Направляющие системы электросвязи

УДК 621.395.73
ББК 32.889
Н27

Н27
Направляющие системы электросвязи: Учебник для вузов. В 2-х томах. Том 1 — Теория передачи и влияния /
В. А. Андреев, Э. Л. Портнов, Л. Н. Кочановский; Под
редакцией В. А. Андреева. — 7-е изд., перераб. и доп. —
М.: Горячая линия—Телеком, 2011. — 424 с.: ил.
ISBN 978-5-9912-0092-9.

Рассматриваются состояние, принципы построения и перспективы развития
сетей
электросвязи
Российской
федерации.
Излагается
теория
передачи
по
различным
типам
направляющих
систем
электросвязи (коаксиальным, симметричным, волоконно-оптическим, сверхпроводящим, волноводным), приводятся их конструкции и характеристики.
Рассматриваются также электрические влияния между проводными цепями,
влияние внешних электромагнитных полей, коррозии и методы их уменьшения. По сравнению с предыдущим изданием существенно обновлены и расширены разделы, посвященные теории и развитию волоконно-оптических
систем передачи и кабелей.
Для студентов вузов связи и информатики.
ББК 32.889

Учебное издание

Андреев Владимир Александрович, Портнов Эдуард Львович,
Кочановский Лев Николаевич

НАПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ
Учебник

Редактор Ю. Н. Чернышов
Художник В. Г. Ситников
Компьютерная верстка Ю. Н. Чернышова

Подписано в печать 28.12.2008. Формат 60×90 1/16. Гарнитура Computer Modern.

Усл.-печ. л. 26,5. Тираж 2000 экз. Изд. т 9092.

ISBN 978-5-9912-0092-9 (Т. 1)
c⃝ В. А. Андреев, Э. Л. Портнов,
Л. Н. Кочановский, 2011
c⃝ Оформление издательства
«Горячая линия—Телеком», 2011

Предисловие

Последнее шестое издание учебника «Линии связи» вышло в свет
в 1995 г.
С тех пор произошли заметные изменения в подготовке специалистов по линейно-кабельным сооружениям связи.
Исходя из требований предприятий связи, занимающихся строительством
и эксплуатацией сооружений связи, больше внимания стали уделять вопросам оптимизации строительства и технической эксплуатации
линейно-кабельных сооружений. За это время изменилось и название
курса — вместо «Линий связи» курс стал называться «Направляющие системы электросвязи» (НСЭ). Были модернизированы действующие и появились новые средства и системы передачи информации.
Существенно изменилась технология проектирования, производства,
строительства и эксплуатации линий связи. Создание и широкое внедрение волоконно-оптических линий связи различного назначения ознаменовали научно-техническую революцию в технике производства
и эксплуатации сетей и линий связи.
На сегодняшний день в России новые магистральные, внутризоновые и межстанционные линии связи городских телефонных сетей (ГТС) строятся только с использованием волоконно-оптических
кабелей (ОК). Межгородские оптические кабели подвешиваются на
опорах контактной сети железных дорог и ЛЭП. Кроме того, в последние годы в городах и районных центрах достаточно широко стала применяться подвеска оптических кабелей на опорах городского
электрохозяйства (опорах трамвайных и троллейбусных линий, опорах освещения).
С использованием ОК развиваются локальные кабельные сети и
сети кабельного телевидения, вычислительных, банковских и внутриобъектовых систем. Достаточно широкое применение ОК находят на
сетях широкополосного оптического доступа.
Вместе с тем, несмотря на широкое применение ОК, на сетях связи России продолжают эксплуатироваться линии связи на основе симметричных и коаксиальных электрических кабелей связи. Эти кабели
получили применение на сетях широкополосного абонентского доступа и кабельного телевидения.
За последние годы большое количество вузов России открыли
подготовку инженерных кадров по направлению «Телекоммуника

Предисловие

ции» и испытывают острую нехватку в обеспечении учебного процесса учебниками и учебными пособиями вообще и по НСЭ, в частности.
B связи с увеличением объема излагаемого материала по курсу НСЭ
за счет разделов проектирования, строительства и технической эксплуатации линейно-кабельных сооружений связи, в первую очередь
волоконно-оптических линий передачи, учебник издается в двух частях. Во вторую часть учебника выносятся разделы проектирования,
строительства и технической эксплуатации линейно-кабельных сооружений. Материал учебника соответствует основным требованиям
нового Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования, принятого в 2002 году.
Глава 4 «Основы электродинамики направляющих систем» написана к.т.н., доцентом М.Ю. Масловым.
Авторы выражают благодарность инженеру кафедры линий связи и измерений в технике связи ПГАТИ С.А. Гаврюшину за помощь
в подготовке учебника к изданию.

