Асимметричная линия. Асимметрия омическая и емкостная. Проблемы, связанные с асиметрией в кабелях связи. Измерение линий связи. Ассиметрия

Передача сигналов по линиям связи.

Особенное значение имеют электрические цепи, по которым передаются сигналы как между входами и выходами микросхем на печатной плате, так и между различными устройствами ЭВМ, находящимися на разных платах и в разных корпусах.

Такие электрические цепи будем называть линиями связи. Большинство линий связи относятся к несимметричным.

На рис.105 показаны разновидности несимметричных линий связи: а - одиночный проводник, б - витая пара, в - коаксиальный кабель

Рис.105. Несимметричные линии связи.

Одиночный проводник - обычная линия связи, широко используемая на печатных платах, выход передатчика и вход приемника связываются одиночным проводником, а электрическое замыкание цепи осуществляется через общий проводник печатной платы. Преимущество однопроводной линии связи - простота, а недостаток - большое количество помех, возникающих в общем проводнике печатной платы и воздействующих на передаваемый сигнал.

Витая пара - два изолированных проводника свитые между собой, один из них связывает передатчик и приемник сигналов, а второй используется для замыкания электрической цепи. При использовании витой пары в пределах печатной платы существенно повышается помехоустойчивость передачи информации, но стоимость такой конструкции выше, чем одиночного проводника.

Коаксиальный кабель - специальная конструкция, состоящая из центрального проводника, находящегося в изоляционной оболочке, поверх которой расположен цилиндрический экранирующий проводник.

Имеет смысл рассматривать влияние отражения сигналов, если линия связи работает как длинная линия, а это определяется выполнением условия

Где - время распространения сигнала по линии связи, - длительность импульсного сигнала.

При выполнении этого неравенства отраженные сигналы от концов линии не оказывают влияния на форму импульса, т.е. такую линию не имеет смысла рассматривать как длинную линию. Учитывая, что скорость распространения сигналов в соединительных линиях около 25 см/нс, а длительность фронтов формируемых на выходах элементов ТТЛ серий от 2 до 20 нс можно определить длину соединительных проводников, у которых выполняется указанное неравенство. Данные по ТТЛ сериям приведены в таблице16.

Таблица.16

Если принять, что - выходное сопротивление источника сигнала, - волновое сопротивление линии связи, - сопротивление нагрузки, подключенное к выходу линии, то напряжение на входе линии (в точке А) можно определить по формуле , где - выходное напряжение элемента передатчика. В процессе передачи сигналов по длинной линии наблюдается отражение сигналов от концов линии связи и неоднородностей по ее длине. Коэффициент отражения на входе линии (в точке А) может быть оценен соотношением

а на выходе линии (в точке В) -

Величина отраженной волны определяется как произведение величины падающей волны на коэффициент отражения.

Рассмотрим на примере влияние отражения на качество передачи сигнала по линии связи между двумя логическими элементами со следующими параметрами: , , , логический элемент - передатчик изменяет состояние выхода с нулевого на единичное с уровнем напряжения 4В. Коэффициенты отражения примут значения и .

При переключении элемента на входе линии (в точке А) имеем

Этот сигнал приходит в конец линии и отражается, в конце линии (в точке В) будем иметь , причем произведение - это отраженная волна, которая приходит в начало линии и вновь отражается. При этом на входе линии получаем

Результаты расчетов в виде графиков приведены на рисунке 106.

Как видно из графика сигнал на входе и выходе линии является плавно нарастающим напряжением, вид которого приводит только к задержке сигнала во времени. Однако при других соотношениях сопротивлений форма сигнала претерпевает более серьезные изменения, которые могут привести к нарушению работоспособности. Рассмотрим работу линии при: , остальные параметры как в предыдущем примере. Коэффициенты отражения примут значения и .

Рис.106. График изменения напряжения на концах

Самое нехорошее соотношение будет тогда, когда на обоих концах линии коэффициенты отражения будут единичными и с разными знаками, возможна полная потеря информации.

