12.2 Лінії зв'язку

Призначення і класифікація ліній зв'язку

Основою первинних мереж зв'язку є лінії зв'язку або направляючі системи, по яких організуються тракти систем передачі. Ці лінії передають електромагнітну енергію в заданому напрямку. Їх традиційно поділяють на повітряні і кабельні (симетричні та коаксіальні) провідні лінії, а також металеві та діелектричні хвилеводи.

Головною характеристикою лінії передачі є їх смуга пропускання, тобто діапазон частот, в якому сигнали можуть передаватися без суттєвих спотворень. Чим ширше смуга пропускання, тим більше число каналів може бути організовано по даній лінії передачі. На повітряних лініях використовують смугу частот до 150 кГц, на симетричних кабелях - до 260 кГц. Коаксіальні кабелі ущільнюють в діапазоні частот до 60 МГц. Оптичний діапазон електромагнітних коливань складає більше 100 ГГц.

Для організації трактів сучасних цифрових систем передачі використовуються волоконно-оптичні кабелі зв'язку, пари симетричних кабелів і стволи радіорелейних ліній. В якості основного виду лінії зв'язку (направляючої системи) при новому будівництві та збільшенні пропускної здатності діючих систем використовується волокно-оптичний кабель (ВОК) як такий що має найбільшу завадозахищеність, пропускну здатність і допускає різні варіанти підвіски та прокладання в залежності від умов експлуатації.

Удосконалення технології виготовлення оптичних кабелів, збільшення об'ємів їх випуску, а також відсутність в конструкції дороговартісних кольорових металів призводять до стійкого зниження їх вартості. В теперішній час вартість ВОК порівняна, а в деяких випадках нижче вартості магістральних металевих кабелів зв'язку.

Повітряні та кабельні лінії зв'язку

Повітряні лінії зв'язку призначені для створення пучків каналів передачі інформації: телефонних, телеграфних, передачі даних, а на залізницях - ще й для сигналів телеуправління, телеконтролю і телесигналізації.

Повітряні лінії мають велику механічну стійкість, тривалі строки служби, дозволяють здійснити зв'язок на значні відстані. В низькочастотному діапазоні безпосередня дальність передачі по однорідній лінії з мідними дротами сягає 250 км, в той час як по симетричному кабелю дальність передачі не перевищує 30...40 км. Ще однією перевагою повітряних ліній є простота виявлення і усунення пошкоджень. 

В той же час ці лінії мають низку недоліків:

• неможливість передачі частот понад 350 кГЦ;

• залежність електричних параметрів кіл від метеорологічних умов;

• громіздкість конструкцій;

• вразливість до електромагнітних впливів;

• значна вартість 1 канало-кілометру зв'язку.

В залежності від призначення підвішених кіл лінії поділяються на три класи. До І класу відносяться лінії, які несуть кола магістрального, дорожнього та оперативно-технологічного зв'язку, до ІІ класу - тільки кола дорожнього та оперативно-технологічного зв'язку і до ІІІ класу - лінії з колами місцевого (внутрішньостанційного) зв'язку. Лінії перших двох класів несуть найбільш відповідальні і протяжні кола. До їх стійкості і надійності пред'являють більш високі вимоги  при будівництві та обслуговуванні, ніж до ліній ІІІ класу. За механічною стійкістю лінії І та ІІ класів поділяють на 4 типи: О - полегшений, Н - нормальний, У - підсилений та ОУ - особливо підсилений, які відрізняються головним чином числом опор, що встановлюються на 1 км лінії, і числом підвішуваних дротів.

Елементами повітряних ліній зв'язку є проводи (дроти) (найбільше розповсюдження на лініях зв'язку отримали сталевий, мідний та біметалевий дріт) і опори. При підвішуванні проводів натяг регулюється стрілою провисання, тобто відстанню по вертикалі між лінією, яка з'єднує точки підвішування проводу, і найнижчою точкою проводу в прольоті.

Кабелі класифікують за призначенням, областю використання, роду ізоляції, способи прокладання, конструкції жил, матеріалу та конструкції захисних покривів та іншими ознаками.

Кабель представляє собою декілька ізольованих металевих жил, укладених, як правило, в металеву або полімерну оболонку, поверх якої в залежності від умов прокладання і експлуатації накладений відповідний захисний покрив (див.рис.нижче).

