Medium - kable Cu

Jak wiadomo medium transmisyjnym dla technik HDSL są miedziane linie przesyłowe. Linie te mają szereg charakterystycznych parametrów bezpośrednio wpływających na pracę urządzeń HDSL. Jest zatem konieczne przed przystąpieniem do jakichkolwiek pomiarów czy też badań poznanie owych parametrów oraz ich właściwości.

Schemat linii długiej

Kryterium w jakim najczęściej rozpatrywane są parametry tradycyjnej linii abonenckiej jest jej wykorzystanie do realizacji standardowych połączeń telefonicznych. Powoduje to, że analiza ich właściwości ogranicza się do zjawisk związanych z zakresem częstotliwości do 3400 Hz oraz z sygnałami stałoprądowymi. Jak wiadomo z wcześniejszych rozdziałów technika HDSL wykorzystuje znacznie większe pasmo częstotliwości co sprawia, iż w linii występują również inne zjawiska. W takim przypadku należy kablową parę miedzianą rozpatrywać jako linię długą. W linii długiej przenoszącej częstotliwości rzędu do 500 kHz występują zjawiska związane z istotnym wpływem rezystancji, upływności, pojemności i indukcyjności. Decydują one o tak zwanych parametrach transmisyjnych toru, którymi są między innymi tłumienność i przeniki. Zjawiska te mogą bardzo negatywnie wpływać na pracę urządzeń HDSL a w wielu przypadkach sprawiać, że zastosowanie danej linii jako medium transmisyjnego dla tej techniki będzie niemożliwe.

Parametry elektryczne torów miedzianych

Mając na uwadze przeznaczenie miedzianych kabli telekomunikacyjnych najważniejszymi parametrami elektrycznymi torów są rezystancja, pojemność, oraz indukcyjność, które przekładają się bezpośrednio na ich parametry transmisyjne. Ważna jest zatem ich analiza tak w odniesieniu do sygnałów stało prądowych jak i też w pewnym zakresie częstotliwości, która będzie stanowiła podstawę do dalszych rozważań.

Rezystancja miedzi, podobnie jak i innych materiałów przewodzących wykorzystywanych na żyły kablowe, zależy przede wszystkim od jej czystości chemicznej. Dla miedzi elektrolitycznej rezystancja drutu o długości 1 km i średnicy 0,5 mm może wynosić do ok. 89,4 ohm . Jednak w skutek obróbki termicznej i mechanicznej w rzeczywistości drut o średnicy 0,5 mm i długości 1 km ma rezystancję 92,6 ohm , a tor złożony z pary równoległych drutów ma rezystancję 185,3 W, która może być także większa. Miedź charakteryzuje się ponadto dość dużym współczynnikiem temperaturowym rezystancji (rzędu 0,00393 na 1° C). Sprawia to, że przy temperaturze 20° C rezystancja rośnie o ok. 4% w porównaniu z rezystancją przy temperaturze 10° C. Wahania temperatury kabli podziemnych są kilkakrotnie mniejsze niż naziemnych. Przyjmuje się, że średnia temperatura kabli podziemnych wynosi 9° C, i dlatego w wielu normach na kable wymagana wartość rezystancji toru jest podawana dla temperatury 10° C. 

Poniżej w tabelach od 9 do 15 zostały w odniesieniu do częstotliwości przedstawione wartości rezystancji, indukcyjności oraz pojemności torów miedzianych o różnych średnicach żył dla dwóch rodzajów izolacji zastosowanej w kablu.[1]

Częstotliwość (kHz)	0	10	20	40	100	150	200	400	500
R (ohm/km)	268	268	269	271	282	295	312	390	425
L (µH/km)	680	678	675	669	650	642	635	619	608
C (nF/km)	45.5	45.5	45.5	45.5	45.5	45.5	45.5	45.5	45.5

Tab.9.  Kabel z izolacją polietylenową PE o średnicy żyły 0,4 mm

Częstotliwość (kHz)	0	10	20	40	100	150	200	400	500
R (ohm/km)	172	172	173	175	190	207	227	302	334
L (µH/km)	680	678	675	667	646	637	629	603	592
C (nF/km)	25	25	25	25	25	25	25	25	25

Tab.10.  Kabel z izolacją polietylenową PE o średnicy żyły 0,5 mm

Częstotliwość (kHz)	0	10	20	40	100	150	200	400	500
R (ohm/km)	119	120	121	125	146	167	189	260	288
L (µH/km)	700	695	693	680	655	641	633	601	590
C (nF/km)	56	56	56	56	56	56	56	56	56

