovské praktické problémy, je to teoreticky možné, takže náš myšlenkový experiment je skutečný. Když je vypínač vypnutý, lampa bude napájena ještě další 1 sekundu.
Jedním ze způsobů, jak si představit pohyb elektronů ve vodiči, jsou vlakové vozy. Auta sama se pohybují pomalu, teprve se rozjíždějí a vlna spojky se přenáší mnohem rychleji.

Další analogií, možná vhodnější, jsou vlny ve vodě. Objekt se začne vodorovně pohybovat po povrchu. Vlna se vytvoří v důsledku interakce molekul vody. Vlna se bude pohybovat mnohem rychleji, než se pohybují molekuly vody.

Elektrony interagují rychlostí světla, ale pohybují se mnohem pomaleji, jako molekula vody na obrázku výše. U velmi dlouhého obvodu je mezi stisknutím spínače a zapnutím lampy patrná prodleva.

Charakteristická impedance

Předpokládejme, že máme dva paralelní dráty nekonečné délky, bez žárovky na konci. Poteče proud, když je spínač sepnutý?

I když je náš drát supravodič, nemůžeme zanedbat kapacitu mezi dráty:

Připojíme napájení k drátu. Nabíjecí proud kondenzátoru je určen vzorcem: I = C(de/dt). V souladu s tím by okamžité zvýšení napětí mělo generovat nekonečný proud.
Proud však nemůže být nekonečný, protože podél vodičů existuje indukčnost, která omezuje růst proudu. Pokles napětí na indukčnosti se řídí vzorcem: E = L(dI/dt). Tento pokles napětí omezuje maximální průtok proudu.

Protože elektrony interagují rychlostí světla, vlna se bude pohybovat stejnou rychlostí. Zvýšení proudu v induktorech a proces nabíjení kondenzátorů tedy bude vypadat takto:

V důsledku těchto interakcí bude proud procházející baterií omezen. Vzhledem k tomu, že dráty jsou nekonečné, distribuovaná kapacita se nikdy nenabije a indukčnost nedovolí, aby se proud neustále zvyšoval. Jinými slovy, dráty se budou chovat jako konstantní zátěž.
Přenosové vedení se chová jako konstantní zátěž stejným způsobem jako odpor. U zdroje energie nezáleží na tom, kde proud teče: do rezistoru nebo do přenosového vedení. Impedance (odpor) tohoto vedení se nazývá charakteristická impedance a je určena pouze geometrií vodičů. Pro paralelní vzduchem izolované vodiče se charakteristická impedance vypočítá takto:

Pro koaxiální drát Vzorec pro výpočet odporu vln vypadá trochu jinak:

Pokud izolační materiál není vakuum, rychlost šíření bude menší rychlost Sveta. Postoj skutečnou rychlostí k rychlosti světla se nazývá koeficient zkracování.
Koeficient zkrácení závisí pouze na vlastnostech izolantu a vypočítá se pomocí následujícího vzorce:

Charakteristická impedance je také známá jako charakteristická impedance.
Vzorec ukazuje, že charakteristická impedance se zvyšuje s rostoucí vzdáleností mezi vodiči. Pokud se vodiče od sebe oddálí, jejich kapacita se zmenší a rozložená indukčnost se zvýší (účinek neutralizace dvou opačných proudů je menší). Menší kapacita, větší indukčnost => menší proud => větší odpor. Naopak přiblížení vodičů k sobě vede k větší kapacitu, menší indukčnost => větší proud => menší charakteristická impedance.
S vyloučením účinků úniku proudu přes dielektrikum se charakteristická impedance řídí následujícím vzorcem:

Přenosové vedení konečné délky

Čáry nekonečné délky jsou zajímavou abstrakcí, ale jsou nemožné. Všechny řádky mají konečnou délku. Pokud by ten kus 50 ohmového kabelu RG-58/U, který jsem před lety změřil ohmmetrem, měl nekonečnou délku, zaznamenal bych mezi vnitřním a vnějším drátem odpor 50 ohmů. Ale tato čára nebyla nekonečná a byla měřena jako otevřená s nekonečným odporem.

Charakteristická impedance je však také důležitá při práci s drátem omezené délky. Pokud se na vedení přivede přechodné napětí, poteče proud, který se rovná poměru napětí k charakteristické impedanci. Je to jen Ohmův zákon. Nebude ale působit donekonečna, ale po omezenou dobu.

Pokud je na konci řádku přerušení, pak se proud v tomto bodě zastaví. A toto náhlé zastavení proudu ovlivní celé vedení. Představte si vlak jedoucí po kolejích s prověšením spojek. Pokud narazí do zdi, nezastaví se najednou: nejprve první, pak druhé auto atd.

Signál šířící se ze zdroje se nazývá dopadající vlna. Šíření signálu ze zátěže zpět ke zdroji se nazývá odražená vlna.

Jakmile se hromada elektronů na konci vedení rozšíří zpět do baterie, proud ve vedení se zastaví a chová se jako normální otevřený obvod. To vše se u vedení přiměřené délky děje velmi rychle, takže ohmmetr nestihne změřit odpor. Nestihne zachytit časový úsek, kdy se obvod chová jako rezistor. U kilometrového kabelu se zkracovacím faktorem 0,66 se signál šíří pouze 5,05 µs. Odražená vlna putuje zpět ke zdroji stejnou rychlostí, tedy celkem 10,1 μs.

Vysokorychlostní přístroje jsou schopny změřit tento čas mezi vysláním signálu a příchodem odrazu pro určení délky kabelu. Tuto metodu lze také použít k určení, zda není přerušen jeden nebo oba vodiče kabelu. Taková zařízení se nazývají reflektometry kabelové vedení. Základní princip je stejný jako u ultrazvukových sonarů: generování pulzu a měření času do ozvěny.

