автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Методы анализа целостности сигнала в структурированных кабельных системах

1. Проблема ЭМС и качество функционирования телекоммуникационного оборудования в производственных условиях

1.1. Обеспечение электромагнитной совместимости при интегрировании вычислительных сетей

1.2. Технические методы и средства обеспечения ЭМС

1.3. Стандарты на кабельные системы

1.4. Источники помех в цепях ТС

1.5. Постановка задачи

2. Разработка методов расчета электрофизических параметров витых пар

2.1. Анализ кодовых сигналов СКС

2.2. Влияние быстродействия системы на параметры линий связи

2.3. Анализ использования кабелей из витых пар высокоскоростными сетевыми устройствами

2.4. Разработка методики расчета электрофизические параметров витой пары

2.5. Повышение помехозащищенности кабельных систем

2.6. Выводы по главе 2 61.

3. Разработка метода расчета нарушения целостности сигнала при рассогласовании

3.1. Анализ целостности цифрового сигнала при его распространении по витой паре

3.2. Развитие метода характеристик для анализа помех отражений

3.3. Выбор и оптимизация волнового сопротивления линии связи

3.4. Неоднородности в линии связи

3.5. Согласование линии связи

3.6. Выводы по главе

4. Разработка методов распределенных вычислений и экспериментальных исследований

4.1. Математический пакет в проектировании линий связи

4.2. Разработка алгоритма расчета с применением пакета Mathematica

4.3. Экспериментальные исследования

4.4. Анализ точности рефлектометрических измерений

4.5. Разработка методики экспериментального исследования межсоединений

4.6. Выводы по главе 4 5. Выводы по работе Литература

1 Проблема ЭМС и качество функционирования телекоммуникационного оборудования в производственных условиях

1.1. Обеспечение электромагнитной совместимости при интегрировании вычислительных сетей

По оценке специалистов проблема ЭМС выходит на ведущую позицию при разработке электронной и телекоммуникационной аппаратуры и систем на их основе fill]. Широкое распространение вычислительных сетей (ВС) ставит новые задачи по обеспечению ЭМС [12 -16]. Это объясняется рядом факторов, важнейшими из которых являются:

• распределенная топология сетей, которая может формироваться по всему объему здания или производственного помещения значительной площади, что, в частности, усложняет проблему заземления электронного оборудования;

• постоянно повышающееся быстродействие вычислительных систем, что вызывает все более жесткие требования'к стабильности времен распространения сигналов по линиям связи и качеству согласования последних, а также снижает помехозащищенность систем;

• снижение энергетических порогов срабатывания микросхем, что увеличивает их чувствительность к воздействию внешних и внутренних помех различной природы;

• широкое применение искусственных материалов (пластмасс) как в аппаратуре, так и в оборудовании служебных помещений, что усложняет разработку экранов и способствует возникновению электростатических зарядов на аппаратуре и окружающих предметах и оборудовании.

Промышленность в настоящий момент переживает период коренной реконструкции. Основным ее направлением является повсеместное внедрение информационно-вычислительных систем, компьютерных технологий, внедрение локальных и глобальных вычислительных сетей и построение систем телекоммуникаций на их основе. При решении данной проблемы приходиться сталкиваться с рядом трудностей, которые определяются несовершенством инфраструктуры зданий и помещений, предназначенных для размещения аппаратуры нового поколения, отсутствием ряда стандартов и методик проектирования [17-18]. В первую очередь, это относится к задачам электромагнитной совместимости (ЭМС), поскольку устаревшее оборудование было относительно невосприимчиво к большинству типов помех, которые присутствуют в производственном помещении. Попытки решить проблему ЭМС на этапе отладки установленных телекоммуникационных систем (ТС) приводят к значительным затратам и в ряде случаев требуют коренной реконструкции помещений и переналадки оборудования. Очевидно, что наиболее приемлемым является решение проблемы ЭМС телекоммуникационного оборудования и соответствующих кабельных систем на возможно более ранних этапах их инсталляции, включая строительство зданий, отделку помещения, прокладку коммуникаций и структурированных кабельных систем (СКС), силовых цепей, выполнение заземления и т. п. В своих публикациях [13, 17-31] автор работы рассмотрел основные задачи обеспечения ЭМС ТС, обосновал методы решения задачи сохранения целостности сигнала и разработал программные продукты, внедрение которых позволило существенно сократить сроки ввода в строй новых объектов и модернизацию старых, что в конечном итоге привело к значительному техническому эффекту.