Tab.11.  Kabel z izolacją polietylenową PE o średnicy żyły 0,6 mm

Częstotliwość (kHz)	0	10	20	40	100	150	200	400	500
R (ohm/km)	67	70	72.5	75.0	91.7	105	117	159	177.5
L (µH/km)	700	700	687	665	628	609	595	568	543
C (nF/km)	37.8	37.8	37.8	37.8	37.8	37.8	37.8	37.8	37.8

Tab.12.  Kabel z izolacją polietylenową PE o średnicy żyły 0,8 mm

Częstotliwość (kHz)	0	10	20	40	100	150	200	400	500
R (ohm/km)	419	419	419	419	427	453	493	679	750
L (µH/km)	650	650	650	650	647	635	621	577	560
C (nF/km)	120	120	120	120	120	120	120	120	120

Tab.13.  Kabel z izolacją polvinitową PCV o średnicy żyły 0,32 mm

Częstotliwość (kHz)	0	10	20	40	100	150	200	400	500
R (ohm/km)	268	268	268	268	281	295	311	391	426
L (µH/km)	650	650	650	650	635	627	619	592	579
C (nF/km)	120	120	120	120	120	120	120	120	120

Tab.14.  Kabel z izolacją polvinitową PCV o średnicy żyły 0,63 mm

Częstotliwość (kHz)	0	10	20	40	100	150	200	400	500
R (ohm/km)	108	108	108	111	141	173	207	319	361
L (µH/km)	635	635	635	630	604	584	560	492	469
C (nF/km)	120	120	120	120	120	120	120	120	120

Tab.15.  Kabel z izolacją polvinitową PCV o średnicy żyły 0,63 mm

Parametry transmisyjne torów miedzianych

          Tłumienność toru  jest jednym z najważniejszych parametrów transmisyjnych linii szczególnie ważnym przy  stosowaniu takich technik jak HDSL pracujących w zakresach częstotliwości do ok. 500 kHz. Tłumienność jednostkowa linii jest parametrem silnie zależnym od rodzaju kabla, tego jaka jest średnica żył, z jakiego materiału została wykonana ich izolacja czy wreszcie od skoku zastosowanego skrętu żył i jest podawana w funkcji częstotliwości.

          Poniżej zamieszczona została tabela przedstawiająca wartości składowych impedancji falowej oraz tłumienia toru z żyłami o średnicy 0,4 mm wraz z wykresem obrazującym graficznie rozkład zmian tłumienia w miarę wzrostu częstotliwości

Częstotliwość (kHz)	10	20	40	100	150	200	400	500
Tłumienie (dB)	15.2	19.0	23.4	28.6	31.0	33.3	42.5	46.8
Impedancja (ohm/km)
Re	228	179	146	126	122	120	117	117
Im	-209	-129	-82	-39	-28	-23	-14	-13

Wybrane parametry falowe toru o średnicy żył 0,4 mm [1]

Wykres tłumienia toru o średnicy żył 0,4 mm.

          Parametry transmisyjne toru zależą w dużym stopniu od charakterystyk częstotliwościowych parametrów jednostkowych takich jak rezystancja, pojemność, indukcyjność czy też upływność toru kablowego. Jak widać na powyższym wykresie ich wpływ nasila się w zakresie częstotliwości powyżej 100 kHz. Dzieje się tak między innymi w skutek  przepływu prądu tylko w zewnętrznej warstwie przewodu. Rezystancja żyły rośnie wówczas wraz ze wzrostem częstotliwości płynącego prądu. Warto natomiast dodać, że z pośród wymienionych parametrów jedynie pojemność jednostkowa w małym stopniu zależy od wzrostu częstotliwości.

Przeniki w miedzianych sieciach kablowych

                                                                                                                                              

          W torach kablowych obok tłumienności elementem ograniczającym zasięg transmisji są przeniki czyli wpływ obcego sygnału pochodzącego zwykle od sąsiedniej pary przewodów.

Jak wiadomo łącza HDSL są zestawiane w sieciach kablowych, w których równolegle pracują tradycyjne łącza abonenckie, łącza cyfrowe ISDN,  systemy abonenckie PCM, czy wreszcie inne łącza HDSL. Jest zatem zrozumiałe, że nie da się uniknąć wzajemnego oddziaływania na siebie wymienionych systemów i łączy. W telekomunikacji rozróżnia się dwa rodzaje przeników:

§         przenik zbliżny NEXT (Near End Crosstalk)

§         przenik zdalny FEXT (Far End Crosstalk) 

Przenik zbliżny NEXT pojawia się w przypadku, gdy pokrywają się pasma nadawanych i odbieranych sygnałów przesyłanych przez kabel w różnych parach przewodów. Zakłócenia typu NEXT niejako odbierane na wybranej parze w kablu są więc wprost proporcjonalne do poziomu sygnału nadajnika podłączonego do innej pary przewodów umieszczonej w tej samej wiązce.

Przenik zbliżny NEXT.