Podobný jev nastává v případě zkratu: když vlna dosáhne konce vedení, odrazí se zpět, protože mezi dvěma připojenými vodiči nemůže existovat napětí. Když odražená vlna dosáhne zdroje, zdroj vidí, co se stalo zkrat. To vše se děje během doby šíření signálu tam + čas zpět.

Jednoduchý experiment ilustruje jev odrazu vln. Vezměte lano, jak je znázorněno na obrázku, a zatáhněte za něj. Vlna se začne šířit až do úplného zhasnutí vlivem tření.

Je to jako dlouhá řada se ztrátami. Úroveň signálu klesá, jak se pohybujete po lince. Pokud je však druhý konec připevněn k pevné stěně, objeví se odražená vlna:

Obecně je účelem přenosové linky vysílat elektrický signál z jednoho bodu do druhého.

Odrazy lze eliminovat, pokud je zakončení vedení přesně rovné charakteristické impedanci. Například přerušené nebo zkratované vedení odrazí celý signál zpět ke zdroji. Pokud ale na konec vedení připojíte odpor 50 Ohmů, pak veškerá energie bude absorbována odporem.

To vše dává smysl, pokud se vrátíme k naší hypotetické nekonečné linii. Chová se jako konstantní odpor. Pokud omezíme délku drátu, bude se chovat jako rezistor jen na chvíli a pak - jako zkrat nebo přerušený obvod. Pokud však na konec vedení dáme odpor 50 ohmů, bude se opět chovat jako nekonečná linka.

V podstatě rezistor na konci vedení rovný charakteristické impedanci činí vedení nekonečným z pohledu zdroje, protože rezistor může navždy rozptylovat energii stejně jako nekonečná vedení mohou energii absorbovat.

Odražená vlna, vracející se zpět ke zdroji, se může znovu odrazit, pokud charakteristická impedance zdroje není přesně rovna charakteristické impedanci. Tento typ odrazu je obzvláště nebezpečný, protože to vypadá, jako by zdroj vyslal impuls.

Krátké a dlouhé přenosové linky

V řetězech DC vlnový odpor je obvykle ignorován. Dokonce koaxiální kabel v takových obvodech se používá pouze pro ochranu před rušením. To je způsobeno krátkými časy šíření ve srovnání s periodou signálu. Jak jsme se dozvěděli v předchozí kapitole, přenosové vedení se chová jako rezistor, dokud se odražená vlna nevrátí zpět ke zdroji. Po uplynutí této doby (10,1 µs pro kilometrový kabel) zdroj vidí impedanceřetězy.

Pokud je do obvodu vysílán nízkofrekvenční signál, zdroj vidí chvíli charakteristickou impedanci a poté celkovou impedanci vedení. Víme, že velikost signálu není stejná po celé délce vedení kvůli šíření rychlostí světla (téměř). Fáze nízkofrekvenčního signálu se ale během šíření signálu mírně mění. Můžeme tedy předpokládat, že napětí a fáze signálu ve všech bodech linky jsou stejné.

V tomto případě můžeme uvažovat, že vedení je krátké, protože doba šíření je mnohem kratší než perioda signálu. naproti tomu dlouhá řada to je ten, kde se během doby šíření dokáže změnit tvar signálu většina z fáze nebo dokonce vysílat několik period signálu. Za dlouhé vedení se považují takové, kdy se fáze signálu během šíření změní o více než 90 stupňů. V této knize jsme zatím uvažovali pouze o krátkých řádcích.

Pro určení typu vedení (dlouhé, krátké) musíme porovnat jeho délku a frekvenci signálu. Například perioda signálu o frekvenci 60 Hz je 16,66 ms. Při šíření rychlostí světla (300 tisíc km/s) urazí signál 5000 km. Pokud je koeficient zkracování menší než 1, pak bude rychlost menší než 300 tisíc km/s a vzdálenost bude o stejnou hodnotu menší. Ale i když použijete koeficient zkrácení koaxiálního kabelu (0,66), vzdálenost bude stále velká - 3300 km! Bez ohledu na délku kabelu se tomu říká vlnová délka.

Jednoduchý vzorec umožňuje vypočítat vlnovou délku:

Dlouhá čára je taková, která se vejde na délku alespoň ¼ vlnové délky. A teď už chápete, proč bývaly všechny řádky krátké. Pro energetické systémy AC Délka kabelu 60 Hz musí přesáhnout 825 km, aby se účinky šíření signálu staly významnými. Kabely od audio zesilovače k reproduktorům musí být dlouhé více než 7,5 km, aby výrazně ovlivnily 10kHz audio signál!

Při jednání s radiofrekvenční systémy, problém s délkou přenosového vedení zdaleka není triviální. Uvažujme rádiový signál 100 MHz: jeho vlnová délka je 3 metry i při rychlosti světla. Přenosové vedení musí být delší než 75 cm, aby bylo považováno za dlouhé. Při faktoru zkrácení 0,66 by tato kritická délka byla pouze 50 cm.

Když elektrický zdroj připojené k zátěži krátkou přenosovou linkou, dominuje zátěžová impedance. To znamená, že když je vedení krátké, charakteristická impedance neovlivňuje chování obvodu. Můžeme to vidět při testování koaxiálního kabelu ohmmetrem: vidíme přerušení. I když se linka chová jako 50 Ohm rezistor (kabel RG/58U) zapnutý krátká doba, po této době uvidíme útes. Jelikož reakční doba ohmmetru je mnohem delší než doba šíření signálu, vidíme zlom. Tento je velmi vysoká rychlostšíření signálu nám neumožňuje zjistit odpor přechodu 50 Ohm ohmmetrem.