Взаимосвязь основных задач обеспечения ЭМС ТС представлена на рис. 1.1. Топологически ЛВС могут быть реализованы в виде шины, звезды, кольца или их комбинации. В любом варианте физическая протяженность СКС может достигать сотен метров. Для прокладки коммуникаций в строительных конструкциях предусматриваются или вновь создаются каналы, в которых укладываются не только линии связи для передачи данных, но и телефонные линии, телевизионные кабели и другие коммуникации. В большинстве случаев в непосредственной близости располагаются и линии первичного электропитания. Все это создает весьма сложную электромагнитную обстановку в сетевых каналах, что требует повышенного внимания к проблеме обеспечения ЭМС.

Кроме электромагнитных полей от сторонних источников, возрастает напряженность полей от аппаратуры, которая входит в состав ЛВС: компьютеры, принтеры, копиры и др., поскольку насыщенность этой аппаратурой и её плотность на единицу площади возрастает, а применение пластмассовых корпусов снижает эффективность экранирования рецепторов и источников помех.

Непосредственно к проблеме обеспечения ЭМС примыкает проблема защиты информации, а именно, ее задачи обеспечения целостности и доступности информации, которая рассмотрена в [13].

В большинстве случаев ослабление внешних электромагнитных полей за счет строительных конструкций является недостаточным. Для этих целей применяются специальные методы экранирования помещений. Наиболее ответственные компоненты (серверы, компьютеры и т.п.) ЛВС, к которым предъявляются повышенные требования по обеспечению ЭМС и защите информации, могут располагаться в специальных выделенных помещениях. Эти помещения должны отличаться повышенной эффективностью и целостностью экранирования.

Распределенная сеть подвода электрической энергии является мощным и одним из основных источников индустриальных помех в вычислительных сетях. Значительные протяженности этих сетей определяют значительные антенные эффекты. Кроме этого, малые расстояния между проводами питающей сети и информационными шинами, которые определяются условиями прокладки коммуникаций в технологических каналах здания, способствуют увеличению уровня индуцированных помех в информационных шинах [10, 32].

Грозозащита зданий является важным фактором сохранения работоспособности ЛВС при грозовых разрядах. Грозозащита ТС осуществляется общепринятыми мерами [10, 33] при выполнении основных требований: разделение земель на силовую, рабочую, защитную; минимизации общих путей для токов заземления указанных систем земель; минимизация сопротивления систем заземления, включая сопротивление за-землителей [10].

Качество функционирования ТС во многом определяется наличием помех в информационных шинах. Эти помехи можно разделить на два основных вида: помехи отражения и индуцированные помехи. Помехи отражения вызываются рассогласованием линий связи. При этом уровень помех, приводящих к значительным искажениям формы сигнала, может быть достаточно велик. Это может привести к ложным срабатываниям системы, а в худшем случае - выходу аппаратуры из строя за счет перегрузки входных каскадов. Индуцированные помехи вызываются близко расположенными линиями (информационными или энергопитания), из которых за счет взаимных емкостных и индуктивных параметров линий электромагнитная энергия переносится на линию-рецептор. Детально эти процессы рассмотрены в работах автора [22 - 30].

Рис. 1.1. Взаимосвязь основных задач обеспечения электромагнитной совместимости при проектировании систем телекоммуникаций.

