Введение к работе
Актуальность проблеиы. Коаксиальные кабели связи прошли длительный путь развития и совершенствования. Эти кабели используются на самых ответственных - магистральных участках первичной Взаимоувязанной сети связи (ВСС) России. На них достигнута высокая пропускная способность, высочайшее качество, высокие показатели надежности и малая удельная стоимость каналокилометра связи.
Становление этой направляющей среды потребовало проведение углубленных теоретических и масштабных экспериментальных исследований.
Настоящая научная работа отражает вклад автора, посвятившего около 30 лет разработке, совершенствованию и внедрению на сети связи коаксиальных кабелей, в эти исследования. Работа, начатая достаточно давно, не потеряла своей актуальности и в настоящее Бремя. Актуальность определяется прежде всего очевидной дсшнируюшей ролью коаксиальных кабелей на магистральной ВСС, а также тем, что они далеко не исчерпали свои потенциальные технические возможности , все еще не достаточно эффективно используются и практически не причли этапа цифровизации. Поэтому и сегодня, в условиях ограниченности материально-технических ресурсов страны, с одной стороны, и потребности динамичного народного хозяйства в развитой инфраструктуре телекоммуникации, с другой, одним лз реальных' способов радикального развития сети связи является реконструкция магистральных кабельных линий передачи, проведение которой можно осуществить лишь на основе исследования свойств реальных
коаксиальных кабельных линий, оборудуемых современными многоканальными АСП и ЦСП.
Наиболее яркими представителями коаксиальных кабелей являются кабели типов КМ-4 и КМ-8/6, имеющие в своих конструкциях коаксиальные пары типа 2,6/9,4 (2,6/9,5) с медными внутренним и внешним проводниками, с шайбовой полиэтиленовой изоляцией, с двумя стальными лентами поверх внешнего проводника. Линии передачи с такими коаксиальными кабелями являются основным объектом исследования настоящей научной работы, именно для них построены основные теоретические модели и на них проведены широкомасштабные экспериментальные исследования. Целенаправленный выбор объекта способствует конкретизации результатов исследования, но не ограничивает их общности. С одинаковым успехом они- могут быть отнесены к малогабаритным коаксиальным кабелям, к кабелям с парами большого диаметра, к микрокоаксиальным конструкциям кабелей, или однокоаксиальным кабелям внутризоновой связи.
Начиная с основополагающей работы С.А.Щелкунова , теоря распространения электромагнитных сигналов по направляющим средам развивалась многими отечественными и зарубежными учеными: И.И.Гродневым, В.В.Соколовым, К.Г.Левиновым, П.А.Фроловым, Н.Д.Курбатовым, Н.Н.Гарновским, Ж.Фуксом, А.Пейантом, П.Прашем, И.Пельтье и др. В истории исследования коаксиального кабеля можно с некоторой долей условности выделить несколько наиболее важных этапов. На первом этапе исследовалась идеализированная конструкция коаксиальной пары, на втором - рассматривались более или менее приближенные к реальным - модели коаксиальных-пар, в том числе с неоднородностями волнового сопротивления, образуемый ими попутный и
обратный потоки и их влияние на неравномерность передаточных характеристик, на третьем - изучались вопросы взаимных влияний между коаксиальными цепями.
Анализ работ упомянутых выше ученых в аспекте изучаемой проблемы позволяет наметить наиболее важные задачи, для реальных коаксиальных кабелей, проложенных на линиях передачи ВСС России при оборудовании их современными АСП и ЦСП. Укажем на необходимость решения следующих основных задач:
разработка теоретических моделей и расчетных соотношений, учитывающих эксцентричность и неоднородность электрической проводимости проводников реальной коаксиальной цепи;
разработка метода, сочетающего принципы экспериментального и теоретического исследований, позволяющего определять истинные параметры передачи в диапазоне частот современных АСП и ЦСП;
разработка теоретической модели неоднородного элементарного кабельного участка (ЭКУ) и метода теоретической оценки влияния реального распределения неоднородностей на его передаточные свойства;
разработка критериев выбора формы и длительности зондирующих импульсов, принципов коррекции их затухания и принципов анализа-результатов импульсных измерений;
разработка метода оценки числовых распределений случайных неоднородностей по известным распределениям их максимальных значений;
получение полной картины статистических характеристик параметров передачи и волнового сопротивления коаксиальных цепей ЭКУ с кабелями типов КМ-4 и КМ-8/6.