Основу конструкції кабелю складає осердя 1, яке складається зі скручених певним чином ізольованих струмопровідних жил. Він може бути однорідним або комбінованим із жил (пар, четвірок) неоднакової конструкції. На осердя накладають поясну ізоляцію 2 для захисту його від пошкоджень при накладанні оболонок, підвищення пробивної напруги між жилами та захисними оболонками, надання більшої рухливості жил кабелів по відношенню до оболонки. ЇЇ виготовляють з кабельного паперу або пластику. Для захисту жил кабелю від дії вологи, різних хімічних речовин та запобігання механічним пошкодженням поверх поясної ізоляції накладають оболонку 4 з металу, пластмаси або резини. Найбільш надійними в частині герметизації (вологостійкості) є оболонки з алюмінію, свинцю та сталі. За необхідності на осерді перед накладанням на нього шлангу монтують екран 3 для захисту кіл, покладених в кабелі від зовнішніх електромагнітних дій. В якості екранів використовують алюмінієву, мідну або алюмополіетиленові стрічки, які прокладають поверх поясної ізоляції уздовж. Захисні покриви кабелів можуть складатися з наступних елементів: подушка, броня, зовнішній покрив. Вони призначені для захисту кабелів від руйнівної механічної дії, яка виникає під час їх виготовлення (накладання броні), виконання будівельно-монтажних робіт і для захисту кабеля від шкідливої дії агресивного середовища в умовах експлуатації (кислоти, луги). Подушку 5 виготовляють з бітумних составів або бітуму, стрічок пластикату і просоченого кабельного паперу, просоченої кабельної пряжі (або склоподібного, полівінілхлоридного або поліетиленового шлангу). Броню 6 виготовляють і застосовують трьох типів: зі сталевих або оцинкованих сталевих стрічок (тип Б); з оцинкованих сталевих пласких дротів (тип П); з оцинкованих сталевих круглих дротів (тип К). Зовнішнє покриття складається з бітумних составів, бітуму, просоченої скловолоконної пряжі зі штапельованого волокна, полівінілхлоридних, поліетиленових або поліамідних стрічок, поліетиленового або полівінілхлоридного шлангу, що надівається зверху броні в різних варіаціях.

Класифікація кабелів. Кабелі зв'язку можна класифікувати за багатьма ознаками: за призначенням, умовами прокладання і експлуатації, діапазоном частот, конструкцією і взаємним розташуванням провідників, видом ізоляції, конструкцією захисних покривів.

За призначенням кабелі поділяють на магістральні міжміські загального користування, залізничні магістральні кабелі зв'язку, кабелі місцевого (міського) телефонного зв'язку, кабелі зв'язку для з'єднувальних ліній і вставок, станційні та розпорядчі кабелі.

За умовами прокладання та експлуатації кабелі зв'язку поділяють на підземні (прокладають в ґрунті і монтують в телефонній каналізації), підводні, підвісні.

За конструкцією і взаємному розташуванню провідників виділяють симетричні кабелі з колами з однакових в конструктивному і електричному відношенні провідників.

Струмопровідні жили симетричних кабелів виготовляють в основному круглої форми (див.рис.а нижче) з міді діаметром 0,8; 0,9; 1,0; 1,05; 1,2 мм для кабелів багатоканального зв'язку і 0,32; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 мм для кабелів місцевого зв'язку. Дуже рідко для виготовлення жил симетричних кабелів використовують алюмінієвий і біметалевий дріт (рис.б). У тих випадках, коли від кабелів вимагається підвищена гнучкість та механічна стійкість (підводні кабелі), їх жили роблять багатодротовими з дроту одного (рис.в) або різного (рис.г) перерізу.

При виготовленні коаксіальних кабелів в якості внутрішніх провідників використовують струмопровідні жили перелічених видів; зовнішній провідник виконують у вигляді тонкостінних трубок з мідних або алюмінієвих стрічок.

Кабелі зв'язку, які використовуються в залізничному будівництві, наступні.