Pokud pro přenos stejnosměrného proudu použijeme koaxiální kabel, bude kabel považován za krátký a jeho charakteristická impedance neovlivní činnost obvodu. Vezměte prosím na vědomí, že krátká čára bude jakákoli čára, kde je změna signálu pomalejší, než se signál šíří po lince. Téměř jakákoli fyzická délka kabelu může být krátká, pokud jde o impedanci a odražené vlny. Pomocí kabelu pro přenos vysokofrekvenčního signálu můžete odhadnout délku vedení různými způsoby.

Pokud je zdroj připojen k zátěži dlouhými přenosovými vedeními, dominuje nad impedancí zátěže jeho vlastní charakteristická impedance. Jinými slovy, elektricky dlouhé vedení funguje jako hlavní součást obvodu a jeho vlastnosti dominují vlastnostem zátěže. Zdroj je připojen na jeden konec kabelu a přenáší proud do zátěže, ale proud primárně nejde do zátěže, ale do vedení. To platí stále více, čím delší je naše řada. Podívejme se na náš hypotetický 50 ohmový nekonečný kabel. Bez ohledu na to, jakou zátěž připojíme na druhý konec, zdroj uvidí pouze 50 ohmů. V tomto případě je rozhodující odpor vedení a na zátěžovém odporu nezáleží.

Většina efektivní způsob minimalizovat vliv délky přenosového vedení - zatížit vedení odporem. Pokud je impedance zátěže rovna charakteristické impedanci, pak každý zdroj uvidí stejnou impedanci, bez ohledu na délku vedení. Délka linky tedy ovlivní pouze zpoždění signálu. Úplná shoda zátěžového odporu a vlnového odporu však není vždy možná.

Další část pojednává o přenosových vedeních, zvláště když je délka vedení rovna zlomkové části vlny.

Doufám, že jste to hlavní objasnili fyzikální principy kabelové práce
Bohužel další kapitola je velmi dlouhá. Kniha se čte jedním dechem a v určité chvíli se musíte zastavit. K prvnímu příspěvku to myslím stačí. děkuji za pozornost.

Charakteristická impedance neboli impedance je odpor, na který narazí elektromagnetická vlna, když se šíří podél jakéhokoli homogenního (tedy bez odrazů) vodícího systému, včetně kroucené dvoulinky.

Je to charakteristické tento typ kabelu a závisí pouze na jeho primárních parametrech a frekvenci.

Charakteristická impedance souvisí s primárními parametry následujícím jednoduchým vztahem:

Z=√((R+jωL)/(G+jωC))

Charakteristická impedance je číselně stejná vstupní impedance vedení nekonečné délky, které má koncové zatížení rovné jeho vlastní charakteristické impedanci. Měří se v ohmech a určuje kvantitativní vztah mezi elektrickou a magnetickou složkou elektromagnetické vlny. V obecný případ vlnová impedance je komplexní veličina, její modul klesá s rostoucí frekvencí a o vysoké frekvence má sklon k pevnému aktivnímu odporu:

Z ∞ =lim ω → ∞ √((R+jωL)/(G+jωC)) = √(L/C)

Zapnuté kroucené dvoulinky zvukové frekvence, to znamená, že při přenosu telefonních signálů mají odpor cca 600 Ohmů při zvyšování frekvence rychle klesá a při frekvencích nad 1 MHz až na horní mezní frekvenci; konkrétní kabel by se neměly lišit od 100 Ohm o více než + 15 %.

Útlum

Jak se elektromagnetický signál šíří po kroucené dvoulinkě, postupně ztrácí svou energii.

Tento efekt se nazývá útlum nebo útlum.

Útlum se obvykle posuzuje v decibelech jako rozdíl mezi úrovněmi signálu na výstupu vysílače a vstupu přijímače.

Jeden decibel odpovídá změně výkonu 1,26krát nebo napětí 1,12krát.

Je obvyklé rozlišovat mezi vlastním a provozním útlumem kabelu.

Vlastní útlum kabelu označuje útlum při provozu za ideálních podmínek.

V zobecněné podobě lze jeho hodnotu teoreticky definovat jako reálnou část tzv. koeficientu šíření γ, který souvisí s primárními parametry následujícím jednoduchým vztahem:

γ=√((R+jωL)(G+jωC))

Experimentálně lze určit vlastní útlum kabelu jako rozdíl úrovní vstupních a výstupních signálů v případě, že odpor zdroje signálu a zátěže jsou si navzájem rovny a charakteristická impedance kabelu.

Při skutečném provozu není tato podmínka splněna ve všech případech, což je obvykle doprovázeno zvýšením útlumu.

Tento útlum se nazývá pracovní útlum.

Z výše uvedeného vyplývá důležitý praktický závěr, že pro minimalizaci provozního útlumu a jeho přiblížení vlastnímu odporu zdroje signálu musí být zátěž rovna charakteristické impedanci, to znamená v terminologii elektrotechniky musí být zajištěno přizpůsobené zatížení zdroje signálu i samotného kabelu.

Z výše uvedeného vzorce vyplývá, že útlum je frekvenčně závislá veličina a stejně jako všechny parametry v ní obsažené závisí na délce kabelu.

Výsledky analýzy vzorce ukazují, že útlum souvisí s délkou kroucené dvoulinky lineární závislost na všech frekvencích.

Pro zjednodušení provedení inženýrské výpočty Je vhodné použít koeficient útlumu neboli lineární parametr útlumu α, který se číselně rovná útlumu kabelu pevné délky (u kroucené dvoulinky je to obvykle 100 m).