  

Przenik zdalny FEXT pojawia się wówczas, gdy dwa różne sygnały (lub więcej) o wzajemnie pokrywającym się widmie częstotliwości są przesyłane w tym samym kierunku z wykorzystaniem odrębnych par przewodów kablowych. Wartość przeniku zdalnego silnie zależy od konstrukcji i wykorzystania skrętek w torze kablowym, zmienności przekrojów żył, istnienia rozgałęzień w torze kablowym oraz techniki rozprowadzania par przewodów infrastruktury telekomunikacyjnej na obszarach o dużej gęstości abonentów.

Przenik zdalny FEXT.

Warto ponadto w tym miejscu zauważyć, że poprawianie parametrów transmisyjnych kabla ze względu na przenik NEXT nie powoduje automatycznie zmniejszenia przeniku FEXT, chociaż w większości przypadków osłabia również niekorzystny wpływ przeniku zdalnego. Z punktu widzenia jakości transmisji bardziej szkodliwy jest przenik zbliżny NEXT, gdyż zakłócający wpływ przeniku zdalnego FEXT jest osłabiony tłumiennością kabla telekomunikacyjnego.

Oddziaływanie czynników zewnętrznych poprzez przeniki na łącza HDSL jest bardzo szkodliwe. Doprowadza wielokrotnie do tego, że nie udaje się uzyskać oczekiwanego zasięgu lub też łącze pracuje niestabilnie.

Parametry elektryczne i transmisyjne osprzętu stosowanego w miedzianych sieciach telekomunikacyjnych

             

          Z punktu widzenia zastosowania linii jako medium transmisyjnego bardzo istotne są parametry wszelkiego rodzaju łączników, złączy czy też zabezpieczeń przepięciowo-przeciążeniowych tzw. ochronników.  Poniżej przedstawione zostały wybrane graniczne parametry złączy i łączników stosowanych w sieciach telekomunikacyjnych.

·        Oporność izolacji                                                                                      5*10⁴

·        Pojemność sprzężenia pomiędzy sąsiednimi parami                        1pF

·        Rezystancja przejścia                                                                              0,01ohm

·        Tłumienie przesłuchów przy obciążeniu 600 ohm                              

·        300 Hz do 3400                                                                                  110 dB

·        3,4 kHz do 10 kHz                                                                              100 dB

·        10 kHz do 1,2 MHz                                                                              60 dB

·        Tłumienność wtrąceniowa                                                                       0,1 dB

Ogólny schemat zabezpieczenia stosowanego w liniach abonenckich.

          Przed omówieniem parametrów elektrycznych ochronników należy zwrócić uwagę, iż w rzeczywistości są one układami elektronicznymi zawierającymi między innymi takie elementy jak rezystory i warystory, dlatego mogą mieć większy wpływ na parametry całego toru transmisyjnego. Ponieważ w trakcie przygotowywania pracy nie udało mi się dotrzeć do danych o parametrach elektrycznych ochronników dokonałem ich pomiaru. Przedstawione poniżej dane są uśrednionymi wartościami zmierzonych parametrów kilku rodzajów stosowanych powszechnie zabezpieczeń przepięciowo-przeciążeniowych.

§         Oporność przejścia                                                                                  1ohm

§         Oporność żyły względem ziemi                                                               5 Mohm

§         Pojemność między żyłami                                                                    ok. 2,2 nF 

§         Pojemność żyły względem ziemi                                                         ok. 1,4 nF

Częstotliwość (kHz)	5	10	20	50	70	100	120	150	170
Tłumienie (dB)	0.0	0.0	0.1	0.2	0.2	0.3	0.3	0.4	0.5
Częstotliwość (kHz)	200	250	300	350	400	450	500	700	1000
Tłumienie (dB)	0.6	0.9	1.2	1.5	1.9	2.2	2.6	4.2	6.6

Uśredniona tłumienność przejścia ochronników.

 

Wykres tłumienia przejścia ochronników

          Jak widać z uzyskanych wyników stosowanie w torach transmisyjnych układów zabezpieczeń powoduje pogorszenie się ich parametrów. Zauważmy, że pojemność wnoszona przez ochronnik między żyłami jest rzędu 2,2 nF a pojedynczej żyły względem ziemi 1,4 nF może to powodować wzrost wpływu wzajemnych przeników w całej linii. Rozkład tłumienia przejścia ukazuje ich silnie negatywne oddziaływanie na tłumienie toru w zakresie częstotliwości powyżej 100 kHz. Należy tu podkreślić ponadto, że urządzenia te w rzeczywistym torze są montowane najczęściej tak po stronie TLU jak i NTU co oznacza, że ich wpływ na parametry linii jest dwukrotnie większy. 

---

[1] Dane zostały zaczerpnięte z zaleceń ITU-T G.991.1