УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ ПЕРЕКРЕСТНЫХ ПОМЕХ В МНОГОПРОВОДНЫХ ЛИНИЯХ СВЯЗИ

Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для передачи данных, имеющим внутреннее экранирование для снижения перекрестной помехи, в частности, к линиям передачи данных типа витая пара.
Из уровня техники известно УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ГРУППЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ И СИСТЕМА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ (патент RU 2313179), содержащее электронную схему, включенной между двумя выводами, которая 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 снижают за счет подавления помех между линиями. Для этого устройство содержит адаптивные фильтры, с помощью которого подавляются помехи в сигнале, передаваемом по линиям передачи.
Недостатками аналога являются:
подавление перекрестных помех в скрученных жилах кабеля осуществляется предпочтительно в пределах только одной звездообразной четверке или основной группы;
для формирования опорного сигнала требуется дополнительная (холостая) линия передачи.
Наиболее близким по технической сущности является УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПЕРЕКРЕСТНЫХ ПОМЕХ ЧЕТЫРЕХПРОВОДНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ (патент на ПМ №89293), содержащее два однотипных блока, включающих, по крайней мере, по одному трансформатору, каждый из которых содержит первичную обмотку и, по крайней мере, две вторичных обмотки, при этом реактивные сопротивления первичной и вторичных обмоток равны, а к первичным обмоткам трансформаторов подключены источники и/или получатели сигналов.
В прототипе рассматривается случай передачи только по 4-х проводной линии передачи типа две витых пары. Прототип не предполагает снижение перекрестных помех в кабелях с произвольным количеством витых пар.
Целью полезной модели является обеспечение возможности подавления перекрестных помех в многопроводных электрических кабелях с произвольным числом пар проводов.
При достижении цели полезной модели достигаемый технический результат обеспечивает снижение магнитных и электрических перекрестных помех, увеличение скрытности передачи данных, расширение диапазона рабочих частот и увеличение числа абонентов.
Цель полезной модели достигается за счет того, что прототип, содержащий два однотипных блока, включающих, по крайней мере, по одному трансформатору, каждый из которых содержит первичную обмотку и, по крайней мере, две вторичных обмотки, при этом реактивные сопротивления первичной и вторичных обмоток равны, к первичным обмоткам подключены источники и/или получатели сигналов, отличающееся тем, что для передачи данных по n парам проводов, каждый из двух блоков содержит n трансформаторов, каждый из которых содержит первичную и n вторичных обмоток, которые подключены к входам/выходам коммутаторов, n пар выходов/входов которых подключены к соответствующим парам проводов.
2
У коммутатора каждая из n пар входов может быть последовательно подключена, встречно подключена или не подключена к соответствующим парам выходов/входов, для нечетного числа пар проводов архитектура коммутатора определяется элементами матрицы Белевича размерностью n, а для четного числа пар проводов архитектура коммутатора определяется значением элементов матрицы Адамара размерностью n, при этом значениям матриц 1, -1 и 0 соответствуют последовательное подключение, встречное подключение и отсутствие подключения (разрыв) пары входов к соответствующей паре выходов.
В частности, n пар проводов выполнены из кабеля с n витыми парами.
В частности, провода выполнены из медных жил.
В частности, трансформаторы выполнены на связанных полосковых линиях.
Новизна полезной модели заключается в том, что обеспечивается возможность передачи сигналов с подавлением электрических и магнитных перекрестных помех по многопроводной линии связи с произвольным числом пар проводов за счет того, что коммутация выходных обмоток трансформаторов производится в соответствии со значениями матрицы Адамара или матрицы Белевича.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства для подавления перекрестных помех в многопроводных линиях связи.
На фиг. 2 представлен пример коммутации выходных обмоток трансформаторов для линии связи с 3 парами проводов.
На фиг. 3 представлен пример коммутации выходных обмоток трансформаторов для линии связи с 4 парами проводов.
На фиг. 4 приведены графики тестирования на ЭВМ эффективности подавления перекрестных электрических и магнитных помех на различных рабочих частотах:
фиг. 4а - затухание Lp в кабеле с 4 парами проводов длиной 300 м, где Lp1 - с трансформаторами (верхняя кривая), Lp - без трансформаторов;
фиг. 4б - параметр NEXT, где NEXT1 - с трансформаторами (нижняя кривая), NEXT - без трансформаторов;
фиг. 4в - параметр FEXT, где FEXT1 - с трансформаторами (нижняя кривая), FEXT - без трансформаторов.
11
12
1n
11
1n
21
2n
n1
nn
21
22
2n
Для многопроводной линии связи (ЛС) с n парами проводов (фиг. 1) устройство состоит из блока трансформаторов 1, который включает трансформаторы T1, T2, …, Tn к первичным обмоткам которых U, U, …, U подключены источники/приемники сигналов (на чертеже не указаны), а вторичные обмотки W, …, W, …, W, …, W, …, W, …, W подключены к соответствующим парам входов коммутатора 2. Пары выходов U, U, …, U коммутатора 2 подключены к проводам, которые на приемной стороне подключены к парам входов , , …,  коммутатора 3, пары выходов которого подключены к обмоткам , …, , , …, , …, , …,  трансформаторов T1′, T2′, Tn′ блока трансформаторов 4, а их обмотки , , …,  подключены к приемникам/передатчикам сигналов (на чертеже не указаны).
На фиг. 2 представлена коммутация выходных обмоток блока трансформаторов 5 во внутренней архитектуре коммутатора 6 для 3 пар проводов.