Hodnoty koeficientu útlumu α, délky L a útlumu A jsou ve vzájemném vztahu pomocí následujícího jednoduchého vztahu:

A |dB| = α |dB/100 m| x L |m|/100

Čím nižší je hodnota útlumu, tím silnější je signál na vstupu přijímače a tím stabilnější je spojení, všechny ostatní věci jsou stejné. Útlum je způsoben aktivním odporem a ztrátami v dielektrické izolaci. Určitý příspěvek k útlumu má i záření elektromagnetická energie a odrazy.

Jakýkoli vodič, kterým protéká střídavý proud, je zdrojem záření do okolního prostoru. Odebírá energii signálu a vede ke zvýšenému útlumu signálu. Tento jev se prudce zvyšuje s rostoucí frekvencí signálu. Na λ< а, где λ - длина волны elektromagnetický signál, a je vzdálenost mezi dráty, většina energie je vyzařována do okolního prostoru a přenos v nestíněném vodicím systému se stává nemožným. Pro standardní kroucenou dvojlinku je hodnota parametru a řádově 2 mm, to znamená, že kritická frekvence pro ni bude rovna 15 GHz, což je o dva řády nižší než provozní frekvence nejpokročilejších kroucených párů. párů (-150 MHz). S rostoucí frekvencí ztrát elektromagnetického záření přibývají. Pro minimalizaci radiačních ztrát se používá symetrický přenos a kroucení vodičů do párů.

Jak bylo uvedeno výše, v ideálním symetrickém obvodu není žádné elektromagnetické záření. V praxi takové ideální symetrické obvody neexistují. Faktem je, že v takovém obvodu musí být vodiče nekonečně blízko sebe a v limitu být staženy do nekonečně tenké čáry, kterou protéká celkový proud roven nule. Vodiče s menším průměrem a tenčí izolací k sobě přiléhají. Přílišné zmenšení průřezu vodiče a ztenčení izolace však vede ke zvýšení útlumu v důsledku zvýšení aktivní odpor a zvýšení vodivosti izolačních krytů.

Frekvenční závislost primárních parametrů elektrického kabelu

Z ekvivalentní obvod můžeme dojít k závěru, že útlum má tendenci se zvyšovat s rostoucí frekvencí. Je to způsobeno jak zvýšením odporu podélné větve, zejména vlivem prvku L, tak poklesem odporu příčné větve, což je způsobeno především přítomností kapacity (prvek C). Podle normy TIA/EIA-568-A na délku 100 m a při teplotě 20°C frekvenční odezva A(f) maximálního přípustného útlumu, počínaje 0,772 MHz, pro kabely kategorie 3, 4 a 5 se stanoví podle na následující výraz

A (f) = k1√f + k2f + k3√f,

A, dB - maximální přípustný útlum

f, MHz - frekvence signálu

k1, k2, k3 - konstanty stanovené v závislosti na kategorii kabelu (viz tabulka níže)

Kromě analytické specifikace hodnoty útlumu standard TIA/EIA-568-A definuje tento parametr také v tabulkové formě s rozšířením normalizovaných hodnot do nízkofrekvenční oblasti. To může být užitečné při provádění technických výpočtů komunikačních cest navržených pro podporu provozu určitých aplikací a také umožňuje okamžitě získat potřebné informace bez provádění výpočtů.

Maximální přípustný útlum kabelů kategorie 3, 4 a 5 v délce 100 m při t=20ºС podle normy TIA/EIA-568-A

Výše uvedený obrázek ukazuje frekvenční závislosti maximálního přípustného útlumu kabelů různých kategorií, vypočtené pomocí výše uvedeného vzorce.

Aproximace pomocí vzorce se ukázala jako velmi úspěšná a je často používána mnoha výrobci kabelové produkty popsat vlastnosti svých produktů. V tomto případě jsou akceptovány jejich vlastní hodnoty koeficientů k 1 -k 3 a rozsah se rozšiřuje na frekvence až 400 a dokonce 550 MHz.

Přeslechy

Při přenosu signálu se část jeho energie vlivem nedokonalého vyvážení kroucené dvoulinky mění v elektromagnetické záření, které způsobuje indukované proudy v sousedních párech. Tento efekt se nazývá přechodné rušení. Rušení, superponované na užitečné signály přenášené přes sousední páry, může vést k chybám příjmu a nakonec snížit kvalitu komunikace.

Rozdíl mezi úrovněmi přenášený signál a interference, kterou vytváří na sousedním páru, se nazývá vazební útlum. Podle místa a způsobu měření tohoto parametru se rozlišuje několik typů přechodového útlumu, viz obrázek, na kterém Ii označuje vzniklé rušivé proudy různé oblasti ovlivňování krouceného páru v ovlivňujícím.

Přechodné rušení na blízkém (vlevo) a vzdáleném (pravém) konci sousedního páru

Pokud jsou zdroj signálu a bod měření na stejném konci, pak mluvíme o vazebném útlumu na blízkém konci, pokud na různých bodech, pak mluvíme o vazebném útlumu na vzdáleném konci. V technologii SCS má první z nich tradičně označení NEXT (Near End Crosstalk), převzaté z anglicky psané technické literatury, a druhý - FEXT (Far End Crosstalk). V domácí technické literatuře věnované městské a komunikace na dálku podobné parametry jsou označeny Ao a Ai.

