автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Разработка методов и исследование реальных коаксиальных цепей кабельных линий передачи магистральной сети связи России

рГ & ОД

. , тпс;

Центральный научно-исследовательский институт связи

На правах рукописи В0Р0Щ0В АНАТОЛИЙ СЕРГЕЕВИЧ

УЖ 621.315.2

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕАЛЬНЫХ КОАКСИАЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ МАГИСТРАЛЬНОЙ СЕТИ СВЯЗИ РОССИИ

Специальность 05.12.14 - Сети,, узлы связи и

распределение информации

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени, кандидата технических наук

Москва, 1995г.

Работа выполнена в Центральном научно-исследовательском институте связи (ЦНИИС)

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор В.Н.Коршунов - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Л.К.Киселев Ведущее предприятие - Акционерное общество

"РОСТЕЛЕКОМ"

Защита состоится " 1 " июня 1995 г. в 10 часов 00 минут на заседании специализированного совета К 118.03.01 в Центральном научно-исследовательском институте связи по адресу: 14141, Москва, Е-141, 1-ый проезд Перова поля, 8 С диссертацией можно ознакомиться в ЦНИИС. Автореферат разослан " 28 " апреля 1995 г.

Ученый секретарь спевдамзировайного

совета К 118.03.01, кандидат технических наук И.Д.Деарт

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблеиы. Коаксиальные кабели связи прошли длительный путь развития и совершенствования. Эти кабели используются на самых ответственных - магистральных участках первичной Взаимоувязанной сети связи (ВСС) России. На них достигнута высокая пропускная способность, высочайшее качество, высокие показатели надежности и малая удельная стоимость каналокилометра связи.

Становление этой направляющей среды потребовало проведение углубленных теоретических и масштабных экспериментальных исследований.

Настоящая научная работа отражает вклад автора, посвятившего около 30 лет разработке, совершенствованию и внедрению на сети связи коаксиальных кабелей, в эти исследования. Работа, начатая достаточно давно, не потеряла своей актуальности и в настоящее Еремя. Актуальность определяется прежде всего очевидной дошнирувдей ролью коаксиальных кабелей на магистральной ВСС, а также тем, что они далеко не исчерпали свои потенциальные технические возможности , все еще не достаточно эффективно используются и практически не пропяи этапа цифровизации. Поэтому и сегодня, в условиях ограниченности материально-технических ресурсов страны, с одной стороны, и потребности динамичного народного хозяйства в развитой инфраструктуре телекоммуникации, с другой, одним лз реальных' способов радикального развития сети связи является реконструкция магистральных кабельных линий передачи, проведение которой можно осуществить лишь на основе исследования свойств реальных

коаксиальных кабельных линий, оборудуемых современными многоканальными АСП и ЦСП.

Наиболее яркими представителями коаксиальных кабелей являются кабели типов КМ-4 и КМ-8/6, имеющие в своих конструкциях коаксиальные пары типа 2,6/9,4 (2,6/9,5) с медными внутренним и внешним проводниками, с шайбовой полиэтиленовой изоляцией, с двумя стальными лентами поверх внешнего проводника. Линии передачи с такими коаксиальными кабелями являются основным объектом исследования настоящей научной работы, именно для них построены основные теоретические модели и на них проведены широкомасштабные экспериментальные исследования. Целенаправленный выбор объекта способствует конкретизации результатов исследования, но не ограничивает их общности. С одинаковым успехом они- могут быть отнесены к малогабаритным коаксиальным кабелям, к кабелям с парами большого диаметра, к микрокоаксиальным конструкциям кабелей, или однокоаксиальным кабелям внутризоновой связи.

Начиная с основополагающей работы С.А.Щелкунова , теоря распространения электромагнитных сигналов по направляющим средам развивалась многими отечественными и зарубежными учеными: И.И.Гродневым, В.В.Соколовым, К.Г.Левиновым, П.А.Фроловым, Н.Д.Курбатовым, Н.Н.Гарновским, Ж.Фуксом, А.Пейантом, П.Прашем, И.Пельтье и др. В истории исследования коаксиального кабеля можно с некоторой долей условности выделить несколько наиболее важных этапов. На первом этапе исследовалась идеализированная конструкция коаксиальной пары, на втором - рассматривались более или менее приближенные к реальным - модели коаксиальных-пар, в том числе с неоднородностями волнового сопротивления, образуемый ими попутный и

обратный потоки и их влияние на неравномерность передаточных характеристик, на третьем - изучались вопросы взаимных влияний между коаксиальными цепями.

Анализ работ упомянутых выше ученых в аспекте изучаемой проблемы позволяет наметить наиболее важные задачи, для реальных коаксиальных кабелей, проложенных на линиях передачи ВСС России при •оборудовании их современными АСП и ЦСП. Укажем на необходимость решения следующих основных задач:

разработка теоретических моделей и расчетных соотношений, учитывающих эксцентричность и неоднородность электрической проводимости проводников реальной коаксиальной цепи;

разработка метода, сочетающего принципы экспериментального и теоретического исследований, позволяющего определять истинные параметры передачи в диапазоне частот современных АСП и ЦСП;

разработка теоретической модели неоднородного элементарного кабельного участка (ЭКУ) и метода теоретической оценки влияния реального распределения неоднородностей на его передаточные свойства;

разработка критериев выбора формы и длительности зондирующих импульсов, принципов коррекции их затухания и принципов анализа-результатов импульсных измерений;

разработка метода оценки числовых распределений случайных неоднородностей по известным распределениям их максимальных значений;

получение полной картины статистических характеристик параметров передачи и волнового сопротивления коаксиальных цепей ЭКУ с кабелями типов КМ-4 и КМ-8/6.

