Содержание к диссертации
Введение
1. развитие теории и выбор обобщенной математической модели многопроводных направляющих систем 25
1.1. Постановка задачи 25
1.2. Методы анализа переходных процессов в НС 26
1.3. Классификация направляющих систем 29
1.4. Классификация временных характеристик НС 37
1.5. Условия квазистационарности для НС во временной области 45
1.6. Обобщенная математическая модель НС 49
1.7. Описание динамических процессов в НС на основе их ВХ 50
1.7.1. Уравнения для ТЕМ-волн в многопроводных НС 50
1.7.2. Анализ согласованно включенной линии 53
1.7.3. Анализ линий передачи с нелинейной нагрузкой 55
1.8. Выводы 57
2. Обобщенные математические модели частотных характеристик однородных направляющих систем 59
2.1. Постановка задачи 59
2.2. Электрические характеристики проводников в обычных условиях 60
2.2.1. Частотно-температурные зависимости параметров проводников 60
2.2.2. Обобщенное представление поверхностного сопротивления 62
2.3. Электрические характеристики проводников в условиях охлаждения . 64
2.4. Электрические характеристики НТСП 69
2.4.1. Частотно-температурные зависимости параметров НТСП 72
2.4.2. Обобщенное представление поверхностного сопротивления НТСП 73
2.5. Электрические характеристики ВТСП 75
2.5.1. Частотно-температурные зависимости параметров ВТСП 75 .
2.5.2. Обобщенное представление поверхностного сопротивления ВТСП 79
2.6. Электрические характеристики реальных поверхностей проводников . 84
2.7. Электрические характеристики диэлектриков 85
2.8. Обобщенная форма частотных характеристик однородных НС 87
2.8.1. Коэффициент распространения 88
2.8.2. Волновое сопротивление 92
2.9. Выводы 93
3. Обобщенные математические модели временных характеристик однородных направляющих систем 96
3.1. Постановка задачи 96
3.2. Обобщенная форма передаточных функций однородных НС 100
3.3. Обобщенные математические модели ВХ 104
3.3.1. ВХ в интегральной форме 104
3.3.2. ВХ в форме рядов 106
3.3.3. ВХ в форме элементарных и специальных функций 107
3.3.4. ВХ для области малых и области больших времен 109
3.4. Алгоритмы расчета временных характеристик 110
3.5. Исследование параметров ВХ однородных НС 113
3.5.1. Параметры нормализованных ВХ 117
3.5.2. Взаимосвязь параметров частотных и временных функций 121
3.5.3. Зависимость параметров ВХ от расстояния 121
3.5.4. Зависимость параметров ВХ от температуры 123
3.6. Выводы 129
4. Временные характеристики передачи неоднородных направляющих систем 131
4.1. Постановка задач 131
4.2. Влияние отклонения конструктивных параметров НС на их ВХП 132
4.3. ВХП НС с равномерно распределенными по длине неоднородностями . 136
4.4. ВХП нерегулярных НС 141
4.4.1. Математические модели нерегулярных НС в частотной области . 142
4.4.2. Математические модели нерегулярных НС во временной области. 146
4.5. ВХП НС при частотно-зависимом рассогласовании с нагрузкой 149
4.5.1. Обобщенные частотные характеристики несогласованной линии.. 150
4.5.2. Временные характеристики несогласованной линии 152
4.6. Выводы 159
5. Временные характеристики влияния и экранирования направляющих систем 163
5.1. Постановка задачи 163
5.2. Обобщенная модель цепи взаимного влияния 166
5.3. Температурно-частотные зависимости сопротивления связи 171
5.3.1. Общие соотношения для сопротивления связи 171
5.3.2. Сопротивление связи проводников в криогенном режиме 177
5.3.3. Сопротивление связи сверхпроводящих экранов 178
5.4. Временные характеристики взаимного влияния в НС 181
5.4.1. ВХВ электрически коротких линий 181
5.4.2. ВХВ электрически длинных линий 193
5.4.3. Зависимость ВХВ от конструкции экрана и температуры 200
5.5. Оценка защищенности цепей от импульсных взаимных помех 203
5.6. Оценка защитных свойств проводящих оболочек
от импульсных внешних помех 206
* 5.7. Частотные характеристики экранирования 208
5.8. Временные характеристики экранирования проводящих оболочек 211
5.8.1. ВХЭ проводящих оболочек в обычных условиях 211
5.8.2. Временные функции поглощения обычных экранов 211
5.9. Криогенные экранирующие оболочки 214
5.10. Сверхпроводящие экранирующие оболочки 219
5.10.1. Экранирующие оболочки из НТСП материалов 219
5.10.2. Экранирующие оболочки из ВТСП материалов 222
5.11. Влияние конструкции реальных оболочек на параметры ВХЭ 225
5.12. ВХЭ коаксиальных трубок 225
5.13. Защита цепей от импульсных электромагнитных помех 228
5.14. Выводы 230
6. Методы определения параметров направляющих систем во временной области 234
6.1. Постановка задачи 234
6.2. Измерение временных характеристик передачи НС 236
6.2.1. Прямые методы измерения ВХ 236
6.2.2. Косвенные методы измерения ВХ 241
6.3. Определение параметров НС по результатам импульсных измерений . 247
6.4. Экспериментальные исследования НС во временной области 251
6.5. Расчет искажений импульсов в НС по их ВХ 253
6.6. Коррекция и восстановления импульсных сигналов 264
6.7. Параметрическая идентификация НС 265
6.8. Оценка скоростных возможностей НС 268
6.9. Оптимизации конструкции НС по их ВХП 276
6.9.1. Коаксиальные цепи 276
6.9.2. Симметричные цепи 282
6.10. Выводы 285
Заключение 288
Список использованной литературы
- Классификация направляющих систем
- Частотно-температурные зависимости параметров проводников
- Обобщенная форма передаточных функций однородных НС
- ВХП НС с равномерно распределенными по длине неоднородностями
Введение к работе
Актуальность проблемы. Уровень развития экономики независимого государства в определенной степени зависит и определяется уровнем развития электросвязи. Администрации связи развитых стран приняли решение о постепенном превращении своих сетей в цифровые сети связи [1...5]. Создание новых и перевод существующих сетей на цифровые методы передачи и обработки информации позволит значительно повысить помехоустойчивость, надежность функционирования систем управления, улучшить качество связи и предоставить новые услуги путем интеграции вычислительной техники и средств электросвязи в широкополосных цифровых сетях интегрального обслуживания [6, 7].
В качестве физической среды передачи импульсных сигналов в цифровых системах передачи и обработки информации (ЦСПО) могут использоваться различные направляющие системы (НС), в виде металлических, металлодиэлектрических или диэлектрических конструкций [8]. Потребность в передаче и обработке все больших объемов информации вызывает необходимость расширения диапазона рабочих частот и использования новых НС, особое место среди которых занимают многожильные металлодиэлектрические НС при низких (криогенных) температурах. Такие НС потенциально могут иметь низкие потери в широкой полосе частот при малом уровне собственных шумов и высокой защищенности от внешних и взаимных помех [8... 12].