Цель работы. Создание адекватных методов, исследование и анализ свойств реальных цепей коаксиальных линий для обеспечения их эффективного использования в. современных многоканальных АСП. и ДСП.
Метода исследования - теоретическая электродинамика, теория комплексного потенциала, теория линейных электрических цепей, теория систем линейных уравнений, теория вероятностей и математическая статистика, теория случайных процессов.
Научная новизна диссертации в целом заключается в разработанных методах исследования реальных коаксиальных неоднородных линий передачи. Частные результаты, представляющие значительную научную новизну, заключены:
в методах расчета дополнительных потерь из-за эксцентриситета внутреннего проводника коаксиальной цепи, базирующихся на теории комплексного потенциала;
в методе оценки параметров передачи реальной коаксиальной цепи, имеющей технологическое изменение электрической проводимости поверхностного слоя (нагартовка, наклеп) проводников, основанного на представлении их в виде модели биметаллических проводников;
в методе аппроксимации частотных зависимостей параметров передачи аналитическими выражениями полиноминального вида,1 аппроксимационные коэффициенты которых функционально связаны с конструктивными параметрами и электрическими константами параметров передачи коаксиальных цепей;
в разработке методов, сочетающих принципы экспериментальной и теоретической оценок параметров передачи коаксиальных цепей, позволяющих весьма сложную проблему точного измерения заменить более простой задачей - экспериментальной оценкой в ограниченном частотном
- 5 -диапазоне и на малом количестве дискретных частот и определением эппроксимационных коэффициентов;
в разработанных критериях для выбора оптимальной формы и цлительности зондирущего импульса и принципах аналитической коррекции затухания импульсов, отраженных от неоднородностей;
в предложенной факторной модели реального ЭКУ, обеспечившей содержательный статистический анализ различных типов неоднородностей золнового сопротивления;
в разработке метода оценки числовых характеристик распределения случайных неоднородностей по известным распределениям их лаксимальных значений, принципов анализа импульсных измерений неоднородностей и метода оценки концевых значений волнового сопротивления коаксиальных пар;
в разработке методов оценки искажения передаточных характеристик неоднородных коаксиальных цепей на основе факторной лодели реального ЭКУ:
в определении и представлении в аналитической форме частотных зависимостей вторичных параметров передачи и числовых характеристик іараметров волнового сопротивления на базе широкомасштабных статистических исследований и в оценке по ним параметров совокупности ступенчатых элементарных моделей, адекватно этображающих распределения неоднородностей на ЭКУ.
Личный вклад. Все результаты, приведенные в диссертации, юлучены автором лично.
Практическая ценность диссертации состоит в том, что сазработанный комплекс методов исследования, составивший базу іаучного сопровождения разработок, внедрения и эффективного
использования коаксиальных кабелей в решающей степени обеспечил применение на коаксиальных линиях современных АСП К-3600, К^-5400, увеличивших мощность пучков каналов ТЧ в 1,8 и 2,8 раза, и, в настоящее время,способствует эффективному внедрению высокоскоростных ЦСП, например, LA-140x2KX со скоростью 280 Мбит/с (3840 цифровых каналов).
Самостоятельный практический интерес представляют: разработанные критерии для выбора оптимальной формы и длительности зондирующих импульсов для оценки неоднородностей, позволившие унифицировать и реализовать в отечественных временных рефлектометрах Р5-14 и P5-UA зондирующие импульсы, соответствующие требованиям рекомендаций МСЭ-Т; рекомендации по выбору длительности зондирующих импульсов для оценки концевых значений волнового сопротивления и предложенные принципы аналитической коррекции отраженных импульсов, открывающие возможность использования достаточно простых по схемным решениям и не широкополосных измерительных нагрузочных контуров; предложенные принципы выделения из общего множества неоднородностей различного вида, широко используемые при анализе импульсных характеристик.
Реализация в народной хозяйстве. Результаты диссертации использованы практически во всех крупных разработках последних лет в области коаксиальных кабелей и современных систем передачи.
Они нашли отражение в нормативных документах (ГОСТах, ТУ, ОСТах, справочниках, руководствах, технических указаниях), которые используются при разработке, проектировании, реконструкции, строительстве и эксплуатации коаксиальных кабельных линий передачи.
Так, полученные в результате исследования параметры передачи
вошли в официальные "Нормативные данные по конструктивным и электрическим характеристикам междугородных кабелей связи", изданные ЦНИИС в 1974 г., в справочник "Коаксиальные и высокочастотные симметричные кабели связи", изданный издательством "Радио и связь" в 1994 г., в ГОСТ 10971-78 "Кабели коаксиальные магистральные с парами типа 2,6/9,4 и 2,6/9,5", ТУ 16-505.815-75 "Кабели коаксиальные комбинированные магистральные с парами типов 2,6/9,4 и 1,2/4,6", ТУ 16-705.372-85 "Кабели однокоаксиальные магистральные с парами 5,8/21 и 5,8/38" и использованы при создании всего иерархического ряда АСП К-1920П, VLT-1920, К-3600, К-5400 и К-10800, а также, в частности, ЦСП LA-140X2KX на линиях передачи с кабелями типов КМ-4 и КМ-8/6.
Модели и результаты исследования частотных зависимостей параметров передачи использованы в новых технологиях кабельных заводов, направленных на улучшение электрических свойств проводников, уменьшение эксцентриситета реальных коаксиальных цепей и при разработке новых коаксиальных кабелей до 60 МГц и кабелей с парами большого диаметра.
Разработанные критерии по выбору формы и длительности зондирующих импульсов реализованы в новых отечественных временных рефлектометрах Р5-14 и Р5-14А и нашли отражение в технических условиях на эти приборы, ГОСТ 13224-73 "Кабели связи коаксиальные магистральные. Методы определения внутренних неоднородностей и концевых значений волнового сопротивления", в ГОСТ 10971-78, в отраслевом стандарте ОСТ 45.01-86 "Линии передачи кабельные, первичной сети ЕАСС. Нормы электрические на элементарные кабельные участки и кабельные секции аналоговых и цифровых систем передачи", в
- 8 -"Руководстве по строительству линейных сооружений магистральных и внутризоновых кабельных линий связи", в справочнике "Коаксиальные и высокочастотные симметричные кабели связи".
Принципиальные положения разработанных методов использованы в <"Методе определения коэффициента затухания коаксиальных кабелей связи до 60 МГц", (Приложение 2, ГОСТ 10971-78); в методах измерений , рекомендуемых в справочнике "Коаксиальные и высокочастотные симметричные кабели связи".
Результаты оценки числовых характеристик неоднородностей на разе широкомасштабных статистических исследований использованы при разработке вклада К 40 по XV Исследовательской комиссии МСЭ-Т за период 1981-1984 г.г., уточнящего требования Администрации связи к величинам неоднородностей и длительностям -зондирующих импульсов и при разработке отраслевого стандарта ОСТ 45.01-86.
Внедрение результатов диссертационной работы подтверждается соответствующими актами, приведенными в приложении к основному тексту диссертации.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на I и II Всесоюзных научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов отрасли связи (Москва, 1976, 979Г.Г.), на XXXI и XXXIV Всесоюзных научных сессиях, посвященных Дню радио (Москва, 1976, 1979 г.г.), на V и XII Всесоюзных научно-технических конференциях "Состояние и перспективы развития связи" (г.Одесса, 1976 г. и г.Бердянск, 1986 г.), а также на технических совещаниях научного отдела ЩШИС, на заседаниях НТС ШШС, НТС ПО "Севкабель" и научно-технических конференциях МТУСИ .
Разработанные методы оценки апробированы при исследованиях
- 9 -вновь создаваемых и проложенных на кабельных линиях передачи коаксиальных кабелей для их эффективного использования в АСП и ЦСП.
Публикации. По результатам проведенных исследований автором опубликовано 35 печатных работ, из них одна монография (в соавторстве), ОСТ (разделы), два руководства (разделы), справочник (в соавторстве), нормативные данные (разделы), одни технические указания, одни временные нормы, вклад по ИК XV МСЭ-Т, 8 печатных научных статей самостоятельно и 19 в соавторстве в журналах "Электросвязь", "Вестник связи", в сборнике "Научных трудов ЦНМИС" и в материалах конференций.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, в конце которых сформулированы выводы, заключения и необходимых приложений. Основной текст диссертации изложен на 148 страницах машинописного текста, иллюстрируется 84 рисунком (на 56 стр.) и 25 таблицами (на 17 стр.), сопровождается перечнем условных обозначений, списком литературы из 145 наименований и 3 приложениями на стр. с 6 рисунками.