Цель работы. Создание адекватных методов, исследование и анализ свойств реальных цепей коаксиальных линий для обеспечения их эффективного использования в. современных многоканальных АСП. и ЦСП.

Методы исследования - теоретическая электродинамика, теория комплексного потенциала, теория линейных электрических цепей, теория систем линейных уравнений, теория вероятностей и математическая статистика, теория случайных процессов.

Научная новизна диссертации в целом заключается в разработанных методах исследования реальных коаксиальных неоднородных линий передачи. Частные результаты, представляющие значительную научную новизну, заключены:

в методах расчета дополнительных потерь из-за эксцентриситета внутреннего проводника коаксиальной цепи, базирующихся на теории комплексного потенциала;

в методе оценки параметров передачи реальной коаксиальной цепи, имеющей технологическое изменение электрической проводимости поверхностного слоя (нагартовка, наклеп) проводников, основанного на представлении их в виде модели биметаллических проводников;

в методе аппроксимации частотных зависимостей параметров передачи аналитическими выражениями полиноминального вида,1 аппроксимационные коэффициенты которых функционально связаны с конструктивными параметрами и электрическими константами параметров передачи коаксиальных цепей;

в разработке методов, сочетающих принципы экспериментальной и теоретической оценок параметров передачи коаксиальных цепей, позволяющих весьма сложную проблему точного измерения заменить более простой задачей - экспериментальной оценкой в ограниченном частотном

диапазоне и на малом количестве дискретных частот и определением эппроксимационных коэффициентов;

в разработанных критериях для выбора оптимальной формы и длительности зондирующего импульса и принципах аналитической коррекции затухания импульсов, отраженных от неоднородностей;

в предложенной факторной модели реального ЭКУ, обеспечившей содержательный статистический анализ различных типов неоднородностей золнового сопротивления;

в разработке метода оценки числовых характеристик распределения случайных неоднородностей по известным распределениям их лаксимальных значений, принципов анализа импульсных измерений теоднородностей и метода оценки концевых значений волнового сопротивления коаксиальных пар;

в разработке методов оценки искажения передаточных характеристик неоднородных коаксиальных цепей на основе факторной лодели реального ЭКУ:

в определении и представлении в аналитической форме частотных зависимостей вторичных параметров передачи и числовых характеристик гараметров волнового сопротивления на базе широкомасштабных статистических исследований и в оценке по ним параметров совокупности ступенчатых элементарных моделей, адекватно этображающих распределения неоднородностей на ЭКУ.

Личный вклад. Все результаты, приведенные в диссертации, юлучены автором лично.

Практическая ценность диссертации состоит в том, что эазработанный комплекс методов исследования, составивший базу гаучного сопровождения разработок, внедрения и эффективного

использования коаксиальных кабелей в решающей степени обеспечил применение на коаксиальных линиях современных АСП К-3600, К^-5400, увеличивших мощность пучков каналов ТЧ в 1,8 и 2,8 раза, и, в настоящее время,способствует эффективному внедрению высокоскоростных ДСП, например, ЬА-140х2КХ со скоростью 280 Мбит/с (3840 цифровых каналов).

Самостоятельный практический интерес представляют: разработанные критерии для выбора оптимальной формы и длительности зондирующих импульсов для оценки неоднорбдностей, позволившие унифицировать и реализовать в отечественных временных рефлектометрах Р5-14 и Р5-14А зондирующие импульсы, соответствующие требованиям рекомендаций МСЭ-Т; рекомендации по выбору длительности зондирующих импульсов для оценки концевых значений волнового сопротивления и предложенные принципы аналитической коррекции отраженных импульсов, открывающие возможность использования достаточно простых по схемным решениям и не широкополосных измерительных нагрузочных контуров; предложенные принципы выделения из общего множества неоднородностей различного вида, широко используемые при анализе импульсных характеристик.

Реализация в народной хозяйстве. Результаты диссертации использованы практически во всех крупных разработках последних лет в области коаксиальных кабелей и современных систем передачи.

Они нашли отражение в нормативных документах (ГОСТах, ТУ, ОСТах, справочниках, руководствах, технических указаниях), которые используются при разработке, проектировании, реконструкции, строительстве и эксплуатации коаксиальных кабельных линий передачи.

Так, полученные в результате исследования параметры передачи

вошли в официальные "Нормативные данные по конструктивным и электрическим характеристикам междугородных кабелей связи", изданные ЦНИИС в 1974 г., в справочник "Коаксиальные и высокочастотные симметричные кабели связи", изданный издательством "Радио и связь" в 1994 г., в ГОСТ 10971-78 "Кабели коаксиальные магистральные с парами типа 2,6/9,4 и 2,6/9,5", ТУ 16-505.815-75 "Кабели коаксиальные комбинированные магистральные с парами типов 2,6/9,4 и 1,2/4,6", ТУ 16-705.372-85 "Кабели однокоаксиальные магистральные с парами 5,8/21 и 5,8/38" и использованы при создании всего иерархического ряда АСП К-1920П, УЬТ-1920, К-3600, К-5400 и К-10800, а также, в частности, ЦСП ЬА-140х2КХ на линиях передачи с кабелями типов КМ-4 и КМ-8/6.