Борьба с индуцированными помехами в основном сводится к выбору рационального способа экранирования и применению фильтров [19,20.25,26,34 - 38].

Эффективным методом снижения уровня помех является применение балансного включения линий с дополнительным экранированием или применение витых пар в балансном включении. В настоящее время предпочтительной средой распространения сигнала в СКС является витая пара, теория которой недостаточно хорошо проработана.

Для снижения уровня индуцированных помех в плоских кабелях применяется рациональная организация линий связи в виде "тройки проводов". В этом случае сигнальный провод располагается между двумя проводами, несущими возвратный ток и выполняющих роль экрана. Такая организация позволяет стабилизировать волновое сопротивление линии связи, снизить уровень индуцированных помех от соседних проводов и от внешних источников электромагнитных полей.

Фильтрация является мощным средством подавления помех в информационных цепях. Среди перспективных технических решений следует отметить применение фильтров-контактов, которые позволяют снизить объемы и массу оборудования, а также - ферритовых помехоподавляющих элементов.

Фильтры могут быть установлены в аппаратуре, но больший интерес представляет установка фильтров на информационные линии связи и линии электропитания в процессе интегрирования ТС на объекте. Наиболее пригодны для этих целей феррито-вые помехоподавляющие элементы. К сожалению, номенклатура подобных отечественных изделий весьма ограничена.

1.2. 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.

5. Выводы по работе

В результате выполненной работы получены следующие основные результаты.

1. Выполнен анализ конструкций и тенденций развития структурированных кабельных систем для телекоммуникационного оборудования, в результате которого выявлены основные задачи проектирования кабельных систем для высокочастотных приложений, перечень задач, требующих решения, отмечена электромагнитная совместимость как методическая основа проектных решений и предложена методика анализа кабельных соединений в виде витых пар, направленная на поддержку целостности сигнала в телекоммуникационных сетях.

2. Выполнен анализ электромагнитной совместимости, характерной для среды установки СКС и телекоммуникационного оборудования, что позволило выявить типичные возмущающие воздействия на структурированные кабельные системы и определить влияние помех рассогласования на целостность информационного сигнала.

3. Разработана методика расчета электрофизических параметров витых пар, приемлемая для применения в автоматизированных системах проектирования СКС, что позволило получить основные данные для последующего анализа целостности сигнала.

4. Разработана методика обеспечения целостности сигнала для СКС высших категорий на основе витой пары, базирующаяся на применении метода характеристик; это позволило сократить временные затраты на разработку программных средств за счет использования математического пакета и создать систему распределенных вычислений для широкого применения в инженерной практике.

5. Разработана методика экспериментальных исследований и создан испытательный стенд, на безе которого проведены экспериментальные исследования по определению электрофизических параметров СКС на основе витых пар, подтверждающие теоретические положения работы.

1. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах: Пер. с. англ. -М.: Мир, 1979. -320 с.

2. Князев А.Д., Кечиев JI.H., Петров Б.В. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости. -М.: Радио и связь, 1989. 224 с.

3. Варне Дж. Электронное конструирование: Методы борьбы с помехами: Пер. с англ. М.: Мир, 1990.-228 с.

4. Гурвич И.С. Защита ЭВМ от внешних помех. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энер-гоатомиздат, 1984. - 224 с.

5. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. В 3-х вып. Вып. 2. Внутрисистемные помехи и методы их уменьшения: Сокр. пер. с англ. Под. ред. А.И. Сапгира. М.: Сов. радио, 1978. - 272 с.

6. Кузьмин В. И. Задачи обеспечения электромагнитной совместимости при интегрировании локальных вычислительных сетей на объектах. Радиоэлектроника, телекоммуникации и информатика. Сб науч. трудов кафедры РТУиС МГИЭМ. Выпуск 1.-М.: МГИЭМ, 1997. с. 50 - 52.

7. Кузьмин В. И. Обеспечения электромагнитной совместимости при монтаже локальных вычислительных сетей. НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов. Москва. МГИЭМ, 1997, с. 3.

8. Буга Н.Н., Контрович В.Я., Носов В.И. "Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств" Москва, Радио и связь, 1993.

9. Владимиров В.И., Докторов А.А., Елизаров Ф.В. Под редакцией Царькова Н.М. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и систем. М.: Радио и связь, 1985.

10. Ю.Джексон Дж.Э. Международное сотрудничество по ЭМ совместимости: прошлое, настоящее, будущее, AES Magazine, 1987, 88/32233.

11. П.Князев А. Д. Элементы теории и практики лбеспечения ЭМС радиоэлектронных средств. М.: Радио и связь, 1984. - 336 с.

12. Heddebant М., Degangye P., Demoulin В. Approche experimentale de I'efficacite de blindage des batiments de telecommunications. Annfles de telecommunications, v. 39, 1 9 -10,1984, p. 457-464.

13. Степанов П. В., Шевчук А. А. Риск и функциональная безопасность. В сб. "Интернет и автоматизация проектирования'ТПод ред. С. Р. Тумковского. М.: МГИЭМ, 2001.-е. 53-65. . . . .

14. Семенов А. Б., Стрижаков С. К., Сунчелей И. Р. Структурированные кабельные сис-• темы. 4-е изд., перераб. И доп. - М.: ДМК Пресс, 2002. - 640 с. .

15. Смирнов И. Г., Структурированные кабельные системы. — М.: Эко-Трендз, 1998. — 178 с.

16. Advanced Connectivity System. Product Catalog, IBM, Release 2.3, September 1997, 118 P

17. Кечиев Л. Н., Тумковский С. Р., Путилов Г. П., Шевчук А. А. Интеллектуальное здание новое направление в подготовке специалистов. "Наука и технологии в промышленности", № 3(6), 2001 г., с.77.

18. Степанов П. В., Шевчук А. А. Экранирующие прокладки как средство обеспечения целостности экрана. В сб. "Интернет и автоматизация проектирования"/Под ред. С. Р. Тумковского. М.: МГИЭМ, 2001. с. 116 - 127.

19. Кечиев Л. Н., Степанов П. В., Шевчук А. А. Экранирующие прокладки как средство обеспечения целостности экрана. IV Межд. симпозиум по ЭМС и электромагнитной экологии ЭМС 2001. 19-22 июня 2001. Сборник научных докладов. С.-Пб, 2001. -с. 121-125.

20. Кечиев Л. Н., Степанов П. В. Шевчук А. А. Заземление электронного оборудования в системах телекоммуникаций. М.: МИЭМ, 2001. 82 с.

21. Алешин А. В., Кечиев Л. Н., Тумковский С. Р., Шевчук А. А. Расчет помех отражения в линиях связи быстродействующих цифровых устройств/Учебное пособие. М.: МИЭМ, 2002. 86 с.

22. Кечиев Л. Н., Тумковский С. Р., Шевцов М. А., Шевчук А. А. Расчет электрофизических параметров линий связи в среде Mathematica/Учебное пособие. М.: МИЭМ, 2002. 84 с.

23. Гердлер О. С., Кечиев Л. Н., Шевчук А. А. Задачи обеспечения ЭМС при проектировании печатных плат. Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств. Сб. научн. трудов/Под ред. Л. Н. Кечиева. М.: МИЭМ, 2002с. 17 -32.

24. Алешин А. В., Кечиев Л. Н., Шевчук А. А. Расчет помех отражения в линиях связи . быстродействующих цифровых устройств с применением пакета .Mathematica.

25. Сборник докладов VII Российской НТК по ЭМС. Изд. ВИТУ, С-Пб, 2002. - 271 -275.

26. Гердлер О. С., Кечиев Л. Н., Шевчук А. А. Задачи обеспечения ЭМС при проектировании печатных плат. Технологии ЭМС, № 2,2002. с. 32 - 40.