Čím vyšší jsou hodnoty NEXT a FEXT, tím nižší je úroveň rušení v sousedních párech, a tedy i kvalitnější kabel. Z praktického hlediska je zajímavá frekvenční závislost přechodového útlumu na blízkém a vzdáleném konci a také závislost těchto parametrů na délce vedení. Ovlivňující pár a ovlivňovaný pár jsou položeny paralelně pod společnou zadržování. Díky tomu lze jejich vodiče považovat za desky kondenzátoru. To znamená, že jak se frekvence zvyšuje, vazebný útlum klesá. Norma TIA/EIA-568-A se normalizuje minimální hodnotyútlum vazby na blízkém konci s délkou kabelu 100 m Pro určení minimálního přípustného parametru NEXT při frekvencích přesahujících 0,772 MHz se používá následující přibližný výraz:

NEXT(f) = NEXT(0,772) – 15 lg (f/0,772)

NEXT(0,772) - minimální přípustná ztráta vazby na blízkém konci na frekvenci 0,772 MHz, která se pro kabely kategorií 3, 4 a 5 předpokládá 43, 58 a 64 dB, v tomto pořadí

f, MHz - frekvence signálu.

Norma navíc normalizuje hodnoty NEXT při frekvencích pod 0,772 MHz, což může být pro některé aplikace nezbytné. V tomto případě jsou normalizované hodnoty uvedeny ve formě tabulky.

Výsledky výpočtů pomocí výše uvedeného vzorce jsou uvedeny na obrázku.

Maximum platné hodnoty NEXT pro kabely kategorie 3, 4 a 5 na 100 m podle standardu TIA/EIA-568-A

K součtu jednotlivých složek stejné přechodové frekvence na blízkém konci dochází s různými fázemi (napětím). Reálný graf frekvenční závislosti hodnoty NEXT má proto podobu šumové křivky s prudkými změnami hodnot přechodového útlumu na blízkých frekvencích. Normy specifikují pouze minimální hodnotu parametru NEXT a kabel se považuje za vyhovující požadavkům normy, pokud za všech provozních podmínek, frekvenční rozsah skutečná hodnota NEXT neklesne pod hodnotu stanovenou normami.

Typická závislost útlumu vazby na blízkém a vzdáleném konci na délce vedení je znázorněna na obrázku.

Závislost přechodového útlumu na vzdáleném a blízkém konci na délce vedení

Přechodový útlum na blízkém konci s rostoucí délkou vedení nejprve mírně klesá a poté se stabilizuje. Kvalitativním vysvětlením tohoto efektu je, že od určité délky vedení přicházejí rušivé proudy ze vzdálených úseků na blízký konec tak oslabené, že prakticky nezvyšují vzájemný vliv mezi obvody a hodnota NEXT zůstává konstantní. Z toho vyplývá, že hodnoty NEXT pro dva konce jednoho páru se mohou od sebe výrazně lišit, proto všechny normy vyžadují jeho měření na obou stranách. Graf útlumu vazby na vzdáleném konci v závislosti na délce vedení je extrémní. Zpočátku, zatímco délka linky je malá, zvětšování její délky zvyšuje výkon rušení. S narůstající délkou se začíná projevovat nárůst útlumu interferenčních složek a FEXT monotónně narůstá.

Pro zlepšení parametru NEXT v symetrických kabelech se používají různé rozteče kroucených párů. Toto řešení kromě zeslabení elektromagnetické vazby jednotlivých párů neumožňuje jejich těsné dosednutí po celé délce, což dále zvyšuje přechodový útlum.

Je známo, že síťová zařízení pro různé účely používá vyvážený kabel jako přenosové médium různými způsoby. Proto se v závislosti na aplikaci a způsobu použití kabelu normalizace velikosti přeslechu nebo ekvivalentně zeslabení přeslechu provádí odlišně.

V současnosti jsou nejoblíbenější sítě LAN Ethernetové sítě. Při použití plně duplexního režimu pracují vysílač a přijímač současně a toto zařízení používá dva kroucené páry jeden kabel. Tento případ v schematický formulář znázorněno na obrázku.

K definici NEXT

Zároveň oslabený po průchodu krouceným párem informační signál interaguje na vstupu přijímače se silným přechodným rušením působícím na stejném konci vysílače. Proto stačí normalizovat následující parametr:

NEXT = Р с - max Р р

R s - úroveň signálu,

R p - úroveň jím vytvořené přechodové interference

Hodnota max P p se bere pro nejhorší případ, protože není předem známo, které dva páry budou síťovým zařízením použity k organizaci výměny informací.

Nedávno při stavbě síťová zařízení jasně se objevila tendence používat pro přenos informací několik párů současně (zařízení LAN 100Base-T4, 100VG AnyLAN a 1000Base-TX). Na druhou stranu signály z více aplikací jsou stále častěji přenášeny na jediném vícepárovém kabelu. V této situaci je normalizace pouze parametru NEXT nedostatečná, protože přijímač je současně ovlivněn několika zdroji rušení. Pro zohlednění této okolnosti se používá složitější výpočtový model, který má pro 4-párový kabel tvar znázorněný na obrázku (všechny páry působí na jeden) a normalizuje se tzv. parametr celkový výkon(součet výkonu).

K definici PS-NEXT

Kvůli různé vzdálenosti mezi páry, různé výšky kroucení atd. rozdíl mezi hodnotami NEXT a PS-NEXT není 4,8 dB, ale přibližně 2 dB.