Рис.107. График передачи сигнала по линии связи.

Подобные искажения сигналов при передаче их по длинным линиям приводят к снижению надежности работы всего вычислительного устройства. Для уменьшения искажений длинными линиями необходимо выполнять их согласование с передатчиками и приемниками сигналов.

Несимметричная полосковая линия передачи

Несимметричная полосковая линия передачи или микрополосковая линия (рис. 12,3, 12.4, а) представляет собой полосковую линию, у которой проводник (1) отделен от общей металлизации (3) слоем диэлектрика (2). Такая линия легко изготавливается c использованием современных технологических процессов, имеет малые габариты, низкую стоимость при серийном производстве, высокую надежность. Распределение линий напряженности электрического и магнитного полей показано на рис. 12.4, б. Несмотря на очевидную простоту конструкции, точный анализ характеристик микрополосковой линии, имеющей неоднородную диэлектрическую среду, достаточно сложен. Характеристики линии рассчитываются, как правило, в предположении о распространении квази Т-волны. Строго говоря, в линии распространяется смешанная волна, обладающая заметной дисперсией, что обусловливает изменение ее параметров от частоты. Точное определение частотно-зависимых параметров возможно при решении краевой задачи численными методами на ЭВМ.

Рис. 12.3. Конструкция несимметричной полосковой линии передачи

Рис. 12.4. Конструкция несимметричной полосковой линии передачи (а) и распределение линий напряженности электрического и магнитного поля (б).

Для НПЛ расчет волнового сопротивления и других параметров представляет собой более сложную задачу, чем для СПЛ. Основное отличие состоит в том, что НПЛ представляет собой открытую структуру, и построение ее строгой теории оказалось связанным с решением ряда сложных проблем математической теории дифракции и вычислительной электродинамики. Вместе с тем для целого ряда приложений оказались весьма полезными различные приближенные результаты. Один таких подходов связан с использованием так называемой модели Олинера. Эта модель основана на сравнении волновых сопротивлений реальной линии, имеющую относительную диэлектрическую проницаемость материала подложки ε r и однородно заполненного волновода с магнитными боковыми стенками. Причем заполнение этого волновода имеет величину ε эфф – эффективную относительную диэлектрическую проницаемость отличную от ε r .Величина ε эфф определяет равенство фазовых скоростей в обеих линиях. Эффективная ширина W эфф НПЛ для модели Олинера определяется из равенства волновых сопротивлений исходной линии и модели.

Получен ряд приближенных соотношений для определения волнового сопротивления Z В и эффективной относительной диэлектрической проницаемости ε эфф в квазистатическом приближении. Так, волновое сопротивление Z В можно рассчитать с низкой погрешностью (±1%) для 1 ε r 16 и геометрических размеров в области .

Для широких проводников ()

и для узких проводников ()

, (12.8)

где параметр ε эфф равен:

Потери в МПЛ принято делить на потери в диэлектрике подложки, в металлических элементах линии и на излучение в окружающее пространство за счет поверхностных и пространственных типов волн. Для расчета потерь в металле и диэлектрике подложки известны достаточно простые расчетные соотношения. Потери на излучение связаны обычно с наличием разного рода неоднородностей в ПЛП. Так, это может быть обрыв линии, или ёё изгиб; отверстие в центральном проводнике; расположенная рядом другая линия (в этом случае говорят о связанных ПЛП).

Коэффициент затухания обусловленный потерями в диэлектрике определяется по следующим формулам:

; [дБ/м] (12.11)

где , где - частота [ГГц].

При учете конечной толщины проводника вместо отношения W / D надо подставлять величину W * / D :

, (12.12)

. (12.13)

Зависимость Z В от отношения при разных значениях ε r (кривая 1 соответствует ε r = 2,2; кривая 2 - ε r = 4,0; кривая 3 - ε r =6,0; кривая 4 - ε r = 9,6) можно показать кривыми, изображенными на рис. 12.5. Анализ этих кривых показывает, что величина Z В в МПЛ уменьшается при увеличении W , ε r и при уменьшении толщины подложки D .

