Проектирование кабельной линии связи на участке Сарапул – Кильмезь

Министерство образования  и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

Государственное Образовательное  Учреждение

Высшего Профессионального Образования

Ижевский Государственный Технический Университет

Кафедра «Сети связи и телекоммуникационные системы»

 

 

 

 

 

 

Пояснительная записка

к курсовому проекту

по дисциплине «Направляющие  системы электросвязи»

на тему «Проектирование  кабельной линии связи на участке

Сарапул – Кильмезь»

Вариант № 3

 

 

 

 

Выполнил

 

         

           Проверил

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание:

Введение………………………………………………………………...…3

1. Выбор оптимального варианта трассы кабельной линии связи...….5
2. Расчет конструкции кабеля………………………………………….10

1. Выбор типа кабеля и способа организации связи…………..….10

2. Расчет конструкции кабеля………………………………….…..11

3. Расчет параметров передачи кабельной цепи……………………...14

1. Расчет первичных параметров передачи……………………….15

2. Расчет вторичных параметров передачи……………………….18

4. Размещение усилительных (регенерационных) пунктов по

трассе кабельной цепи……………………………………………….22

5. Расчет параметров взаимных влияний между цепями………….…24
6. Прокладка коаксиальных кабелей…………………………………..28
7. Заключение……………………………………………………….…..40
8. Список литературы……………………………………………….….41

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Наряду с перспективными волоконно-оптическими линиями передачи (ВОЛП) на магистральных и внутризоновых сетях связи России в настоящее время широко используются симметричные и коаксиальные электрические кабели связи (ЭКС).

Особое место занимают кабельные линии связи, обладающие хорошей защищенностью каналов  связи от атмосферных влияний и различных помех, высокой эксплуатационной устойчивостью и долговечностью. Коаксиальные кабели находятся в преимущественном положении по сравнению с симметричными кабелями и являются наиболее перспективной конструкцией для передачи широкополосной информации, что очень важно в современных условиях. Основными достоинствами коакиальных кабелей являются возможность передачи широкого спектра частот до 10⁹ Гц, высокая защищенность от взаимных влияний и внешних помех, возможность осуществления связи по однокабельной системе.

В рамках данного курсового  проекта необходимо разработать  кабельную линию связи (КЛС) на участке Сарапул – Кильмезь для работы в цифровой системе передачи ИКМ-480 с использованием малогабаритного коаксиального кабеля с медными жилами диаметром 1,2/4,6 мм, с изоляцией полиэтил шайбовая и алюминиевой оболочкой.

Спроектированная и построенная КЛС заменит собой существующую устаревшую линию связи с низкой пропускной способностью и позволит:

• удовлетворить растущий спрос на современные телекоммуникационные услуги;
• обеспечить перспективное развитие интегральной цифровой связи в области предоставления услуг связи согласно с изменяющимися потребностями клиентов;
• получить на этой основе возможную дополнительную прибыль, которая обеспечит дальнейшее развитие телекоммуникационных систем и сетей связи.

При проектировании КЛС  на участке Сарапул – Кильмезь необходимо решить ряд следующих  задач:

• выбор и обоснование оптимального варианта трассы кабельной линии связи;
• выбор типа кабеля и способа организации связи;
• расчет конструкции кабеля;
• расчет первичных и вторичных параметров передачи кабельной цепи;
• расчет длины усилительного участка, числа усилительных (регенерационных) пунктов и определение их размещения по трассе кабельной линии;
• расчет параметров взаимных влияний между цепями и сравнение полученных параметров с нормами;
• оформление необходимых чертежей.

Итогом всей выполненной  работы должно стать заключение, в  котором будут указаны основные результаты проектирования кабельной  линии связи на участке Сарапул – Кильмезь.

Исходные данные к  ТЗ вариант № 3:

• Пункты назначения: Сарапул – Кильмезь.
• Система передачи: ИКМ-480.
• Тип кабеля: малогабаритный коаксиальный.
• Материал проводников: медь.
• Диаметр жил, d [мм]: 1,2/4,6 мм.
• Материал изоляции: полиэтиленовая шайбовая.
• Материал оболочки: алюминий.
• Количество заданных телефонных каналов N_тф: 960.
• Число заданных двухсторонних телевизионных каналов, n: 0.

 

 

 

1. Выбор оптимального варианта трассы кабельной линии связи.