Konečně v nejnovějších slibných aplikacích, jako je např Gigabit Ethernet Vstup přijímače a výstup vysílače jsou odděleny pomocí diferenciální systém. To umožňuje současně používat jeden kroucený pár pro příjem a vysílání signálů. V této situaci je kromě přeslechu na blízkém konci také nutné vzít v úvahu interferenci na vzdáleném konci a odpovídajícím způsobem normalizovat přeslech na vzdáleném konci:

FEXT=P c - max P p

P p - úroveň přechodového rušení na vzdáleném konci

K definici PS-NEXT

Podobně jako u přeslechu na blízkém konci lze také zadat parametr PS-FEXT. Podobně jako u přeslechu na blízkém konci lze normalizovat hodnotu celkového přeslechu na vzdáleném konci. Přeslech na vzdáleném konci je obvykle menší než přeslech na blízkém konci. Na rozdíl od rušení na blízkém konci se však tyto rušivé složky často sčítají ve fázi nebo s malým fázovým rozdílem, což může dále zvýšit jejich výkon.

A konečně někteří výrobci začínají standardizovat tzv. globální přeslech GXT, který se rovná součtu indukovaných přeslechů na obou koncích kabelu.

V přítomný okamžik oficiální vydání norem specifikují pouze hodnoty NEXT a PS-NEXT ( poslední hodnota udáváno pro vícepárové a kombinované kabely), standardizaci hodnot FEXT a GXT provádí omezený počet společností.

Zabezpečení

Pro posouzení kvality přenosu informací v drátové komunikační technice se široce používá parametr odolnosti proti rušení nebo jednoduše zabezpečení, což je rozdíl mezi úrovněmi užitečného signálu a rušení v daném místě.

K definici NEXT

Pro výpočetní model je úroveň signálu P c = P na - A a úroveň přechodného rušení je P pp = P na - NEXT. Bezpečnost podle definice se bude rovnat:

to znamená, že záleží pouze na hodnotách útlumu a přechodového útlumu.

Parametr ACR určuje míru rušení překročenou užitečným signálem a je proto nedílnou charakteristikou kvality kabelu. Zkratka ACR používaná k označení bezpečnostního prostředku Attenuation to Crosstalk Ratio. Jak se zvyšuje hodnota ACR, všechny ostatní věci jsou stejné, poměr signálu k šumu se začíná zvyšovat a odpovídajícím způsobem se zvyšuje stabilita připojení. Protože NEXT a A jsou frekvenčně závislé, ACR je také frekvenčně závislá. ISO/IEC 11801 specifikuje minimální hodnoty ACR pro kabely kategorie 5 při frekvencích 20 MHz a vyšších. TIA/EIA-568-A konkrétně nespecifikuje limity ACR pro různé frekvence, lze je však vypočítat pomocí vzorce ACR = NEXT - A. Výsledky těchto výpočtů pro kabely kategorie 3, 4 a 5 o délce 100 m jsou uvedeny na obrázku.

Vypočítané hodnoty minimální přípustné parametry ACR dle normy TIA/EIA-568-A pro kabely kategorie 3,4 a 5 v délce 100 m

Z tohoto obrázku je vidět, že v nejhorším případě musí signál na vstupu přijímače převyšovat rušivý šum ze sousedního páru alespoň o 10 dB, což odpovídá poměru signálu k šumu 3,16 násobku. napětí nebo 10násobek výkonu.

Zavedení parametru ACR nám umožňuje upřesnit koncept horní mezní frekvence kabelu. Kabely s kroucenými páry s koncovými konektory jsou považovány za kabely poskytující stabilní plně duplexní provoz pro jakoukoli aplikaci s horním limitem frekvence 10 dB ACR. Tato pozice je na obrázku zvýrazněna samostatně.

K určení parametru zabezpečení

Výjimka z tohoto pravidla jsou kabely kategorie 4, které při frekvenci 20 MHz ACR = 26 dB. Zároveň svršek mezní frekvence aplikace by neměly být zaměňovány maximální frekvence kabel, na kterém výrobce certifikuje jeho parametry, protože hodnoty ACR na něm často vycházejí záporně (to je zvláště výrazné u nestíněných provedení s relativně nízkým NEXT). Potřeba certifikace parametrů kabelu na těchto frekvencích vyvstává pro posouzení možnosti jeho použití pro poloduplexní nebo jednosměrný (simplexní) přenos jakýchkoli signálů, například televize.

V případě vysokofrekvenčních aplikací, které za provozu využívají k přenosu informace všechny kroucené dvoulinky a současně ve dvou směrech, je normalizace pouze hodnoty ACR nedostatečná. Pro výpočet interferenční složky vytvořené interferencí na vzdáleném konci se používá hodnota podobná ACR

Zkratka ELFEXT použitá k označení tohoto parametru znamená Equal Lewel for Far End Crosstalk - ekvivalentní úroveň přeslechu na vzdáleném konci.

Po přečtení tohoto článku pochopíte význam vlnového odporu. Z přednášek o vlnové teorii jsem se dozvěděl pouze to, že vlnový odpor je odpor vůči vlnění. Zdálo se, že většina studentů rozumí přesně tomu samému. Tedy nic.

Tento článek je velmi volným překladem této knihy: Lessons In Electric Circuits
Související články: Na Habrého: Kontakt je, ale není signál
Trash na Wikipedii: Long Line

50 ohm kabel?

Na začátku své vášně pro elektroniku jsem často slýchal o charakteristické impedanci 50Ω koaxiálního kabelu. Koaxiální kabel je dvoužilový. Středový drát, izolátor, opletení, izolátor. Opletení zcela zakrývá střední vodič. Tento vodič se používá k přenosu slabých signálů a opletení chrání signál před rušením.

Co jsem tehdy nechápal, bylo, jak kabel reaguje na impulsy. Ohmmetr samozřejmě pracuje se stejnosměrným proudem a ukazuje, že vodiče nejsou vzájemně propojeny. Kabel se však vlivem kapacity a indukčnosti rozložených po celé délce chová jako rezistor. A stejně jako v běžném rezistoru je proud úměrný napětí. To, co vidíme jako pár vodičů, je důležitým prvkem obvodu v přítomnosti vysokofrekvenčních signálů.

V tomto článku se dozvíte, co je to komunikační linka. Při provozu na stejnosměrném nebo 50 Hz síťovém kmitočtu nedochází k mnoha efektům vedení. Ve vysokofrekvenčních obvodech jsou však tyto efekty poměrně významné. Praktické uplatnění přenosových vedení je v radiokomunikacích, v počítačových sítích a v nízkofrekvenčních obvodech pro ochranu před přepětím nebo úderem blesku.

Dráty a rychlost světla

Co se stane, když bude délka drátů 300 tisíc km? Protože elektřina je přenášena konečnou rychlostí, velmi dlouhé dráty způsobí zpoždění.

Při zanedbání doby zahřátí lampy a odporu vodičů se lampa rozsvítí přibližně 1 sekundu po zapnutí vypínače. I když by stavba supravodivých silnoproudých vedení této délky představovala obrovské praktické problémy, je to teoreticky možné, takže náš myšlenkový experiment je proveditelný. Když je vypínač vypnutý, lampa bude napájena ještě další 1 sekundu.
Jedním ze způsobů, jak si představit pohyb elektronů ve vodiči, jsou vlakové vozy. Auta sama se pohybují pomalu, teprve se rozjíždějí a vlna spojky se přenáší mnohem rychleji.

Charakteristická impedance

Předpokládejme, že máme dva paralelní dráty nekonečné délky, bez žárovky na konci. Poteče proud, když je spínač sepnutý?

I když je náš drát supravodič, nemůžeme zanedbat kapacitu mezi dráty:

Protože elektrony interagují rychlostí světla, vlna se bude pohybovat stejnou rychlostí. Zvýšení proudu v induktorech a proces nabíjení kondenzátorů tedy bude vypadat takto:

V důsledku těchto interakcí bude proud procházející baterií omezen. Vzhledem k tomu, že dráty jsou nekonečné, distribuovaná kapacita se nikdy nenabije a indukčnost nedovolí, aby se proud neustále zvyšoval. Jinými slovy, dráty se budou chovat jako konstantní zátěž.
Přenosové vedení se chová jako konstantní zátěž stejným způsobem jako odpor. U zdroje energie nezáleží na tom, kde proud teče: do rezistoru nebo do přenosového vedení. Impedance (odpor) tohoto vedení se nazývá charakteristická impedance a je určena pouze geometrií vodičů. Pro paralelní vzduchem izolované vodiče se charakteristická impedance vypočítá takto:

U koaxiálního drátu vypadá vzorec pro výpočet vlnové impedance trochu jinak:

Pokud izolační materiál není vakuum, rychlost šíření bude menší než rychlost světla. Poměr skutečné rychlosti k rychlosti světla se nazývá zkracovací faktor.
Koeficient zkrácení závisí pouze na vlastnostech izolantu a vypočítá se pomocí následujícího vzorce:

Charakteristická impedance je také známá jako charakteristická impedance.
Vzorec ukazuje, že charakteristická impedance se zvyšuje s rostoucí vzdáleností mezi vodiči. Pokud se vodiče od sebe oddálí, jejich kapacita se zmenší a rozložená indukčnost se zvýší (účinek neutralizace dvou opačných proudů je menší). Menší kapacita, větší indukčnost => menší proud => větší odpor. A naopak, přiblížení vodičů k sobě vede k větší kapacitě, menší indukčnosti => většímu proudu => menší charakteristické impedanci.
S vyloučením účinků úniku proudu přes dielektrikum se charakteristická impedance řídí následujícím vzorcem:

Přenosové vedení konečné délky

Signál šířící se ze zdroje se nazývá dopadající vlna. Šíření signálu ze zátěže zpět ke zdroji se nazývá odražená vlna.

Vysokorychlostní přístroje jsou schopny změřit tento čas mezi vysláním signálu a příchodem odrazu pro určení délky kabelu. Tuto metodu lze také použít k určení, zda není přerušen jeden nebo oba vodiče kabelu. Taková zařízení se nazývají reflektometry kabelového vedení. Základní princip je stejný jako u ultrazvukových sonarů: generování pulzu a měření času do ozvěny.

Podobný jev nastává v případě zkratu: když vlna dosáhne konce vedení, odrazí se zpět, protože mezi dvěma připojenými vodiči nemůže existovat napětí. Když odražená vlna dosáhne zdroje, zdroj vidí, že došlo ke zkratu. To vše se děje během doby šíření signálu tam + čas zpět.

Jednoduchý experiment ilustruje jev odrazu vln. Vezměte lano, jak je znázorněno na obrázku, a zatáhněte za něj. Vlna se začne šířit až do úplného zhasnutí vlivem tření.

Je to jako dlouhá řada se ztrátami. Úroveň signálu klesá, jak se pohybujete po lince. Pokud je však druhý konec připevněn k pevné stěně, objeví se odražená vlna:

Účelem přenosového vedení je obvykle přenášet elektrický signál z jednoho bodu do druhého.

Krátké a dlouhé přenosové linky

Ve stejnosměrných obvodech je charakteristická impedance obvykle ignorována. I koaxiální kabel v takových obvodech slouží pouze k ochraně proti rušení. To je způsobeno krátkými časy šíření ve srovnání s periodou signálu. Jak jsme se dozvěděli v předchozí kapitole, přenosové vedení se chová jako rezistor, dokud se odražená vlna nevrátí zpět ke zdroji. Po uplynutí této doby (10,1 µs pro kilometrový kabel) zdroj vidí celkový odpor obvodu.