Расчёты показывают, что при значениях параметров МПЛ W = 1 мм, D = 1 мм, изготовленной на базе поликора с ε r = 9,6, ёе волновое сопротивление составляет приблизительно 50 Ом.

Более строгий анализ показывает, что в МПЛ распространяется не чистая Т-волна, поэтому волновое сопротивление и эффективная диэлектрическая проницаемость зависит от рабочей частоты. Такая зависимость называется дисперсией. В расчетных соотношениях, представленных выше, при учете дисперсии необходимо произвести замену на .

Рис. 12.5. Зависимость величины волнового сопротивления от конструктивных параметров и размеров.

На основе обобщения многочисленных экспериментальных данных получена следующая эмпирическая формула, позволяющая учесть зависимость от частоты:

, (12.14)

, (12.15)

где f - рабочая частота [размерность в ГГц], размерность W и D в соизмеримых величинах.

Точность расчётов по формулам (12.14) и (12.15) не хуже 2% при и мм.

Коэффициент затухания  м в металле определяется по следующим приближенным формулам:

(12.17)

где , а - проводимость материала, используемого для изготовления проводников микрополосковой линии, - проводимость меди.

(12.18)

где ; ; ; ; .

На рис. 12.6 представлены зависимости коэффициента затухания микрополосковой линии передачи от частоты при значениях параметров  r = 9,6, D = l мм, = 75 Ом (кривая 1) и = 50 Ом (кривая 2.) Видно, что с ростом частоты коэффициент затухания возрастает по закону   f . С ростом волнового сопротивления потери также возрастают при равенстве всех остальных параметров. Реальные микрополосковые схемы размещаются в экранирующем корпусе. При этом идеализированное представление о проводящих границах, расположенных на бесконечном расстоянии от полоски, в ряде случаев оказывается неточным. Однако считается, что если экранирующий корпус располагается на расстоянии больше, чем 10  W , тогда параметры такой линии передачи можно определять по представленным выше формулам для линий без экранирования.

В реальных микрополосковых линиях затухание повышается из-за шероховатости подложки, конечной толщины адгезионного подслоя между проводником и подложкой, а также из-за ряда других факторов неучтенных выше.

Рис. 12.6. Зависимость затухания микрополосковой линии передачи от частоты.

где величина f кр выражена в ГГц, а D - в мм.

В режиме непрерывных колебаний потери в микрополосковой линии, а также интенсивность отвода тепла от подложки, определяют электрическую прочность. Ориентировочные значения предельной средней мощности для линии с сапфировой подложкой составляют 80 - 100Вт, а предельной импульсной мощности (при скважности сигнала более 50) - несколько киловатт.

Из вышесказанного ясно, что электрические характеристики микрополосковой линии определяются ее геометрическими размерами. Уменьшение толщины подложки обеспечивает: малые потери на излучение, снижение вероятности возбуждения поверхностных волн, увеличение плотности монтажа. Однако при прочих равных условиях для сохранения постоянного волнового сопротивления необходимо уменьшать W , что, в свою очередь, приводит к увеличению потерь в проводниках. Кроме того, при малых значениях параметров D и W требуемые технологические допуски для обеспечения удовлетворительных электрических характеристик могут оказаться трудно реализуемыми. Компромиссным решением при выборе D является принятый ряд стандартных значений толщины подложки для микрополосковых линий: D = 0,25; 0,5; 1 мм.

Остановимся на определении еще одного геометрического размера микрополосковой линии - толщины проводника. Ток в проводнике микрополосковой линии протекает в основном по стороне проводника, обращенной к подложке, и концентрируется в слое, толщина которого равна примерно толщине скин-слоя . Для обеспечения малых потерь в проводнике необходимо, чтобы толщина проводника и заземленной пластины составляла примерно 3 -5 толщин скин-слоя.

