СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ПЕРЕКРЕСТНЫХ ПОМЕХ В ЧЕТЫРЕХПРОВОДНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
METHOD TO REDUCE CROSSTALK IN FOUR-WIRE ELECTRIC DATA TRANSFER LINES

Настоящее решение, в целом, относится к способам с улучшенными рабочими характеристиками и, в частности, предназначенным для передачи данных, имеющей внутреннее экранирование для снижения перекрестной помехи.
Из уровня техники известно устройство для определения однофазных замыканий на землю в воздушных сетях с изолированной нейтралью (патент RU 2255404), содержащее трансформатор напряжения, блок сравнения фаз для каждого защищаемого присоединения, исполнительный блок, подключенный к выходу блока сравнения фаз, трансформатор тока нулевой последовательности для установки в ячейку с воздушным выходом, включающую измерительные трансформаторы тока, проходные изоляторы и высоковольтный выключатель, отличающееся тем, что в него введены входной преобразователь и блок управления, причем входы входного преобразователя соединены с выводами вторичной обмотки трансформатора напряжения, а выход подключен к первому входу каждого блока сравнения фаз и к входу блока управления, первый и второй выходы которого соединены соответственно со вторым и третьим входами блоков сравнения фаз, третий выход блока управления подключен к управляющему входу исполнительного блока, а в качестве трансформаторов тока нулевой последовательности использованы кабельные трансформаторы, устанавливаемые в каждую ячейку с воздушным выходом с помощью специальной конструкции из трех гибких проводов в изоляции, выводы вторичных обмоток которых подключены к четвертым входам соответствующих блоков сравнения фаз, а первичная обмотка трансформатора тока нулевой последовательности образована проводами фаз А, В, С, протянутыми через окно сердечника, одни концы которых соединены с контактами высоковольтного выключателя ячейки с воздушным выходом, а другие концы подключены к соответствующим проходным изоляторам: по фазе В непосредственно, а по фазам А и С - через измерительные трансформаторы тока.
Решение предназначено только для сигнализации и защиты в трехфазных цепях, но не для передачи данных.
Из уровня техники известен ЭКРАНИРОВАННЫЙ РАЗЪЕМ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ (патент RU 2313179). Изобретение относится к электрическому разъему, в частности к вилке для передачи данных, имеющей внутреннее экранирование для снижения перекрестной помехи и предназначенной для использования с кабелем, имеющим множество проводов, скомпонованных в виде множества пар. Вилка содержит корпус и загрузочную планку, установленную внутри корпуса. В загрузочную планку устанавливают провода в определенном положении по отношению друг к другу. В корпусе установлен также экранирующий элемент, выполненный электропроводным и экранирующий первую пару проводов, вторую пару проводов, третью пару проводов и четвертую пару проводов. В экранирующем элементе выполнена первая выемка, имеющая размеры, позволяющие осуществлять контроль над уровнем перекрестной помехи между первой парой проводов и второй парой проводов. Технический результат - повышение скорости передачи данных.
Данное решение позволяет уменьшить перекрестные помехи только на ближнем (передающем) конце (ППБК, NEXT).
Из патента US 5970088, например, известен способ компенсации для пула из N идентичных логических модемов для цифровых абонентских линий типа MDSL. Он служит для компенсации перекрестных помех на ближнем конце (ППБК). Передатчики модемов синхронизированы посредством тактового генератора. Принимаемые N модемами сигналы после приема освобождаются от помех с помощью компенсационной схемы. Компенсационная схема состоит из N субблоков, каждый из которых соотнесен с соответствующим модемом. Субблок включает в себя N адаптивных фильтров, выходной сигнал которых служит для коррекции сигнала, который уже принят модемом и преобразован в цифровую форму. В качестве опорного сигнала для адаптивных фильтров служит сигнал передачи, переданный соответствующим одним из N модемов. Выходные сигналы всех адаптивных фильтров субблока объединяются и применяются для коррекции уже принятого сигнала приема.
Способ компенсации, описанный в данном решении, требует N идентичных модемов и N адаптивных фильтров и только для цифровых абонентных линиях типа MDSL и поэтому не пригоден для подавления помех в любой системе.
Наиболее близким аналогом является УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ГРУППЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ И СИСТЕМА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ (патент RU 2313179), в частности группы медных пар жил, путем подавления перекрестных помех, причем данные передаются по упомянутым линиям передачи данных соответственно от одного или более передающих устройств, содержащее электронную схему, включенной между двумя выводами, причем электронная схема содержит, по меньшей мере, один адаптивный фильтр, который вырабатывает выходной сигнал для коррекции сигнала, передаваемого по первой линии передачи данных, при этом опорный сигнал для адаптивного фильтра представляет собой, по меньшей мере, один отводимый от второй линии передачи сигнал и/или внешний сигнал, а сигналом ошибки для адаптивного фильтра является скорректированный сигнал, передаваемый по первой линии передачи данных, при этом один вывод используется для подключения к внешней группе упомянутых линий передачи данных, а другой вывод используется для подключения к другой внешней группе упомянутых линий передачи данных или к одному или нескольким передающим устройствам.
В данном решении влияние перекрестных помех в аналогах снижали за счет подавления помех между линиями. Для этого устройство содержит адаптивные фильтры, с помощью которого подавляются помехи в сигнале, передаваемом по линиям передачи.
Недостатки: 1) для подавления перекрестных помех требуется априорное знание характеристик неискаженного передаваемого сигнала (что не всегда возможно), так как адаптивные фильтры для снижения или компенсации помех неизвестного характера в линии передачи вырабатывают компенсационный сигнал, который формируется вычитанием из полученного сигнала неискаженного; 2) для формирования опорного сигнала требуется дополнительная (холостая) линия передачи; 3) для формирования опорного сигнала требуется антенна; 3) подавление перекрестных помех в скрученных жилах кабеля осуществляется предпочтительно в пределах только одной звездообразной четверки или основной группы; 4) использование адаптивных фильтров усложняет системы передач; 5) появление перекрестных помех всегда сопровождается потерей энергии передаваемых сигналов, а их подавление - дополнительной потерей энергии; 6) пригоден для подавления помех только в цифровых электрических линиях передачи.
Целью изобретения является устранение недостатков, присущих прототипу.
Технический результат: обеспечивается повышение скрытности сигнала; для подавления перекрестных помех не требуется априорное знание характеристик неискаженного передаваемого сигнала; не нужен опорный сигнал, поэтому не требуется дополнительная (холостая) линия передачи; для формирования опорного сигнала не требуется антенна; возможность снижения перекрестных помех в любых электрических линиях передачи.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что способ снижения перекрестных помех в четырехпроводных электрических линиях передачи данных, характеризующийся использованием группы медных пар жил так, что данные передаются по упомянутым линиям передачи данных соответственно от двух передающих устройств и двух приемных, отличающийся тем, что вход и выход четырехпроводной линии связи подключают к однотипному устройству, которое содержит:
трансформатор, на каждом из двух сердечников которого размещена входная обмотка, первая и вторая выходные обмотки, причем первые выходные обмотки сердечников включены последовательно, вторые выходные обмотки сердечников включены встречно, а реактивные сопротивления входных обмоток равны и в два раза больше реактивных сопротивлений выходных обмоток, причем входное и выходное реактивные сопротивления однотипных устройств выполнены равными друг другу;
к трансформатору через входные обмотки подключают источники и/или получатели сигналов, к выходным обмоткам включенных последовательно подключают первую витую пару, а к выходным обмоткам, включенным встречно, подключают вторую витую пару, а один провод каждой пары заземлен;
при поступлении сигналов на входы трансформатора на выходных обмотках образуются суммарный и разностный сигналы, соответствующие «четному» и «нечетному» типу мод, которые передают затем по витым парам на выходы другого трансформатора.
Кроме того, сердечники трансформатора выполняют из ферромагнитных материалов.
Для электрических (медных) кабелей на основе двух витых пар проводов трансформатор содержит (см. схему трансформатора для электрических (медных) кабелей на основе двух витых пар проводов на чертеже) два сердечника, выполненных из ферромагнитных материалов, на каждом из которых размещены, соответственно, входные обмотки 1 и 2, по две выходные обмотки 3, 4 и 5, 6, выходные обмотки 3, 6 сердечников включены встречно, выходные обмотки 4, 5 включены последовательно, причем реактивные сопротивления входных обмоток 1, 2 равны и в два раза больше реактивных сопротивлений выходных обмоток 3, 4, 5, 6. Входное и выходное реактивные сопротивления трансформатора выбирают равными друг другу. К трансформатору через входные обмотки 1 и 2 подключаются источники и/или получатели сигналов, а к выходным обмоткам 3, 6 подключается одна витая пара, а к выходным обмоткам 4, 5 подключается другая витая пара. На чертеже 7 - четырехпроводная линия связи, 8 - источник/получатель сигнала. В заявленном решении не используется подавление или компенсация, которые требуют расхода дополнительной энергии, усложнения схемных решений, введения активных элементов. Передача сигналов ведется на разных типах (модах) поперечных (ТЕМ-волн) электромагнитных волн, возникающих в N-проводной системе. Используется свойство электромагнитных волн распространяться вдоль проводников, порождая в них электрический ток. Это следует из уравнений Максвелла. Из них же следует, что в N-проводной системе возникает N-1 типов (мод) поперечных электромагнитных волн, которые возбуждают связанные токи в этих проводниках. Каждый тип (мода) электромагнитных волн возбуждает свою комбинацию связанных токов. В каждом проводнике ток является суммой связанных токов. Поэтому, если в проводниках вызвать заданную комбинацию амплитуд и фаз связанных токов, то возбудится заданный тип (мода) поперечных электромагнитных волн. Причем эти моды не обмениваются энергией, не взаимодействуют друг с другом.
Когда сигнал от одного источника поступает на вход трансформатора, то сигнал возбуждает в четырехпроводных электрических линиях передачи данных только один тип моды. На выходе четырехпроводных электрических линий передачи данных трансформатор преобразует электромагнитные колебания этой моды в сигнал одного получателя, у другого получателя сигнал будет отсутствовать.
В четырехпроводных электрических линиях передачи данных можно возбудить два типа электромагнитных волн - «четный (even)» и «нечетный (odd)», отличающиеся друг от друга только направлениями возбуждаемых ими токов в проводниках из-за симметричности конструкции таких линий. Третий тип электромагнитных волн подавляется заземлением одного проводника каждой пары. «Четный» тип волн порождает в двух проводниках движение токов в одном направлении. «Нечетный» тип волн порождает в этих проводниках встречное движение токов. Но амплитуды этих токов будут одинаковыми, так как все проводники в четырехпроводных электрических линиях передачи данных одинаковы.
На входе трансформатор и четырехпроводная электрическая линия передачи данных включены последовательно. Сигнал, поступающий на 1-ый вход трансформатора, вызывает на двух выходах одно направление токов, что возбуждает только «четный» тип моды в подключенной четырехпроводной электрической линии передачи данных. Сигнал, поступающий на 2-ой вход трансформатора, вызывает на двух выходах встречное направление токов, что возбуждает только «нечетный» тип моды в подключенной четырехпроводной электрической линии передачи данных. В результате в четырехпроводной электрической линии передачи данных распространяются два типа мод, не взаимодействующих друг с другом.
На выходе четырехпроводная электрическая линия передачи данных и трансформатор включены встречно. Сигналы 1-й и 2-й витой пары в трансформаторе на 1 входе суммируются и «четный» тип моды трансформатор преобразует в сигнал 1-го входа, а на 2-м входе сигнал будет отсутствовать. Сигналы 1-й и 2-й витой пары в трансформаторе на 2 входе вычитаются и «нечетный» тип моды трансформатор преобразует в сигнал 2-го входа, а на 1-м входе сигнал будет отсутствовать.
В данном изобретении рассматривается случай передачи по 4-проводной линии передачи типа две витых пары. Если количество витых пар будет 3, 4, 5… или если рассматривать несимметричные многопроводные линии передачи, то соединение и сами выходные обмотки будут иными (нужны другие коэффициенты трансформации по току и напряжению). Это достаточно сложно технически реализуемо и поэтому в данной заявке не рассматривается.
В многосвязных системах, в частности, в многопроводных линиях связи возбуждается множество типов электромагнитных волн. Но распространяться (переносить энергию) могут только волны типа ТЕМ (поперечные). Но из-за того, что они не совсем «плоские», их называют квази-Т-волнами. Разные типы Т-волн возникают в многопроводных линиях связи при передаче сигналов даже по одной линии. Это вызвано существованием распределенной электрической и магнитной связи между линиями. Этот факт общеизвестен (см., например, [4]).
В работе [1] показано, что в многопроводных линиях (кабелях) связи распространяются связанные типы поперечных электромагнитных волн (моды), которые можно назвать квази-Т-волнами (квази-TEN-волнами). Эти моды одновременно возбуждаются на одном конце линий и распространяются, переходя (наводясь) из одной линии в другую. В работе [2] показаны условия возбуждения каждого типа мод.
Эти моды не взаимодействуют друг с другом. Поэтому передача сигналов на связанных типах волн в многопроводных линиях позволит существенно снизить перекрестные помехи и потери. В работе [3] приведена теоретическая возможность передачи сигналов на каждом из типов мод. Для передачи сигналов на связанных типах мод источники и получатели сигналов подключаются к многопроводным линиям связи через трансформаторы.
В работе [1] доказано, что в многопроводных линиях энергия переносится разными (получивших название «связанные») типами электромагнитных волн (мод), приведены теоретические и экспериментальные результаты, подтверждающие это. В общем случае скорость распространения и соотношение между электрической и магнитной составляющей (волновое сопротивление) у разных типов волн разное. Также в работе [1] получены выражения для расчета элементов матрицы передачи [а] многопроводных линий, связывающие входные и выходные токи и напряжения в этих линиях.
В работах [2, 3] показано, что суммарная падающая мощность вдоль многопроводной линии не меняется и остается постоянной, но суммарная мощность при распространении осциллирует (колеблется), перетекая из одной линии в другую и обратно. Это вызвано тем, что энергия сигнала распределяется между модами, а путь распространения у каждой моды свой. Пути распространения мод, длина периода осцилляции определяются погонными параметрами многопроводных линий и условиями возбуждения (это определяется соотношением между напряжениями на входах линий).
Моды не взаимодействуют друг с другом. Объясняется это следующим. В работах [2, 3] показано, что матрица передачи [а] многопроводных линий описывает каскадное соединение терминальных (концевых) трансформаторов и несвязанных длинных линий. По каждой такой длинной линии распространяется свой тип волн (своя мода), а трансформаторы преобразуют входные и выходные токи и напряжения в связанные токи и напряжения этих мод. Фактически каждая длинная линия - это путь распространения этой моды. Путь этот может не совпадать с геометрическим путем.
T
T
-1
Если последовательно включить два терминальных трансформатора, описываемых матрицами передачи [а] и [а] , соответственно, то коэффициент передачи этой системы по напряжению и току будет равен 1, входные напряжение и ток будут равны выходным напряжению и току (работа одного трансформатора скомпенсировала работу другого) (см., например, [3]).
T
Для электрических (медных) кабелей на основе двух витых пар проводов элементы матриц передачи [а] терминального трансформатора записываются следующим образом, [2]:
Для передачи сигналов на связанных типах мод источники и получатели сигналов следует подключать к многопроводным линиям связи через терминальные трансформаторы. Тогда, если вход и выход многопроводной линии нагрузить терминальными трансформаторами, включенными встречно, которые скомпенсируют электрическую и магнитную связь между ними, то вход и выход многопроводной линии будут соединены несвязанными длинными линиями напрямую.
Передача сигналов на связанных типах волн в многопроводных линиях позволит существенно снизить перекрестные помехи. Это объясняется следующим. В многопроводных линиях связи перекрестные помехи растут с увеличением длины линий. Так, кабели типа UTP-3, DTP-5 не используются, как правило, на расстояниях более 100 м. Если вход и выход таких многопроводных линий будут соединены несвязанными линиями, мы исключаем перекрестные помехи при любой длине.
В заявленном изобретении используется линия, содержащая четыре одинаковых провода (две связанные линии, кабель типа UTP-3).