27. Гердлер О. С., Кечиев Л. Н., Шевчук А. А. Анализ влияния конструкции сетчатых экранов на волновое сопротивление линий связи в многослойных печатных платах. "Технологии ЭМС", № 2,2002. с. 41 - 43.

28. Степанов П. В., Шевчук А. А. Экранирующие прокладки как средство обеспечения целостности экрана. "Технологии ЭМС", № 2, 2002. с. 62 - 71.

29. ГОСТ 12.1.030-81. "Электробезопасность. Защитное заземление, зануление".

30. Кравченко В.И. Грозозащита радиоэлектронных средств: Справочник. М.: Радио и связь, 1991.-264 с.

31. Вайнштейн Л. А. Электромагнитные волны. 2-е изд.; перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1988 -440 с.

32. Конструирование экранов и СВЧ-устройств: Учебник для вузов/ А. М. Чернушенко, Б. В. Петров, Л. Г. Малорацкий и др.; Под ред. А. М. Чернушенко. М.: Радио и связь, 1990.-352 с.

33. Каден Г. Электромагнитные экраны в высокочастотной технике и технике электросвязи: Пер. с нем. М.: Госэнергоиздат, 1957. - 327 с.

34. Гроднев Электромагнитное экранирование в широком диапазоне частот. М. Связь, 1972.- 110 с.

35. Шапиро Д. Н. Основы теории электромагнитного экранирования. Л.: Энергия. Ле-нинг. отд-ние, 1975. - 109 с.39. www.siemon.com/references/tech

36. The Siemon Company. Copper and Fiber Optic Cable Catalog. Каталог фирмы Siemon, 1999, 38 p.

37. Data Cable LANmarkk Category 6 UTP, 4 pair Horizontal Cable. Проспект фирмы Alcatel - 4 p.

38. NetConnect. Open Wiring System. Каталог фирмы AMP. 274 p.

39. Master Catalog. Mohawk/CDT. A division of Cable Design Technologies. 60 p.

40. Copper Data Cables. Проспект фирмы Pirelli, Millano, 1998,16 p.

41. PCnet Network Cable. Проспект фирмы Pun Chang wire & Cable Co - 12 p. 1

42. Systimax SCS GigaSPEED Copper Cable. Lightspeed Performance Over Copper Cable. Проспект фирмы Lucent Technologies. 5 p.

43. Datacom Products 1998. RiT Technologies 363 p.

44. Belden Master Catalog. Каталог фирмы Belden, 1998, 358 p.

45. Майоров А.П. Кабельные системы для офисных зданий. Часть II. Администрирование. Сети и системы связи. - 1998. N 7, С. 30 - 38.

46. Field Testing of High Performance Premise Cabling. Munich, Microtest, 1998, 88 p.

47. Флэтман А. Будущее стандартов СКС. Сети и системы связи, 1999, N 3, с. 27 35.

48. TIA/EIA-606 Administration Standard for Telecommunications Infrastructure of Commercial Buildings. February 1993, 81 p.

49. DeSorbo M.A. Testers of tomorrow available today. Cabling Installation & Maintenance, 1999, mai, p. 70 - 74.

50. Jensen Master Catalog 1997/1998. Каталог фирмы Jensen, 292 p.

51. АйТи-СКС. Каталог 1998. -88 с. . . . . .

52. Четвериков В. Администрирование сетевой инфраструктуры. LAN. Журнал сетевых решений, 1999, том 5, N 3, с. 65-74. . .

53. Electrical Marking Solution. Product Guide. Каталог фирмы Brady. 1997 94 p.

54. Иванцов И. Маркировка. LAN. Журнал сетевых решений, 199, N 2, с. 28 29.

55. LAN Connect Network Components. Проспект фирмы TRALE Ltd. M.: 1998 - 36 с.

56. Коаксиальные кабели/Д.Я. Гальперович, А. А. Павлов, Н. Н. Хренков. М.: Энерго-атомиздат, 1990.-256 с.

