Каналы связи

Кабельные каналы связи

Кабельные каналы для целей телекоммуникаций исторически использовались первыми. Да и сегодня по суммарной длине они превосходят даже спутниковые каналы. Основную долю этих каналов, насчитывающих многие сотни тысяч километров, составляют телефонные медные кабели. Эти кабели содержат десятки или даже сотни скрученных пар проводов. Полоса пропускания таких кабелей обычно составляет 3-3,5 кГц при длине 2-10 км. Эта полоса диктовалась ранее нуждами аналогового голосового обмена в рамках коммутируемой телефонной сети. C учетом возрастающих требованиям к широкополосности каналов скрученные пары проводов пытались заменить коаксиальными кабелями, которые имеют полосу от 100 до 500 МГц (до 1 Гбит/с), и даже полыми волноводами. Именно коаксиальные кабели стали вначале транспортной средой локальных сетей ЭВМ

Коаксиальная система проводников из-за своей симметричности вызывает минимальное внешнее электромагнитное излучение. Сигнал распространяется по центральной медной жиле, контур тока замыкается через внешний экранный провод. При заземлении экрана в нескольких точках по нему начинают протекать выравнивающие токи (ведь разные “земли” обычно имеют неравные потенциалы). Такие токи могут стать причиной внешних наводок (иной раз достаточных для выхода из строя интерфейсного оборудования), именно это обстоятельство является причиной требования заземления кабеля локальной сети только в одной точке. Наибольшее распространение получили кабели с волновым сопротивлением 50 Ом. Это связано с тем, что эти кабели из-за относительно толстой центральной жилы характеризуются минимальным ослаблением сигнал, н по мере развития технологии скрученные пары смогли вытеснить из этой области коаксиальные кабели. Это произошло, когда полоса пропускания скрученных пар достигла 200-350 МГц при длине 100м , а цены на единицу длины сравнялись. Скрученные пары проводников позволяют использовать биполярные приемники, что делает систему менее уязвимой (по сравнению с коаксиальными кабелями) к внешним наводкам. Но основополагающей причиной вытеснения коаксиальных кабелей явилась относительная дешевизна скрученных пар. Скрученные пары бывают одинарными, объединенными в многопарный кабель или оформленными в виде плоского ленточного кабеля. Применение проводов сети переменного тока для локальных сетей и передачи данных допустимо для весьма ограниченных расстояний. В таблице приведены характеристики каналов, базирующихся на обычном и широкополосном коаксиальном кабелях.

	Стандартный кабель	Широкополосный
Максимальная длина канала	2 км	10 - 15 км
Скорость передачи данных	1 - 50 Мбит/с	100 - 140 Мбит/с
Ослабление влияния электромагнитных и радиочастотных наводок	50 дБ	85 дБ
Число подключений	< 50 устройств	1500 каналов с одним или более устройств на канал

При расстояниях до 100 метров с успехом могут использоваться скрученные пары и коаксиальные кабели, обеспечивая полосу пропускания до 150 Мбит/с, при больших расстояниях или более высоких частотах передачи оптоволоконный кабель предпочтительнее. При расстояниях в 10-20 метров с помощью скрученной пары можно достичь полосы пропускания до 1 Гбит/с. Если расстояние между ЭВМ не превышает нескольких сотен метров, коаксиальный кабель позволяет без труда получить 107-108 бит/c при вероятности ошибке 10-12-10-13. Связь через коммутируемую телефонную линию допускает скорость обмена ~104 бит/с при вероятности ошибки 10-5. Следует заметить, что работа с кабелями предполагает необходимость доступа к системе канализации (иногда это требует специальных лицензий; а там часто размещаются усилители-повторители). Кабельное хозяйство требует обслуживания. В этом отношении радиоканалы предпочтительнее, ведь случаев коррозии электромагнитных волн не зарегистрировано, да и крысы их не грызут. По совокупности параметров локальный коаксиальный кабель лучше телефонной линии в 1011 раз.

Оптоволоконные каналы

 А.Г.Белл в 1880 году запатентовал фотофон - прибор для передачи голоса посредством светового сигнала с селеновым фотодетектором. Первые коммерческие телефонные системы были созданы лишь в 1977 году и работали со скоростью 44,7 Мбит/с. Одномодовые волоконные кабели начали производиться в 1983 году.
В 1990 году Линн Моллинер продемонстрировал передачу данных со скоростью 2,5Гбит/c на расстояние 7500 км (без промежуточных усилителей сигнала) В 1990 году в США суммарная протяженность оптических волокон составляла около 9000000 км.

В 2000 году общая длина оптоволокон только в США превысила 30 миллионов километров. Оптоволоконные линии связи работают в частотном диапазоне 1013 - 1016Гц, что на 6 порядков больше, чем в случае радиочастотных каналов (это обеспечивает пропускную способность 50000 Гбит/c). Но земная атмосфера является плохой средой для распространения света. По этой причине только разработка кремниевых волокон с низким коэффициентом поглощения в инфракрасном диапазоне (< 0,2 дБ/км) сделало возможным широкое распространение оптических каналов связи. Укладывается ~1000км оптоволоконного кабеля в день. В настоящее время каналы обычно имеют пропускную способность ~1Гбит/c и это связано с ограниченным быстродействием оборудования, преобразующего оптический сигнал в электрический и обратно. В ближайшие годы следует ожидать увеличения быстродействия таких устройств в 100-1000 раз.
Оптоволоконное соединение гарантирует минимум шумов и высокую безопасность (практически почти невозможно сделать отвод). Пластиковые волокна применимы при длинах соединений не более 100 метров и при ограниченном быстродействии (<50 МГц). В последнее время (2006-7г) разработаны пластиковые волокна, пригодные для передачи со скоростью 40 Гбит/c при длине кабеля 30м и со скоростью 5,35 Гбит/c при длине кабеля 220м (Lightware N4 2007). Вероятность ошибки при передаче по оптическому волокну составляет <10-10, что во многих случаях делает ненужным контроль целостности сообщений.

При построении сетей используются многожильные кабели (рис.3.; существуют и другие разновидности кабеля: например, двух- или четырехжильные, а также плоские). В верхней части рисунка [А] изображено отдельное оптоволокно, а в нижней [Б] сечение восьмижильного оптического кабеля. Свет вводится в оптоволокно с помощью светоизлучающего диода или полупроводникового лазера. Центральное волокно покрывается слоем, коэффициент преломления которого меньше чем у центрального ядра (стрелками условно показан ход лучей света в волокне). Для обеспечения механической прочности извне волокно покрывается полимерным слоем. Кабель может содержать много волокон, например 8 (1Б). В центре кабеля помещается стальной трос (3Б), который используется при прокладке кабеля. С внешней стороны кабель защищается (от крыс) стальной оплеткой (2Б) и герметизируется эластичным полимерным покрытием.

Существует несколько типов оптических волокон, обладающих различными свойствами. Они отличаются друг от друга зависимостью коэффициента преломления от радиуса центрального волокна. На рис. 4 показаны три разновидности волокна (А, Б и В). Буквами А и Б помечен мультимодовый вид волокон. Тип Б имеет меньшую дисперсию времени распространения и по этой причине вносит меньшие искажения формы сигнала. По сравнению с медными проводами оптоволоконные кабели несравненно легче. Так одна тысяча скрученных пар при длине 1 км весит 8 тонн, а два волокна той же длины, обладающие большей пропускной способностью, имеют вес 100кг. Это обстоятельство открывает возможность укладки оптических кабелей вдоль высоковольтных линий связи, подвешивая или обвивая их вокруг проводников.

Буквой В помечен одномодовый вид волокна (понятие мода связано с характером распространения электромагнитных волн). Мода представляет собой одно из возможных решений уравнения Максвелла. В упрощенном виде можно считать, что мода - это одна из возможных траекторий, по которой может распространяться свет в волокне.

Беспроводные оптические каналы

Для стационарных каналов оптоволоконный кабель не имеет конкурентов. Но при формировании каналов в городе, где требуется лицензия на прокладку и разрешение для использования канализации, все становится не так просто. При расстояниях до 1-5 км во многих случаях становятся привлекательны каналы с открытым лазерным лучом. Ниже приведена таблица, где сравниваются параметры различных беспроводных систем.
Беспроводные телекоммуникационные системы

Беспроводные телекоммуникационные системы
	Широкополосные системы	Оптические каналы	Радиорелейные системы
Скорость передачи	Несколько Мбит/c	≥ 155 Мбит/c	До 155 Мбит/c
Максимальное расстояние	Несколько км	≤ 2 км	≤ 50 км
Угроза подключения	высокая	Крайне высокая	Очень высокая
Точность настройки	малая	Очень высокая	средняя
Разрешение на применение	Лицензия не требуется	Лицензия не требуется	Нужна лицензия PTT
Относительная стоимость	≥ 5200 €	≥ 6000 €	≥ 26000 €

Коаксиа́льный ка́бель (коаксиальная пара) — Пара, проводники которой расположены соосно и разделены изоляцией.

Коаксиа́льный ка́бель  — электрический кабель, состоящий из расположенных соосно центрального проводника и экрана и служащий для передачи высокочастотных сигналов.

Устройство коаксиального кабеля
1 — внутренний проводник (медная проволока),
2 — изоляция (сплошной полиэтилен),
3 — внешний проводник (оплётка из меди),
4 — оболочка (светостабилизированный полиэтилен).

Применение

Основное назначение коаксиального кабеля — передача сигнала в различных областях техники:

1.     системы связи;

2.     вещательные сети;

3.     компьютерные сети;

4.     антенно-фидерные системы;

5.     АСУ и другие производственные и научно-исследовательские технические системы;

6.     системы дистанционного управления, измерения и контроля;

7.     системы сигнализации и автоматики;

8.     системы объективного контроля и видеонаблюдения;

9.     каналы связи различных радиоэлектронных устройств мобильных объектов (судов, летательных аппаратов и др.);

10. внутриблочные и межблочные связи в составе радиоэлектронной аппаратуры;

11. каналы связи в бытовой и любительской технике;

12.  Военная техника и другие области специального применения.

Кроме канализации сигнала, отрезки кабеля могут использоваться и для других целей:

1.                                                     Кабельные линии задержки;

2.                                                     четвертьволновые трансформаторы;

3.                                                     симметрирующие и согласующие устройства;

4.                                                     фильтры и формирователи импульса.

Вита́я па́ра  — вид кабеля связи, представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой (с небольшим числом витков на единицу длины), покрытых пластиковой оболочкой.

Примеры:

CAT1 (полоса частот 0,1 МГц) — телефонный кабель, всего одна пара (в России применяется кабель и вообще без скруток — «лапша» — у нее характеристики не хуже, но больше влияние помех). В США использовался ранее, только в «скрученном» виде. Используется только для передачи голоса или данных при помощи модема.

CAT2 (полоса частот 1 МГц) — старый тип кабеля, 2 пары проводников, поддерживал передачу данных на скоростях до 4 Мбит/с, использовался в сетях Token ring и Arcnet. Сейчас иногда встречается в телефонных сетях.

CAT3 (полоса частот 16 МГц) — 4-парный кабель, используется при построении телефонных и локальных сетей 10BASE-T и token ring, поддерживает скорость передачи данных до 10 Мбит/с или 100 Мбит/с по технологии 100BASE-T4 на расстоянии не дальше 100 метров. В отличие от предыдущих двух, отвечает требованиям стандарта IEEE 802.3.

 

Источники: Конспекты

Википедия 

Рентгеновские лучи

Рентгеновское излучение — электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на энергетической шкале между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10⁻² до 10³ Å (от 10⁻¹² до 10⁻⁷ м).

Рентгеновское излучение было открыто Вильгельмом Конрадом Рёнтгеном. Он был первым, кто опубликовал статью о рентгеновских лучах, которые он назвал икс-лучами. Статья Рентгена под названием «О новом типе лучей» была опубликована 28-го декабря 1895 года в журнале Вюрцбургского физико-медицинского общества. В некоторых кругах, однако, утверждается, что рентгеновские лучи были уже получены до этого И. П. Пулюем. Катодолучевая трубка, которую Рентген использовал в своих экспериментах, была разработана Й. Хитторфом и В. Круксом. При работе этой трубки возникают рентгеновские лучи. Это было показано в экспериментах Крукса и с 1892 года в экспериментах Генриха Герца и его ученика Филиппа Ленарда через почернение фотопластинок. Однако никто из них не осознал значения сделанного ими открытия и не опубликовал своих результатов.

По этой причине Рентген не знал о сделанных до него открытиях и открыл лучи независимо — при наблюдении флюоресценции, возникающей при работе катодолучевой трубки. На некоторых языках эти лучи были названы его именем, несмотря на его сильные возражения. Рентген занимался Х-лучами немногим более года (с 8 ноября 1895 года по март 1897 года) и опубликовал о них три статьи, в которых было исчерпывающее описание новых лучей, впоследствии сотни работ его последователей, опубликованных затем на протяжении 12 лет, не могли ни прибавить, ни изменить ничего существенного. Рентген, потерявший интерес к Х-лучам, говорил своим коллегам: «Я уже всё написал, не тратьте зря время». Свой вклад в известность Рентгена внесла также знаменитая фотография руки Альберта фон Кёликера, которую он опубликовал в своей статье. За открытие рентгеновских лучей Рентгену в 1901 году была присуждена первая Нобелевская премия по физике, причём нобелевский комитет подчёркивал практическую важность его открытия. В 1896 году, в России, впервые было употреблено название «рентгеновские лучи». В других странах используется предпочитаемое Рентгеном название — X-лучи. В России лучи стали называть «рентгеновскими» по инициативе ученика В. К. Рентгена — Абрама Фёдоровича Иоффе.

При помощи рентгеновских лучей можно «просветить» человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей, а в современных приборах и внутренних органов. При этом используется тот факт, что у содержащегося преимущественно в костях элемента кальция атомный номер гораздо больше, чем атомные номера элементов, из которых состоят мягкие ткани, а именно водорода, углерода, азота, кислорода. Кроме обычных приборов, которые дают двумерную проекцию исследуемого объекта, существуют компьютерные томографы, которые позволяют получать объёмное изображение внутренних органов.

Выявление дефектов в изделиях (рельсах, сварочных швах и т. д.) с помощью рентгеновского излучения называется рентгеновской дефектоскопией.

В материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии рентгеновские лучи используются для выяснения структуры веществ на атомном уровне при помощи дифракционного рассеяния рентгеновского излучения (рентгеноструктурный анализ). Известным примером является определение структуры ДНК.

В аэропортах активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы, позволяющие просматривать содержимое ручной клади и багажа в целях визуального обнаружения на экране монитора предметов, представляющих опасность.

Рентгенотерапия — раздел лучевой терапии, охватывающий теорию и практику лечебного применения рентгеновских лучей, генерируемых при напряжении на рентгеновской трубке 20—60 кв. и кожно-фокусном расстоянии 3—7 см (короткодистанционная рентгенотерапия) или при напряжении 180—400 кв. и кожно-фокусном расстоянии 30—150 см (дистанционная рентгенотерапия).

Рентгенотерапию проводят преимущественно при поверхностно расположенных опухолях и при некоторых других заболеваниях, в том числе заболеваниях кожи (ультрамягкие рентгеновские лучи Букки).

Источники:Википедия

Атомное ядро

Информационное общество

Спектр. Виды спектра. Спектральный анализ.

Электромагнитное излучение.

I. Инфракрасное излучение.

1. Инфракрасное излучение — электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны λ = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (λ ~ 1—2 мм).

2. Наиболее известным и значительным источником инфракрасного излучения является Солнце. Так же источником излучения являются инфракрасные обогреватели.

3. Применение.
а)Медицина.
Инфракрасные лучи применяются в медицинских целях, если излучение не слишком сильно. Они положительно влияют на организм человека. Инфракрасные лучи обладают возможностью повышать местный кровоток в организме, усиливать обмен веществ, расширять кровеносные сосуды.

б)Дистанционное управление.
Инфракрасные диоды и фотодиоды повсеместно применяются в пультах дистанционного управления, системах автоматики, охранных системах и т. п. Они не отвлекают внимание человека в силу своей невидимости.
в)При покраске.
Инфракрасные излучатели применяют в промышленности для сушки лакокрасочных поверхностей. Инфракрасный метод сушки имеет существенные преимущества перед традиционным, конвекционным методом. В первую очередь - это экономический эффект. Скорость и затрачиваемая энергия при инфракрасной сушке меньше тех же показателей при традиционных методах.
г)Стерилизация пищевых продуктов.
С помощью инфракрасного излучения стерилизируют пищевые продукты с целью дезинфекции.
д)Антикоррозийное средство.
Инфракрасные лучи применяются, с целью предотвращения коррозии покрываемых лаком поверхностей.
з)Пищевая промышленность.
Особенностью применения ИК-излучения в пищевой промышленности является возможность проникновения электромагнитной волны в такие капиллярно-пористые продукты, как зерно, крупа, мука и т. п. на глубину до 7 мм. Кроме того, инфракрасное излучение повсеместно применяют для обогрева помещений и уличных пространств.

II. Ультрафиолетовое излучение.

1. Ультрафиолетовое излучение — электромагнитное излучение, занимающее диапазон между фиолетовым концом видимого излучения и рентгеновским излучением (380 — 10 нм, 7,9×1014 — 3×1016 Гц).

(Солнце в ультрафиолетовом излучении)

2. Источники ультрафиолетового излучения.
а)Природные источники. (Солнце)
б)Искусственные источники. (Эритемные лампы, солярии)
в)Лазерные источники.

3. Польза и вред ультрафиолетового излучения.
а)Положительный эффект.
Излучение в УФ области спектра (290—400 нм) повышает тонус симпатико-адреналиновой системы, активирует защитные механизмы, повышает уровень неспецифического иммунитета, а также увеличивает секрецию ряда гормонов. Под воздействием УФ излучения (УФИ) образуются гистамин и подобные ему вещества, которые обладают сосудорасширяющим действием, повышают проницаемость кожных сосудов. Изменяется углеводный и белковый обмен веществ в организме. Действие оптического излучения изменяет легочную вентиляцию — частоту и ритм дыхания; повышается газообмен, потребление кислорода, активизируется деятельность эндокринной системы.
б)Отрицательные эффекты.
Действие ультрафиолетового облучения на кожу, превышающее естественную защитную способность кожи (загар) приводит к ожогам.
Ультрафиолетовое излучение неощутимо для глаз человека, но при интенсивном облучении вызывает типично радиационное поражение (ожог сетчатки).

Презентация "Природа света"

Дифракция света

В середине 17-го века итальянский ученый Франческа Мария Гримальди наблюдал странные тени от небольших предметов, помещенных в очень узкий пучок света. К удивлению ученого, эти тени не имели резких границ, а были окаймлены цветными полосами.
Опыт Гримальди показывает, что вблизи краев препятствий свет отклоняется от прямолинейного распространения.
Отклонение света от прямолинейного распространения и огибание им препятствий Гримальди назвал ДИФРАКЦИЕЙ.(в переводе с латинского это означает «преломление», что не совсем удачно, так как преломлением называют изменение хода луча света при переходе из одной среды в другую.)
Он догадался, что явление дифракции указывает на ВОЛНОВУЮ ПРИРОДУ СВЕТА, но построить теорию дифракции ему не удалось.
Это сделал на основе волновой теории света французский ученый Огюстен Френель в начале 19-го века. Он и явился продолжателем Гюйгенса в развитии этой теории. Франель был по профессии инженером и самостоятельные исследования по оптике начал во время вынужденного отпуска, когда его уволили со службы за то, что он добровольцем присоединился к войскам, которые хотели преградить дорогу Наполеону, возвращавшемуся с острова Эльба. Будучи самоучкой, Френель сделал крупнейшие открытия, за что был избран членом Французской академии.

Работа по физике

1.Глаз состоит из глазного яблока, зрительного и вспомогательных органов (веки, слёзный аппарат, мышцы глазного яблока). Вокруг глаза расположены три пары мышц, ответственных за перемещение глазного яблока. Этими мышцами управляют сигналы, которые нервы глаза получают из мозга. Глазное яблоко отделено от остальной части глазницы плотным фиброзным влагалищем — теноновой капсулой, позади которой находится жировая клетчатка.
Хрусталик находится непосредственно за радужкой и в силу своей прозрачности невооруженным глазом уже не виден. Основная функция хрусталика - это динамичная фокусировка изображения на сетчатку. Хрусталик представляет из себя вторую (после роговицы) по оптической силе линзу глаза, меняющую свою преломляющую способность в зависимости от степени удаленности рассматриваемого предмета от глаза. При близком расстоянии до предмета хрусталик усиливает свою силу, при дальнем - ослабляет.
2.Аккомодация - настройка глаза на определенное расстояние до фиксируемого объекта. Она осуществляется за счет изменения кривизны хрусталика, особенно его передней поверхности. Существует предел аккомодации, из-за которого не удается хорошо рассмотреть предмет, расположенный ближе 10-15 см. от глаза.
3.Самое удобное расстояние для рассматривания людьми, не имеющими дефектов зрения, - примерно 25 см. Это расстояние называют расстоянием наилучшего зрения.
4.Дальнозоркость - отклонение от нормальной рефракции глаза, заключающееся в том, что параллельные лучи света после преломления их в глазу, собираются в фокусе (F), расположенном как бы позади сетчатой оболочки глаза.
Близорукость— это дефект зрения, при котором изображение падает не на сетчатку глаза, а перед ней из-за того, что преломляющая система глаза обладает увеличенной оптической силой и слишком сильно фокусирует. Человек при этом хорошо видит вблизи, но плохо видит вдаль и должен пользоваться очками или контактными линзами с отрицательными значениями оптической силы.
5.Расслабленный глаз «настроен на бесконечность», то есть на рассматривание удаленных предметов. Поэтому при чтении или при работе за компьютером не забывайте давать глазам передышку: время от времени смотрите вдаль, лучше всего – в окно. Это помогает также осмыслить прочитанное.
6. Оптические приборы: Микроскоп, телескоп, бинокль и т.д.
Если рассматривать через положительную (собирающую) линзу предмет, расположенный за линзой не дальше ее фокальной точки, то видно увеличенное мнимое изображение предмета. Такая линза представляет собой простейший микроскоп и называется лупой или увеличительным стеклом. Когда глаз настроен на параллельный пучок света (изображение предмета находится на неопределенно большом расстоянии, а это означает, что предмет расположен в фокальной плоскости линзы), видимое увеличение M можно определить из соотношения:M = tgb /tga = (H/f)/(H/v) = v/f,
где f - фокусное расстояние линзы, v - расстояние наилучшего зрения, т.е. наименьшее расстояние, на котором глаз хорошо видит при нормальной аккомодации. M увеличивается на единицу, когда глаз настраивается так, что мнимое изображение предмета оказывается на расстоянии наилучшего зрения. Способности к аккомодации у всех людей разные, с возрастом они ухудшаются; принято считать 25 см расстоянием наилучшего зрения нормального глаза. В поле зрения одиночной положительной линзы при удалении от ее оси резкость изображения быстро ухудшается из-за поперечных аберраций. Хотя и бывают лупы с увеличением в 20 крат, типичная их кратность от 5 до 10. Увеличение сложного микроскопа, именуемого обычно просто микроскопом, доходит до 2000 крат.