Рожновский М.В.

Одесская национальная академия связи им. А.С. Попова

Витая пара при экспофункциональных воздействиях

Основной причиной ограничения скорости передачи информации по офисным кабельным сетям (структурированным кабельным системам (СКС) [1]) являются потери, возрастающие в проводниках с повышением частоты передаваемого сигнала. Компенсация указанных потерь позволит расширить возможности существующих СКС.

В основе одного из способов решения задачи компенсации потерь в линии лежит открытое в 1994 г. явление выделения активной мощности реактивными элементами электрической цепи при экспофункциональном воздействии (ЭФВ) [2]. В работе [3] на примере полосковой линии доказано способность экспофункциональных сигналов (ЭФС) компенсировать частотнозависимые потери (ЧЗП). Однако исследования кабельных линий с ЧЗП при ЭФВ не проводились, поэтому целью данного доклада является исследование возможности компенсации ЧЗП на примере математической модели (ММ) витой пары категории 5E класс D.

ММ витой пары при ЭФВ можно получить, опираясь на модели линии с ЧЗП, которые даны в работе [3]. В указанной работе отрезок однородной линии рассматривается как симметричный четырехполюсник, нагруженный на сопротивление . Анализируют его по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) и фазо-частотной характеристике (ФЧХ), предварительно записав передаточную функцию по напряжению. Описанная ММ однородной линии разработана, опираясь на известные телеграфные уравнения однородной линии при гармоническом воздействии.

Используя выражения телеграфных уравнений для ядер экспофункций, запишем выражения для составляющих передаточной функции по напряжению при ЭФВ для линии, первичные параметры R и G которой зависят от частоты: – коэффициент распространения линии

, (1)

где , , L, C – первичные параметры линии;

– волновое сопротивление

. (2)

Анализ выражения (1) показывает, что изменяя величину параметра λ можно добиться полной компенсации потерь в линии. Из выражений (1) и (2) также видно, что при ЧЗП в линии возможна полная компенсация потерь лишь на одной конкретно заданной частоте. При этом параметр λ, который характеризует ЭФВ, рассчитывается по формуле [3]

(3)

для одной конкретно заданной частоты.

Таким образом, используя инструмент в виде передаточной функции по напряжению для модели однородной линии с ЧЗП при ЭФВ, предварительно задав все необходимые параметры линии, получим ММ витой пары категории 5E класс D при ЭФВ.

Построим и проанализируем АЧХ указанной выше однородной линии с ЧЗП. Параметр λ рассчитаем по формуле (3) для компенсации потерь на частоте 120 МГц (λ = 4,443×10⁶ с^-1) (рис. 1).

Рисунок 1 – АЧХ модели линии (компенсация на частоте 120 МГц)

На рис. 1 кривая 1 – это АЧХ ММ линии с ЧЗП при ЭФВ (* – точка полной компенсации потерь в линии)); кривая 2 – это АЧХ ММ линии без потерь (R = 0, G = 0); кривая 3 – это АЧХ ММ линии с ЧЗП при гармоническом воздействии (затухание на частоте 120 МГц составляет 23,5 дБ).

В литературе [1] приведены измеренные значения затухания исследуемого отрезка витой пары на некоторых частотах. Сравним значения затухания АЧХ, представленные в литературе [1], и полученные значения затухания АЧХ линии в результате моделирования (табл. 1). Из табл. 1 видно, что расхождения между измеренными значениями затухания АЧХ [1] и полученными с помощью описанной в данной работе ММ не превышают 5 %.

Анализируя кривую АЧХ под номером 1 (рис. 1), видно, что при ЭФВ полная компенсация потерь в линии выполняется только лишь на той определенной частоте, для которой рассчитан параметр λ. Таким образом, рассчитывая параметр λ для определенной частоты, точку полной компенсации потерь в линии (*) можно перемещать по частоте как вправо, так и влево по характеристике 2.

Таблица 1 – Значения затухания АЧХ витой пары

f , МГц	Затухания АЧХ [1] |А|, дБ	Затухания АЧХ модели линии (рис. 1 кривая 3) |А|, дБ
0,772	1,8	1,73
1	2	2,24
4	4,1	4,09
10	6,5	6,55
16	8,2	8,3
20	9,3	9,26
31,25	11,7	11,58
62,5	17	16,37
100	22	20,9

Опираясь на результаты исследований, которые проведены в работе [3], можно утверждать, что при ЭФВ на модель линии, исследуемой в данной работе, можно обеспечить полосу пропускания (максимальное затухание в полосе пропускания 3 дБ) шириной 40 – 45 МГц при условии, что фаза выходного сигнала при ЭФВ будет отличаться на 180º от фазы выходного сигнала без ЭФВ (следствие влияния ФЧХ ЭФС). Если же необходимо сохранить синфазность выходного сигнала при ЭФВ с выходным сигналом без ЭФВ, то ширина полосы пропускания с затуханием не больше 3 дБ при ЭФВ уменьшается ровно в два раза и составляет 20 – 22,5 МГц. В связи с указанным выше фактом, необходимо внести коррективы в выражение (3), которое предназначено для расчета значения параметра λ. То есть, для компенсации ЧЗП в линии величину λ необходимо рассчитывать для частоты, которая на 0,1 МГц меньше той частоты, на которой необходимо скомпенсировать потери. Например, если потери в линии необходимо скомпенсировать на частоте 120 МГц, то параметр λ необходимо рассчитывать для частоты 119,9 МГц, что в свою очередь приведет к полной компенсации потерь на частоте 119,9 МГц и незначительной недокомпенсации на частоте 120 МГц, но ФЧХ на частоте 120 МГц при ЭФВ и гармоническом воздействиях будут синфазны.

Таким образом, в данной работе получена ММ витой пары категории 5E класса D при ЭФВ. Результаты исследований полученной ММ доказывают способность ЭФС компенсировать ЧЗП в кабельных линиях связи. С помощью ЭФС, при рекомендуемой в стандарте длине сегмента (100 м) указанного выше отрезка кабеля можно расширить его рабочий диапазон частот, а значит увеличить скорость передачи информации, или увеличить длину отрезка витой пары, соединяющий коммутационное оборудование с рабочей станцией, при условии, что рабочая частота ограничена значением 100 МГц.

Литература:

1. Парфенов Ю.А. Кабели электросвязи / Парфенов Ю.А. – M.: Эко-Трендз, 2003. – 256 с.

2. Іваницький А.М. Явище виділення активної потужності реактивними елементами електричного кола / Диплом на відкриття НВ № 3, зареєстровано 12.01.99; пріоритет від 30.11.94.

3. Иваницкий А.М. Компенсация потерь в линиях с частотнозависимыми первичными параметрами R и G с помощью экспофункциональных сигналов / А.М. Иваницкий, М.В. Рожновский // Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. – Одесса. – 2010. – № 1.