Trong mạng truy nhập thuờ bao hiện nay cũn dựng khỏ phổ biến cỏp đồng và cỏp đồng và cỏp quang hỗn hợp. Do đú luận ỏn trỡnh bày túm tắt phương phỏp tớnh toỏn thiết kế mạng truyền dẫn dựng cỏp đồng, phần này cũng nằm trong nội dung của phần mềm thiết kế mạng truy nhập BKOPTIC1.1. Trong tớnh toỏn truyền dẫn cỏp đồng chủ yếu là tớnh toỏn chọn cỏp.
Cỏc thụng số cỏp đồng.
* Điện trở dõy dẫn R ( Ω/Km ). Điện trở dõy dẫn cú ảnh hưởng đến tổn hao năng lượng và cự ly thụng tin. Đối với cỏp xoắn đụi thỡ giỏ trị điện trở xoay chiều được xỏc định theo cụng thức [ 49 ]:
R = R0 + Rmặt ngoài + Rlõn cận
Trong đú
R0 : Là giỏ trị điện trở thuần.
Rmặt ngoài : Là giỏ trị do hiệu ứng mặt ngoài.
Rlõn cận : Là giỏ trị do cỏc ảnh hưởng lõn cận. : Là giá trị do các ảnh h-
ởng lân cận.
Cỏc giỏ trị Rmặt ngoài, Rlõn cận chỉ đỏng kể ở tần số cao, cũn ở tần số thấp, và chuyển tải tớn hiệu thoại tương tự cú băng tần thấp và hẹp ( 0,3 ữ 3,4 KHz ) thỡ cú thể bỏ qua. Tất nhiờn muốn tăng cự ly thụng tin phải tăng tiết diện dõy dẫn vỡ điện trở R ≈ R0 = .
Trờn bảng 4.1 giới thiệu cỏc giỏ trị điển hỡnh của một số cỏp đồng dựng phổ biến trờn thị trường:
Bảng 4.1.Cỏc giỏ trị của một số cỏp đồng điển hỡnh.
Đường kớnh( mm ) Tổn hao( dB/Km ) Điện trở vũng( Ω/Km )
0,32 2.76 470 0,4 2,20 295 0,5 1,75 187 0,65 1,33 113 0,9 0,93 58 * Điện cảm dõy dẫn L ( H/km ):
Tham số này đỏnh giỏ ảnh hưởng xuyờn õm do cảm ứng của cỏc đụi dõy với nhau và của cả hai sợi của bản thõn đụi dõy. Khi xoắn cỏc sợi dõy của cỏp lại và với cỏc bước súng tối ưu thỡ cỏc dũng cảm ứng sẽ triệt tiờu lẫn nhau và giảm đỏng kể hiện tượng xuyờn õm. Tuy vậy vẫn khụng thể bỏ qua được điện cảm tương hỗ giữa cỏc đụi dõy được. Điện cảm của cỏc loại cỏp đối xứng cú thể xỏc định bởi [ 49 ] .
Trong đú:
a là khoảng cỏch giữa cỏc dõy dẫn. D là đường kớnh dõy dẫn.
χ là hệ số xoắn được xỏc định theo bảng 4-2
Q(x) là hàm số tra trong bảng 4-3. Với x với dõy đồng và x với dõy nhụm.
Giỏ trị điện cảm điển hỡnh thường khoảng 1mH/Km
Bảng 4-2. Hệ số xoắn χ cỏp cõn bằng Đường kớnh(mm) 30 30 ữ 40 40 ữ 50 50 ữ 60 60 ữ 70 70 ữ 80 Hệ số xoắn χ 1,010 1,016 1,025 1,037 1,050 1,070 Bảng 4-3. Bảng hàm số Q( x ) x 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 7,0 >10 Q(x) 1,0 0,9998 0,997 0,987 0,961 0,913 0,854 0,766 0,686 0,616 0,556 0,4 * Điện dung dõy dẫn C ( F/Km ).
Khi dẫn điện do cỏc dõy dẫn đặt sỏt nhau và được cỏch ly bởi một lớp điện mụi nờn giữa chỳng hỡnh thành một tụ điện C. Giỏ trị này của cỏc đụi dõy được xỏc định theo cụng thức [ 49 ]:
Trong đú:
ψ là hệ số lõn cận giữa dõy và vỏ hoặc cỏc dõy khỏc ( Bảng 4.4 ). ε là giỏ trị điện mụi phụ thuộc vào lớp cỏch điện:
Trong đú:
S1, S2 là diện tớch lớp 1, lớp 2 bao quanh sợi đồng.
ε1, ε2 là hằng số điện mụi của lớp 1 và lớp 2 với nhựa PE thỡ: ε = 1,9 ữ 2,1. Bảng 4.4. Hệ số Ψ. Khoảng cỏch cỏch điện Ψđụi Ψsao Đường kớnh ruột 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 0,608 0,627 0,644 0,655 0,655 0,588 0,611 0,619 0,630 0,647 * Điện dẫn của chất cỏch điện G[ Si/Km]:
Thực tế, vỡ khụng cú chất cỏch điện lý tưởng mà luụn luụn tồn tại một điện dẫn G ≠ 0 giữa 2 sợi dẫn điện. Điện dẫn G này cú thể được xỏc định bởi:
G = G0 + Gf [ Si/Km]
Với GG0 = 1/R0 là điện dẫn cỏch điện dũng một chiều. Gf = ω.C.tgδ là điệndẫn cỏc điện dũng xoay chiều. Trong thực tế với cỏp thụng tin thỡ G0 << Gf nờn cú thể coi:
G ≈ Gf = Gf = ω.C.tgδ [ Si/Km]
Với δ là hệ số gúc tổn hao điện mụi tổng hợp:
Đối với nhựa PE thỡ sự phụ thuộc của tgδ theo tần số được xỏc định bởi cỏc giỏ trị trong bảng 4.5
Bảng 4.5. Tang gúc tổn hao của điện mụi theo tần số.
Tần số (KHz) 3 8 12 20
* Trở khỏng súng của đường truyền Z0( Ω ).
Để xỏc định trở khỏng súng của đường truyền ta dựa vào mụ hỡnh vật lý như biểu diễn trờn hỡnh 4 -4. Đầu vào đường truyền cú nguồn tớn hiệu Es, nội trở Zs. Đầu cuối đường truyền cú mắc tải Zl.
Hỡnh 4.4. Mụ hỡnh vật lý của đường truyền.
Đoạn đường truyền súng dài L đú sẽ được thay thế bằng mạch điện cú thụng số tập trung như hỡnh 4.10
Hỡnh 4.5. Sơ đồ tương đương cho một đoạn cỏp đụi cõn bằng. Theo định luật Kirchoff ta cú:
Chuyển hệ phương trỡnh sang miền tần số ta được.
Khi ∆x0 thỡ o o o o ZL Zs Es 0 x x+∆x l u( x+∆x, t ) u( x, t ) i( x+∆x, t ) u( x, t ) L.∆x R.∆x C.∆x G.∆x
Đặt và gọi là hệ số truyền súng. Ta được:
Hai phương trỡnh này giống nhau nờn ta giải phương trỡnh
Rồi suy ra kết quả cũn lại. Nghiệm phương trỡnh cú dạng.
U( x, ω )= U+e-γ(ω).x+ U-eγ(ω).x
Trong đú:
U+ và U- được xỏc định bởi cỏc điều kiện về điện ỏp tại nguồn và tải. Tại tần số ω, do hệ số truyền súng γ là một đại lượng phức nờn ta cú thể phõn tớch: γ = α + jβ
Khi đú:
U(x,ω) = U+e-xαe-jβx+ U-exαejβx
Nú biểu thị súng U+e-xαe-jβx lan truyền trờn đường dõy theo hướng từ nguồn đến tải gọi là súng tới, cũn súng Uexαejβx là súng truyền theo hướng ngược lại gọi là súng phản xạ.
Tương tự với dũng điện:
I(x,ω) = I+e-αe-jβx+ I-exαejβx
Trở khỏng súng của đường dõy được xỏc định bởi.