1
e
o
2
Рассмотрим две витых пары проводов (например, кабель типа UTP-3). Это симметричный кабель с четырьмя проводниками, у которого погонные параметры всех проводов одинаковы. Если один провод каждой пары заземлить, то согласно (1) в любом сечении (в т.ч. по концам линий) напряжение U в первой линии равно сумме мод «четной» U и «нечетной» U, а напряжение U во второй линии равно разнице этих мод, соответственно:
Из (1) следует, что
Следовательно, «четная» мода равна сумме напряжений линий на входе, а «нечетная» равна разности этих напряжений. Токи этих напряжений связаны с напряжениями через волновые сопротивления, тоже «четные» и «нечетные»:
Поэтому для преобразования напряжений удобно использовать трансформаторы.
Ферромагнитные сердечники нужны для магнитной связи между входными и выходными обмотками в области высоких частот. Два сердечника нужны для исключения связи между входами 1 и 2 (см. чертеж) по магнитному потоку.
Последовательное включение выходных обмоток 4 и 5 позволяет возбудить «четный» тип моды в линиях согласно (3).
Встречное включение обмоток 3 и 6 позволяет возбудить «нечетный» тип моды в линиях согласно (4).
Реактивные сопротивления входных обмоток 1, 2 делают равными потому, что погонные параметры всех проводов одинаковы [1, 2, 3]. Реактивные сопротивления входов больше выходных обмоток в два раза, чтобы обеспечить соотношения (3) и (4).
Состав устройства на входе четырехпроводной линии передачи: трансформаторы с сердечниками, их число равно количеству входов; сердечники необязательно ферритовые, но для передачи высокочастотных сигналов они предпочтительнее; число входных обмоток равно количеству входов; число выходных обмоток каждого сердечника равно количеству мод; проводники (линии передачи, между которыми уменьшаем паразитную связь), их число равно удвоенному числу входов, т.к. каждый второй провод - обратный или земля. Для уменьшения паразитных связей необходимо включить на входе и выходе линии передачи два одинаковых устройства, реализованных изобретением, включенных последовательно и встречно. В результате изобретение можно использовать для увеличения скрытности, т.к. передача сигналов ведется одновременно по всем линиям передачи, и выделить какой-то один сигнал достаточно сложно, если количество проводников велико (десятки, сотни).
В устройстве для подавления перекрестных помех не требуется априорное знание характеристик неискаженного передаваемого сигнала, а для формирования опорного сигнала не требуется дополнительная (холостая) линия передачи. Для формирования опорного сигнала в заявленном устройстве не требуется антенна.
Как следствие всего вышеописанного, устройство пригодно для снижения перекрестных помех в любых электрических линиях передачи.
Принцип работы способа состоит в следующем.
Четырехпроводная линия связи подключена к двум передатчикам и двум приемникам через трансформаторы. При поступлении сигналов на входы 1 и 2 трансформатора на обмотках 4, 5 и 3, 6 образуются суммарный и разностный сигнал, соответствующие «четному» и «нечетному» типу мод, которые передаются затем по витым парам 1 и 2. Другие концы этих витых пар подключены к выходу такого же трансформатора. Сигналы из витых пар 1 и 2 поступают на выходные обмотки 5, 6 и 3, 4, суммируются и вычитаются и поступают на входы 1 и 2. Благодаря двойному суммированию и двойному вычитанию сигналов устраняются искажения сигналов, связанных с влиянием перекрестных помех.
Источники информации
1. Воробьев П.А., Малютин Н.Д., Федоров В.Н. Квази-Т-волны в устройствах на связанных полосковых линиях с неуравновешенной электромагнитной связью // Радиотехника и электроника, 1982. Т.27. N 9. С.1711-1718.
2. Федоров В.Н. Исследование волновых процессов в связанных полосковых линиях и разработка на их основе быстродействующих аттенюаторов и динамических корректоров: Дис. канд. техн. наук. Томск: ТУСУР, 1999, 172 с.
3. Федоров В.Н. Связанные волны в информационных и телекоммуникационных системах / INTERMATIC - 2006 // Материалы Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения», 24-28 октября 2006 г., г.Москва. - М.: МИРЭА, 2006, часть 2. - с.7-10.
4. Григорьев А.Д. Электродинамика и микроволновая техника: Учебник. 2-е изд., доп. - СПб.: Лань, 2007. - 704 с.