Искажение формы импульсных сигналов в НС определяются рядом причин. Для однородных НС: частотно-независимые тепловые потери, приводящие к уменьшению импульса без изменения его формы, снижению отношения сигнал/помеха и повышению вероятности ошибок при приеме сигналов; частотно-зависимые потери в металле за счет поверхностного эффекта; потери в диэлектрике за счет поляризационных эффектов и диффузионных потерь; потери на излучение в открытых и частично открытых НС; дисперсионные искажения для волноводов. Для неоднородных НС: несогласованность волнового сопротивления НС с генератором и нагрузкой; дискретные неоднородности в НС (стыки, подключения, ответвления и др.); технологические (периодические и случайные) нерегулярности НС; регулярные неоднородности за счет асимметрии формы НС (смещение, деформации, эксцентриситет и др.). Для многопроводных НС: взаимные влияния на ближнем и дальнем концах линии. Для открытых и полуоткрытых НС: внешние помехи от грозовых разрядов и мощных электромагнитных импульсов от энергетических и физических установок.
Поиски способов уплотнения существующих, а также разработка новых перспективных НС с целью повышения экономичности и надежности высокоскоростных ЦСПО непосредственно связаны с теоретическим и экспериментальным исследованием передающих свойств отдельных цепей, внешнего и взаимного влияния между цепями многопроводных линий в широком диапазоне частот, занимаемом существующими и перспективными высокоскоростными ЦСПО с наносекундными и пикосекундными импульсными сигналами.
Интенсивное развитие аналоговых систем передачи в предыдущие годы связано с детальным изучением частотных характеристик НС в обычных условиях в достаточно узком диапазоне частот аналоговых систем связи. В процессе внедрения цифровых систем передачи (ЦСП) возникла необходимость в исследовании временных характеристик (ВХ) направляющих систем. Это связано с особенностью работы ЦСП, где сигнал представляется в виде кодовой последовательности импульсов, искажение которых при распространении по НС может привести к ошибкам в принятии решений регенератором. Вероятность ошибки регенератора, определяемая работой решающего устройства, зависит от соотношения мгновенных значений сигнала и помехи в момент принятия решения, что указывает на необходимость тщательного исследования искажений импульса при его распространении по НС и влияние помех [4].
Сложный характер взаимосвязи между величинами допусков на временную и частотную характеристики НС существенно ограничивают возможности оптимального построения линий связи ЦСП непосредственно по частотным характеристикам. В то же время искажение формы импульса при передаче по НС проще и в ряде случаев точнее определяется по ее ВХ. Временные характеристики НС являются основой для расчета искажений импульсных сигналов и выявления причин, определяющих эти искажения, дают возможность оценить эффективность использования существующих и перспективных конструкций НС для высокоскоростных цифровых систем, облегчить расчет и оптимальное построение линий связи ЦСП, решить многие вопросы защиты информации и электромагнитной совместимости (ЭМС), повысить точность измерения ряда параметров НС импульсным методом. Все это повышает экономическую эффективность проектирования, изготовления и эксплуатации цифровых систем передачи и обработки информации. Проблема дальнейшего развития теории и методов анализа перспективных НС для передачи широкополосных импульсных сигналов отличается особой актуальностью.
Данные исследования проводились автором в течение ряда лет в соответствии с программами хоздоговорных и госбюджетных НИОКР [204...214].
Целью диссертационной работы является дальнейшее совершенствование теории и методов анализа во временной области существующих и перспективных НС, используемых для передачи и обработки импульсных сигналов, создание методики расчета искажений импульсных сигналов в таких системах, разработка рекомендаций по оценке и уменьшению этих искажений, решение вопросов ЭМС.
Объектом исследования являются временные характеристики направляющих систем в виде многопроводных линий передачи существующих и перспективных конструкций, используемых в ЭВМ, внутриобъектовой, местной, зоновой и дальней связи.
Состояние вопроса. Импульсные приборы и методы работы получили в настоящее время широкое применение в самых разнообразных областях техники: радиотехнике, связи, автоматике, телемеханике, радиолокации, измерительной технике и др. Это объясняется тем, что импульсные сигналы обладают рядом преимуществ по сравнению с гармоническими, одно из которых - возможность передачи информации о моменте отсчета времени с высокой точностью. Кроме того, использование импульсных методов дает возможность повысить быстродействие системы передачи информации, позволяет существенно увеличить мгновенную мощность, форсировать режимы работы устройств, производить временное разделение каналов связи и осуществлять другие действия, выполнение которых с помощью її частотных (аналоговых) методов весьма затруднительно.
Для исследования квазигармонических колебаний разработан спектральный метод, который в его современном понимании является мощным аппаратом анализа в радиотехнике, технике связи и других областях. Одновременно с совершенствованием спектрального метода в радиотехнике и технике связи происходил непрерывный процесс усложнения используемых сигналов, связанный в первую очередь с локализацией их во времени. Это обстоятельство вызвало необходимость пересмотра методов исследования, как самих процессов, так и систем, в которых они происходят.
Для развивающейся импульсной техники существующий спектральный метод оказался слишком громоздким и часто недостаточно эффективным. Это привело к тому, что частотный метод стал постепенно вытесняться временными методами исследования. Дело в том, что при использовании импульсов наиболее важную роль играют переходные процессы в электрических цепях. С точки зрения импульсной техники более желателен такой метод исследования, при котором переходные процессы и изменение формы импульса имели бы большую физическую наглядность.
Во временном методе вместо испытательного воздействия в виде гармонического колебания принят сигнал, описываемый ступенчатой единичной функцией. Такой сигнал позволяет провести исследование системы сразу в двух режимах: в режиме мгновенного скачка и в режиме полного постоянства входного воздействия. Реакция системы на единичную функцию дает наиболее наглядное и полное представление о переходных процессах в системе. Временной метод стал не только методом аналитического исследования, но и экспериментального. Спектральные методы отодвинулись на второй план. Это вызвано тем, что при работе с импульсными сигналами их спектры оказываются настолько сложными, что теряется наглядная связь между формой импульса и его спектром. По искажению спектра становится трудно судить, как искажается форма сигнала при его прохождении через линейную систему. Хотя формально с математической стороны спектральный метод остается безупречным и в применении к анализу импульсных сигналов, но столько при этом проигрывает в наглядности, что практическое применение его встречает значительные трудности. Кроме того, аппаратура, позволяющая исследовать импульсные процессы с позиции спектрального метода, получается слишком сложной и мало эффективной.
Несмотря на то, что в последние годы в импульсной технике временной метод занял главенствующее положение в исследовании электрических цепей с сосредоточенными параметрами, при исследовании пространственно распределенных цепей, в частности, направляющих систем передачи импульсных сигналов, многие вопросы до настоящего времени не решены и для своего решения требуют развития теории, а также аналитических и экспериментальных методов исследования НС во временной области.
В настоящее время в технике передачи и обработке информации используются весьма разнообразные НС: кабели связи симметричной и коаксиальной конструкции и воздушные линии связи, металлические и диэлектрические волноводы, энергетические (силовые) воздушные высоковольтные и кабельные линии, радиочастотные кабели и линии передачи, монтажные провода и кабели, симметричные витые пары, коаксиальные и полосковые линии ЭВМ и др. [8]. Спектр частот импульсных сигналов, передаваемых по НС в современных системах передачи и обработки информации занимает диапазон 0...1015 Гц. Несмотря на разнообразие конструкций НС, диапазонов используемых частот и условий работы при решении задач передачи электромагнитной энергии во всех случаях необходимо учитывать процессы распространение энергии вдоль НС, взаимные влияния между направляющими структурами, находящимися в одной линии связи, а также внешние влияния на НС. В связи с этим, к НС предъявляются требования передачи импульсных сигналов с допустимыми искажениями и при ограниченных помехах, с учетом обеспечения высокой технико-экономической эффективности систем передачи и обработки информации. Поэтому существует необходимость теоретического и экспериментального изучения как процессов распространения импульсных сигналов вдоль НС, так и процессов взаимных и внешних влияний, с тем, чтобы на основе выявленных закономерностей создавать оптимальные в технико-экономическом отношении конструкции НС и в целом ЦСПО.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие наиболее существенные и недостаточно изученные задачи.
1. Изучение и критический анализ известных теорий и методик анализа и расчета существующих линий передачи, используемых в устройствах передачи и обработки информации.
2. Разработка методологии исследования НС непосредственно во временной области независимо от конструкции и условий работы.
3. Развитие теории нестационарных процессов в многопроводных металлодиэлектрических НС. Разработка методики определения реакции многопроводных линий на ближнем и дальнем концах на стандартные единичные воздействия при различных нагрузках.
4. Разработка математических моделей и исследование временных характеристик однородных НС с учетом частотно-зависимых потерь в проводниках и диэлектрике при различных температурах в широком диапазоне частот. Разработка методик расчета искажений импульсных сигналов в продольно однородных НС.
5. Разработка математических моделей неоднородных НС и исследование влияния различных неоднородностеи на параметры временных характеристик передачи (ВХП).
6. Разработка математических моделей временных характеристик взаимного влияния (ВХВ) в многопроводных НС и исследование влияние конструкции, видов включения и внешних условий работы на параметры ВХВ.
7. Разработка математических моделей временных характеристик экранирования (ВХЭ) и исследование влияния конструкции, параметров и внешних условий работы на параметры ВХЭ.
8. Разработка методик экспериментального определения временных характеристик НС.
9. Создание методик расчета искажений импульсных сигналов в 0 многопроводных НС на базе их ВХ при учете суммарных потерь в проводниках и диэлектрике, неоднородностей линии, взаимного влияния между цепями и внешних дестабилизирующих факторов.
10. Разработка методов расчета уровня помех на входах решающих устройств регенераторов ЦСП, методик анализа электромагнитной совместимости цепей линий передачи и практических рекомендаций по обеспечению их ЭМС в линиях связи ЦСПО.
О 11. Разработка методологии тестирования, диагностики и идентификации НС по их ВХ. Исследование взаимосвязи между конструктивными особенностями НС ее временными и частотными характеристиками.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Теория нестационарных электромагнитных процессов в многопроводных НС, удовлетворяющих условиям распространения квази- ТЕМ-волн. Анализ многопроводных НС методом временных Ф характеристик.
2. Методика аппроксимации поверхностного импеданса, диэлектрических потерь и коэффициента ослабления продольно однородных НС степенными функциями с дробным показателем и представление коэффициента передачи и передаточной функции продольно однородных НС в обобщенной форме.
3. Математические модели, методика и алгоритмы расчета обобщенных ВХП продольно однородных НС в обычных условиях и условиях глубокого охлаждения, включая режимы низкотемпературной (НТСП) и высокотемпературной (ВТСП) сверхпроводимости. Математические модели, методика и алгоритмы расчета временных характеристик неоднородных НС. 0 4. Математические модели, методика и алгоритмы расчета, результаты теоретических и экспериментальных исследований электромагнитных влияний между коаксиальными цепями многопроводных линий во временной области.
5. Аналитические выражения, методика и алгоритмы расчета временных характеристик экранирования металлических оболочек в широком интервале температур, включая режимы сверхпроводимости. О 6. Аналитические выражения и методики расчета искажений импульсов в НС, учитывающие потери в« проводниках и диэлектрике, несогласованность включения, неоднородности и взаимные влияния между цепями.
7. Методики идентификации и диагностики НС по результатам импульсных измерений.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теории цепей, математический аппарат дифференциального и интегрального исчислений, функций комплексного переменного, операционных преобразований, теории вероятностей, численного моделирования на ЭВМ. Выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, основаны на теоретических и экспериментальных исследованиях.
Научная новизна работы состоит в следующем.
1. Развита теория нестационарных электромагнитных процессов в многопроводных НС удовлетворяющих условиям существования квази-ТЕМ-волн. Получены интегральные уравнения для определения временных характеристик НС и разработаны алгоритмы определения реакции НС при произвольном воздействии и произвольной нагрузке при учете частотно-зависимых потерь в линии. Принятое математическое описание достаточно гибко трансформируется для разных частных случаев и в зависимости от сложности НС задача определения реакции может решаться аналитическим или численным методами.
2. Дано решение задачи расчета ВХП продольно однородных НС при учете суммарных потерь в проводниках (при различных типах поверхностного эффекта) и диэлектрике, основанное на аппроксимации частотной зависимости поверхностного импеданса, диэлектрических потерь и коэффициента ослабления линии степенной функцией с дробным показателем. Решение распространяется на широкий класс продольно однородных НС (при условии отсутствия высших типов волн) в широком диапазоне частот (до 100 ГГц) и широком интервале температур (4...300 К). От известных предложенное решение отличается общим подходом и в ряде случаев более высокой точностью.
3. Предложен и исследован метод степенной аппроксимации частотной зависимости поверхностного импеданса проводников при слабом и сильном скин-эффекте для нормальных металлов в обычном (293 К) и криогенном (70 К) режимах, для сверхпроводящих металлов в режиме НТСП и для композитных проводников в режиме ВТСП, а также метод аппроксимации частотной зависимости потерь в различных диэлектриках в широком диапазоне частот и интервале температур. Разработаны алгоритмы аппроксимации частотных зависимостей потерь в проводниках и 0» диэлектрике степенной функцией с дробным показателем по методу наименьших квадратов и определена погрешность аппроксимации для различных диапазонов частот ЦСП.
4. Исследована зависимость параметров ВХП продольно однородных НС от длины и температуры, а также получены простые аналитические соотношения, устанавливающие взаимосвязь между параметрами (Q временных и частотных характеристик этих систем.
5. Выполнен анализ влияния нестабильности геометрических размеров НС на параметры ВХП и даны рекомендации по выбору различных типов линий, предназначенных для передачи широкополосных импульсных сигналов с учетом требований минимального увеличения длительности фронта импульса, минимальной задержки и минимальной чувствительности параметров импульса к нестабильности геометрических размеров О продольно однородных НС.
— 6. Обобщен метод исследования искажений импульсных сигналов по нормированным ВХП однородных линий на случай неоднородных линий. Получены математические модели ВХ нерегулярной линии и исследовано влияние на эти характеристики неоднородностей в виде стыковых и оконечных соединений, а также неоднородностей, равномерно распределенных по длине линии (асимметрия, эксцентриситет, продольное вмятие и гофрирование коаксиальной цепи и др.).
7. Исследованы вопросы влияния температуры на электромагнитные связи в многопроводных НС. Получены математические модели для сопротивления связи микрокоаксиальных цепей с однородными и неоднородными внешними проводниками в широком интервале температур (4...300 К) и широком диапазоне частот (до 100 ГГц). Полученные аналитические соотношения позволяют выполнить расчет частотных и временных характеристик взаимного влияния в жгутах микрокоаксиальных кабелей в обычном и криогенном режимах, а также линий передачи на основе НТСП и ВТСП.
8. Разработаны алгоритмы и методики оценки электромагнитных влияний между цепями многопроводных линий во временной области. Методика позволяет определить наличие соответствия взаимных влияний в жгутах многопроводных коаксиальных линий и между отдельными цепями требованиям ЭМС на ранних стадиях проектирования кабельных сетей объектовой связи и межсоединений ЭВМ, что уменьшает стоимость и сроки их разработки.
9. Разработана методика экспериментального исследования ВХП, ВХВ и ВХЭ в многопроводных экранированных НС. Предложены макеты измерительных установок для диагностики и тестирования НС во временной области. Для различных линий передачи измерены ВХ. Результаты измерений подтвердили теоретические положения, развитые в работе. .
10. Предложены и исследованы методы оценки параметров цепей НС по результатам импульсных измерений, проводимых с одного из концов линии, в частности, оценены следующие параметры: время задержки и связанные с ним параметры линий с погрешностью 0,1...0,3 %; частотные зависимости коэффициента ослабления и фазы с погрешностью до 5 %; распределение электромагнитных связей в многопроводных НС с неоднородными внешними проводниками.
Достоверность полученных результатов обеспечена обоснованностью использования современного математического аппарата, высоким уровнем сходимости теоретических выводов с многочисленными экспериментальными данными и результатами численного моделирования.
Практическая ценность. На основе принятого математического описания нестационарных электромагнитных процессов разработана единая теория и созданы математические модели временных характеристик многопроводных НС различных конструкций, учитывающие потери в проводниках при нормальном и аномальном поверхностном эффекте, частотно-зависимые потери в диэлектрике, неоднородности линии, взаимные и внешние влияния.
Разработанные модели ВХ позволяют решать задачи анализа и оптимизации (по различным критериям) электрических цепей многопроводных линий передачи в нормальных условиях, при криогенных температурах, а также сверхпроводящих линий на основе низкотемпературной и высокотемпературной сверхпроводимости.
Теория, алгоритмы и разработанные методики открывают возможность выполнения анализа ЭМС цепей передачи информации на стадии проектирования различных цифровых систем передачи и обработки информации.
Разработаны алгоритмы и программы численного моделирования на ЭВМ, выполнен расчет и составлен каталог нормированных ВХП широкого класса однородных НС. На базе нормированных ВХП создана методика инженерного расчета искажений импульсных сигналов в многопроводных линиях и приведены примеры расчета искажений импульсов различной формы, что облегчает применение полученных в работе аналитических соотношений разработчиками при расчете, выборе и оптимизации технических параметров высокоскоростных ЦСПО.
Даны практические рекомендации по выбору волнового сопротивления, диэлектрической проницаемости изоляции, состояния промежуточных цепей и других характеристик многопроводных линий, предназначенных для передачи импульсов малой длительности. Эти рекомендации могут быть использованы при разработке новых более эффективных НС для высокоскоростных ЦСПО.
Разработан метод расчета временных характеристик взаимного влияния между коаксиальными цепями многопроводных линий и получены формулы для расчета ВХВ коаксиальных цепей с однородными и неоднородными внешними проводниками. Даны рекомендации по выбору состояния промежуточных цепей для ослабления взаимных импульсных помех в много парных линиях передачи информации.
Разработаны алгоритмы расчета частотных и временных характеристик влияния для широкого класса НС. Алгоритмы позволяют рассчитывать на ЭВМ характеристики взаимного влияния для различных практически используемых и перспективных конструкций НС с учетом всей совокупности присущих им особенностей применения в сетях внутри объектовой связи и межсоединений ЭВМ.
Предложена методика и аналитические соотношения для определения результирующих временных характеристик влияния многопроводных линий, объединенных в жгут. На базе временных характеристик создана методика расчета искажений импульсных сигналов различной формы в линиях связи ЦСПО.
Основные положения теоретического и экспериментального исследований ВХ цепей многопроводных НС использованы при расчете и оптимизации линейных трактов высокоскоростных ЦСП, при оценке защищенности от импульсных взаимных и внешних помех в коаксиальных и симметричных цепях в сетях ЭВМ, а также при оценке параметров передачи и влияния различных линий объектовой связи и цепей диагностики физических установок для термоядерных исследований.
Реализация и внедрение результатов исследования. Основные положения теоретического и экспериментального исследований направляющих систем передачи широкополосных импульсных сигналов, разработанные математические модели и методы расчета временных характеристик передачи, влияния и экранирования внедрены на ряде предприятий и использовались для определения длин регенерационных участков, оптимизации корректирующих усилителей регенераторов, определения норм на параметры электромагнитных влияний, выборе методов контроля и обеспечения электромагнитной совместимости цепей кабельных линий объектовой связи, а также при разработке нормативных документов.
Научные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы, в частности, методы исследования импульсных внешних и взаимных помех в многоканальных системах диагностики, методика расчета уровня взаимных помех в электрических цепях систем диагностики в зависимости от типа и длины линии, нагрузки и дополнительных экранов, рекомендации по выбору типа и конструкции линии передачи и требований к дополнительным экранам при воздействии мощных импульсных помех позволили значительно снизить трудоемкость оценки защищенности цепей от внешних и взаимных импульсных помех, а также выявить места сосредоточенных электромагнитных связей, что в конечном итоге привело к оптимизации конструкции экранирующих средств и значительному снижению затрат на экранирование системы диагностики высокотемпературной плазмы в токамаках нового поколения (ТСП, Т-15, ИТЭР и др.). Созданные НПО "Академприбор" АН Узбекистана. Совместно с ТЭИС изделия эксплуатируются с 1991 года в системах диагностики и управления токамаками Т-15 и ТСП, обеспечивая надежный контроль режимов работы в условиях сильных электромагнитных помех (ТРИНИТИ, Россия).
Разработанная методика инженерного расчета искажений импульсных сигналов в многопроводных НС, а также пакет программ внедрены на ряде предприятий (НТП "Беруни" Узбекистан, АГПТ "Алтеба" Казахстан, НИИ "Дельта" НІЖ "Красная заря" Россия) и используются при анализе и прогнозировании ЭМС кабельных сетей внутриобъектовой связи, локальных вычислительных сетях, а также в проводных линий межсоединений ЭВМ.
Разработанная теория нестационарных электромагнитных процессов в многопроводных НС, основные теоретические положения анализа временных характеристик передачи и влияния, формулы и методики расчета и измерения параметров линий передачи во временной области внедрены в учебный процесс (ТЭИС, Казахский НГУ).
Вклад автора в разработку проблемы. Постановка задач, теоретические исследования, обобщение полученных результатов, представляемых к защите, выполнены автором самостоятельно. Экспериментальные исследования, разработка методик и проведение измерений параметров различных направляющих систем во временной области проведено при непосредственном участии автора. Все результаты, представленные в диссертации, получены автором лично.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Всемирной конференции "Интеллектуальные системы для индустриальной автоматизации" (WCIS-2000, Ташкент 2000 г.), на международных конференциях "Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре и образовании" (НИТРИО-2001, Астрахань 2001 г.), "Информационные методы повышения эффективности и помехоустойчивости радиосистем и систем связи", "Интеллектуализация систем управления и обработки информации", "Математическое моделирование и вычислительный эксперимент", "Системный анализ, моделирование и управление сложными процессами и объектами на базе ЭВМ", "Теория и методы расчета нелинейных цепей и систем", "Метрология в почтовой связи и телекоммуникациях" (Ташкент 1990, 1993, 1994, 1995, 1998 гг.), "Техника и технология связи" (Минск, 1999 г., Одесса, 2000 г.), на научных сессиях НТО ГЭС, посвященных Дню радио (Москва 1990, 1992 гг.), на республиканских НТК, "Цифровые сети и системы связи Республики Узбекистан", "Современное состояние, проблемы и перспективы развития информатизации в Узбекистане" (Ташкент 1993, 1994, 1999 гг.), а также на конференциях профессорско-преподавательского состава ТЭИС, (Ташкент, 1989...2000 гг.), АГГУ, (Астрахань, 2001, 2002 гг.).
Основные положения, новые научные результаты и выводы диссертации являлись предметом обсуждения на научных семинарах кафедры электротехники All У (Астрахань), кафедры ЭВМ, системы, сети Волг.ГТУ (Волгоград), кафедр линий связи МТУСИ (Москва), ПГАТИ (Самара), кафедры теории электрических цепей ТЭИС (Ташкент).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 79 научных работ [125...203], в том числе 40 статей [125, 127,134...141, 143...148,151, 152, 154, 159, 167,168,170 174...182, 185,186,189,193, 196, 199, 200], два учебных пособия [149,150]. Часть результатов отражены в 6 зарегистрированных в НТИЦ отчетах по НИОКР [204...214]. Основные результаты опубликованы в научных трудах, написанных автором лично. Вклад автора в работы, выполненные в соавторстве, состоит в постановке и формализации задач исследований, разработке и анализе математических моделей.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, приложений и списка литературы из 214 наименований. Основная часть диссертации изложена на 248 страницах машинописного текста, содержит 88 рисунков и 19 таблиц.
Во введении дана характеристика современного состояния и тенденций развития систем передачи и обработки информации.
В первой главе приведен обзор методов анализа электрических цепей с распределенными параметрами, классификация НС, обзор состояния и тенденций развития теории и практики НС, классификация параметров, характеризующих НС во временной области. Дано математическое описание нестационарных электромагнитных процессов в многопроводных линиях, основанное на понятиях временных характеристик.
Во второй главе разработаны обобщенные математические модели частотных характеристик передачи однородных НС. Исследованы частотно-зависимые потери в проводниках и диэлектрике на основе известных теоретических выражений и экспериментальных данных. Определены частотно-температурные зависимости поверхностного импеданса для нормальных металлов в случае нормального и аномального поверхностного эффекта, а также проводников в условиях НТСП и ВТСП. Исследованы частотные зависимости ослабления однородных линий, определяемые потерями в металле, диэлектрике, а также суммарными потерями в металле и диэлектрике и выполнена их аппроксимация. Разработана обобщенная форма представления частотных зависимостей вторичных параметров НС в виде степенных функций.
В третьей главе разработаны обобщенные математические модели ВХП однородных НС в условиях согласованного включения. Приведены результаты разработки и исследования обобщенных ВХ однородных распределенных систем (ОРС) в широком интервале времен (до 1 пс) и температур (4...300 К) с учетом частотно-зависимых потерь в диэлектрике, в проводниках из нормальных металлов при нормальном и аномальном скин-эффекте, а также в проводниках на основе НТСП и ВТСП. Получены аналитические выражения для обобщенных временных характеристик в форме специальных функций, разработаны алгоритмы и программы генерирования ВХ на ЭВМ и выполнено их табулирование.
Нормализованные временные функции однородных распределенных систем являются основой для построения временных характеристик передачи и отражения неоднородных линий, а также временных характеристик влияния и экранирования в многопроводных НС.
В четвертой главе результаты разработки ВХП однородных линий развиваются на неоднородные линии. Разработаны и исследованы математические модели ВХП и временные характеристик отражения (ВХО) неоднородных линий. Составлены и исследованы математические модели ВХ однородных НС в условиях частотно-зависимого и частотно-независимого рассогласования волнового сопротивления линии и нагрузки. Исследовано влияние равномерно распределенных по длине НС неоднородностей в виде асимметрии, эксцентриситета, деформации проводников. Исследованы ВХП и ВХО нерегулярных линий в виде сумм основного, попутного и встречного импульсных потоков в зависимости от вида нерегулярности и температурного режима работы НС. Полученные ВХ нерегулярных линий позволили обобщить методику расчета искажений импульсных сигналов по нормированным ВХП однородных линий на неоднородные линии.
В пятой главе разработаны основы теории влияния между проводными цепями НС, а также элементы теории экранирования проводящих оболочек во временной области и получены математические модели для ВХВ и ВХЭ. Математическое описание нестационарных электромагнитных процессов в НС, выполненные в первой главе, конкретизируются для случаев многопроводных коаксиальных линий. Разработана методика расчета ВХВ между цепями многопроводных линий для различных конструкций и режимов работы. Получены аналитические соотношения для ВХВ в виде суммы ВХВ в области больших и области малых времен электрически коротких и электрически длинных линий. Выполнен анализ зависимости формы и амплитуды наведенных импульсов от длины, расстояния между КП, температуры, наличия дополнительных экранов, а также состояния промежуточной цепи. Рассмотрены ВХЭ проводящих оболочек НС. Определены и исследованы ВХЭ экранных оболочек выполненных из нормальных металлов, а также из материалов на основе НТСП и ВТСП. Исследованы вопросы эффективности экранирования проводящих оболочек в зависимости от температуры.
В шестой главе рассмотрены вопросы использования ВХ в практических целях. Разработаны методы экспериментального исследования ВХ, а также импульсные методы диагностики и тестирования НС. Сформулированы требования к испытательным импульсным воздействиям, выполнена оценка точности импульсных измерений ВХ, приведены результаты измерений ВХ различных цепей. Рассмотрены вопросы расчета искажений импульсных сигналов в НС, методы коррекции искажений сигналов и алгоритмы их (Восстановления. Приведен метод оценки соответствия электромагнитных влияний между цепями многопроводных линий межсоединений и объектовой связи требованиям ЭМС. Приводятся результаты исследования вопросов параметрической идентификации НС на основе ВХП. Предложены решения задач оптимизации конструкций симметричных и коаксиальных цепей по критерию минимума конструктивной постоянной времени линии.
В заключении подведены итоги работы, приведены результаты практической реализации и перспективы дальнейшего развития выбранного направления исследования.
В приложение включены выводы некоторых формул, алгоритмы численного моделирования и таблицы нормализованных временных функций, а также отзывы различных предприятий.
Классификация направляющих систем
Термин "Направляющая система" объединяет в себе широкую номенклатуру специально сконструированных для передачи электромагнитных колебаний проводов, кабелей, линий передачи, волноводов и др., а также различных распределенных металлодиэлектрических структур, предназначенных для других целей, но способных с той или иной степенью эффективности передавать энергию электромагнитных колебаний в определенном направлении [16].
В настоящее время в технике передачи и обработке информации используются весьма разнообразные НС: кабели связи симметричной и коаксиальной конструкции и воздушные линии связи, металлические и диэлектрические волноводы, энергетические (силовые) воздушные высоковольтные и кабельные линии, радиочастотные кабели и линии лередачи, монтажные провода и кабели, симметричные витые пары, коаксиальные и полосковые линии ЭВМ и пр. Спектр частот сигналов, передаваемых по НС, в современных системах передачи и обработки информации занимает диапазон 0...1015Гц. НС удобно классифицировать по конструктивным и технологическим особенностям, температурному режиму работы и наиболее приемлемой математической модели, отражающей основные наиболее существенные свойства НС как линий передачи (рис. 1.3.1) [126].
Анализ данных о производстве металлических кабелей связи свидетельствует о практическом отсутствии за последние десять лет прироста объемов их выпуска, что обусловлено, прежде всего, острым дефицитом меди. Это обстоятельство стимулирует переход на технологию волоконно-оптических систем передачи. Однако строительство волоконно-оптических линий связи, по крайней мере, до конца текущего столетия, предполагается лишь для магистральных и зоновых сетей, а также на межстанционных направлениях крупных ГТС. Реализация государственных планов телефонизации в описанных условиях предопределяет необходимость ресурсосберегающей стратегии развития местных сетей связи за счет повышение эффективности использования существующих каналов и линейных трактов сети связи [125, 126]. В связи с этим, в настоящее время продолжаются интенсивные исследования, как параметров оптических волокон, так и новых конструкций металлических линий передачи для широкополосных ЦСП в направлении увеличения пропускной способности, улучшения электрических и механических свойств, а также снижение себестоимости. К новым конструкциям НС относятся низкотемпературные направляющие системы (НТНС), которые можно разделить на три подгруппы: 1) Криогенные направляющие системы (КНС), представляющие собой НС обычной конструкции, соответствующих температуре кипения жидкого азота (78 К) и ниже, например, температуре кипения жидкого гелия (4,2 К) [39]; 2) НС специальной конструкции на основе НТСП в условиях охлаждения ниже критической температуры, при которой проводник переходит в сверхпроводящее состояние [40, 41]; 3) НС специальной конструкции на основе ВТСП, в условиях охлаждения ниже критической температуры [42].
В КНС используется фундаментальные свойства металлических проводников - уменьшение удельного сопротивления и уровня собственных тепловых шумов при понижении температуры. Линейная зависимость удельного сопротивления проводников практически сохраняется до температуры 40...60 К. По абсолютному значению удельное сопротивление проводников из меди, серебра и алюминия при снижении температуры до температуры 73 К уменьшается на порядок, а при снижении температуры до 4,2 К - почти в сто раз. Именно благодаря этому свойству проводников были предприняты попытки создания КНС на базе охлажденных малогабаритных и микрокоаксиальных кабелей связи, которые специальными приемами охлаждались до температуры жидкого азота [39]. Явление уменьшения тепловых шумов проводников при их охлаждении нашло практическое применение в криогенной радиоэлектронике [40, 41]. Например, при температуре жидкого азота мощность тепловых шумов обычных металлов составляет 10 Вт, т.е. снижается на порядок по отношению к мощности шумов при обычной температуре (20С или 293 К), которая составляет 0,4 10 Вт, при температуре жидкого гелия мощность тепловых шумов оставляет 8,5 10" Вт, т.е. снижается на три порядка.
Некоторые металлы и сплавы обладают свойством сверхпроводимости при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю (Т=273 С). Сопротивление сверхпроводников при температуре ниже критической (Т Тк\ когда проводник переходит в состояние сверхпроводимости, может иметь порядок КГ23 Ом/см., что в 10м раз меньше, чем сопротивление меди при комнатной температуре [41]. Наряду с малым сопротивлением сверхпроводники обладают низким уровнем собственных шумов (на три порядка ниже, чем при комнатной температуре) и практически полным экранированием электромагнитного поля. Свойством низкотемпературной сверхпроводимости обладают такие металлы как алюминий (7 = 1,2 К), олово (Тк = 3,77 ), свинец (Тк = 7,2 К), ниобий ( Тк = 9,3 К) и др. Реально для создания НС на основе НТСП могут быть использованы лишь проводники из свинца и ниобия при охлаждении их жидким гелием, имеющим температуру кипения порядка 4,1 К. Высокая стоимость получения жидкого гелия и сложность создания установок для поддержания температуры ниже критической, ограничивают возможности практического использования сверхпроводников на основе чистых металлов. Это положение стимулировало поиски сплавов, обладающих более высокой критической температурой. В 1950-1970 годах такие сплавы были открыты. Это сплавы ниобия с оловом с. критической температурой (7 = 1Е К), ниобия с германием (7 = 22 К) и ниобия с кремнием (7 = 25УК) [11]. Охлаждение этих сплавов уже можно было производить жидким водородом, температура кипения которого 20 К. Сверхпроводники, созданные на базе указанных сплавов получили название сверхпроводников на основе теплой сверхпроводимости или среднетемпературные сверхпроводники (СТСП).
Частотно-температурные зависимости параметров проводников
Частотная зависимость поверхностных потерь в обычных условиях определяется толщиной и формой проводника. В этом случае на частотной характеристике поверхностного сопротивления можно выделить несколько характерных областей: область отсутствия, область слабого проявления и область сильно выраженного поверхностного эффекта. Практически для многих проводников, используемых в НС, поверхностными потерями можно пренебречь в диапазоне низких частот до 1...5 кГц [21]. В области низких частот, где толщина проводника много меньше глубины проникновения поля (в«$) поверхностный эффект выражен слабо, распределение поля по глубине проводника близко к равномерному. При достаточно низких частотах теория сильного поверхностного эффекта, приводящая к представлению о поверхностном сопротивлении Rs(co) у[а , становится неприменимой. На рис. 2.2.1 представлены частотные зависимости продольного сопротивления, индуктивности и глубины поверхностного слоя для НС в виде открытой симметричной полосковой линии в обычных температурных условиях работы [51]. Анализ графиков позволяет сделать вывод, что для отдельных участков диапазона частот поверхностное сопротивление открытой двухпроводной линии достаточно хорошо описывается степенной функцией Rs=B.r, (2.2,3) где характеристический показатель в зависимости от участков диапазона частот принимает значения в интервале 0 m , 3.
В диапазоне низких частот (0 / 103 Гц), где практически отсутствует поверхностный эффект, можно принять т = 0. Для открытых НС в области высоких частот (/ 109 Л/), за счет излучения электромагнитной энергии, показатель принимает значение т = 3. В области частот (104 / 109 Гц), где поверхностный эффект выражен сильно, /я = 0,5. С учетом того, что интервалы переходных областей (0 /я 0,5 и 0,5 /я 3 ) достаточно узкие, в расчете их обычно не учитывают. При выполнении расчетов ЦСП обычно принимают во внимание лишь область нормального поверхностного эффекта (Rs f42) [4,5]. Для высокоскоростных ЦСП, работающих с коротким импульсами, подобное приближение может привести к существенным ошибкам.
При понижении температуры длина свободного пробега электронов в нормальном металле растет, а глубина проникновения уменьшается. При S«le поверхностное сопротивление металла фактически не зависит от проводимости. Такое явление получило название аномального поверхностного эффекта, а область, где поверхностное сопротивление не зависит от проводимости в случае постоянного тока, называют областью крайнего аномального предела. Достижимые величины поверхностного импеданса, глубины проникновения и коэффициента распространения в среде нормальных проводников для различных видов поверхностных потерь, определяемых температурными условиями, выражаются формулами [50]: 1 ft Zs „ =л(і + у7з ; 8m B=j(S-j)-a - ; = ( 3+ j)a \ (2.3.1) (/Г-у/3/. \ І/ЗІ \2/3 VJ Ы IfJ и ЛО иы/Си для «О алюминия и /е/сг = 6,49.10"16 м/См для меди.
При \е=8 между предельным (сильным) аномальным поверхностным эффектом и нормальным (классическим) для поверхностного импеданса имеется значительная промежуточная область соответствующая условно у. слабому аномальному поверхностному эффекту. Для расчета электрических характеристик нормальных металлов в области слабого аномального поверхностного эффекта можно воспользоваться интерполяционными формулами [50]: Rs = RSjm(l + F,s- ), Xs = Xs„(l + Fxs- ), (2.3.2) где s = fio4 ] a Fr = 571 Fx = 0,473; p = 0,2757. Ур Точность интерполяционных формул (2.3.2) составляет 0,1 % для значений є 1,2. Воспользовавшись соотношениями для Rs и Xs в области слабого аномального поверхностного эффекта, получим зависимости поверхностного импеданса от частоты и температуры
Rsico AcD l + F al/iT)] 9} , (2.3.3) Xs(coj) = SAa {l + Fxoo- a[p(T)f }, где а = [(3/4)Мо{іе/з)- ]. (О
По (2.3.3) рассчитаны ЧХ поверхностного сопротивления для меди и алюминия в интервале температур 10...300К (рис. 2.3.1). Формулы (2.3.3), определяющие частотную зависимость поверхностного импеданса в промежуточной области аномального поверхностного эффекта содержат по два слагаемых, каждый из которых имеет степенную зависимость от частоты.
Обобщенная форма передаточных функций однородных НС
Используя результаты работ [99], можно вывести следующие приближенные выражения для нормализованных импульсной и переходной характеристик НС с нелинейной фазовой характеристикой, справедливые в области относительно малых времен (#, - 0):
В частном случае при m=0,5 полученная формула (3.3.17) соответствует известному выражению (3.3.10).
Результаты расчета импульсных характеристик по формуле (3.3.16) приведены на рис. 3.3.4. Отклонение приближенных значений нормализованных ИХ, рассчитанных по формуле (3.3.16) от более точных, рассчитанных по формулам (3.3.2), не превышает 0,1 % на интервале q 4 для 0,3 m 0,8. Такая точность вполне достаточна для выполнения практических вычислений временных характеристик НС.
В области относительно больших времен (д - « ) нормализованные ВХ можно представить (используя результаты работы [99]) следующими приближенными соотношениями. Для НС с линейной фазовой характеристикой h(q,m) = - r,q 0; h{q,m) = l ,q 0, (3.3.19) где с = \/л при m=l; c = (l-/w)/2r(2-/n)cos(m;r/2) при Km 2; с = і/2Г(і - /и) cos(m;r/2) при 0 m l.
Для НС с нелинейной фазовой характеристикой в формуле (3.3.19) при 0 т 1 и q 0 коэффициент с следует принять равным с = l/r(l -m)cos(w /2). В области х, 3 погрешность расчета по приближенной формуле (3.3.19) не превышает 1%.
Полученные выше нормализованные ВХ выражаются в интегральной форме, в форме рядов или через специальные функции. Лишь в некоторых частных случаях при т=0,5; 1,0; 2,0 они выражаются через элементарные функции. В связи с этим, для практического использования временных функций НС в общем случае, их необходимо табулировать. В связи с этим, автором выполнено численное моделирование ВХ, представленных в интегральной форме (3.3.4, 3.3.5) и в форме сходящихся рядов (3.3.9...3.3.12).