Т е м а
1

Современная электрическая связь

1.1. Краткий обзор развития направляющих
систем электросвязи

Направляющие системы электросвязи (НСЭ) возникли одновременно с появлением электрического телеграфа. Первые направляющие системы электросвязи (линии связи) были кабельными. Однако
вследствие несовершенства конструкции кабелей подземные кабельные линии связи вскоре уступили место воздушным. Первая воздушная линия связи большой протяженности была построена в 1854 г.
между Петербургом и Варшавой. B начале 70-х годов XIX столетия
была построена воздушная телеграфная линия от Петербурга до Владивостока длиной около 10 тыс. км. B 1881 г. в России действовало
89500 км воздушных телеграфных линий связи и 1083 телеграфные
станции.
В 1939 г. была пущена в эксплуатацию величайшая в мире по
протяженности высокочастотная телефонная воздушная магистраль
Москва – Хабаровск длиной 8300 км.
Создание первых кабельных линий связано с именем русского
ученого П.Л. Шиллинга. Еще в 1812 г. Шиллинг в Петербурге демонстрировал взрывы морских мин, использовав для этой цели созданный им изолированный проводник.
В 1851 г. одновременно с постройкой железной дороги между
Москвой и Петербургом был проложен телеграфный кабель, изолированный гуттаперчей. Первые подводные кабели были проложены
в 1852 г. через Северную Двину и в 1879 г. через Каспийское море
между Баку и Красноводском. В 1866 г. вступила в строй кабельная
трансатлантическая магистраль телеграфной связи между Францией
и США.
В 1882–1884 гг. в Москве, Петрограде, Риге, Одессе были построены первые в России городские телефонные сети. В 90-х годах
прошлого столетия на городских телефонных сетях Москвы и Пет

Тема 1

рограда были подвешены первые кабели, насчитывающие до 54 жил.
В 1901 г. началась постройка подземной городской телефонной сети.
Первые конструкции кабелей связи,
относящиеся к началу
XX века, позволяли осуществлять телефонную передачу на небольшие расстояния.
Это были так называемые городские телефонные
кабели с воздушно-бумажной изоляцией жил и парной их скруткой.
В 1900–1902 гг. была сделана успешная попытка повысить дальность
передачи методами искусственного увеличения индуктивности кабелей путем включения в цепь катушек индуктивности (предложение
инженера Пупина), а также применения токопроводящих жил с ферромагнитной обмоткой (предложение Крарупа).
Такие способы на
том этапе позволили увеличить дальность телеграфной и телефонной
связи в несколько раз.
Важным этапом в развитии техники связи явилось изобретение,
а начиная с 1912–1913 гг. освоение производства электронных ламп.
B 1917 г. В.И. Коваленковым был разработан и испытан на линии телефонный усилитель на электронных лампах. B 1923 г. была осуществлена телефонная связь с усилителями на линии Харьков – Москва
– Петроград.
В 30-х годах началось развитие многоканальных систем передачи. B последующем стремление расширить спектр передаваемых частот и увеличить пропускную способность линий привело к созданию
новых типов кабелей, так называемых коаксиальных. Но массовое изготовление их относится лишь к 1935 г., к моменту появления новых
высококачественных диэлектриков типа эскапона, высокочастотной
керамики, полистирола (стирофлекса) и т.д. Эти кабели допускают
передачу энергии при частоте токов до нескольких миллионов герц
и позволяют производить по ним передачу телевизионных программ
на большие расстояния. Первая коаксиальная линия на 240 каналов
ВЧ телефонирования была проложена в 1936 г. По первым трансатлантическим подводным кабелям, проложенным в 1856 г., организовывали лишь телеграфную связь, и только через 100 лет, в 1956 г.,
была сооружена подводная коаксиальная магистраль между Европой
и Америкой для многоканальной телефонной связи.
На установку первых ста миллионов телефонов человечеству понадобилось 80 лет (1876–1956 гг.), а на вторую сотню всего 10 лет
(1956–1966 гг.). Последующие сотни миллионов телефонов устанавливались за 6 лет, 4,5 года, 4 и 3 года.
В 1965–1967 гг. появились опытные волноводные линии связи для
передачи широкополосной информации, а также криогенные сверхпроводящие кабельные линии с весьма малым затуханием. С 1970 г.
активно развернулись работы по созданию световодов и оптических

Современная электрическая связь
7

кабелей, использующих видимое и инфракрасное излучения оптического диапазона волн.
Создание волоконного световода и получение непрерывной генерации полупроводникового лазера сыграли решающую роль в быстром развитии волоконно-оптической связи. К началу 80-х годов были
разработаны и испытаны в реальных условиях волоконно-оптические
системы связи. Основные сферы применения таких систем — телефонная сеть, кабельное телевидение, внутриобъектовая связь, вычислительная техника, системы контроля и управления технологическими процессами и т.д.
В настоящее время в России и других странах проложено большое
количество городских и междугородных волоконно-оптических линий
связи. Широкое применение оптические линии получают и на сетях
абонентского доступа. Волоконной оптике сегодня отводится ведущее
место в научно-техническом прогрессе.

1.2. Виды направляющих систем электросвязи
и их основные свойства

На современном этапе развития общества в условиях научнотехнического прогресса непрерывно возрастает объем передаваемой
информации. Как показывают теоретические и экспериментальные
исследования, продукция отрасли связи, выражающаяся в объеме передаваемой информации, возрастает пропорционально квадрату прироста валового продукта. Это определяется необходимостью расширения взаимосвязи между различными звеньями экономики страны, а
также увеличением объема информации в технической, научной, политической и культурной жизни общества. Повышаются требования
к скорости и качеству передачи разнообразной информации. Связь
необходима для оперативного управления экономикой и работы государственных органов, для повышения обороноспособности страны и
удовлетворения культурно-бытовых потребностей населения.
В эпоху научно-технической революции связь стала составным
звеном производственного процесса.
Она используется для управления технологическими процессами, электронно-вычислительными
машинами, роботами, промышленными предприятиями и т.д.
Непременным и одним из наиболее сложных и дорогостоящих элементов связи являются НСЭ, по которым передаются информационные
электромагнитные сигналы от одного абонента (станции, передатчика, регенератора и т.д.) к другому (станции, регенератору, приемнику
и т.д.) и обратно. Очевидно, что эффективность работы систем связи
во многом предопределяется качеством НСЭ, их свойствами и параметрами, а также зависимостью этих величин от частоты и воздейс

Тема 1

твия различных факторов, включая мешающие влияния сторонних
электромагнитных полей.
Различают два основных типа направляющих сред передачи: линии в атмосфере (радиолинии — РЛ) и направляющие системы передачи (линии связи). Особенностью радиолиний является распространение электромагнитных сигналов в свободном (естественном) пространстве (космос, воздух, земля, вода и т.д.). Дальность РЛ может
простираться от нескольких сотен метров, как, например, при первой
радиопередаче, осуществленной великим русским ученым А.С. Поповым в 1895 г., до сотен миллионов километров — расстояния между
автоматическими космическими аппаратами и земными станциями.
Особенностью направляющих систем электросвязи является то,
что распространение сигналов в них от одного абонента (станции, устройства, элемента схемы и т.д.) к другому осуществляется только по
специально созданным цепям и трактам, образующим направляющие
системы, предназначенные для передачи электромагнитных сигналов
в заданном направлении с должными качеством и надежностью.
Вышеуказанные особенности РЛ и НСЭ определяют их основные
свойства и области применения. Так, РЛ используются для осуществления связи на различные расстояния, часто между абонентами,
находящимися в движущемся относительно друг друга состоянии.
Характер распространения электромагнитных сигналов в различных средах в первую очередь зависит от частоты радиосигнала
(несущей частоты). B соответствии с этим различают следующие типовые диапазоны длин волн и радиочастот:

Сверхдлинные волны (СДВ). . . . . . . . . . . . . . . . .100...10 км (3...30 кГц)
Длинные волны (ДВ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10...1 км (30...300 кГц)
Средние волны (СВ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,0...0,1 км (0,3...3 МГц)
Короткие волны (KB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100...10 м (3...30 МГц)
Ультракороткие волны (УКВ) . . . . . . . . . . . . . . . 10...1 м (30...300 МГц)
Дециметровые волны (ДЦМ) . . . . . . . . . . . . . . . . 1...0,1 м (0,3 ...3 ГГц)
Сантиметровые волны (СМ) . . . . . . . . . . . . . . . . . 10...1 см (3...30 ГГц)
Миллиметровые волны (ММ) . . . . . . . . . . . . . . . . 10...1 мм (30...300 ГГц)
Оптический диапазон (ОВ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30...0,1 мкм (3 · 1013...3 · 1015 Гц)
В зависимости от длины волны (частоты) сигналы по радиолиниям распространяются следующим путем (рис. 1.1): ДВ и СВ —
поверхностным лучом (1), KB — пространственным лучом (2), УКВ
и ОВ — в пределах прямой видимости (3).
Кроме указанных выше достоинств радиолиний, определяемых
возможностью установления связи на огромные расстояния с подвижными объектами, отметим еще высокую скорость установления связи,
а также возможность обеспечения передачи массовым средствам информации (радиовещание и телевидение) с неограниченным числом
слушателей и зрителей.

Современная электрическая связь
9

Рис. 1.1. Распространение различных типов радиоволн

Основные недостатки РЛ (радиосвязи):
зависимость качества
связи от состояния среды передачи и сторонних электромагнитных
полей; недостаточно высокая электромагнитная совместимость в диапазоне метровых волн и выше; сложность аппаратуры передатчика
и приемника; узкополосность систем передачи, особенно на длинных
волнах и выше (отношение ∆F/fн < 0,1...0,6, где ∆F — ширина полосы частот информационного сигнала; fн — частота несущей радиосигнала).
С целью уменьшения этих недостатков в ходе развития радиосвязи интенсивно осваивались более высокие частоты (сантиметровые, оптические диапазоны), что позволило резко увеличить абсолютные значения ∆F, повысить пропускную способность радиоканалов,
создать узконаправленные системы радиосвязи на базе использования направленных антенн и лазерных устройств и привело к резкому уменьшению уровня помех и повышению степени электромагнитной совместимости.
Например, линии радиосвязи, работающие на
ДВ, СВ, КВ, позволяют осуществлять связь на большие расстояния,
но имеют небольшую пропускную способность и подвержены помехам. Поэтому эти РЛ занимают малый удельный вес в общем объеме

Рис. 1.2. Принцип работы радиорелейных линий

электросвязи и используются главным
образом для радиофикации и связи с
труднодоступными районами.
Радиорелейные линии (РРЛ) работают на дециметровых – миллиметровых волнах в пределах прямой видимости. Они представляют собой цепочку ретрансляторов, устанавливаемых примерно через каждые 50 км
(высота мачты 50...70 м) (рис. 1.2). При большей высоте антенной
мачты ретрансляционные участки могут быть увеличены до 70...100
км. Радиорелейные линии позволяют получать большее число кана

Тема 1

Рис. 1.3. Космическая связь с помощью ИСЗ

лов (300...1920) на большие расстояния (до 12500 км); они получили
широкое применение для телевидения, радиофикации и связи. Эти
линии в меньшей степени подвержены помехам, обеспечивают достаточно устойчивую и качественную связь, хотя степень защищенности
передачи по ним недостаточна.
Спутниковые линии связи (СЛ) используют, как и РРЛ, сантиметровый диапазон волн.
Спутниковые линии действуют на принципе ретрансляции сигналов, осуществляемой аппаратурой, расположенной на искусственном спутнике Земли (ИСЗ). Фактически ИСЗ —
это ретранслятор радиорелейной линии, поднятый на большую высоту (рис. 1.3).
Спутниковые линии позволяют осуществлять многоканальную связь на очень большие расстояния. На геостационарной
орбите высотой 36000 км спутник вращается со скоростью вращения
Земли (один оборот за 24 часа). B этом случае можно с помощью
трех спутников, расположенных под углом 120◦, обеспечить связь на
территории всего земного шара.
Спутниковые линии применяются в первую очередь для передачи программ вещания, телевидения и полос газет в труднодоступные
районы Сибири, Крайнего Севера и Дальнего Востока. Достоинством
СЛ является большая зона действия и передачи информации на значительные расстояния, к недостаткам относятся высокая стоимость
запуска спутника и сложность организации дуплексной телефонной
связи.
Достоинства НСЭ систем состоят в обеспечении требуемого качества передачи сигналов, высокой скорости передачи, большой за