V tomto případě můžeme uvažovat, že vedení je krátké, protože doba šíření je mnohem kratší než perioda signálu. Naproti tomu dlouhá linka je taková, kde se během šíření tvar signálu po většinu fáze mění, nebo dokonce přenáší několik period signálu. Za dlouhé vedení se považují takové, kdy se fáze signálu během šíření změní o více než 90 stupňů. V této knize jsme zatím uvažovali pouze o krátkých řádcích.

Jednoduchý vzorec umožňuje vypočítat vlnovou délku:

Dlouhá čára je taková, která se vejde na délku alespoň ¼ vlnové délky. A teď už chápete, proč bývaly všechny řádky krátké. U 60Hz střídavých napájecích systémů musí délka kabelu přesáhnout 825 km, aby se účinky šíření signálu staly významnými. Kabely od audio zesilovače k reproduktorům musí být dlouhé více než 7,5 km, aby výrazně ovlivnily 10kHz audio signál!

Při práci s RF systémy není problém délky přenosového vedení zdaleka triviální. Uvažujme rádiový signál 100 MHz: jeho vlnová délka je 3 metry i při rychlosti světla. Přenosové vedení musí být delší než 75 cm, aby bylo považováno za dlouhé. Při faktoru zkrácení 0,66 by tato kritická délka byla pouze 50 cm.

Když je elektrický zdroj připojen k zátěži přes krátké přenosové vedení, dominuje zátěžová impedance. To znamená, že když je vedení krátké, charakteristická impedance neovlivňuje chování obvodu. Můžeme to vidět při testování koaxiálního kabelu ohmmetrem: vidíme přerušení. Linka se sice krátkodobě chová jako 50 ohmový rezistor (kabel RG/58U), ale po této době uvidíme přerušený obvod. Jelikož reakční doba ohmmetru je mnohem delší než doba šíření signálu, vidíme zlom. Tato velmi vysoká rychlost šíření signálu nám neumožňuje detekovat odpor přechodu 50 Ohm ohmmetrem.

Nejúčinnějším způsobem, jak minimalizovat vliv délky přenosového vedení, je zatížení vedení odporem. Pokud je impedance zátěže rovna charakteristické impedanci, pak každý zdroj uvidí stejnou impedanci, bez ohledu na délku vedení. Délka linky tedy ovlivní pouze zpoždění signálu. Úplná shoda zátěžového odporu a vlnového odporu však není vždy možná.

Další část pojednává o přenosových vedeních, zvláště když je délka vedení rovna zlomkové části vlny.

Doufám, že jste objasnili základní fyziku fungování kabelů.
Bohužel další kapitola je velmi dlouhá. Kniha se čte jedním dechem a v určité chvíli se musíte zastavit. K prvnímu příspěvku to myslím stačí. děkuji za pozornost.

Jakékoli prostředky hromadné sdělovací prostředky vysílá signál do dlouhé vzdálenosti pomocí elektromagnetických vln. Jednou z vlastností takové vlny je vlnový odpor. Přestože charakteristické jednotky odporu jsou Ohmy, nejedná se o „skutečný“ odpor, který lze měřit pomocí speciální vybavení jako je ohmmetr nebo multimetr.

Charakteristickou impedanci nejlépe pochopíme tak, že si představíme nekonečně dlouhý drát, který při zatížení nevytváří odražené nebo zpětné vlny. Stvoření střídavé napětí(V) v takovém obvodu povede ke vzniku proudu (I). Charakteristická impedance (Z) v tomto případě bude číselně rovna poměru:
Z = V/I
To platí pro vakuum. Ale kdyby mluvíme o o „skutečném prostoru“, kde není žádný nekonečně dlouhý drát, rovnice má podobu Ohmova zákona pro část obvodu:
R = V/I

Obvod výpočtu ekvivalentního přenosového vedení

Pro mikrovlnné inženýry obecný výraz, který určuje vlnový odpor, je:
Z = R+j*w*L/G+j*w*C
Zde R, G, L a C jsou nominální vlnové délky modelu přenosového vedení. Je třeba poznamenat, že v celkový pohled vlnová impedance může být komplexní číslo. Důležité je upřesnění, že tento případ je možný pouze tehdy, když R nebo G nejsou nula. V praxi se vždy snaží dosáhnout minimálních ztrát na vedení přenosu signálu. Proto je příspěvek R a G k rovnici obvykle ignorován a nakonec kvantitativní hodnota odporu vlny nabývá velmi malé hodnoty.

Vnitřní odpor

Charakteristická impedance je přítomna, i když není přenosové vedení. Je spojena s šířením vln v jakémkoli homogenním prostředí. Vnitřní odpor je mírou vztahu elektrické pole na magnetické. Vypočítává se stejným způsobem jako u přenosových vedení. Za předpokladu, že v médiu není žádná „skutečná“ vodivost nebo odpor, rovnice se redukuje na jednoduchý kvadratický tvar:
Z = SQRT(L/C)
V tomto případě se indukčnost na jednotku délky sníží na propustnost média a kapacita na jednotku délky se sníží na dielektrickou konstantu.

Odolnost vůči vakuu

V prostoru je relativní permeabilita prostředí a dielektrická konstanta vždy konstantní. Takže rovnice vnitřní odpor zjednodušuje na rovnici pro vlnový odpor vakua:
n = SQRT(m/e)
Zde m je permeabilita vakua a e je dielektrická konstanta média.
Hodnota impedance vakua je konstantní hodnotu a přibližně rovný 120 pikoohmům.

Oblíbené v kategorii: