Линия передачи

Линия передачи (данных)

Линия передачи (данных) – это средства, использующиеся в информационных сетях для передачи и распространения сигналов в заданном направлении. Затухание сигнала зависит от частоты и расстояния передачи, это важнейшие характеристики линии передачи.

Английский ученый О. Хевисайд еще в 1874 г. работал над теорией линий передачи, другое название которой теория телеграфных уравнений. В процессе проведения научных опытов Хевисайд предъявил ряд доказательств данной теории. Он выяснил, что емкость телеграфной линии при равномерном распределении сводит к минимуму затухание и искажение. Линия совсем не подвергается искажениям, если емкость телеграфной линии достаточно большая, а сопротивление изоляции, наоборот, малое. Благодаря теории Хевисайда телеграфная связь получила новый толчок к развитию и усовершенствованию. Всю свою жизнь Хевисайд находился не в ладах с научными кругами, поэтому его открытия и изобретения признавались ими не сразу, а спустя некоторое время.

К концу жизни этот оригинальный человек не прекращал поражать окружающих своими экстравагантными поступками. Всю домашнюю мебель он выкинул и использовал вместо нее гранитные глыбы, а свои великолепные ногти он красил в розовый цвет, поражая всех современных модниц и удивляя общественность.

В 1880-х гг. М. Пупин проводил эксперименты, в ходе которых установил способ, увеличивающий дальность передачи телеграфных линий. Дальность передачи обеспечивалась удлинительными катушками, установленными через определенные интервалы по линии передачи.

В компьютерных сетях используют определенные типы линий передач. Для работы на линиях передачи используются специфические, отличные от телефонных, модемы. Они переносят передаваемые сигналы в полосу частот линии передач, специально используемой для обмена в сети. К подобным линиям передач относятся однопроводная, двухпроводная, четырехпроводная линии, линии силового электропитания и т. д. Однопроводная линия передачи самая простая из вышеперечисленных. На практике такие линии по возможности не применяются, так как передатчик и приемник расположены далеко друг от друга, что приводит к возникновению помех. В пределах различных зданий используется двухпроводная телефонная линия. Двужильные линии работают при двух режимах обмена данными – симплексном и полудуплексном. При симплексном режиме возможна односторонняя передача данных, при полудуплексном режиме передача может осуществляться попеременно в двух направлениях. При снижении скорости передачи может происходить и дуплексный режим обмена, в ходе которого передача происходит в двух направлениях одновременно. Этого не происходит в четырехпроводной телефонной линии, работающей во всех режимах без каких-либо снижениях скорости или других изменениях.

В магистральной части телефонной линии, предназначенной для внешних соединений, используется многопарный кабель телефона. Эта линия передачи отличается от внутренних телефонных линий тем, что обладает полосой пропускания, уплотняющей большое количество телефонных каналов. Линия силового электропитания применяется в организации направленной двусторонней домашней автоматики. Такая автоматика связывает бытовые приборы, такие как телевизор, стиральная машина, с датчиками температуры, потребляемой мощности и т. д. Она управляет бытовыми приборами и сигнализирует о возникновении опасных ситуаций. Электропроводка используется и для других побочных действий, но характеристики электропроводки зависят от бытовых приборов, дополнительно включенных в сеть. Поэтому перегрузка может привести к негативным результатам. В системе кабельного телевидения применяются линии передачи на основе коаксиального кабеля. Они используют специализированный модем, получивший название cable modems. При передаче запросов и получении ответной информации выбираются неравные скорости, что приводит к гармонизации рабочего процесса. Пользователи, не имеющие индивидуального рабочего места, применяют беспроводные радиолинии. Обслуживает локальную сеть в этом случае радиомодем. Линии передачи также могут использовать искусственные спутники Земли как ретрансляторы сигналов в сетях обмена информацией, что по принципу действия сходится с наземными беспроводными линиями.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

Физика > Стоячие волны и резонанс

Характеристика стоячей волны с максимальной амплитудой: определение и графики стоячей волны, конструктивные и деструктивные помехи, особенности резонанса.

Стоячая волна – две волны накладываются, создавая новую с измененной амплитудой, но лишенной распространения.

style=»text-align: left;»>Задача обучения

  • Охарактеризовать стоячую волну.

Стоячая волна

Иногда кажется, что волны вместо движения вибрируют. Подобные явления формируются из-за наложения двух или больше перемещающихся в разных направлениях волн. Помехи складываются по мере прохождения. Если обладают схожей амплитудой и длиной, то заметно чередование конструктивных и деструктивных помех. В результате получаем стоячую волну.

Отображена как сумма двух распространяющихся волн, перемещающихся в противоположных направлениях (красный и синий)

Стоячие волны можно найти в струнах музыкальных инструментов. Узлы – точки, лишенные перемещения. То есть, это определенная позиция, где волновое возмущение приравнивается к нулю. Фиксированные концы также выступают узлами, потому что струна туда не способна двигаться. Пучность указывает позицию максимальной амплитуды в стоячей волне.

У стоячей волны есть частота, связанная со скоростью распространения возмущения в струне. Длина волны (λ) вычисляется по дистанции между точками, где струна зафиксирована на позиции.

Здесь вы видите главный режим и первые шесть обертонов

Наиболее низкая частота – основная и выступает самой длинной. Обертоны или гармоники кратны основной частоте.

Резонанс

Если мы детальнее изучим случаи землетрясений, то заметим условия для резонанса: стоячие волны с конструктивными и деструктивными помехами. Здание способно вибрировать несколько секунд с частотой вращения, соответствующей частоте вибрации здания. Из-за этого одно строение разрушится, а более высокое способно остаться невредимым.

Волны землетрясения перемещаются по поверхности и отражают более плотные породы, поэтому в конкретных местах возникают конструктивные помехи. Очень часто районы возле эпицентра остаются невредимыми, а вот отдаленные несут потери.

Раздел Физика

Введение
  • Позиция, скорость и ускорение как функция времени
Закон Гука
  • Закон Гука
  • Эластичная потенциальная энергия
Периодическое движение
  • Период и частота
  • Период массы пружины
  • Простое гармоническое движение
  • Простое гармоничное движение и равномерное круговое движение
  • Простой маятник
  • Физический маятник
  • Энергия в простом гармоническом осцилляторе
  • Синусоидальная природа простого гармонического движения
Демпфированные и управляемые колебания
  • Демпфированное гармоническое движение
Волны
  • Волны
  • Поперечные волны
  • Продольные волны
  • Волны воды
  • Длина волны, частота в соотношении от скорости
  • Транспортировка энергии
Поведение и взаимодействие волн
  • Отражение и передача
  • Суперпозиция и помехи
  • Стоячие волны и резонанс
  • Гармонические волновые функции
  • Преломление
  • Дифракция
  • Математическое представление движущейся волны
  • Энергия, интенсивность, частота и амплитуда
Волны на струнах
  • Скорость волны в струне
  • Отражение

Собственные (резонансные) частоты стоячих волн.

На практике в случае свободных колебаний некоторых физических систем, например струн, столбов газа и др., устанавливаются стоячие волны, частоты которых удовлетворяют определенным условиям, т. е. могут принимать только определенные дискретные значения, называемые собственными частотами данной колебательной системы.

Рис. 4.7

Например, в точках закрепления струн или стержней размещаются узлы смещения (пучности деформаций), а на свободных концах стержней  пучности смещения (узлы деформации). При колебаниях воздушного столба в цилиндрической трубке у закрытого конца трубки размещается пучность давления, а у открытого  узел давления. В качестве примера рассмотрим возникновение стоячих волн при изменении натяжения колеблющейся струны (параметрический резонанс). Частоты стоячих волн называют собственными, или резонансными, т. к. такие колебания сопровождаются резонансными явлениями. В отличие от пружинного, математического или физического маятников, которые при колебаниях имеют одну собственную резонансную частоту (одна степень свободы), натянутая струна имеет много резонансных частот.

Эти частоты в свою очередь кратны низшей частоте.

Более продолжительное время сохраняются те волны, которым соответствуют резонансные частоты. В точках закрепления струны возникают узлы (рис. 4.7). Для нахождения резонансных частот воспользуемся тем, что длина стоячей волны связана с длиной самой струны: = m, где m = 1, 2, 3, … , и определяет число гармоник.

Например, основной тон (мода)  первая гармоника, соответствует пучности, а длина струны 1 =, (m = 1; 1  длина волны первой гармоники). Для второй гармоники  2 = 2 (m = 2; 2  длина волны второй гармоники), для третьей 3 = 2 3/3 (m = 3; 3  длина волны третьей гармоники) и т. д. Частоты колебания стоячей волны можно найти по формуле

 = m .

Замечание: Стоячая волна может существовать только при строго определенных частотах колебаний.

Действительно, по условию при отсутствии колебаний на правом конце закрепленной струны, где координата х =, а амплитуда обращается в нуль и разность фаз  = 0 = , то

Аст = 2Аcos(kx  )= 2Asinkx.

В точках, где sin(kx) = 0, возникнут узлы и sin(k) = 0.

Следовательно,

k= m. (4.35)

Общий вывод: Полученный результат является необычным для классической физики, потому что k и  могут принимать строго определенные значения:

k = m,

 = m .

Наблюдаемое аномальное явление весьма существенно повлияло на разгадку квантовых явлений.

Согласно выводам квантовой теории следует, что все микрообъекты обладают корпускулярными и волновыми свойствами.

4.12. Акустический эффект Доплера

При неподвижном источнике колебаний, неподвижной среде и неподвижном приемнике частоты излучаемых, распространяемых и принимаемых волн равны.

Иначе дело обстоит, если они приходят в движение, т. е. происходит изменение частоты регистрируемых волн.

Изменение частоты колебания волн вследствие движения источника колебаний и приемника называют эффектом Доплера.

Рассмотрим несколько частных случаев, когда движется источник (приближается удаляется), или приемник (приближаетсяудаляется), или оба вместе (приближаютсяудаляются).

1. Источник неподвижен, приемник приближается со скоростью u1 по прямой, совпадающей с осью Х (рис. 4.8, u1 < v).

Длина волны в среде постоянна:  = 0= v / 0, где 0  частота колебаний источника; 0  длина волны в среде при неподвижном источнике.

Рис. 4.8

Скорость распространения волны относительно приемника

uотн = u1 + v,

где v  фазовая скорость волны в среде.

Тогда частота волны, регистрируемая движущимся приемником,

 = (u1+v)/о

или

 = o (1 u1/v). (4.36)

Знак “  » пишут в формуле (4.36), когда приемник удаляется.

Если приемник приближается к источнику так, что вектор его скорости образует угол1 с осью Х, тогда частота волны, регистрируемая приемником, определяется формулой

 = 0 (1  u1 сos 1 / v). (4.37)

2. Приемник неподвижен, источник колебаний удаляется со скоростью u2 вдоль оси Х (рис. 4.9, u2 < v).

Рис. 4.9

Источник удаляется в среде за время, равное периоду ( t = T0), на расстояние u2 T0 = u2 / ,

T0 = 1/ 0,

где 0 и T0  частота и период колебаний источника соответственно.

Поэтому при удалении источника длина волны в среде  отличается от длины волны при неподвижном источнике 0 (она растет) и определяется выражением

 = 0 + u2T0 = (u2 + v) / 0, (4.38)

Найдем частоту, которую регистрирует приемник:

, (4.39)

где »  » соответствует приближению источника.

В случае, если источник движется со скоростью u2 под углом 2 к оси Х,

(4.40)

Стоячие волны и резонанс

Тембр звука

Децибел — это логарифмическая единица измерения уровня звука, показывающая минимально слышимое изменение громкости. А динамический диапазон нашего слуха (разница между самым тихим и самым громким воспринимаемым звуками) составляет 120 дБ.

Заниматься корректировкой и обработкой звука надо при достаточно высокой громкости в контрольных акустических системах (80-90 дБ — уровень, сравнимый с шумом в вагоне метро). Иначе повышается вероятность ошибки, так как на низких уровнях наш слух становится менее чувствительным к высоким и низким частотам.

Что отличает звук фортепиано от звука другого инструмента, хотя у каждого есть способность извлекать высокие и низкие, громкие и тихие звуки? Все объясняется довольно просто: реальные звуки представляют из себя созвучия, состоящие из нескольких простых волн. От комбинаций этих волн и зависит тембр инструмента.

У каждого созвучия есть основной тон — волна определенной частоты, которая имеет наибольший уровень. Например, у ноты «Ля» первой октавы эта волна имеет частоту 440 Гц. Но вместе с ней звучат и другие волны, частота которых в 2, 3, 4 раза и т.д. выше, чем у основного тона (вы уже знаете, что эти звуки располагаются через октаву). В музыке они называются обертонами. В акустике принята немного другая терминология. И основной тон, и обертона называются гармониками и имеют порядковый номер в зависимости от высоты: основной тон — первая гармоника, первый обертон — вторая гармоника и т.д.

Чуть позже мы познакомимся с устройствами (и программами) корректировки звука, которые называются эквалайзерами. Они работают по принцип понижения или повышения уровня тех или иных частотных полос, то есть с их помощью можно менять уровень тех или иных гармоник и, соответственно изменять тембр.

Звуковая волна, которая встречает на своем пути перпендикулярную твердо поверхность (например, стену), отражается от нее и возвращается по тому ж самому пути. Две волны движущиеся в противоположные стороны способны производить так называемые стоячие волны, которые окрашивают звук новыми гармониками (то есть изменяют тембр звука). Например, в замкнуто прямоугольном помещении стоячие звуковые волны находятся точно посередине комнаты. И если вы встанете в это место, то услышите, как изменился звук (чаще всего в худшую сторону).

Если длина волны источника звука становится кратна длине помещения, то фаза отраженной волны совпадает с фазой прямой волны, в результате чего происходит их взаимное усиление. А так как в прямоугольном помещении звук отражается от стен несколько раз, то происходит многократное усиление громкости звука. То есть, возникает воздушный резонанс — частный случай стоячей волны.

Любое помещение имеет некую критическую частоту звука, при которой возникает резонанс. Причем у помещений с разными геометрическими размерами будут разные критические частоты. Эту частоту называют частотой резонанса. Резонанс чаще всего возникает именно на низких частотах, так как длина волны низких звуков сравнима с длиной и шириной помещения. Кстати, бас-гитаристы, репетирующие дома, отлично знакомы с таким эффектом: некоторые взятые на инструменте ноты неожиданно усиливаются при этом начинают угрожающе звенеть стекла в окнах и шкафах.

Резонанс в большинстве случаев явление крайне неприятное. Поэтому в музыкально используемых помещениях с ним борются всеми возможными способами. Например, ликвидируют параллельные поверхности — студийно комнаты очень часто проектируются таким образом, что все углы имеют величину больше 90 градусов. Однако резонанс не всегда бывает вреден. В духовых инструментах и органах это явление используют для усиления звука получения характерного тембра.

Пример стоячей волны (чёрная линия), возникшей в результате интерференции двух гармонических волн (красная и синяя линии) одинаковой частоты и амплитуды, распространяющихся во встречных направлениях. Красные точки обозначают узлы — точки или области в пространстве, в которых амплитуда колебательного процесса минимальна и равна разности амплитуд интерферирующих волн (амплитуда стоячей волны в узлах равна нулю). Посередине между каждой парой соседних узлов располагается пучность — точка или область в пространстве, в которой амплитуда максимальна и равна сумме амплитуд интерферирующих волн (амплитуда стоячей волны в пучностях вдвое больше амплитуды каждой из интерферирующих волн). Фаза колебательного процесса стоячей волны при переходе через узел меняется на 180° (говорят, что колебания синфазны в пространстве с точностью до 180°). В данном примере расстояние между соседними узлами составляет половину длины волны интерферирующих волн, значение коэффициента стоячей волны (отноношение амплитуд колебаний в пучности и узле) стремится к бесконечности.

Стоя́чая волна́ — явление интерференции волн, распространяющихся в противоположных направлениях, при котором перенос энергии ослаблен или отсутствует.

Стоячая волна (электромагнитная) — периодическое изменение амплитуды напряженности электрического и магнитного полей вдоль направления распространения, вызванное интерференцией падающей и отраженной волн.

Стоячая волна — колебательный (волновой) процесс в распределённых колебательных системах с характерным устойчивым в пространстве расположением чередующихся максимумов (пучностей) и минимумов (узлов) амплитуды. Такой колебательный процесс возникает при интерференции нескольких когерентных волн.