* Vấn đề phối hợp trở khỏng:
Hệ số phản xạ điện ỏp tại điểm x bất kỳ là:
Trong đú d = l - x là khoảng cỏch đến điểm khảo sỏt. Tương tự, ta cú hệ số phản xạ dũng điện tại x bất kỳ:
Thiết kế thường sử dụng hệ số phản xạ điện ỏp và nú biểu thị phần cụng suất phản xạ ngược lại từ tải, làm núng dõy dẫn và nguồn phỏt:
Muốn triệt tiờu thành phần phản xạ, tức để cú =0 thỡ ZL = Z0 và được gọi là phối hợp trở khỏng.
Trở khỏng súng của đụi dõy được tớnh theo: ( Ω )
Ta thấy giỏ trị Z0 hoàn toàn khụng phụ thuộc vào chiều dài đụi dõy và cú thể điều chỉnh trở khỏng bằng cỏch điều chỉnh R, L....
* Suy hao của cỏp đồng:
Trong cỏc hệ thống truyền dẫn cỏp đồng đều cú suy hao. Suy hao càng lớn thỡ chất lượng thụng tin càng kộm và ngược lại. Để bảo đảm chất lượng thụng tin theo quy chuẩn của ITU-T thỡ tổng suy hao giữa 2 thuờ bao bất kỳ( bao gồm cả trung kế ) khụng được quỏ 33,65dB. Đối với mạng ngoại vi tổng suy hao giữa thuờ bao và tổng đài tại tần số 1000Hz khụng được vượt quỏ 7dB ( hỡnh 4.6 )
Hỡnh 4.6. Suy hao trong mạng ngoại vi.
Như vậy theo tiờu chuẩn trờn, đối với cỏp loại 0,4mm loại cỏp nội thành thỡ cự ly thụng tin thường khụng quỏ 3Km. Đối với loại cỏp 0,5mm ( loại cỏp ngoại thành ) thỡ cự ly thụng tin khụng quỏ 4Km.
Theo phõn tớch trờn ta thấy trong cả hai súng phản xạ và súng tới, biờn độ súng đều bị suy hao theo hàm số mũ e-αx và gúc pha bị thay đổi tuyến tớnh với hệ số β.
7dB
33,65dB 19,65dB
Giả thiết ta đó thực hiện được phối hợp trở khỏng, tức khụng cũn phản xạ thỡ:
Tức là càng gần cề phớa tải thỡ cụng suất tớn hiệu càng bị suy giảm theo hàm mũ. Đú là suy hao kim loại ( điện trở dõy dẫn ) và suy hao điện mụi ( lớp nhựa cỏch điện ). Hệ số suy hao α cú thể được xỏc định bởi cụng thức:
( Nep/Km )
Từ đú ta cú thể xỏc định cỏc hệ số α, β, z0 theo cỏc cụng thức sau [ 49 ]:
Nếu như băng hẹp, và tần số thấp như tớn hiệu thoại thỡ cú thể tớnh α, β, z0 theo cỏc cụng thức sau:
4.2.2.Thiết kế tối ưu tuyến cỏp đồng.
4.2.2.1. Đặt vấn đề.
- Cỏp đồng được sử dụng hiện nay cú cỏc đường kớnh sợi ( D ) khỏc nhau: 0,32; 0,4; 0,5; 0,65; 0,9 (mm).
- Cỏp cú đường kớnh lớn thỡ suy hao nhỏ hơn ( nghĩa là : chiều dài cự ly truyền dẫn xa hơn ) nhưng giỏ thành lại đắt hơn.
Như vậy yờu cầu đặt ra là chỳng ta phải tớnh được đường kớnh nhỏ nhất thoả món cỏc yờu cầu về truyền dẫn và chất lượng dịch vụ.
4.2.2.2. Nội dung thiết kế.
Chương trỡnh thiết kế gồm 3 trường hợp. - Trường hợp 1:
Người sử dụng chọn đường kớnh D [mm] và chiều dài tuyến L[Km]: Chương trỡnh sẽ thực hiện kiểm tra tuyến này cú thoả món cỏc yờu cầu truyền dẫn và chỉ tiờu chất lượng hay khụng ?