Магістральні високочастотні кабелі зв'язку (МКС, МК, МКП). Ця група кабелів призначена, як правило, для організації магістрального (міжміського) зв'язку протяжністю до 12500 км. Їх відмінність від залізничних магістральних кабелів полягає в тому, що усі четвірки в кабелі високочастотні, що виготовляються по більш жорстким технічним умовам і мають кращі електричні характеристики передачі та взаємного впливу, але гірші за залізничні за екрануючою дією захисної оболонки. Ці кабелі прокладають в основному уздовж автомобільних доріг, де вони у меншій мірі піддаються зовнішнім електромагнітним полям, ніж в умовах залізничного транспорту. За відповідного техніко-економічного обґрунтування магістральні високочастотні кабелі зв'язку можна використовувати і на залізничних магістралях зв'язку. Практика розробки симетричних високочастотних кабелів показала, що для систем з частотним розділенням каналів неможна створити кабелі, які не потребували б робіт зі зменшення впливів між колами в процесі монтажу магістралі. В той же час якість кабелів МКС дозволяє використовувати їх при цифрових системах передачі без проведення подібних робіт.

Низькочастотні кабелі багатоканального зв'язку (ТЗГ, ТЗБ, ТЗПАШп, ТЗПАБп). Такі кабелі використовують для каблювання телефонних і телеграфних вузлів, пристроїв уведення кіл повітряних ліній, кабельних вставок у повітряні лінії, відгалужень від магістрального кабелю, з'єднувальних ліній між телефонними станціями. Ці кабелі можна прокладати уздовж залізниць для організації відділкового зв'язку, кіл автоматики і телемеханіки та лінійних кіл автоблокування.

Волокно-оптичні лінії зв'язку

ВОЛЗ - це лінія передачі, в якій інформація передається по оптичних діелектричних хвилеводах, що називаються "оптичним волокном". Використання ВОЛС має цілу низку переваг в порівнянні з передачею інформації по металевому кабелю. Ці переваги витікають з особливостей розповсюдження сигналу в оптичному волокні.

Переваги ВОЛЗ:

• широка смуга пропускання;

• мале затухання світлового сигналу у волокні, що дозволяє будувати ділянки ліній без ретрансляції протяжністю 100 км і більше;

• низький рівень шумів, що дозволяє збільшити смугу пропускання;

• висока завадозахищенність: оскільки волокно виготовляється з діелектричного матеріалу, воно невразливе до електромагнітних завад з боку оточуючих металевих кабельних систем і електричного обладнання, здатного індуктувати електромагнітне випромінювання;

• мала вага і об'єм у порівнянні з металевими кабелями: оскільки ВОК не випромінює енергії в радіодіапазоні, то ускладнений несанкціонований доступ до інформації, що передається, без порушення її параметрів, які контролюються постійно;

• гальванічна розв'язка елементів мережі;

• вибухо- і пожежобезпечність: через відсутність іскроутворення оптоволокно підвищує безпеку мережі при обслуговуванні технологічних процесів підвищеного ризику;

• економічність: волокно виготовлене з матеріалу, основу якого складає двоокис кремнію - широко розповсюджене і тому дешева речовина, на відміну від міді.

Недоліки ВОЛЗ:

з часом волокно деградує, однак, завдяки досконалості сучасних технологій виробництва оптоволокна, цей процес значно уповільнений, і строк служби ВОК складає приблизно 25 років;

в деяких випадках потребується віддалене електроживлення вузла інформаційної мережі: оптоволокно не здатне виконувати функції силового кабелю;

вартість робіт з монтажу, тестування і обслуговування ВОЛС поки ще залишається достатньо вартісною;

необхідність спеціального захисту волокна: скло як матеріал витримує колосальні навантаження з межею міцності на розрив вище 1ГПа (109 Н/м2). Це, з одного боку, означає що волокно діаметром 125 мкм витримує вагу гирі в 1 кг. З іншого боку, на практиці так не виходить. Причина в тому, що оптоволокно, яким би досконалим не було, має мікротріщини, які ініціюють розрив. Для підвищення надійності оптоволокно при виготовленні покривають спеціальною полімерною оболонкою, а сам оптичний кабель ущільнюють, наприклад, нитками на основі кевлару (неметалевий матеріал, що витримує великі навантаження на розтягнення). Якщо потрібно задовольнити ще більш жорсткі вимоги на розрив, то кабель можуть зміцнити сталевим тросом або склопластиковими стрижнями. Але все це призводить до збільшення вартості оптичного кабелю.

Не дивлячись на перелічені недоліки оптоволокна, подальші перспективи розвитку технології ВОЛЗ в інформаційних мережах більш ніж очевидні.