Например, стоячая волна возникает при отражении волны от преград и неоднородностей в результате взаимодействия (интерференции) падающей и отражённой волн. На результат интерференции влияют частота колебаний, модуль и фаза коэффициента отражения, направления распространения падающей и отраженной волн друг относительно друга, изменение или сохранение поляризации волн при отражении, коэффициент затухания волн в среде распространения. Строго говоря, стоячая волна может существовать только при отсутствии потерь в среде распространения (или в активной среде) и полном отражении падающей волны. В реальной же среде наблюдается режим смешанных волн, поскольку всегда присутствует перенос энергии к местам поглощения и излучения. Если при падении волны происходит её полное поглощение, то отраженная волна отсутствует, интерференции волн нет, амплитуда волнового процесса в пространстве постоянна. Такой волновой процесс называют бегущей волной.

Примерами стоячей волны могут служить колебания струны, колебания воздуха в органной трубе; в природе — волны Шумана. Для демонстрации стоячих волн в газе используют трубу Рубенса.

  • Двумерная стоячая волна на упругом диске. Основная мода.

  • Более высокая мода стоячей волны на упругом диске.

В случае гармонических колебаний в одномерной среде стоячая волна описывается формулой:

u = u 0 cos ⁡ k x cos ⁡ ( ω t − φ ) {\displaystyle u=u_{0}\cos kx\cos(\omega t-\varphi )},

где u — возмущения в точке х в момент времени t, u 0 {\displaystyle u_{0}} — амплитуда стоячей волны, ω {\displaystyle \omega } — частота , k — волновой вектор, φ {\displaystyle \varphi } — фаза.

Стоячие волны являются решениями волновых уравнений. Их можно представить себе как суперпозицию волн, распространяющихся в противоположных направлениях.

При существовании в среде стоячей волны, существуют точки, амплитуда колебаний в которых равна нулю. Эти точки называются узлами стоячей волны. Точки, в которых колебания имеют максимальную амплитуду, называются пучностями.

Математическое описание стоячих волн

В одномерном случае две волны одинаковой частоты, длины волны и амплитуды, распространяющиеся в противоположных направлениях (например, навстречу друг другу), будут взаимодействовать, в результате чего может возникнуть стоячая волна. Например, гармоничная волна, распространяясь вправо, достигая конца струны, производит стоячую волну. Волна, что отражается от конца, должна иметь такую же амплитуду и частоту, как и падающая волна.

Рассмотрим падающую и отраженную волны в виде:

y 1 = y 0 sin ⁡ ( k x − ω t ) {\displaystyle y_{1}\;=\;y_{0}\,\sin(kx-\omega t)}y 2 = y 0 sin ⁡ ( k x + ω t ) {\displaystyle y_{2}\;=\;y_{0}\,\sin(kx+\omega t)}

где:

  • y0 — амплитуда волны,
  • ω {\displaystyle \omega } — циклическая (угловая) частота, измеряемая в радианах в секунду,
  • k — волновой вектор, измеряется в радианах на метр, и рассчитывается как 2 π {\displaystyle 2\pi } поделённое на длину волны λ {\displaystyle \lambda } ,
  • x и t — переменные для обозначения длины и времени.

Поэтому результирующее уравнение для стоячей волны y будет в виде суммы y1 и y2:

y = y 0 sin ⁡ ( k x − ω t ) + y 0 sin ⁡ ( k x + ω t ) . {\displaystyle y\;=\;y_{0}\,\sin(kx-\omega t)\;+\;y_{0}\,\sin(kx+\omega t).}

Используя тригонометрические соотношения, это уравнение можно переписать в виде:

y = 2 y 0 cos ⁡ ( ω t ) sin ⁡ ( k x ) . {\displaystyle y\;=\;2\,y_{0}\,\cos(\omega t)\;\sin(kx).}

Если рассматривать моды x = 0 , λ / 2 , 3 λ / 2 , . . . {\displaystyle x=0,\lambda /2,3\lambda /2,…} и антимоды x = λ / 4 , 3 λ / 4 , 5 λ / 4 , . . . {\displaystyle x=\lambda /4,3\lambda /4,5\lambda /4,…} , то расстояние между соседними модами / антимодами будет равно половине длины волны λ / 2 {\displaystyle \lambda /2} .

Линия передачи

Ли́ния переда́чи — устройство, ограничивающее область распространения электромагнитных колебаний и направляющее поток радиочастотной электромагнитной энергии в заданном направлении.

Термин линия передачи употребляется в радиочастотной технике, использующей электромагнитные колебания таких частот, для которых должен учитываться их волновой характер (например, в технике сверхвысоких частот). Если говорят о передаче электрической энергии промышленной частоты, то употребляется термин линия электропередачи. Если говорят целиком о физическом канале передачи сигнала от источника до потребителя, включающем, например, передающее антенно-фидерное устройство, среду распространения и приемное антенно-фидерное устройство, то говорят о линии связи (например, радиорелейной линии связи). Линия передачи может предназначаться для передачи радиочастотного сигнала или радиочастотной энергии; также говорят о линии передачи данных, если передаваемый сигнал не содержит несущего колебания.

Конструктивно линии передачи подразделяются:

  • по способности изгибаться: гибкие, жесткие и полужесткие;
  • по наличию внешнего экрана: открытые и закрытые (волноводы);
  • по зависимости поперечного сечения от продольной координаты: регулярные, нерегулярные, периодические, диафрагменные и ребристые;
  • по зависимости электрофизических параметров заполнения от продольной координаты: однородные и неоднородные;
  • по порядку связности: односвязные, двухсвязные, трехсвязные, многосвязные, нулевой связности.

Энциклопедичный YouTube

  • 1/2 Просмотров:3 643 1 285
  • Оптические волокна. Современные волоконно-оптические системы связи | Александр Сидоров | Лекториум
  • Свет, завязанный в узел: волоконно-оптические технологии | Fab Picnic | Леонид Лиокумович

Субтитры

Ли́ния переда́чи — устройство, ограничивающее область распространения электромагнитных колебаний и направляющее поток радиочастотной электромагнитной энергии в заданном направлении.

Термин линия передачи употребляется в радиочастотной технике, использующей электромагнитные колебания таких частот, для которых должен учитываться их волновой характер (например, в технике сверхвысоких частот). Если говорят о передаче электрической энергии промышленной частоты, то употребляется термин линия электропередачи. Если говорят целиком о физическом канале передачи сигнала от источника до потребителя, включающем, например, передающее антенно-фидерное устройство, среду распространения и приемное антенно-фидерное устройство, то говорят о линии связи (например, радиорелейной линии связи). Линия передачи может предназначаться для передачи радиочастотного сигнала или радиочастотной энергии; также говорят о линии передачи данных, если передаваемый сигнал не содержит несущего колебания.

Конструктивно линии передачи подразделяются:

  • по способности изгибаться: гибкие, жесткие и полужесткие;
  • по наличию внешнего экрана: открытые и закрытые (волноводы);
  • по зависимости поперечного сечения от продольной координаты: регулярные, нерегулярные, периодические, диафрагменные и ребристые;
  • по зависимости электрофизических параметров заполнения от продольной координаты: однородные и неоднородные;
  • по порядку связности: односвязные, двухсвязные, трехсвязные, многосвязные, нулевой связности.

Виды линий передач

ГОСТ 18238-72 предусматривает следующие виды линий передач:

  • Диэлектрическая (по форме сечения круглая, прямоугольная и др.)
  • Однопроводная (по форме сечения проводника круглая, ленточная и др., см. линия Губо)
  • Двухпроводная (симметричная и несимметричная, с одинаковой и разной формой сечения проводников, по форме сечения проводников круглая, ленточная)
  • Трехпроводная
  • Волновод односвязный (круглый, прямоугольный, П-образный, H-образный)
  • Коаксиальный волновод (круглый, прямоугольный)
  • Кругло-двухпроводный волновод, прямоугольно-двухпроводный волновод

К перечисленным также относятся разновидности линий передач:

  • Полосковая линия (симметричная, несимметричная)
  • Микрополосковая линия
  • Копланарная линия
  • Щелевая линия
  • SIW-волновод (волновод, интегрированный в подложку печатной платы)

и др.

> См. также

  • Фидер
  • Длинная линия
  • Волновое сопротивление
  • Коэффициент укорочения
  • Металлический изолятор
  1. 1 2 3 ГОСТ 18238-72. Линии передачи сверхвысоких частот. Термины и определения.
  2. Сверхвысоких частот техника — статья из Большой советской энциклопедии.
  3. Геометрическая характеристика поперечного сечения линии передачи, определяемая числом проводящих поверхностей.

Линия передачи на Викискладе