На фиг. 3 представлена коммутация выходных обмоток блока трансформаторов 7 во внутренней архитектуре коммутатора 8 для 4 пар проводов.
ii
i
На фиг. 1 приведены два одинаковых коммутатора 3 и 4, которые одноименными вторичными обмотками W терминальных трансформаторов T, соединены с многопроводной ЛС с количеством пар проводов i=1, 2, …n.
ii
ii
Трансформаторы Т1, Т2, Tn и T1′, T2′, Tn′ имеют одинаковые вторичные обмотки W и , реактивные сопротивления первичных обмоток трансформаторов U и  равны и в n раз больше реактивных сопротивлений вторичных обмоток, причем входное и выходное реактивные сопротивления трансформаторов выполнены равными друг другу.
T
Для электрических (медных) кабелей на основе n пар проводов элементы матрицы передачи [a] терминального трансформатора (блока трансформаторов) записываются следующим образом:
где A - матрица Адамара или Белевича размерностью п.
Матрица Белевича (конференц-матрица, или C-матрица) - квадратная матрица размерности, кратной 2, с нулевой диагональю и остальными элементами, равными ±1, обладающая свойством:
где I - единичная матрица.
Матрица Белевича размерности n используется для построения внутренней архитектуры коммутаторов при передаче данных по многопроводной ЛС с нечетным количеством n пар проводов.
Например, матрица передачи ЛС с 3 парами проводов (фиг. 2), запишется так:
Согласно [1] матрица Адамара - квадратная матрица A размерности n, кратной 4, состоит из чисел ±1, столбцы которой ортогональны:
Матрица Адамара размерности n используется для построения внутренней архитектуры коммутаторов при передаче данных по многопроводной ЛС с четным количеством n пар проводов.
Например, матрица передачи линии связи с 4 парами проводов (фиг. 3), запишется так:
Для примера на фиг. 3 и фиг. 4 приведены схемы коммутации трансформаторов для 3 и 4 парных проводных линий связи. Условные обозначения:
0 - холостой ход (разрыв);
1 - последовательное соединение обмоток;
-1 - встречное включение обмоток.
Работа устройства основана на том, что для передачи сигналов на связанных типах мод источники и получатели сигналов следует подключать к многопроводным ЛС через блоки трансформаторов 1, 4 и коммутаторы 2, 3. Тогда, если внутренняя архитектура коммутаторов определяется значениями матриц Белевича или Адамара, то вход и выход многопроводной линии связи будут соединены несвязанными длинными ЛС напрямую.
Подробно физические основы компенсации паразитной электрической и магнитной связи между проводами описаны в прототипе и источнике [2].
Расчеты на ЭВМ для 3 парной и 4 парной ЛС показал, что использование терминальных трансформаторов в диапазоне 1-1000 МГц снижает в них затухание до 4 дБ (фиг. 4а), коэффициенты перекрестных помех NEXT (фиг. 4б) и NEXT (фиг. 4в) до -250 дБ, что подтверждает достижение цели полезной модели.
При передаче сигналов по ЛС с использованием терминальных трансформаторов повышается скрытность передачи.
Для дешифровки сообщений необходимо подключаться ко всем парам ЛС, которых может быть десятки и сотни в одном кабеле. А поиск матриц Адамара и Белевича высоких порядков требует больших вычислительных ресурсов ЭВМ [3].
Для снижения перекрестных помех в системах связи, вычислительной технике широко используются ЛС типа витая пара. Это позволяет в ОВЧ диапазоне несколько снизить перекрестную связь между линиями и увеличить частотный диапазон ЛС. Но в УВЧ диапазоне скрутка только ухудшает рабочие характеристики таких ЛС [4]. Поэтому использование терминальных трансформаторов исключает скручивание проводов в ЛС, тем самым упрощается производство кабелей и снижается их стоимость.
Из приведенных рабочих характеристик (фиг. 4а-в) видно, что частотный диапазон многопроводных кабелей существенно увеличился.
Использование терминальных трансформаторов увеличивает расстояние передачи, т.к. передача каждого сигнала идет параллельно, по всем проводникам, что снижает потери (см. фиг. 4а).
Использование терминальных трансформаторов расширяет частотный диапазон и, следовательно, увеличивает скорость передачи данных.
В настоящее время, из-за больших перекрестных помех в таких ЛС подключение удаленных абонентов производят отдельным кабелем на расстоянии не более 100 м. Использование терминальных трансформаторов позволят одним многопроводным кабелем подключать множество абонентов, например, к серверу или хабу на расстояниях более 100 м, которые смогут работать на скоростях выше 100 Мбит/с и на расстояниях более 300 м.
Источники информации:
1. Балонин Н.А., Сергеев М.Б. М-матрицы // Информационно-управляющие системы. 2011. №1. С. 14-21.
2. Федоров В.Н., Заболоцкий П.И. Вывод дифференциальной матрицы передачи многопроводной неоднородной линии связи / Современные проблемы радиоэлектроники. Красноярск. Сиб. фе-дер. ун-т, 2013, с. 285-287
3. Ерош И.Л., Сергеев М.Б., Филатов Г.П. О защите цифровых изображений при передаче по каналам связи // Информационно-управляющие системы. 2007. №5. С. 20-22.
4. Вишняков Е, Хвостов Д. Скрутка проводов и перекрестные помехи // Кабель-news. - 2010 - №10 - с. 40-47