 Розглянемо типову схему системи зв'язку з використанням ВОЛЗ (рис.вище). Аналоговий сигнал, який генерується кінцевим обладнанням даних, наприклад, телефоном, терміналом тощо, надходить в аналогово-цифровий перетворювач (кодер), який перетворює його в бінарний цифровий потік. Цифровий потік використовується для модуляції в оптичному передавачі, який передає серію оптичних імпульсів у волокно-оптичний кабель. На приймальному боці імпульси світла перетворюються назад в електричний сигнал за допомогою оптичного приймача. Декодерна частина комунікаційної системи перетворює бінарний електричний потік назад в аналоговий сигнал. Зазвичай кодери і декодери, а також оптичні приймачі і передавачі суміщені в одному пристрої, так що утворюється двонаправлений канал зв'язку.

Типи оптичних волокон. Оптичні волокна виготовляють різними способами, забезпечують передачу оптичного випромінювання на різних довжинах хвиль, мають різні характеристики і виконують різні задачі.

Усі оптичні волокна поділяють на дві основні групи: багатомодові та одномодові. Багатомодові волокна ділять на ступеневі і градієнтні. Одномодові волокна поділяють на ступеневі одномодові, або стандартні волокна, на волокна зі зміщеною дисперсією та на волокна з нульовою зміщеною дисперсією. Кожне волокно складається з осердя і оболонки з різними показниками заломлення. Осердя, по якому відбувається розповсюдження світлового сигналу, виготовляється з матеріалу з великим коефіцієнтом щільності. При позначенні волокна вказується через дроб значення диаметрів осердя і оболонки. Волокна відрізняються діаметром осердя і оболонки, а також профілем показника заломлення осердя. У багатомодового градієнтного волокна і одномодового волокна зі зміщеною дисперсією показника заломлення осердя залежить від радіусу. Такий більш складний профіль робиться для покращення технічних характеристик або для досягнення спеціальних характеристик волокна.

Одномодове волокно має значно менший діаметр осердя в порівнянні з багатомодовим і, як наслідок, через відсутність міжмодової дисперсії, більш високу пропускну здатність. Але воно потребує використання більш дорогих лазерних передатчиків.

У ВОЛЗ найбільш широко використовуються наступні стандарти волокон:

• багатомодове градієнте волокно 50/125;

• багатомодове градієнте волокно 62,5/125;

• одномодове ступеневе волокно SF (волокно з незміщеною дисперсією або стандартне волокно) 8...10/125;

• одномодове волокно зі зміщеною дисперсією DSF 8...10/125;

• одномодове волокно з нульовою зміщеною дисперсією NZDSF.

Волокно-оптичні кабелі, що використовуються при будівництві ВОЛЗ на вантажонапружених ділянках, де проходять магістральні та дорожні лінії зв'язку, повинні мати не менше 16 волокон; на малозавантажених ділянках або для підключення віддалених від магістралі об'єктів - не менше 8 волокон для забезпечення резервування і захисту. Кабелі повинні бути з одномодовими волокнами і сертифіковані для довжин хвиль 1, 31 та 1,55 мкм. Це дозволить у випадку необхідності здійснювати спектральне ущільнення оптичних волокон.

При будівництві ВОЛЗ необхідне проведення комплексних досліджень з метою техніко-економічного обґрунтування способів прокладання-підвішування ВОК на окремих ділянках траси (мережі): безпосередньо в ґрунт, в поліетиленовому трубопроводі, кабельному жолобі, підвішування самонесучого кабелю на опорах контактної мережі або високовольтній лінії АБ, а також способом навивання проводи освітлювальних мереж або ліній електропередачі.

З перелічених способів на залізничному транспорті перспективним є спосіб підвішування оптичного кабеля на опорах контактних мереж електрифікованих залізниць. Це дозволяє скоротити строки будівництва у порівнянні з традиційними способами прокладання кабелю в ґрунт. Разом з тим для повітряних кабелів є великий ризик механічного пошкодження, і вони не задовольняють вимогам ДСНС в надзвичайних ситуаціях. Тому там, де дозволяє траса, доцільно прокладати кабель у ґрунті. Для зниження вірогідності пошкодження кабеля 2 (див.рис.нижче) на підходах до станцій і в межах станцій рекомендується прокладати його в поліетиленовому трубопроводі 1. Останній надійно захищає оптичний кабель від механічних пошкоджень і гризунів. Діаметр трубопроводу (40 мм) достатній для затягування в нього декількох оптичних кабелів 2.