 

В соответствии с техническим  заданием необходимо создать кабельную линию связи между Сарапулом и Кильмезем. Физически создание КЛС реализуется путем прокладки между этими населенными пунктами кабеля связи по определенной трассе и установкой различного оборудования по всей длине связи. Перед выбором трассы опишем основные свойства местности между Сарапулом и Кильмезем, влияющие на этот выбор:

• преобладает низменный рельеф местности, высота не превышает 300 метров над уровнем моря; в бассейне реки Кильмезь местами присутствует заболоченная низменность;
• растительность представлена широколиственными и хвойными лесами;
• преобладают дерново-подзолистые и серые лесные почвы;
• наличие довольно большого количества маленьких рек;
• климат умеренно континентальный, среднегодовое выпадение осадков составляет примерно 500 мм;
• средняя температура января от -14°С до -15 °С, июля +17°С до +19 °С;
• Сарапул и Кильмезь расположены в центральной части России, где развитая инфраструктура, средняя плотность населения и относительно большое количество автомобильных дорог.

Теперь определим три  возможных варианта трассы КЛС между  Сарапулом и Кильмезем (рисунок 1.1).

 

 

 

 

 

 

 

 

Вариант 1. Трасса проходит вдоль шоссейных автомобильных дорог через следующие населенные пункты: Сарапул, Дикуши, Каменное, Ижевск, Пирогово, Постол, Рябиновка, Нылга, Мульшур, Ува, Сюровай, Дмитрошур, Сюмси, Русская Бабья, Валма, Кильмезь. Имеются пересечения с следующими реками: Иж, Постолка, Нылга, Ува, Какмож, Пижил и другие мелкие реки. Общая протяженность трассы составляет примерно 277 км.

Вариант 2. Трасса сначала проходит вдоль автомобильной дороги протяженностью 66 км от Сарапула до Малой Бодьи. Далее кабель прокладывается методом воздушной подвески на железной дороге, проходящей через следующие населенные пункты: Малая Бодья, Постольский, Пугачево, Совхозный, Большая Венья, Ижевск, Сентег, Кияик, Азино, Областная, Квака, Каркалай, Подмой, Ува, Русская Тукля, Ува-Тукля, Рябово, Ольховка, Вавож, Какмож, Инга, Гуляевская площадка, Пижил, Сюрек, Муки-Какси, Полянка, Кильмезь. Общая протяженность трассы составляет примерно 245 км.

Вариант 3. Трасса сначала  проходит вдоль автомобильных и  грунтовых дорог через следующие  населенные пункты: Сарапул, Дикуши, Бураново, Кечево, Яган, Малая Бодья, Малая  Пурга, Абдульменево, Столярово, Кечур, Вишур, Кулаево, Сизяшур, Подгорная, Русский Пычас, Удмуртский Лоллез, Русский Лоллез, Новая Вамья, Нылга, Яголуд, Большая Докья, Вавож, Квачкам, Нюрдор-Котья. Далее кабель прокладывается методом воздушной подвески на железной дороге, проходящей через Нюрдор-Котью, Какмож, Ингу, Гуляевскую площадку, Пижил, Сюрек, Муки-Какси, Полянку, Кильмезь. При прохождении трассы вдоль автомобильных и грунтовых дорог имеются пересечения с следующими реками: Иж, Сюзяшурка, Лудзя, Пужминка и другие мелкие реки. Общая протяженность трассы составляет примерно 203 км.

Основные характеристики прокладки трассы КЛС для всех трех вариантов представлены в Таблице 1.1. Данные, указанные в Таблице 1.1, определены на основании изучения картографического  материала и природных условий  районов прохождения трассы.

В качестве базового выбираем вариант № 3, поскольку в этом случае протяженность трассы меньше на 74 км по сравнению с вариантом  № 1 и на 42 км – по сравнению с  вариантом № 2. Также третий вариант  по сравнению со вторым предполагает значительно меньший объем ручных работ, требующих внушительных материальных, временных и трудовых затрат; а существенным преимуществом третьего варианта перед первым является гораздо меньшее количество переходов через несудоходные реки, железные и шоссейные дороги. Таким образом, вариант № 3 прокладки трассы КЛС является лучшим по всем показателям между первым и вторым вариантами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Таблица 1.1. Характеристика трассы прокладки кабеля по вариантам.

Характеристика трассы	Единицы измерения	Количество единиц по вариантам
		1	2		3
Общая протяженность  трассы: вдоль железных дорог вдоль шоссейных дорог вдоль грунтовых дорог бездорожье	км	277 - 277 - -	245 169 76 - -	203 49 100 54 -
Местность по трассе: открытая застроенная залесенная	км	160 15 102	76 16 153	120 12 71
Способы прокладки кабеля: кабелеукладчиком вручную в канализации подвеска	км	261 9 7 -	66 7 3 169	139 5 10 49
Количество переходов: судоходные и сплавные реки несудоходные реки железные дороги шоссейные дороги	1 переход	- 11 3 11	- 7 1 4	- 4 1 10
Количество обслуживаемых  регенерационных пунктов	1 пункт	1	1	1

 

 

 

 

2. Расчет конструкции кабеля.

1. Выбор типа кабеля и способа организации связи.

 

Исходя из индивидуального  технического задания, для проектирования КЛС используется малогабаритный коаксиальный кабель с медными жилами диаметром 1,2/4,6 мм, полиэтил – шайбовой изоляцией жил и алюминиевой оболочкой.

На основании общего числа каналов для организации  связи между заданными пунктами определяется число пар кабеля, при  этом один двухсторонний телевизионный канал эквивалентен 1600 высокочастотным (ВЧ) телефонным каналам, то есть общее число ВЧ телефонных каналов будет равно:

                                    N_ВЧ = N_ТФ + n · 1600,                                       (2.1)

где N_ТФ = 960 – количество заданных телефонных каналов; n = 0 – число заданных двухсторонних телевизионных каналов.

N_ВЧ = 960 + 0 · 1600 = 960.

Число пар в кабеле n_пар может быть определено из выражения:

                                    n_пар = N_ВЧ / N_СП,                                          (2.2)

где N_СП = 480 – число ВЧ телефонных каналов, организуемых заданной многоканальной системой передачи.

n_пар = 960 / 480 = 2.

Полученное расчетом число пар кабеля размещается  в сердечнике кабеля в зависимости  от способа организации связи, который для каждой конкретной линии определяется проектом. На магистральных кабельных линиях связи (МКЛС). Прокладываемых между сетевыми узлами первого класса и соединяющих между собой на территории страны сети разных зон, используется четырехпроводная схема организации связи, при которой различные направления передачи осуществляются по разным двухпроводным цепям в одном и том же линейном спектре частот. При этом способ организации связи по коаксиальному кабелю – однокабельный, то есть цепи передачи и приёма размещены в одном кабеле.

Таким образом, полученное расчетом по формуле (2.2) число пар в коаксиальном кабеле должно быть удвоено:

                                    n_КП = 2N_ВЧ / N_СП = 4.                                   (2.3)

Исходя из технического задания и расчета количества четверок, определим марку кабеля:

МКТА – 4 - 1,2/4,6

В процессе прокладки  линии будет использоваться два  типа кабеля:

• МКТАШп – 4 – 1,2/4,6 – магистральный коаксиальный телефонно – телевизионный кабель в алюминиевой и полиэтиленовой оболочке – для прокладки в телефонной канализации;
• МКТАБп – 4 – 1,2/4,6 – магистральный коаксиальный телефонно – телевизионный кабель в алюминиевой и полиэтиленовой оболочке с защитным покровом типа Бп (броня из стальных лент) – для прокладки в грунте и на подвесах.

 

 

2. Расчет конструкции кабеля.

 

Целью расчета конструкции  кабеля является определение размеров конструктивных элементов кабеля, необходимых  для дальнейших расчетов электрических  параметров, а также в определении  диаметров кабеля и выборе толщины оболочки и защитных покровов.

По заданному значению диаметра внутреннего проводника и  изоляции коаксиальной пары (КП) прежде всего определяем внутренний диаметр  внешнего проводника, исходя из нормируемого значения волнового сопротивления Z_в = 75 Ом,

                                       Z_в =

· ln , Ом,                                            (2.4)

где ε – значение эквивалентной  относительной диэлектрической  проницаемости изоляции; d – диаметр внутреннего проводника, мм; D – внутренний диаметр внешнего проводника, мм.

Отсюда D определится из выражения:

                              D = d ·

  = d · , мм.                          (2.5)

D = 1,2 ·

= 7 мм.

Наружный диаметр КП определяется по формуле:

                                             D_КП = D + 2t, мм,                                  (2.6)

Где t – толщина внешнего проводника, берется из справочника для ближайшего по конструкции коаксиального стандартного кабеля. Для кабеля, выбранного в курсовом проекте t = 0,16 мм.

D_КП = 7 + 2 · 0,16 = 7,3 мм.

Диаметр сердечника кабеля, состоящего из четырех КП одинакового  размера, будет равен

                                          D_КС = 2,41 · D_КП, мм,                                   (2.7)

D_КС = 2,41· 7,3 = 17,5 мм.

Коаксиальный кабель кроме КП содержит также симметричные четверки или пары. Диаметр симметричной группы для кабеля, содержащего четыре КП одинакового размера, будет составлять:

                                            d_c = 0,41 · D_КП, мм,                                    (2.8)

d_c = 0,41 · 7,3 = 3, мм.

Затем определяется диаметр  изолированной жилы четверки:

                                                d_и =

, мм,                                            (2.9)

d_и =

= 1,244, мм.

Диаметр токопроводящей жилы d₀ определяется исходя из того, что d₀ составляет 0,5d_и, а толщина изоляции жилы t_и = 0,5d₀. Если при этом окажется, что d₀<0,7 мм, то в качестве симметричных групп следует брать пару.

d₀ = 0,5d_и = 0,5 · 1,244 = 0,622, мм.

В кабеле, содержащем четыре одинаковых КП, размещается пять симметричных групп.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Краткое описание конструкции  кабеля МКТА-4: малогабаритный, коаксиальный, шайбовая полиэтиленовая изоляция, четыре коаксиальные пары 1,2/4,6 и пять симметричных пар. Коаксиальная пара 1,2/4,6 имеет внутренний медный проводник диаметром 1,2±0,01 мм; внешний проводник в виде медной трубки с продольным швом и толщиной стенок 0,16±0,01 мм; внутренний диаметр трубки равен 4,6 мм. Симметричные пары предназначаются для служебной связи и телесигнализации и имеют медные жилы 0,7 мм, изолированные сплошным слоем полиэтилена. Шаг скрутки изолированных жил в пару составляет 80-100 мм. Служебные пары размещаются в промежутках между коаксиальными парами и в центре. Сердечник кабеля состоит из четырех коаксиальных пар, пяти служебных пар и одной контрольной жилы, скрученных вместе с шагом 500-600 мм и обмотанных двумя-тремя слоями бумажных лент для обеспечения устойчивости конструкции сердечника. Контрольная жила используется в системе телеконтроля.

3. Расчет параметров передачи кабельной цепи.

 

Параметры передачи кабельных  цепей рассчитываются с целью  оценки электрических свойств используемого  в проекте кабеля и для последующего размещения усилительных и регенерационных пунктов по трассе кабельной линии. В результате расчета должны быть построены графики частотной зависимости первичных и вторичных параметров, поэтому расчет проведем на трех фиксированных частотах рабочего диапазона, включая минимальную и максимальную. Поскольку при расчете параметров для систем ИКМ за минимальную частоту целесообразно принимать f = 10 кГц, а за максимальную – полутактовую частоту, соответствующую половинному значению скорости передачи (34000 бит/с – таблица 3.1), то расчет параметров в рамках проекта будет произведен на следующих частотах: f₁ = 10 кГц, f₂ = 8000 кГц, f₃ = 17000 кГц.

                                      Таблица 3.1 – Характеристики систем передачи.

Система передачи по кабельным  линиям связи	Линейный спектр частот, кГц; скорость передачи, кбит/с	Затухание кабельной  секции или ЭКУ, дБ	Расстояние между ОУП  или ОРП, км	Кабель
1	2	3	4	5
ИКМ – 480	34000	45…65	200	Малогабаритный коаксиальный

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Расчет первичных параметров передачи кабеля.

Активное сопротивление коаксиальной цепи определяется по формуле:

         R = R_a + R_б =

· = , Ом/км,           (3.1)

где R_a, R_б – активное сопротивление соответственно внутреннего и внешнего проводников, Ом/км; d, D - диаметры соответственно внутреннего и внутренний диаметр внешнего проводников, мм; к = – коэффициент вихревых токов, 1/м; А₁ и А₂ – постоянные коэффициенты внутреннего и внешнего проводников, зависящие от материала проводников, для медных проводников А = 0,0835; f – частота, Гц.

1. f₁ = 10 кГц

R = (Ом/км)

2. f₂ = 8000 кГц

R =   (Ом/км)

3. f₃ = 17000 кГц

R = (Ом/км)

 

Индуктивность коаксиальной цепи состоит из суммы внешней  индуктивности между проводами L_ВШ и внутренней индуктивности проводников L_A + L_B:

L = L_ВШ + L_A + L_B =

                      =

, Гн/км,                  (3.2)

где В₁ и В₂ – постоянные коэффициенты для внутреннего и внешнего проводников, зависящие от материала проводников. Для медных проводников В = 133,3.

 

1. f₁ = 10 кГц

L = · 10^-4 (Гн/км)

2. f₂ = 8000 кГц

L = · 10^-4 (Гн/км)

3. f₃ = 17000 кГц

L = · 10^-4 (Гн/км)

 

Емкость коаксиальной цепи определяется как емкость цилиндрического  конденсатора:

                                       С =

, Ф/км,                                          (3.3)

где ε_э – эквивалентное значение относительной диэлектрической проницаемости комбинированной изоляции (таблица 3.2).

                                                          Таблица 3.2 – Характеристика диэлектрика.

Тип изоляции	εэ	tgδэ ·10-4 при частоте, МГц
		1	5	10	60
Полиэтиленовая шайбовая	1,13	0,5	0,5	0,7	0,8

 

С = Ф/км

 

Проводимость изоляции коаксиальной цепи определяется по формуле:

                                 G = ω · C · tgδ_э , Ом/км.                            (3.4)

1. f₁ = 10 кГц

G = См/км

2. f₂ = 8000 кГц

G = См/км

3. f₃ = 17000 кГц

G = См/км

 

Результаты расчетов первичных параметров передачи приведены  в таблице 3.3, а частотные зависимости  этих параметров представлены на рисунке 3.1.

         Таблица 3.3 – Первичные параметры передачи коаксиальной КЦ.

Параметр	Частота, кГц
	10	8000	17000
R, Ом/км	8,774	248,153	361,743
L, Гн/км	4,088·10-4	2,737·10-4	2,721·10-4
С, Ф/км	4,672·10-7	4,672·10-7	4,672·10-7
G, См/км	1,467·10-6	1,643·10-3	3,99·10-3

 

Рисунок 3.1 - Частотная зависимость первичных параметров.

 

Полученные результаты полностью согласуются с экспериментальными и теоретическими данными для  первичных параметров коаксиальных цепей.

 

2. Расчет вторичных параметров передачи.

 

Коэффициент распространения  цепи определяется по формуле:

                 γ =

,               (3.5)

где α – коэффициент  затухания, Нп/км; β – коэффициент  фазы, рад/км.

Расчет α и β по этой формуле предусматривает операции с комплексными числами и весьма трудоемок, поэтому в области высоких частот (f>30кГц), когда ωL/R>3,5, то расчет можно проводить по упрощенным формулам:

              

,                  (3.6)

                                      

, рад/км,                                            (3.7)

где α_м – составляющая затухания за счет потерь в металле; α_д – составляющая затухания за счет потерь в диэлектрике.

Волновое сопротивление  цепи определяется по формуле:

         

, Ом.         (3.8)

В области высоких  частот, когда ωL/R>3,5:

                                              , Ом.                                    (3.9)

Скорость распространения  электромагнитной волны:

                                             

, км/с.                                             (3.10)

При ωL/R>3,5:

                                            

, км/с,                                          (3.11)

где с – скорость света, с = 3·10⁵.

 

1. f₁ = 10 кГц

< 3,5

 

 

Тогда из формул (3.5), (3.8), (3.10) получим:

=

 
= =

 

= 1,274 (дБ/км).

= =

 

= 7,648 (рад/км).

Z_в =

 

(Ом)

 

= arcsin = -8,7°

 

V =

= 8211 (км/с)

 

2. f₂ = 8000 кГц

= = 55,412>3,5,

Тогда из формул (3.6), (3.7), (3.9) и (3.11) получим:

 

α =

(дБ/км)

 

β =

(рад/км)

 

Z_в =

(Ом)

 

            V = (км/с)

3. f₃ = 17000 кГц

= > 3,5,

Тогда из формул (3.6), (3.7), (3.9) и (3.11) получим:

 

α =

(дБ/км)

 

β =

(рад/км)

 

                           Z_в = (Ом)

 

   

V = (км/с)

 

Результаты расчетов вторичных параметров передачи приведены  в таблице 3.4, а частотные зависимости  этих параметров представлены на рисунке 3.2.

        Таблица 3.4 – Вторичные параметры передачи коаксиальной КЦ.

Параметр	Частота, кГц
	10	8000	17000
α, дБ/км	1,274	6,282	14,291
β, рад/км	7,648	568,118	1204
Zв, Ом	68,16	57,01	57,01
φв, °	-8,7	0	0
V, км/с	8211	212100	212100