- Trường hợp 2:
Người sử dụng chọn đường kớnh D[mm].
Chương trỡnh sẽ tỡm ra cự ly truyền dẫn xa nhất Lmax[Km]( thoả món cỏc yờu cầu truyền dẫn và chỉ tiờu chất lượng ).
- Trường hợp 3:
Người sử dụng chọn chiều dài L[Km].
Chương trỡnh sẽ tỡm ra đường kớnh cỏp tối ưu Dmin[mm] ( thoả món cỏc yờu cầu truyền dẫn và chỉ tiờu chất lượng ).
- Nếu khụng tồn tại : Chương trỡnh sẽ đưa ra thụng bỏo và cỏc hướng giải quyết cơ bản.
Sơ đồ khối chương trỡnh được biểu diễn ở hỡnh 4-7. 4.2.2.3. Cỏc số liệu tớnh toỏn.
• Tớnh suy hao α:
αf( t ) = α0f(20)*(1+0.0022(t-20))*L[dB] αf( t ) <=αmax
Trong đú
α0f(20): Là suy hao đơn vị tần số f[KHz] và 200C ( f =1[KHz] ) αf(t): Là suy hao của tuyến ở t[0C] và tần số f[KHz].
Bắt đầu Chọn [Loại cáp],[dung l ợng], t0C, Rcd[Mohm], f[Khz, αmax[dB] Chọn L[Km], D[mm] Tính R[Ohm], α[dB] R ≤ Rmax & α ≤ αmax Không thoả mãn Thoả mãn Chọn D[mm] Tìm các thông số trong CSDL: RD[Ohm/km] αD[dB /km] Tính R[Ohm], α[dB] L1=( Rmax/ R )[Km] L1=( Rmax/ R )[Km] L max=min(L 1, L 1) Chọn L[mm] Còn D[mm] trong CSDL CSDL: RD[Ohm/km] αD[dB /km] tính R[Ohm]; α[dB] R ≤ Rmax & α ≤ αmax { Di }<>0 Dmin = min{Di} Thông báo và giải đáp Di = D
• Tớnh điện trở một chiều R:
R = RD[ Ohm/Km ]* ( 2* L[Km] ) [Ohm]. R<=Rmax.
Trong đú:
RD : Là điện trở một chiều đơn vị đối với tứng loại đường kớnh D. : Là điện trở một chiều đơn vị đối với tứng loại đờng kính D.
R : Là điện trở một chiều của toàn tuyến. : Là điện trở một chiều của toàn tuyến.
L : Là chiều dài tuyến. : Là chiều dài tuyến.
Rmax : Thường cú giỏ trị từ 100[Ohm] đến 1200[Ohm], ta lấy R : Thờng có giá trị từ 100[Ohm] đến 1200[Ohm], ta lấy Rmax=1200[Ohm].
4.2.2.4. Kết luận.
- Trờn cơ sở lưu đồ thuật toỏn đó viết chương trỡnh thiết kế truyền dẫn thuờ bao cỏp đồng bằng ngụn ngữ Visual Basic.
- Chương trỡnh tớnh toỏn α[dB] để thoả món chất lượng truyền dẫn và R[Ohm] để đảm bảo đổ chuụng khi cú thuờ bao khỏc gọi đến.
- Cỏc số liệu tớnh toỏn của chương trỡnh là phự hợp với tỡnh hỡnh thực tế của nước ta và tuõn theo khuyến nghị của tiờu chuẩn ngành...
- Chương trỡnh thiết kế tối ưu theo đường kớnh sợi cỏp D, điều này làm giảm nhiều chi phớ khụng cần thiết khi phải lắp đặt cỏc tuyến cỏp sử dụng đường kớnh lớn hơn.
- - Đó sử dụng chương trỡnh để tớnh toỏn thiết kế tuyến truyền dẫn của Bưu điện Thành phố Hà nội, (xem phụ lục 2).