Асимметрия

Что бы ни пугало непонятное слово придётся вникнуть в его логический смысл. Всем привычно понятие симметрия. Это когда с двух сторон одинаково - как колёса или фары в машине или глаза на лице, то есть когда правое такое же как и левое. Соответственно асимметрия это когда несимметрично: правое больше левого или наоборот.

Теперь вернёмся к кабелям и линиям. В подавляющем большинстве случаев в кабелях и проводах связи с металлическими жилами используются парные (симметричные) линии, то есть все параметры одного провода пары такие же, как параметры второго провода этой же пары. Параметры эти: сопротивление жил, изоляция, электрическая ёмкость к экрану (земле) и индуктивность. Соответственно разницу в них называют асимметрией. При этом различают асимметрию:

→ по сопротивлению жил - омическая асимметрия
→ по ёмкости к земле (экрану) - емкостная асимметрия
→ по изоляции к земле (экрану) - асимметрия по изоляции
→ по индуктивности - асимметрия индуктивности шлейфа

Асимметрия индуктивности шлейфа не измеряется. Асимметрия по изоляции в случае понижения изоляции одного провода ниже нормы называют "землёй" или повреждением, а в остальных случаях не измеряют.

При плановых и приёмо-сдаточных измерениях измеряется омическая асимметрия. И относительно недавно и в связи с активным использованием DSL-модемов стала измеряться асимметрия емкостная.

Асимметрия омическая

Омическая асимметрия – разница в сопротивлении двух жил пары постоянному току .

Мерить сопротивление одной жилы в проложенном кабеле проблематично. Гораздо проще сравнить сразу две. Для этого в приборах ПКП, ИРК-ПРО и др. предусмотрена соответствующая мостовая схема. Шнуры включаются так же, как при измерении шлейфа , только закороченная пара на другом конце заземляется или присоединяется к экрану кабеля. Выбирается соответствующий режим измерений, получается ответ в Омах. Остаётся сравнить с шлейфом пары и нормой 0,5% (СТС) или 1,0% (ГТС).
↓ Официально ↓

Как правило, небольшая асимметрия (1-2%) получается из-за разности диаметров жил в кабельной паре. Что в свою очередь, происходит из-за изношенности фильер при вытяжке жил на кабельном заводе. Или проще, из-за недостаточного контроля технологии изготовления.

Существует представление о том, что асимметрия в смонтированной длине кабеля возникает из-за некачественной скрутки муфт и плохого контакта в плинтах. Сопротивление вносимое контактами плинтов и соединителей в муфтах очень мало и не способно внести существенную разбежку.
Норма на это сопротивление есть в приложениях к
ОСТ 45.36-97 → Характеристики соединителей токопроводящих жил кабелей
ОСТ 45.62-97 страницы: → Характеристики соединителей жил кабелей и → Характеристики модулей подключения плинтов

Выполняя входной контроль кабеля приходящего с завода можно убедиться, что асимметрия есть уже до монтажа муфт. И, как правило, плохая скрутка при монтаже имеет гораздо бо́льшее сопротивление и очень быстро переходит в обрыв. Так что основной «поставщик» ненормальной асимметрии кабельный завод.
__________

P.S. 12.02.14 . Любопытно, что в ГОСТ Р 54429-2011 Кабели связи симметричные для цифровых систем передачи. Общие технические условия требования по омической асимметрии не столь строгие ↓

5.2.2 Требования к электрическим параметрам
5.2.2.1 Электрическое сопротивление жилы постоянному току, пересчитанное на длину 1000 м и температуру 20°С, должно быть:
- не более 95 Ом -для кабелей для СКС с однопроволочной жилой;
- не более 145 Ом - для кабелей для СКС с многопроволочной жилой;
- не более значения, указанного в технических условиях на кабели конкретных марок для ШПД.
5.2.2.2 Oмичecкaя acимметрия жил в рабочей паре должна быть не более 3% для кабелей категорий 3 и 5 и не более 2% - для кабелей категорий 5е, 6, 6А, 7 и 7А.