Для численного моделирования нормализованных ВХ, представленных в интегральной форме, можно воспользоваться специальными программами, составленными для этого [100, 124]. Однако развитие вычислительной техники и программного обеспечения со времени публикации работы [100], позволяет значительно упростить задачу расчета ВХ. С этой целью можно воспользоваться известными пакетами прикладных программ для выполнения математических расчетов, например MATHCAD. Расчеты, выполненные с помощью MATHCAD, приведены в виде таблиц (см. приложение ПЗ.), а также в виде графиков (см. рис. 3.3.1...3.3.4). Точность вычисления ВХ по таблицам до 10"3 для 0 т 2.
Таблицы нормализованных переходных h{qx, т) и импульсных характеристик НС с нелинейной ФЧХ для 0,1 т 0,9 с шагом Aw = 0,1 приведены в табл.ГОЛ...П3.9, а импульсных характеристик #(#,,/я) для 0,25 т 0,75 с шагом Am = 0,25 приведены в табл. ПЗ. 12. Временные характеристики НС с линейной ФЧХ для 1 т 2 с шагом Am = 0,1 приведены в табл. ГОЛО и П3.11, а в интервале 0,25 /я 2,0 с шагом Am = 0,25 - в табл. ГОЛ 3.
На рис. 3.3.1...3.3.3 построены графики нормализованных ВХП, построенных по табличным данным. Приведенные в табличной форме и в виде графиков нормализованные ВХП справедливы при классическом и аномальном поверхностном эффекте и учитывают все виды частотно-зависимых потерь в проводниках и диэлектрике НС.
Для расчета искажений импульсов в НС, полученные обобщенные ВХ, представленные в нормализованной форме, для конкретных видов НС в заданных режимах работы, необходимо представить в абсолютной системе единиц. Преобразование ВХП производится на основании теорем о сдвиге и об изменении масштаба независимого переменного [90] е"Ф{Ьр) и ) . (3.4.1) На основании (3.4.1) ВХП в абсолютном масштабе единиц представляются в виде h(tl,m) = h(xrN ,m), g{tl,m) = rgH(xrN,m), (3.4.2) где х, =tjN - нормированное время; г, =/-/3 - время, сдвинутое на время задержки; N- - коэффициент нормирования. Коэффициент нормирования равен ,при О т 1, % = 1» ,ирм1 т 2, = 0. В / (2л)т со [тя/2) В./ -11/и N = (3.4.3) 1/л гт иг»»1 :»» V = H lL(2 rj Наличие коэффициента [l/cos(m /2)]1/m в выражении (3.4.3) в ряде случаев осложняет сравнительный анализ ВХП. В связи с этим, коэффициент нормирования целесообразно преобразовать: N =nnNm, где пт =[l/co!(mx/2J\Vm, 0 т 1 (3.4.4) Для более удобного пользования таблицами нормализованных ВХП, их можно частично преобразовать и представить в виде: h{qltm) = h(xx-nm,m\ g.{qx,m) =— g. (х, пп,т\ где qx =- -. (3.4.5) Для перехода от частично преобразованных ВХП (3.4.5) к ВХП в абсолютных единицах необходимо воспользоваться формулами: h{tl,m) = h(qlNm,m), „(/,,"!) = „(?,#„,/"), (3.4.6) где ( и Nm определяются соотношениями:
ВХП НС с равномерно распределенными по длине неоднородностями
НС обычно включают в себя различные вставки, переходы, промежуточные стыковые и оконечные соединения и др. Кроме того, по условиям, связанным с технологией производства, симметричные и коаксиальные цепи, входящие в НС, могут иметь ряд конструктивных неоднородностей в виде асимметрии, эксцентриситета, деформации проводников и др. [14...22, 101... 104]. Для ряда перспективных НС в качестве критерия оценки качества на первый план выдвигается степень их однородности, так как основная часть причин, влияющих на искажение передаваемых сигналов, приходится на потери энергии за счет неоднородностей, определяемых несовершенством технологии изготовления НС, а также качеством монтажа линии связи и условиями эксплуатации [101].
В магистральных НС (например, коаксиальных или симметричных кабелях), используемых в высокоскоростных ЦСП, помехи возникают в основном вследствие попутных потоков, вызванных конструктивными неоднородностями линии, и тепловых шумов. Эти помехи определяют межсимвольные интерференционные искажения импульсных сигналов в ЦСП [4, 5].
В связи с тем, что влияние неоднородностей на искажение импульсных сигналов возрастает для высокоскоростных ЦСП, в 4 разделе ставятся и решаются задачи обобщения методики расчета ВХП однородных НС, разработанной в предыдущих разделах, на неоднородные НС, в частности: исследование влияния конструктивных особенностей НС на ВХП; получение и исследование ВХП направляющих систем с равномерно распределенными по длине неоднородностями; получение и исследование аналитических соотношений для ВХП нерегулярных линий; получение ВХП нагруженной линии и исследование влияния рассогласования линии и нагрузки на искажение импульсных сигналов; разработка рекомендаций по снижению влияния неоднородностей НС на искажение импульсных сигналов высокоскоростных ЦСП.
Решение этих вопросов открывает возможность проведения анализа помех, возникающих в НС при передаче по ним широкополосных импульсных сигналов, позволит решить вопрос о пригодности и эффективности существующих и перспективных НС для работы высокоскоростных ЦСПО.
Исследование влияния отклонения геометрических размеров и физических свойств материалов, из которых изготовлены проводники и диэлектрик НС, на ВХП удобно произвести в отношении конструктивной постоянной времени г, которая связана с параметрами ВХП. Постоянная времени имеет простую связь с конструктивными параметрами НС в э случаях преобладания потерь в проводниках или в диэлектрике. Для исследования ВХП неоднородных НС целесообразно рассмотреть конструктивную постоянную времени, определяемую только потерями в проводниках гп (3.5.12), конструктивную постоянную времени, определяемую только потерями в диэлектрике тд (3.5.13) и время задержки фронта импульсного сигнала в линии /3 (3.5.14).
Связь между отклонениями параметров ВХП и конструктивными параметрами НС определяется уравнением погрешности &т = - г-АЩ, где Щ - параметр /-го элемента. Взаимосвязь между отклонениями параметров ВХП и отклонениями параметров ЧХП устанавливается уравнением ==-4 -]. (4.2.1) %« тК Ьт ) которое показывает, что относительное отклонение конструктивной постоянной времени (соответственно и параметров ВХП) связано с отклонением коэффициента Ьт (соответственно и параметров ЧХП) через коэффициент т (0 т 2). С учетом значений коэффициента Ът (см. главу 2) гп для КП равна: / (4.2.2) гП=Кл ZBD 1л» где Кт - коэффициент, зависящий от электрических свойств внешнего провода КП; п = D/d - размер КП, /\, и Д, - коэффициенты, учитывающие особенности внутреннего и внешнего проводников КП, (см. табл. 4.2.1). Для некоторых значений т коэффициент Кт выражается формулами:
