Содержание к диссертации
Введение
1. Проблема ЭМС и качество функционирования телекоммуникационного оборудования в производственных условиях 4
1.1. Обеспечение электромагнитной совместимости при интегрировании вычислительных сетей 4
1.2. Технические методы и средства обеспечения ЭМС 7
1.3. Стандарты на кабельные системы 11
1.4. Источники помех в цепях ТС 24
1.5. Постановка задачи 35
2. Разработка методов расчета электрофизических параметров витых пар 36
2.1. Анализ кодовых сигналов СКС 36
2.2. Влияние быстродействия системы на параметры линий связи 40
2.3. Анализ использования кабелей из витых пар высокоскоростными сетевыми устройствами 44
2.4. Разработка методики расчета электрофизические параметроввитой пары 49
2.5. Повышение помехозащищенности кабельных систем 60
2.6. Выводы по главе 2 61.
3. Разработка метода расчета нарушения целостности сигнала при рассогласовании 63
3.1. Анализ целостности цифрового сигнала при его распространении по витой паре 63
3.2. Развитие метода характеристик для анализа помех отражений 66
3.3. Выбор и оптимизация волнового сопротивления линии связи 74
3.4. Неоднородности в линии связи 76
3.5. Согласование линии связи 80
3.6. Выводы по главе 3 84
4. Разработка методов распределенных вычислений и экспериментальных исследований 85
4.1. Математический пакет в проектировании линий связи 85
4.2. Разработка алгоритма расчета с применением пакета Mathematica 88 .
4.3. Экспериментальные исследования 98
4.4. Анализ точности рефлектометрических измерений 104
4.5. Разработка методики экспериментального исследования межсоединений 105
4.6. Выводы по главе 4 109
5. Выводы по работе 110
Литература 111
- Технические методы и средства обеспечения ЭМС
- Анализ использования кабелей из витых пар высокоскоростными сетевыми устройствами
- Выбор и оптимизация волнового сопротивления линии связи
- Разработка алгоритма расчета с применением пакета Mathematica
Технические методы и средства обеспечения ЭМС
Технические средства обеспечения ЭМС телекоммуникационных средств в условиях производственных помещений базируются на следующих важнейших направлениях: заземление, экранирование, фильтрация и обеспечение качества электроэнергии.
Проблема обеспечения ЭМС при создания современных вычислительных комплексов представляет весьма сложную задачу. В тех случаях, когда системы распределены на значительных площадях в специальных зданиях и помещениях, что имеет место при монтаже локальных вычислительных сетей, в комплекс задач включаются и задачи оценки электромагнитных свойств строительных конструкций, распределения энергии и заземления и ряд других специальных вопросов. Актуальность этих вопросов подтверждает следующее.
По данным [8] на частотах между 1 МГц и 100 МГц среднее ослабление электрического поля при его проникновение в здание составляет от 20 до 25 дБ. При этом перегородки здания играют роль полосно-пропускающих фильтров. На низкой частоте (около 100 кГц) ослабление магнитного поля сравнительно невелико и составляет 10... 15 дБ, Уменьшение эффективности экранирования на частотах около 60 МГц наблюдается в местах нарушения электрической непрерывности бетонных конструкций, например в местах стыков перегородок и стен.
На частотах свыше нескольких сот МГц проникающая через оконные проемы и другие отверстия в стенах здания энергия становится соизмеримой по амплитуде с энергией, проникающей через стены. На частотах около 10 ГГц преобладающую роль играют окна, которые необходимо защищать экранирующими стеклами или другими приемами.
В целом задача обеспечения ЭМС для снижения стоимости проекта должна решаться на максимально ранних этапах проектирования систем. Если в проект входят этапы строительства и подготовки производственных помещений, помещений вычис лительных центров и т.п., то эти этапы должны выполняться с обязательным участием специалистов по обеспечению ЭМС. Это позволит минимизировать затраты при проведении мероприятий по обеспечению ЭМС на последующих этапах строительства зданий, оборудования помещений, монтажа и эксплуатации оборудования.
К основным задачам, требующим комплексного решения, можно отнести: экранирование зданий и помещений; экранирование оборудования; обеспечение качества электроэнергии; снижение уровня индустриальных помех и разработка методов защиты от них; защита оборудования от воздействия электростатических разрядов; рациональная прокладка цепей питания и коммуникаций, которая обеспечивает минимальный уровень помех в них и от них; организация заземления.
Решение этих задач должно увязываться с обеспечением целостности сигнала, который распространяется в информационных цепях, что является предметом настоящей диссертационной работы.
Проблема обеспечения ЭМС телекоммуникационных средств становиться одной из самых актуальных. Информационные сигналы в ТС представляют собой дискретные уровни напряжения или тока в форме импульсов. Полезное с точки зрения ЭМС радио-электронньгх средств (РЭС) электромагнитное излучение (работа радиостанций, систем навигации и телекоммуникаций и пр.) рассматривается в этом случае как помеха. Задача обеспечения ЭМС ТС возникла по следующим причинам: возрастание общего числа РЭС и ТС, возрастание общего уровня помех, главным образом от индустриальных источников, усложнение функций, состава и пространственной протяженности ТС, сосредоточение различных видов РЭС и ТС в ограниченном пространстве (например, в одном помещении), с одной стороны, и распределенный характер компьютерных сетей - с другой, несовершенство технических характеристик ТС, от которых зависит ЭМС, снижение энергии полезных сигналов и уменьшению отношения сигнал/помеха.
Прием помех или их излучение могут происходить кондуктивным способом (по проводникам) и пространственным способом (по электрическому, магнитному и (или) электромагнитному полю). Соответственно восприимчивость можно подразделить на кондуктивную и пространственную. Аналогично и излучение помех может быть кондуктивным и пространственным (рис. 1.2).
Понятия "излучение помех" в проблеме ЭМС обычно применяется в более широком смысле: это не только излучение электромагнитных волн в качестве помех, но и образование любых видов помех другим ТС и РЭС. Основными путями проникновения и излучения помех в устройстве (ТС) являются (рис. 1.2): кондуктивные пути: линия питания, внешняя линия связи, цепь заземления; пространственные пути: корпус, разъемы, отверстия в корпусе.
Источники помех чрезвычайно разнообразны. По сути дела, каждое изменение напряжения или тока в любой электрической цепи и сопутствующее ему изменение напряженности электрического и магнитного полей могут рассматриваться как потенциальный источник помех.
По характеру протекания процесса во времени различают помехи гармонические, импульсные и шумы. По месту расположения источника помех различают помехи внутренние и внешние. Внутренней является помеха, источник которой является частью рассматриваемого ТС, а внешней - помеха, источник которой не является частью рассматриваемого ТС.
К внутренним помехам можно отнести шумы, индуцированные помехи и помехи от рассогласования линий связи, определяющие целостность информационных сигналов. Шум - флуктуационный процесс, обусловленный дискретной природой электрического тока и представляющий собой последовательность очень коротких импульсов, появляющихся хаотически в большом количестве. Индуцированная помеха - помеха, возникающая вследствие непредусмотренной схемой и конструкцией рассматриваемого объекта передачи по паразитным связям напряжения, тока, заряда или магнитного потока из источника помехи в рассматриваемую часть объекта. Под паразитной связью при этом следует понимать связь по электрическим и (или) магнитным цепям, появляющуюся независимо от желания конструктора или интегратора систем при монтаже на объекте. В зависимости от физической природы элементов паразитных электрических цепей различают паразитную связь через общее полное сопротивление, емкостную паразитную связь и индуктивную паразитную связь.
Помеха от рассогласования [22] представляет собой нежелательный переходный процесс в рассматриваемой электрической цепи объекта, содержащей участки с распределенными и сосредоточенными параметрами, возникающий вследствие рассогласования между неоднородными участками линий связи. В локальных сетях подобные неоднородности могут возникать при неправильном подборе коаксиальных кабелей или витых пар, соединителей и входных сопротивлений сетевых портов. При применении стандартных СКС необходимо обосновано определять режимы их работы, а научно обоснованные выводы должны лежать в основе разработки новых стандартов и рекомендаций.
Анализ использования кабелей из витых пар высокоскоростными сетевыми устройствами
К высокоскоростным сетевым устройствам в данном случае отнесем сетевые интерфейсы ЛВС со скоростью передачи 100 и 1000 Мбит/с. По сравнению с низкоскоро стньгми аналогами они имеют две основные особенности: широкое применение процедур параллельной передачи информационного потока по нескольким витым парам одновременно; использование многоуровневого кодирования. При этом в каждом конкретном случае применение этих принципов для реализации интерфейса имеет свои особенности.
В качестве интерфейса с наиболее жесткими требованиями рассмотрим интерфейс 1000BaseX,
Сеть со скоростью передачи данных в 1 Гбят/с по четырем неэкранированным витым парам — Gigabit Ethernet I000Base должна работать в полнодуплексном режиме по каналу длиной 100 м с вероятностью ошибки не более 10 10. Для обеспечения возможности передачи информационного потока со скоростью 1000 Мбит/с по электрическим трактам СКС категорий 5 и 6 при разработке сетевых интерфейсов 1000Base использован следующий комплекс мероприятий: для передачи задействованы все четыре пары одновременно, причем передача по каждой паре ведется сразу в двух направлениях; в состав приемопередатчиков введены дополнительные узлы минимизации определенных видов помеховых составляющих; использован специальный алгоритм синхронизации сетевых интерфейсов; применено пятиуровневое кодирование РАМ-5.
Наличие высоких скоростей передачи информации диктует очень жесткие требования к синхронизации интерфейсов 1000Base. Для ее обеспечения они всегда функционируют в режиме Master-Slave. Перед началом работы с использованием расширенного механизма Autonegotiation определяется соотношение приоритетов связываемых устройств. По результатам сравнения интерфейс с более высоким приоритетом (как правило, в его роли выступает коммутирующий концентратор) берет на себя функции мастер-устройства системы синхронизации, подстраивая под частоту своего тактового генератора работу передатчика на дальнем конце. В тех случаях, когда приоритеты связываемых устройств одинаковы, вопрос о выборе мастер-устройства решается жребием.
Входной поток данных со скоростью 1 Гбит/с распределяется равномерно по всем четырем парам, то есть по каждой из них данные передаются со скоростью 250 Мбит/с. Для обеспечения возможности двунаправленной передачи в схеме интерфейса устанавливаются развязывающие устройства (дифференциальная система). Конечная эффективность его функционирования приводит к тому, что в приемник наряду с сигналом от передатчика с дальнего конца поступает также сигнал передатчика ближнего конца (эхо-сигнал), который является помехой. Для минимизации его вредного воздействия ослабленный в определенное число раз передаваемый сигнал, обработанный в аналоговом и цифровом фильтрах (цифровой сигнальный процессор) просто вычитается из смеси входных сигналов приемника. Величина ослабления вычисляется в процессе настройки канала связи перед началом работы.
Точно по такой же схеме работают подавители переходных помех на ближнем конце, причем настройка выполняется индивидуально для каждой влияющей нары. В общей сложности в интерфейсе 1000Base применяется 4x3 = 12 блоков подавителей переходных помех на ближнем конце.
Затухание витой пары зависит от ее длины и возрастает с частотой. Для компенсации большого затухания высокочастотных составляющих, которые приводят к «заваливанию» фронтов передаваемых импульсов, возможно два подхода: увеличение амплитуды высокочастотных составляющих в передатчике (предыскажение) или уменьшение усиления на низких частотах в приемнике (коррекция). Недостатком первого подхода является рост уровня излучения и снижение переходного затухания, второй подход сопровождается снижением отношения сигнала/шум. Для устранения отрицательных последствий этих эффектов в приемнике трансивера 1000Base использована так называемая динамическая коррекция. Принцип ее действия основан на выборе коэффициента усиления на низких частотах в зависимости от уровня входного сигнала. Согласование производится автоматически, для упрощения схемы коррекции выбран 20-метровый дискрет длины корректируемой линии.
Минимизация уровня переходных помех в комбинированных трансиверах 100/1000Base производится с помощью так называемого partial response filter. Это устройство устанавливается на выходе трансивера и выполняет суммирование 3/4 части нового импульса с 1/4 частью предыдущего. Его наличие позволяет приблизить формы спектров интерфейсов 100BaseX и 1000Base и применить выходной импульсный трансформатор, характеристики которого оптимизированы для получения максимума переходного затухания.
Для уменьшения тактовой частоты до величин, позволяющих передавать информацию по витым парам категории 5 и б, данные в линии представляются в так называемом Enhanced ТХ/Т2-коде. Сигнал в коде Enhanced ТХ/Т2 имеет тактовую частоту 125 МГц, что в 2 раза ниже тактовой частоты отдельных составляющих информационной последовательности. Передаваемые одновременно по всем парам кабеля четверки пятеричных знаков представляют собой неделимую единицу информации размером в один байт. При тактовой частоте /г = 125 МГц по всем четырем парам кабеля передается информационный поток 125 МГц х 2 бита/пара х 4 пары - 1000 Мбит/с,
Полоса пропускания канала связи для безошибочного приема такой последовательности должна составлять не менее /г/2 = 125/2 = 62,5 МГц. Ширина полосы пропускания канала категории 5 по критерию ACR = 10 дБ составляет примерно 70 МГц. Таким образом, сигналы сетевого интерфейса 802.3ab в принципе могут передаваться по кабельной системе категории 5. При этом верхняя граничная частота этого канала превышает теоретическое минимальное значение всего на 12 процентов, то есть для реализации этого информационного обмена потребуются интерфейсы с очень сложными схемными решениями и, соответственно, высокой стоимостью. Срок службы сетевого оборудования существенно уступает сроку службы СКС. Поэтому общей тенденцией является удешевление схемных решений с соответствующим удешевлением сетевой аппаратуры и компенсацией потерь помехоустойчивости за счет улучшения параметров кабельной системы. Указанное обстоятельство явилось одной из причин начала разработок электрических кабельных систем категории 6 и 7.
Выбор и оптимизация волнового сопротивления линии связи
Коаксиальные соединители по способу сочленения разделяются на два основных типа: байонетные и резьбовые. Байонетные обеспечивают быстроту соединения, но при работе в условиях вибраций они могут явиться источником помех. Резьбовые требуют большего времени на сборку, но надежность их соединения значительно выше, чем байонетных, хотя и в данном случае возможно некоторое ослабление соединения при вибрационных воздействиях на аппаратуру.
Выбор и оценку соединителей с позиций внутриаппаратурной ЭМС необходимо проводить с учетом следующих основных факторов [58]: экранирующих свойств, материала контактов, электрических параметров, в том числе характеризующих фильтрующие свойства, механических характеристик, экономических особенностей применения.
Экранирующие свойства. Одним из главных источников излучения от электронной аппаратуры являются соединительные кабели. Для снижения уровня излучаемых непреднамеренных электромагнитных помех (НЭМП) они экранируются, что требует применения совместимых экранированных соединителей.
Материал контактов. Наилучшим материалом для контактов соединителя является золото. Серебро и палладий по рабочим характеристикам уступают ему. Серебро не поддается окислению, но на нем формируется пленка сульфида, а медь, никель, вольфрам, молибден и латунь подвержены окислению и другим воздействиям окружающей среды. На покрытии из чистого олова могут вырастать дендриты — кристаллические отростки, длина которых достаточна для замыкания с соседними цепями. Предотвратить рост дендритов может нанесение покрытий из сплавов на основе олова. Электрические параметры. Для соединителей они во многом определяются его конструкцией, способом подсоединения проводов к соединителю, применяемыми материалами. При анализе работы линий связи, содержащих соединители, недостаточно учитывать только переходное сопротивление контакта. Необходимо принимать во внимание емкостные и индуктивные параметры его конструкции и места присоединения провода или кабеля к соединителю.
В перечень электрических параметров соединителей входят следующие: 1. Сопротивление или падение напряжения в милливольтах. 2. Максимальный рабочий ток через контакт при допустимом перегреве. 3. Максимально допустимый кратковременный ток через каждый контакт. 4. Максимально допустимое напряжение. 5. Испытательное напряжение. 6. Сопротивление изоляции. 7. Максимальная частота сигнала. 8. Волновое сопротивление. 9. Вносимые потери. 10. Емкость между контактами и т. д.
Параметры 1, 7-9 можно отнести к таким, которые непосредственно влияют на качество информационного сигнала в аппаратуре, а емкость между контактами (п. 10) обусловливает индуцированные помехи в соединителе.
Для оценки влияния электрических параметров соединителя с подсоединенными к нему тем или иным способом проводниками на качество сигнала необходимо знать схему замещения узла соединения. Эффективным для получения этих параметров является метод импульсной рефлектометрии [57], который с успехом может быть применен при анализе неоднородностей в линиях связи. Результаты исследований позволили определить параметры некоторых типов-соединений и соединителей, которые приведены в табл. 3.2.
Модель элемента, представляется в виде двухполюсника, последовательно включенного между соединяемыми линиями связи. Она отличается от известных моделей, не отражающих особенности прохождения через соединитель импульсов с короткими фронтами.
При распространении вдоль линии связи импульсного сигнала его форма претерпевает изменение в результате действия двух основных факторов: ослабления и дисперсии. Важнейшим источником ослабления и дисперсии является скин-эффект, который проявляется в большей мере для тех линий, у которых размеры поперечного сечения соизмеримы с толщиной скин-слоя, а также для линий связи значительной протяженности.
При наличии дисперсий скорость распространения различна для различных частотных составляющих спектра импульсов. Если ослабление и скорость одинаковы для всех частот, то форма сигнала не изменяется, но его амплитуда уменьшается с увеличением расстояния от начала линии.
В линии связи последовательные потери R определяются конечной проводимостью проводника, а параллельные потери G - утечками изоляционного материала. В идеализированном случае они не зависят от частоты " и ослабление определяется по формуле Фазовая постоянная является функцией частоты, что вызывает искажения формы импульса. На практике R определяется скин-эффектом, a G=0 для применяемых изоляционных материалов.
В случае согласованной линии связи помехи за счет скин-эффекта, которые приводят для импульсных сигналов к увеличению длительности переходных процессов, могут быть определены по графикам, представленным на рис. 3.15 [12]. На них приведены нормализованные отклики f{t ) линии на воздействие напряжения с линейно нарастающим фронтом длительностью і0,1, не зависящие от физических параметров линии и являющиеся функцией нормированного времени где В - коэффициент, зависящий только от физических параметров линии;
Для плоских проводников шириной W для проводников круглого сечения радиуса г Графики на рис. 3.15 [2] даны для нормированных длительностей фронта Для линий связи, у которых известен коэффициент затухания коэффициент В удобно определить по формуле где f — частота, ва которой измеряется затухание, ГГц; а — затухание на частоте /, дБ/м; / -длина линии, м.
Коэффициент затухания может быть вычислен по формуле Если он задан в рад/м, то пересчет его значения проводится по соотношению а [рад/м] =0,115 а [дБ/м].
Для определения длительности фронта сигнала на выходе линии с потерями при помощи графиков (рис. 3.15) вычисляют коэффициент В по (3.52), нормализованную длительность фронта по (3.51), и ось времени на графиках приводят к значениям t — ВҐ + Т, где Г — время пробега электромагнитной волны от начала до конца линии. Настоящий расчет действителен только для согласованных линий.
Разработка алгоритма расчета с применением пакета Mathematica
В пакете Mathematica для расчетов помех отражения методом характеристик была разработана его математическая реализация. Алгоритм математической реализации метода характеристик построен таким образом, что решение достигается при любом корректном описании ВАХ портов. Алгоритм решения иллюстрируется графически на рис. 4.2. Рассмотрим, основные положения алгоритма расчёта формы сигнала при переключении МС из нуля в единицу (0 — 1). Т.к. в пакете Mathematica начертание текста обычное, то и написание функций, символов и т.п. в тексте будет таким же. 1. Задание граничных условий задачи: вольтамперные характеристики и значение волнового сопротивления линии связи Для задания ВАХ вводятся соответствующие точки в виде списков: UOout, Ulout и Um соответственно. При этом их количество и алгоритм расстановки зависят от характера ВАХ. Для вычисления промежуточных значений функции используется математический аппарат интерполяции. При нем истинная функция заменяется аппроксимирующей функцией, которая в узловых точках дает точные значения ординат у(х) и позволяет вычислить значения интерполируем а) такции в промежуточных точках (ffi б) f). Для решения задач интерполяции был проведен анализ возможностей пакета Mathematica на тему «Представление и обработка данных». Произведен сравнительный анализ функций: SplineFit, Interpolation, PolynomialFit, Fit, IntcrpolatingPolinornial. В результате для решения данной задачи была выбрана функция Interpolation, которая позволяет найти любое промежуточное значение на заданном отрезке изменения X, в том числе значения в узловых потенциалах. Для задания линейных В АХ необходимо для опции InterpolationOrder функции Interpolation указать значение 1, что указывает степень подходящего полинома (для задания нелинейных ВАХ значение опции InterpolationOrder равно 3). Построение ВАХ. Используются функции ListPlot, Plot и Show. Функция ListPlot строит графики ВАХ в виде набора заданных точек. Функция Plot строит график каждой функции отдельно, a Show строит их вместе. Предварительный просмотр позволяет пользователю оценить правильность введенных данных на первоначальном этапе. Если этого не сделать, то ошибка при введении ВАХ может прервать весь расчет и будет выведено сообщение об ошибке.
Используемые функции: выводит график списка величин с указанными х - и у - координатами; Plot[f[x], {х, xmin, xmax}] - возвращает объект, представляющий собой график функции f аргумента х в интервале от xmin до xmax; Show[plotl,plot2J ...] - построение нескольких графиков с наложением их друг на друга. При этом для лучшей визуализации графиков и их печати использовались директивы двумерной графики: PointSizefd] - задает вывод последующих точек графика в виде кружков с относительным диаметром d, заданным как доля общей ширины графика; Thickness [г] - устанавливает для всех последующих точек толщину г, заданную как доля полной ширины графика; - задает построение последующих линий пунктиром с последовательными сегментами rl, г2, ..., повторяемыми циклически, причем ГІ задается как доля полной ширины графика. Используемые опции: AxesLabel- {"x","y"} - создает надписи у координатных осей х и у; PlotLabel - Чехі" - выводит титульную надпись text на графике; PloUoined- True — указывает, следует ли соединять линией точки, нанесенные на график. Определение статического режима «0». Для -. нахождения лог. «0» используется функция FindRoot[ffl[x] = f[x],{x,xmin,xmax}], которая отыскивает одно решение на интервале от xmin до xmax, Для автоматического задания интервала используются функции Sort и Part. Функция Sort сортирует элементы заданных списков в каноническом порядке, после чего функция Part выделяет для начала интервала (xmin) - наибольший элемент списков из наименьших и для конца интервала (хтах) - наименьший элемент из наибольших. Находим точку пересечения fO с f, соответствующую логическому «О», Нахождение точек пересечения нагрузочной прямой с fl, ХПВ с f , ХОВ с ft и точки статического режима «1». Для решения данной задачи используются следующие функции: Module, FindRoot (принцип работы функции описан в п. 3), AppendTo, FixedPointList, Рассмотрим каждую из них подробно: вычисляет f начиная отсчет с expr, пока результат не перестанет изменяться, и возвращает все промежуточные результаты итераций. Сначала создаем локальную (временную) переменную а (переменная) внутри функции stepl и используем функцию Module для задания процедуры со списком локальных переменных {pnt, b} и телом, которое включает стандартные функции FindRoot и AppendTo. Используя функцию FindRoot находим точку пересечения нагрузочной прямой с выходной В АХ генератора для состояния лог. «1» fl (inter). Затем добавляем ее в список waves (функция AppendTo). Построение нагрузочной прямой производится под углом Z. Задаем нагрузочную прямую значением волнового сопротивления Z .
Определение амплитуд падающих и отражённых волн. Для этого последовательно строится ХПВ под углом -Z до пересечения с входной ВАХ нагрузки f и присваивается ее значение переменной result, и ХОВ под углом, который пропорционален +Z до пересечения с выходной ВАХ генератора для состояния лог. «О» fl) (переменная inter). Значения result и inter добавляются в список waves, а их абсциссы в списки dropping и reflected соответственно (для построения осциллограмм начала и конца линии).
Построение ведётся до достижения статического режима «1». Для определения статического режима «1» используется функция FixedPointList, которая вычисляет stepl начиная расчет с точки zero, при этом возвращает все промежуточные результаты итераций до тех пор пока результат не перестанет изменяться. Построение ВАХ, нагрузочной прямой, ХПВ, ХОВ, осциллограмм для начала и конца лшши и вывод их значений в табличной форме. Для построения используются функции ListPlot и Show (см. п. 2). Для вывода результатов расчета используется функция Print prompt", ехрг] которая выводит на экран дисплея текстовый комментарий, указанный в кавычках, и следом — значение выражения expr.