Так как речь в этом документе идёт о сопротивлении одной жилы, а не о шлейфе , то для пересчёта процента омической асимметрии к сопротивлению шлейфа следует значения 3% и 2% делить на два. То есть получиться 1,5% и 1% и именно эти цифры сравнимы с нормой 0,5% из ОСТ 45.83-96 или 1% из ОСТ 45.36-97

Асимметрия емкостная

Емкостная асимметрия это разница в ёмкости к земле (экрану) двух жил пары . Например, ёмкость жилы "а" к "земле" 36 nF, а ёмкость жилы "б" 35 nF. Отнимаем большее от меньшего (чтобы не выкидывать получившийся минус) и получаем емкостную асимметрию абсолютную в нанофарадах (nF)

A c =|С а -С б |, (nF)

здесь
A c - aсимметрия емкостная
С а - ёмкость жилы "а" к экрану
С б - ёмкость жилы "б" к экрану

Расчёт: А с =36-35=1(nF)

Чтобы вычислить относительную асимметрию (А со) надо разделить получившееся значение на ёмкость одной жилы и умножить результат на 100%, то есть

А со =А с /С а *100%,

Расчёт: А со =1/36*100%≈2,8%

Норма "не более 5 %"

Так же как и асимметрия омическая при нормальной изоляции линии не исправляется ремонтом кабеля, а только его заменой.

Проблемы, связанные с асиметрией в кабелях связи. Измерение линий связи. Ассиметрия.

Зачем измеряют асимметрию и на какие параметры линии она оказывает влияние.

Телефонный провод, передающий какой-либо сигнал, окружает себя электромагнитным полем. Второй провод пары, учитывая, что ток течёт в нём в противоположном направлении, полностью уравновешивает это, создающее помехи поле. Если же пара с большой асимметрией, то уравновешивания не происходит. Сигнал на такой паре создаёт помехи в кабеле, и наоборот любая помеха проникает в эту линию. То есть асимметрия влияет на защищённость линии.

Для обычного телефона проблем от небольшой асимметрии, как правило, нет. Проблемы возникают у модемов и факсов, а их в свою очередь, становится на наших линиях всё больше и больше.

2 асимметричная линия

3

4 асимметричная цифровая абонентская линия

См. также в других словарях:

асимметричная цифровая абонентская линия - Способ высокоскоростной передачи информации через обычный телефонный провод. Передача происходит на высоких частотах, оригинальный стандарт ADSL поддерживает скорость до 8 МБит/с и более высокую, на своих последующих версиях. Непосредственно АТС… …

асимметричная цифровая абонентская линия с адаптацией по скорости - Высокоскоростная линия абонентского доступа, в которой скорость передачи информации изменяется в зависимости от длины линии и общего числа задействованных каналов. Скорость входящего потока может изменяться в пределах 0,375 1 Мбит/с, а исходящего … Справочник технического переводчика

асимметричная цифровая абонентская линия с адаптивными скоростями передачи - — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN rate adaptive asymmetric digital subscriber lineRADSL … Справочник технического переводчика

Асимметричная цифровая абонентская линия (ADSL) - ADSL, Кб/с (Асимметричная цифровая абонентская линия) модемная технология, предназначенная для соединения конечного (клиентского) оборудования с узлом доступа провайдера (оператора связи). Преобразует стандартные абонентские телефонные линии в… … Официальная терминология

Интернет в Дании - Асимметричная цифровая абонентская линия или ADSL (от англ. Asymmetric Digital Subscriber Line) была введена в Дании в 1999 году. Причем технология была введена на практически государственном уровне, и в настоящее время в Дании 97%… … Википедия