Модели и результаты исследования частотных зависимостей параметров передачи использованы в новых технологиях кабельных заводов, направленных на улучшение электрических свойств проводников, уменьшение эксцентриситета реальных коаксиальных цепей и при разработке новых коаксиальных кабелей до 60 МГц и кабелей с парами большого диаметра.

Разработанные критерии по выбору формы и длительности зондирувдих импульсов реализованы в новых отечественных временных рефлектометрах Р5-14 и Р5-14А и нашли отражение в технических условиях на эти приборы, ГОСТ 13224-73 "Кабели связи коаксиальные магистральные. Методы определения внутренних неоднородностей и концевых значений волнового сопротивления", в ГОСТ 10971-78, в отраслевом стандарте ОСТ 45.01-86 "Линии передачи кабельные, первичной сети ЕАСС. Нормы электрические на элементарные кабельные участки и кабельные секции аналоговых и цифровых систем передачи", в

"Руководстве по строительству линейных сооружений магистральных и внутризоновых кабельных линий связи", в справочнике "Коаксиальные и высокочастотные симметричные кабели связи".

Принципиальные положения разработанных методов использованы в <"Методе определения коэффициента затухания коаксиальных кабелей связи до 60 МГц", (Приложение 2, ГОСТ 10971-78); в методах измерений , рекомендуемых в справочнике "Коаксиальные и высокочастотные симметричные кабели связи".

Результаты оценки числовых характеристик неоднородностей на базе широкомасштабных статистических исследований использованы при разработке вклада № 40 по XV Исследовательской комиссии МСЭ-Т за период 1931-1984 г.г., уточняющего требования Администрации связи к величинам неоднородностей и длительностям -зондирующих импульсов и при разработке отраслевого стандарта ОСТ 45.01-86.

Внедрение результатов диссертационной работы подтверждается соответствующими актами, приведенными в приложении к основному тексту диссертации.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на I и II Всесоюзных научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов отрасли связи (Москва, 1976, 1979г.г.), на XXXI и XXXIV Всесоюзных научных сессиях, посвященных Дню радио (Москва, 1976, 1979 г.г.), на V и XII Всесоюзных научно-технических конференциях "Состояние и перспективы развития связи" (г.Одесса, 1976 г. и г.Бердянск, 1986 г.), а также на технических совещаниях научного отдела ЩШИС, на заседаниях НТС ЦНИИС, НТС ПО "Севкабель" и научно-технических конференциях МТУСИ .

Разработанные методы оценки апробированы при исследованиях

вновь создаваемых и проложенных на кабельных линиях передачи коаксиальных кабелей для их эффективного использования в АСП и ДСП.

Публикации. По результатам проведенных исследований автором опубликовано 35 печатных работ, из них одна монография (в соавторстве), ОСТ (разделы), два руководства (разделы), справочник (в соавторстве), нормативные данные (разделы), одни технические указания, одни временные нормы, вклад по ИК XV МСЭ-Т, 8 печатных научных статей самостоятельно и 19 в соавторстве в журналах "Электросвязь", "Вестник связи", в сборнике "Научных трудов ЦНМИС" и в материалах конференций.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, в конце которых сформулированы выводы, заключения и необходимых приложений. Основной текст диссертации изложен на 148 страницах машинописного текста, иллюстрируется 84 рисунком (на 56 стр.) и 25 таблицами (на 17 стр.), сопровождается перечнем условных обозначений, списком литературы из 145 наименований и 3 приложениями на стр. с 6 рисунками.

Основные положения выносимые на защиту:

1. Дополнительные потери и изменения частотных зависимостей параметров передачи из-за эксцентриситета реальной коаксиальной цепи целесообразно проводить с помощью метода, разработанного на базе методов теории комплексного потенциала.

2. Предложенная модель с двухслойной структурой проводников, адекватная модели биметаллического проводника, учитывающая технологическое изменение электрической проводимости поверхностного слоя, может быть предложена для оценки и анализа изменения параметров передачи реальной коаксиальной цепи в диапазоне частот

АСП и ДСП.

3. Оптимальными аппроксимируицими функциями частотных характеристик параметров передачи реальных коаксиальных цепей являются их теоретические зависимости полиноминального вида, аппроксимационные коэффициенты которых функционально связаны с конструктивными параметрами и электрическими константами передачи. При этом снижается до нуля систематическая погрешность, открывается возможность получить взаимосогласованную систему аппроксимационных коэффициентов параметров передачи, повышается точность определения параметров передачи в широком диапазоне частот.

4. Метод, сочетающий принципы экспериментальной и теоретической оценок частотных характеристик параметров передачи реальных коаксиальных цепей, является наиболее эффективным для диапазона АСП и ЦСП, открывает возможность их измерения с использованием существующего парка измерительной аппаратуры и представления в аналитической форе.