57. Yuor Connection to the Future. Advanced Electronic Support Products. Проспект фирмы AESP, 1999.-8 p.

58. Экранированные кабельные системы. проспект фирмы AMP. 1998. - 8 с.

59. MilleniuM. Strukturierte Verkabelungssysteme. Produktkatalog. Каталог фирмы BICC Brand-Rex, 1997. 80 S.

60. Open DECconnect Structured Wiring System. Applications Guide. Каталог фирмы Digital. 1995.-356 p.

61. Lefferson, Peter, "Twisted Magnet Wire Transmission Line", 1971.

62. Magnuson, Phillip, "Transmission Line & Wave Propagation", 1981.

63. Brown et al, "Lines, Waves, and Antennas", 1973.

64. Matick R. E. Transmission Lines for Digital and Communication Network.- N. Y., 1969.-360 p.

65. Экранированные кабельные системы ISCS. Проспект фирмы TRALE Ltd. M.: 1998 -36 c.

66. Изделия и заказы. Каталог фирмы KRONE. 600 S.

67. Техническая информация и руководство по применению. Каталог фирмы KRONE. 600 S.

68. Krone Highband. Verteilfeld RJ45 STP. Technische Daten. Проспект фирмы Krone. 1998.-4 p.

69. Channel Solutions for Higher Standards. Проспект компании Ortronics, 1998. - 8 p.

70. Преснухин JI. H., Шахнов В. А. Конструирование электронных вычислительных машин и систем.- М.: Высшая школа 1986. - 512 с.

71. Чурин Ю. А. Переходные процессы в линиях связи быстродействующих схем ЭВМ. М.: Сов. Радио, 1975. - 207 с.

72. Кечиев Л. II. Электронный курс «Основы проектирования радиоэлектронных средств». М., 1999., МГИЭМ, РТУиС.

73. Тумковский С. Р. Сервер SPICE первое знакомство: Учебное пособие. - М.: МГИЭМ, 2001.-42с.

74. Т Kien Truong. Twisted pair Transmission distributed parameters.

75. Аккуратова В. С. Характеристики коаксиального кабеля с изгибами // Электротехническая промышленность. Сер. Кабельная техника 1982 - Вып. ЮС. .3-5.

76. Соединители: новые сведения для разработчиков // Электроника.- 1984 Т. 57, № 25.- С. 86-98.

77. Глебович Г. В., Ковалев И. П. Широкополосные линии передачи импульсных сигналов-М.: Сов. радио, 1973.-230 с. .

78. Кечиев Л. Н., Хабарова Л. В. Помехи в соединителях линий передач быстродействующей аппаратуры/Яр. VII Междунар. симпоз.""по ЭМС. Ч. I Вроцлав, 1984.-С. 495-501. ~ ;

79. Хабарова Л. В., Зима М. А., Лапин М. С. Моделирование соединителей для анализа на ЭВМ помех в межсоединениях быстродействующей аппаратуры/Яр. VIII Междунар. симпоз. по ЭМС. Ч. 2 Вроцлав, 1986.- С. 684-691.

80. Воробьев Е. М. Система «Математика» как инструмент решения инженерных задач. Интернет и автоматизация проектирования. МГИЭМ. Москва 2001. — с. 166-173.

81. Воротилин П. С., Гердлер И. Н., Тумковский С. Р. Использование системы Математика для обучения через Интернет. Интернет и автоматизация проектирования. МГИЭМ. Москва 2001. с. 6-8.

82. Веб-серверы: http://rtuis.miem.edu.ru/librarv/rnath sb art3/index.htm и http://rtuis.miem.edu.ru/alex/math.

83. Дьяконов В. Mathematica 4: учебный курс. СПб., Питер, 2001. - 656с.

84. Грэхэм Р., Кнут Д., Поташник О. Конкретная математика. Основание информатики/ пер. с англ.; под ред. А. В. Ходулева. М.: Мир, 1998.