5. Адекватным представлением реального неоднородного ЭКУ с коаксиальным кабелем является факторная модель, представляющая совокупность пяти ступенчатых элементарных моделей, отображающих реальные распределения внутренних (случайных, периодических) и стыковых (внутри и по концам участка) неоднородностей волнового сопротивления, которая может быть базовой моделью при исследовании электрических характеристик коаксиальных цепей в диапазоне частот АСП и ЦСП.

6. Выбор длительности зондирующего импульса синус-квадратной формы для оценки неоднородностей волновго сопротивления должен отвечать критерию 1/2Гв « ти * • а Для оценки гк достаточно

использовать зондирующий импульс длительностью 50 (60) не, что не приводит к существенной систематической погрешности измерений, не противоречит требованиям рекомендаций МСЭ-Т и дает возможность использования - не широкополосных и достаточно простых по конструктивным решениям измерительных нагрузочных контуров.

7. Результаты широкомасштабных статистических исследований дают полную картину электрических характеристик всех типов коаксиальных кабелей КМ-4 и КМ-8/6, применяемых на кабельных линиях передачи сети связи России.

8. Исследования, результаты которых отражены в диссертации, внесли существенный вклад в повышение эффективности использования коаксиальных кабельных линий передачи на сети связи России.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, проанализированы предшествующие научные подходы в области исследуемого вопроса, указаны цель и применяемые методы исследования; показаны структура работы, научная новизна и практическая ценность диссертации; сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведена теоретическая оценка параметров

передачи реальных конструкций коаксиальных цепей. Здесь прежде всего

на основе методов теории комплесного потенциала найдены расчетные

соотношения для нахождения дополнительных потерь эксцентричной

коаксиальной цепи. Для этого построен следующий алгоритм:

А. Задается комплексный потенциал первичного поля

Л

20 = - аг Ни, . где = ге^р - радиус-вектор.

Б. Определяются первичные потенциалы электрического и магнитного

полей Y = ImZ0 , XQ = ReZQ и выражение XQ в вид>^ ряда. В. Определяется вторичный потенциал электрического поля Yw внешнего проводника на основании теоремы обращения путем замены в структуре выражения XQ аргумента г на г^/г и sln(.) на -cosí.), а также домножения на комплексный коэффициент обратного действия w.

i

Г. Определяется полный потенциал электрического поля Y = YQ+ Yw. Д. Определяется напряженность электрического поля на внутренней поверхности внешнего проводника на основании граничного условия -непрерывности тангенциальной составляющей

<Vr=r6 ^ - ^(Yo + Vr=r¿ Е. Выводятся формулы Rh, и LBH на основании приравнивания

соотношений для разности потенциалов из теории цепей и из

электродинамики

iíV-HWV] ^ - 4Yr=r¿ уг=г|э]р=0 - [^}v=v¿

Р=0

В соответствии с описанным алгоритмом получено:

7 - - — Tin rp^+lnf 1- - -

-о ~ 2л [ v jj -

Я r 00 lf Э ,m 00 1 , Э, m ,

- " P + 1П Г " l 4 r J cos № + ^ I m U j sln wj • m=1 ш-1

I f 03 1 r, гЭ , Э ,ш ч

Y - VYw = " 2í p r " " + l i [( "2 ] w - ( f" ] cos **}

m= 1 б

В дальнейших преобразованиях учитывается, что при г=г0 первые два члена в фигурной скобке относятся к силовой линии, скользящей по внутренней поверхности внешнего проводника, и поэтому не вызывающей вихровых токов. Тогда

I г Б »1 , (£+Э)Э,т

^Ь+Ч^л)] = - > аг [1п Г|5 -1Ш ( ) ».

ш +

т=1

то 1 , Э ,пц

+ г _ Г —р- 1 I

и т I г +Э j ] ' т=1

где = ит + Лт , и в диапазоне высоких частот (1;6><5): ит=1-гв5/гб,

V

Отсюда, в частности, после некоторых преобразований для диапазона высоких частот получим: 103 (га+Э)Э

а

И(вч) - Шгб г2 _ (г>а+Э)Э

Г§ 6 (Гд+Э)Э

^СВЧ) ^ - 2я [1п ^(^3)3 - гб ^ _ (Го+Э)Э ]'

гб

^н = 2п 1п г •

Элкость цепи определена в соответствии с принципом

соотносительной двойственности электрического и магнитного полей

- (га+Э)Э

с = "ово'2гег/11ш ьэг = 2«£оУ1п -»

1——<» а о

6—0

где Ьд = Ь^ + Ьа + 10 +

Остальные первичные и вторичные параметры передачи эксцентричной коаксиальной цепи рассчитываются по известным соотношения?/. Проведенные расчеты показывают, что для реальных величин эксцентричного смещения внутреннего проводника изменения параметров передачи весьма существенны.

Затем, исходя из модели биметаллического проводника, отвечающей

сущности технологического процесса изготовления проводников, найдены аналитические зависимости парамётров передачи коаксиальной цепи с неоднородностью электрической проводимости проводников. Проведена оценка и анализ изменений этих параметров и вторичных параметров передачи. Показана возможность неконгруентного (непараллельного) изменения частотной характеристики коэффициента затухания реальной коаксиальной цепи из-за появления так называемых "кажущихся потерь" в изоляции. Установлено, что определяющим на искажение параметров передачи является неоднородность электрической проводимости внутреннего проводника. Найдено, что критические значения толщины поверхностного слоя проводников с худшей электрической проводимостью находятся в пределах 3 ... 20 мкм.

Во второй главе получили развитие экспериментально-теоретические методы исследования реальных коаксиальных цепей.

Жесткие требования к случайным и систематическим погрешностям определения параметров передачи могут быть выполнены, если в качестве аппроксимационных формул использовать теоретические зависимости полиноминального вида. Эти зависимости найдены для трех моделей конструкций коаксиальных цепей, с разной точностью учитывающих наличие на медном внешнем проводнике двух стальных лент и для различного числа членов в асимптотическом ряде функций Бесселя. Для наиболее универсальной второй модели, с медной трубкой конечной толщины, которая применима в диапазоне иастот

-з о

Г г Ю°/(с0^), частотные зависимости вторичных параметров передачи отображаются полиноминальными аналитическими выражениями следующего вида:

а = Ау/?+ВГ+С + Е(Т1 - 1) /?+ К/ /? ,

- 15 -

В = D^f + А/(8,68б v/lT = Dpi + Е/ VT7 ,

ZB = ZB» + A/(2nCo 8-686 ^ = zB„ + V V^ .

= 2п/(Ър + Е/ /F) .

В диапазоне частот f > 2,3 • 10°/C^t^) вторая модель трансформируется в третью - медная трубка бесконечной толщины и частотная зависимость а, отображается более простым аналитическим полиномом

а = АBÍ + С , где А, В, С, D^, Е ZBco, в^ - аппроксимационкые коэффициенты, которые функционально связаны только с конструктивными параметрами проводников (d, D, t6) и электрическими константами передачи (о, ег и tg5).

Т1 = (sh u + sin u)/(sh u - cos u), u = (80t6 vf)/d

CQ - емкость коаксиальной цепи-, мкф/км.

На основе полученного вида аппроксимационных выражений разработан метод, который весьма сложную проблему точного измерения вторичных параметров передачи в диапазоне частот АСП и ДСП заменяет более простой задачей - экспериментальной оценкой параметров в ограниченном частотном диапазоне на отдельных дискретных частотах с помощью доступной измерительной аппаратуры и представлением результатов эксперимента в аналитической форме. Показано, что одни аппроксимационные коэффициенты могут быть определены методом наименьших квадратов или из результатов измерений на критических частотах, а другие вычислены по формулам, используя следующую взаимосвязь между аппроксимационными коэффициентами: А = в4 2лС0 8,686 , D^ = Z^ 2лCQ , Е = B4 2nCQ и В = 2 D^t'gS 8,686.

Коэффициенты Е.,, К, Т1 и С определяются по их теоретическим

выражениям, а константы передачи: 3D„ 2

«г = ( 20? j = 2'28 10_3d? ' = 1'1 10_2в/ ^ и

сэк = [8,686 (1+d/D)]2 105/(dAZBco)2

Внутренний диаметр внешнего проводника

D = d exp (ZBoov/^/60) = d exp [£r/(18C0)] Таким образом, разработанный метод представляет и самостоятельный интерес в плане возможности точного определения величин констант передачи и контроля технологии изготовления коаксиальных пар и их электрических свойств и оперативного влияния на улучшение технологического процесса.

Информационное содержание импульсной характеристики коаксиальной цепи предопределяется зондирующим импульсом, оптимальная форма которого выбрана на основе разработанного критерия, оптимальной является форма импульса для которого мощность в полосе частот от 0 до 1/т , вычисленная как

1Ли

[ iS(u)i2d<0 О

максимальна, а длительность импульса должна соответствовать

р

разработанному критерию 1/2Гв < ти < 3/4fß , где iSHr -энергетический спектр зондирующего импульса, fB - верхняя (полутактовая) частота спектра сигнала, системы передачи.

Отраженный от неоднородности зондирующий импульс затухает по нелинейному закону

■ о^^Лум + Н^у] Поэтому весьма сложна аппаратурная реализация коррекции

затухания амплитуды отраженных импульсов. В работе предложен аналитический способ коррекции, существенно снижающий трудности построения градуированных кривых, при котором коэффициенты М и Н определяются по результатам трех измерений в начале, в середине и в конце коаксиальной цепи. Показано, что для коаксиальных пар типа 2,6/9,4 (2,6/9,5) М = 16,Т и Н = 0,01, а применение аналитического способа коррекции возможно в широких пределах расстояний до неоднородности при соблюдении условия 1н/ти 5 250.

На основе углубленного анализа характера и структуры неоднородностей показано, что наиболее конструктивна факторная модель неоднородного ЭКУ, представляющая совокупность пяти ступенчатых элементарных моделей, адекватно отображающих распределения внутренних и стыковых (внутри и по концам участка) неоднородностей волнового сопротивления. Модель учитывает реальные ситуации, при которых расстояния между неоднородностями либо строго детерминированы (внутренние периодические неоднородности), либо случайны (внутренние случайные и стыковые случайные неоднородностиЧ а коэффициенты отражения, характеризующие амплитуду неоднородностей - случайные величины и распределены по нормальному закону.

Факторная модель позволила получить аналитические выражения для оценки реального влияния неоднородностей различного вида и взаимодействия между ними на искажения передаточной характеристики, затухания и фазы ЭКУ и для оценки входного коэффициента отражения.

В третьей главе найдена автокорреляционная функция случайных внутренних неоднородностей коаксиальных пар 2,52/9,4 мм и 2,58/9,4 мм. Показано, что интервал корреляции не превышает 0,7 м, и поэтому внутренние неоднородности коаксиальных линий с кабелями

типов КМ-4 и КМ-8/6 в диапазоне частот современных АСП и ДСП могут считаться некоррелированными.

Важное место в этой главе уделено нахождению взаимосвязи между числовыми характеристиками общего распределения неоднородностей и распределением их максимальных значений, поскольку для оценки реального влияния неоднородностей необходимо знание среднеквадратической величины неоднородностей в строительных длинах и на ЭКУ. Исходя из того, что к случайным внутренним и стыковым (внутри участка) неоднородностям применим нормальный закон распределения с параметрами: математическим ожиданием М(йг^) = 0 и с2 = лг2, а к модулям максимальных неоднородностей - логарифмический закон распределения с параметрами Аэхо и °-эхо были найдены аналитические выражения, устанавливающие зависимости между среднеквадратической величиной случайных локальных неоднородностей и квантилями порядка р распределений максимальных модуле! неоднородностей:

для оценки среднеквадратической величины случайных внутренне неоднородностей

\А4 = [150/10 ' эховн Р=0'5] / а^[ф(.) = 1 - 4п ] .Ом

для оценки среднеквадратической величины случайных стыковы неоднородностей

^ = Г150/100*05АЭХОСТ р=0,951 / аг§Гф(>) ом

где Ф(.) - нормированная функция распределения Лапласа. В эта выражениях квантили порядка р установлены экспериментально.

Исследования зависимости Ък зондирующими импульсами различие длительности позволили установить, что- гк практически не зависят < длительности импульса и, следовательно, нет необходимости выбира'

зондирующие импульсы слишком короткой длительности. Поэтому из реализованных зондирущих импульсов в отечественных временна! рефлектометрах предложено для сценки Ъ^ использовать тшулься длительностью 50 или 60 не. Это не противоречит требованиям Ю-Т я открывает возможность конструирования и использовании достаточно простых и не широкополосных измерительных нагрузочных контуров. Два того, чтобы исключить систематическую погрешность измерения определен критерий выбора длины измерительного коаксиального кабеля.

На основании анализа импульсных измерений коаксиальных цепей найдены принципы выделения из общего множества - неощородвостей различной природы: внутренних, стыковых, за счет кабельных вставок: и деформаций (вмятин) внешнего проводника, что дает реальную возможность определения факторов, приводящих к неоднородностда различного вида и принятия оптимальных решений.

В четвертой главе презде всего определена основаная группа магистральных коаксиальных кабелей, которые наиболее массово используются на кабельных линиях передачи сети связи России и на характеристики которых должно быть рассчитано оборудование современных АСП и ДСП. Затем, на основании методов, разработанных в гл. 2 и статистических методов, проведено исследование параметров передачи в представительных выборках. В результате получены значимые выборочные среднеарифметические значения и среднеквадратические отклонения парамеров передачи, представленные в форлв аналитических выражений полиноминального вида различной сложности, позволяющие тем самым без потери достоверности проводить по ним расчет численных значений числовых характеристик распределения параметров передачи в диапазоне частот АСП и ЦСП.

Стабильность параметров передачи является основным критерием возможности переоборудования кабельных линий передачи под современные АСП и ДСП. Проведенные долговременные испытания параметров передачи на кабеле марки КМБ-4 в свинцовой оболочке, находящегося в течение 28 лет в условиях наиболее экстремального воздействия внешних вакторов - открытом воздухе, результаты которых в диссертации приведены в форме аналитических выражений, позволили установить, что некоторые колебания параметров передачи по годам находятся в пределах доверительных интервалов, обусловленных погрешностями измерений. Поэтому есть все основания полагать, что технически исправные кабели в металлических оболочках сохраняют электрические характеристики коаксиальных цепей стабильными во времени, по крайней мере, равному их сроку службы.

Автором проведены широкомасштабные исследования неоднородностей волнового сопротивления.

В результате исследования: найдены статистические параметры распределения неоднородностей различной природы; определены наихудшие значения затухания эха, соответствующие 95 % и 100 % вероятностным точкам функции распределения, принимаемым в качестве критерия оценки допустимого уровня максимальных случайных внутренних и стыковых неоднородностей и проведена оценка параметров ступенчатых элементарных моделей адекватно отображающих распределения неоднородностей на ЭКУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Главный итог работы - комплекс методов исследования, составивший базу научного сопровождения разработки, внедрения и эффективного использования коаксиальных кабелей на линиях передачи

первичной ВСС России на протяжении трех последних десятилетий.

Основные результаты данной научной работы заключаются в следующем.

1. На основе развития методов теории комплексного потенциала разработана новая модель реальной коаксиальной цепи, учитывающая эксцентричное смещение внутреннего проводника. Модель превосходит предшествующую, использующую метод конформного отображения, большей общностью, простотой и физической наглядностью. Использование модели совместно с принципом соотносительной двойственности электрического и магнитного полей позволили получить расчетные соотношения для дополнительных активных и индуктивных потерь и непротиворечивую полную систему взаимосогласованных первичных и вторичных параметров эксцентричной коаксиальной цепи и оценить изменения параметров передачи для реальных величин эксцентриситета.

2. Исходя из сущности процесса изготовления проводников, имеющих технологическое изменение электрической проводимости поверхностного слоя вследствие нагартовки (наклепа), разработана модель адекватная модели биметаллического проводника, открывающая возможность оценки и анализа ухудшения параметров передачи из-за такого фактора, как неоднородность электрической проводимости по сечению проводников. Модель нашла хорошее экспериментальное подтверждение. На основании этой модели выполнена оценка параметров передачи реальной коаксиальной цепи. Показана возможность неконгруэнтного (непараллельного) изменения частотной характеристики коэффициента затухания реальной коаксиальной цепи из-за появления так называемых "кажущихся потерь" в изоляции. Найдены критические значения толщины поверхностного слоя с худшей электрической

проводимостью. Установлено, что наибольшие влияния на искажение параметров передачи оказывает неоднородность электрическое проводимости поверхностного слоя внутреннего проводника.

3. Найден оптимальный подход к аппроксимации частотных зависимостей параметров передачи коаксиальных цепей. Показано, что в качестве аппроксимационных формул следует применять теоретические зависимости. При этом снижается до нуля систематическая погрешность аппроксимации, открывается возможность существенного уменьшения объема нейтральных испытаний коаксиальных линий передачи, повышается точность определения параметров передачи в широком диапазоне частот.

4. Разработаны методы, сочетающие принципы экспериментальной и теоретической оценок параметров передачи коаксиальных цепей, позволяющих весьма сложную проблему точного измерения заменить более простой задачей - экспериментальной оценке® в ограниченном частотном диапазоне на отдельных дискретных частотах с использованием существующего парка измерительной аппаратур! и представлением результатов эксперимента в аналитической форме.

5. Разработаны критерии для выбора оптимальной формы и дпкельности зондирующего импульса и принципы аналитической коррекции затухания амплитуд отраженных импульсов. Полученные результаты позволили в отечественных рефлектометрах унифицировать форму и длительности зондирующих импульсов и привести требования к ним в соответствии с требованиями ЫСЭ-Т, а также достигнуть единого подхода и обеспечить высокую разрешающую способность и достаточную точность оценки неоднородностей волнового сопротивления коаксиальных диний без удорожания измерительных нагрузочных устройств (контуров).

6. Разработана факторная модель неоднородного ЭКУ. Показано,

что адекватным представлением неоднородного участка является совокупность пяти ступенчатых элементарных моделей, отображающих распределения внутренних (случайных и периодических) и стыковых (внутри и по концам участка) неоднородностей волнового сопротивления. Выделение из общей совокупности однородных выборок позволяет выдвигать содержательные гипотезы о законах распределения неоднородностей коаксиальных цепей и иметь по ним содержательную информацию.

Показано, в частности, что распределение внутренних неоднородностей может рассматриваться как широкополосный случайный процесс. Найдена его автокорреляционная функция и показано, что внутренние неоднородности коаксиальных линий могут считаться некоррелированными.

7. На основании выбранной факторной модели получены аналитические выражения, связывающие искажения передаточной характеристики, затухания и фазы с контролируемыми параметрами неоднородностей и электрическими характеристиками коаксиальной цепи ЭКУ, а также - входного коэффициента отражения .

8. Найдена взаимосвязь между числовыми характеристиками случайных неоднородностей общего распределенияи распределением их максимальных значений, позволяющая, с одной стороны, определить уровень (среднеквадратическую величину) случайных неоднородностей в строительных длинах и на ЭКУ, а с другой - дифференцированно подходить к установлению норм на максимальные неоднородности волнового сопротивления.

9. Предложены эффектвные методы оценки гк коаксиальных цепей. Показано, что при т < юо не средние и среднеквадратические значения

1К практически не зависят от длительности импульса. Предложено для оценки Ъ„ использовать импульс длительностью 50 (60) не. Это не

К

противоречит требованиям МСЭ-Т и открывает возможность конструирования точных, но достаточно простых, и не широкополосных измерительных нагрузочных контуров. Определен критерий выбора длины измерительного коаксиального кабеля для .оценки

Ю. Выполнен анализ-импульсных измерений коаксиальных цепей. Найдены принципы выделения из. общего множества -• неоднородностей различной природы: внутренних, стыковых, а также за счет кабельных вставок и деформаций (вмятин) внешнего проводника.

11. Проведены массовые обследования характеристик реальных коаксиальных линий ВСС России. Исследование проредено современными статистическими методами в представительных выборках, сопоставимых по объему с генеральной совокупностью строительных длин. При этом: найдены числовые характеристик? распределения параметров передачи всех типов коаксиальных пар, выполнено уникальное исследование долговременной стабильности параметров передачи коаксиальных цепей , найдены статистические параметры распределения внутренних и стыковых неоднородностей коаксиальных линий передачи, по ним сделана оценка параметров совокупности ступенчатых элементарных моделей, являющихся адекватным отображением распределений неоднородностей волнового сопротивления ЭКУ.

12. Определена основная группа магистральных коаксиальных кабелей, которым принадлежит важнейшее место на магистральной первичной сети связи России и на характеристики которых должны быть рассчитаны современные АСП и ЦСП при реконструкции кабельных линий передачи.

Результаты научной работы в значительной степени определили эффективность и высокое качество связи на коаксиальных магистральных линиях и , в настоящее время, способствуют дальнейшему повышению эффективности их использования.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Воронцов A.C. К вопросу аппроксимации частотных характеристик коэффициента затухания коаксиальных пар типа 2,6/9,4 //Сб. научных трудов ЦНИМС. Вып.2. -М., 1976.-С. 111-118.

2. Воронцой A.C. Коэффициент затухания коаксиальных пар типа 2,6/9,4 в спектре аналоговых систем передачи //Сб. научных трудов ЦНШС. Вып.2. -М., 1979.-С. 9-17..

3. Воронцов A.C. Электрические характеристики кабелей КМ-4 и КМ-8/6 в диапазоне частот до 60 МГц //Электросвязь. 1982.-Ji 1.-С. 39-42.

4. Воронцов A.C. К вопросу оценки уровня случайных неоднородностей кабелей КМ-4 и КМ-8/6 по известным распределениям их максимальных величин // Сб. научных трудов ЦНИИС. Кабельные линии связи. -М., 1983,-С. 14-20.

5. Воронцов A.C. Анализ импульсных измерений коаксиальных кабелей //Вестник связи. -1988.-й 5.-С. 64-67.

6. Воронцов A.C. К вопросу оценки концевых значений волнового сопротивления коаксиальных кабелей //Сб. научных трудов ЦНИИС. Цифровые системы передачи и интегральные сети. -М., 1988.-С. 70-74.

7. Воронцов A.C. Металлические кабели на сети связи России //Вестник связи. -1993.-№ 12.-С. 40-43.

8. Воронцов A.C., Кириленко Е.А. К вопросу корреляционной

зависимости случайных внутренних неоднородностей коаксиальных кабелей типов КМ-4 и КМ-8/6 в спектре системы передачи К-10800 //Сб. научных трудов ПЩМС. Кабельные линии связи. -М., 1983. -С. 21-26.

9. Воронцов A.C., Кириленко Е.А. Влияние состояния поверхностных слоев проводников на характеристики коаксиальных кабелей //Электросвязь.- 1987.-Jf 5.-С. 39-42.

10. Воронцов A.C., Кресина Т.А., Левинов К.Г. и др. Магистральный коаксиальный кабель до 60 МГц //Электросвязь.- 1983.-S 2.-С. 9-11.

11. Воронцов A.C., Маркелов А.П. Основные параметры коаксиальных кабелей для широкополосных систем передачи //Электросвязь. -1979. -« 4.-С. 40-42.

12. Воронцов A.C., Фролов П.А. Уточнение электрических характеристик коаксиальных кабелей, подлежащих использованию в системе К-10800 в спектре до 70 МГц. -М.: 1981.-34 е.- Рукопись представлена ЦНИМС.

% ГР 77002459.

13. Воронцов A.C., Фролов П.А* Импульсные измерения коаксиальных кабелей связи. -М.: Радио и связь, 1985.-96 с.

14. Воронцов А.С.,Фролов П.А., Шун С.А., Шабаева Л.У. Новые магистральные однокоаксиальные кабели с парами большого диаметра //Электросвязь. -1988.-К 2.-С. 26-27.

15. Коаксиальные и высокочастотные симметричные кабели связи:

Справочник /Воронцов A.C., Маркелов А.П., Соловейчик Б.Л. и др. -М.: Радио и связь, 1994.-312с.

16. Левинов К.Г., Воронцов A.C., Фролов П.А. Оптимизация конструкции коаксиальной пары для системы К-10800 //Сб. научных трудов ЦНИИС. Системы передачи и коммутации для телефонных сетей свйзи. -М.,

1981.-С. 157-168.

17. Маркелов А.П., Воронцов А.С. Фазо-частотные характеристики коаксиальных кабелей //Электросвязь. -1978.-S 10.-С. 3-5.

18. ОСТ 45.01-86 Линии передачи кабельные первичной сети ЕАСС.. Нормы электрические на элементарные кабельные участки и кабельные секции аналоговых и цифровых систем передачи. -М.: Прейскурантиздат, 1988.-30 с.

19. Руководство по строительству линейных сооружений магистральных и внутризоновых кабельных линий связи. /Д.А.Барон, Г.М.Воронков, А.С.Воронцов и др. -М.: Радио и связь, 1986.-608 с.

20. Руководство по электрическим измерениям коакисальных кабелей связи. /Н.П.Синицын, Е.И.Инюшин, Г.П.Николаев, А.С.Воронцов и др -М.: ШШМС, 1969.-89 с.

21. Технические указания по прокладке, монтажу, группированию строительных длин и по электрическим измерениям магистральных коаксиальных кабелей типа КМА-4 /А.С.Воронцов, Е.И.Инюшин,. С.Х.Миф-

тяхетдинов и др. -М.: ЦНШС и КОНШС, 1984.-43 с.'

22. CCITT. SG XV. Contribution No.40. Proposais ior Specifylng Annex 1 to Question 5/XV/Tlie USSR Télécommunication Admlnlstraton. -1981.-4 p.

Подписано в печать 12.04.95 г. Тираж 90 экз.

Отпечатано на ротапринте в ЦНМИС Заказ й 48/95