С усложнением телекоммуникационного оборудования возрастают требования к его рабочим характеристикам, скоростям передачи данных и полосам частот. В настоящее время некоторые виды электромагнитных помех, которые в прошлом не вызывали проблем, могут существенно повлиять на работоспособность телекоммуникационных систем.
В телекоммуникационных системах первого поколения использовались электромеханические устройства, в силу своих особенностей мало восприимчивые к электромагнитным помехам. Чтобы привести такое устройство в рабочее состояние (например, замкнуть контакты реле), необходимо преобразовать электрическую энергию в механическую. Чаще всего случайные электромагнитные помехи недостаточно сильны, чтобы привести подобное электромеханическое устройство в рабочее состояние. Кроме того, механический принцип действия и относительно большая масса самого электромеханического прибора не требуют высокого качества питания, т. е. вполне "терпимо относятся" к таким явлениям в электросети, как "провалы", пиковые "броски" и даже кратковременные отключения напряжения.
Современные электронные телекоммуникационные системы в противоположность электромеханическим оснащены твердотельными приборами, намного более чувствительными к электромагнитным помехам. Для приведения таких систем в рабочее состояние требуются более низкие уровни питающего и управляющего напряжений, которые производят молекулярный сдвиг в электронном приборе и изменяют его проводящие характеристики. Для случайного переключения таких приборов может оказаться вполне достаточно энергии лишь электрического шума. Поэтому требования к качеству питания современных систем на основе твердотельных приборов очень высокие. Даже слабые помехи могут переводить некоторые электронные приборы (например, логические элементы) в режим самозапирания.
Наведенные помехи проникают в электронные приборы в большинстве случаев по входным и выходным сигнальным линиям и шинам питания. Радиационные помехи попадают в электронный прибор, если у последнего отсутствует корпус или конструкция корпуса не соответствует определенным требованиям, а также при неудовлетворительном экранировании, близком расположении приборов к источникам радиочастотной энергии.
При создании коммуникационных систем должны быть приняты меры по предотвращению влияния помех как на стадии проектирования этих систем, так и при монтаже. В неисправленных телекоммуникационных установках с нарушенным функционированием и происходят аварии; возникающие проблемы часто бывают связаны с кабельной или заземляющей системами. Проектируя коммуникационные системы, необходимо предусмотреть взаимодействие и учесть взаимовлияние следующих подсистем:
· экранирования,
· заземления,
· интерфейсов,
· кабельной,
· питания,
· фильтров.
Электромагнитное (Electro Magnetic — EM) поле наводит электрический ток в проводниках и образуется вокруг проводника при протекании по нему электрического тока. Взаимодействие между EM-полями и токонесущими проводниками, как и результирующее воздействие на коммуникационные кабельные сети и электронное оборудование, требует изучения электромагнитной совместимости (EMC) и электромагнитных помех (Electro Magnetic Interference — EMI).
Для описания явлений, имеющих разный смысл и оказывающих различное действие на оборудование и системы, часто ошибочно применяют термины "электромагнитные помехи", "электромагнитная совместимость" и "радиочастотные помехи" (Radio Frequency Interference — RFI). В результате между проектировщиком телекоммуникационных систем и конечным пользователем могут возникнуть недоразумения. Очень важно для взаимопонимания применять точную терминологию и оговаривать этот момент при проведении переговоров и подготовке документации.
EM-поля могут быть как желательными, так и нежелательными — в зависимости от того, чему мешают создающиеся помехи — работе сети или работе электронных приборов. Так, телевизионный вещательный сигнал является желательным EM-полем для телевизионного приемника, но нежелательным EM-полем для AM/FM-радиоприемника. EM-поля, оказывающие нежелательное действие на приборы, оборудование или систему, называются электромагнитными помехами. Они могут генерироваться внешними и внутренними источниками, быть искусственного и естественного происхождения.
Телекоммуникационные системы, которые из-за влияния нежелательной электромагнитной энергии работают с отклонениями от нормы, являются жертвами какого-либо вида EMI. Проблема EMI для телекоммуникационных систем возникает только при наличии трех факторов одновременно (см. врезку "Три фактора возникновения EMI"):
· источника помех;
· принимающего помехи элемента;
· пути, по которому помехи распространяются к принимающему их элементу.
Бытует ошибочное представление о том, что электромагнитные помехи возникают только в замкнутом пространстве электронных устройств. Это далеко не так. Вот лишь несколько примеров влияния на оборудование, приборы и системы электромагнитных помех, порой опасного:
· изменение курса автопилота на 1800 при работе сотового телефона;
· искажение изображения или звука в телевизионном приемнике при работе пылесоса;
· шумы или посторонние разговоры, которые можно услышать по обычному телефону;
· сигналы радиостанций, принимаемых громкоговорящим телефоном;
· потрескивание или шумовой фон в автомобильном радиоприемнике, когда автомобиль проезжает мимо мачт радиотрансляции или высоковольтных линий электропередачи;
· электростатические разряды, возникающие в высоковольтных приборах (например, в мониторах компьютеров);
· блокировка компьютера или телефонного аппарата при внезапном "стекании" электростатического заряда с тела оператора.
Если в бытовых условиях электромагнитные помехи вызывают определенные неудобства, то в случае с коммерческими и специальными коммуникационными системами такие явления приводят к крупным финансовым потерям и даже технологическим катастрофам.
Как уже говорилось, EMI возникают при наличии трех факторов.
Источники EMI могут быть искусственного и естественного происхождения. К естественным источникам EMI относятся атмосферные явления, например грозовые разряды, молнии. Источники искусственного происхождения — это электросиловые установки (преобразователи, трансформаторы, генераторы), аппаратура связи (вещательная на разных диапазонах: AM, FM, VHF или UHF; навигационная, телефонная, радиочастотная, спутниковая), электроприборы, промышленное оборудование, флюоресцентные осветительные лампы.
Кроме этого, источники EMI подразделяются на внешние и внутренние (см. врезку "Типы источников"). Контроль внешних источников EMI в большинстве случаев затруднен, поэтому при создании коммуникационных систем приходится принимать защитные меры. Внутренние источники EMI отслеживать проще. Почти всегда есть возможность уменьшить их излучающую способность. Длинные отрезки неэкранированных проводников, как бы представляющие собой антенны, подвержены воздействию внешнего шумового излучения. Проводник, несущий шумовой сигнал, может навести его на другой проводник, проходящий в непосредственной близости. Телекоммуникационная проводная сеть также переносит EMI, возбужденные внешними источниками, и переизлучает или наводит шум EMI на другие проводники.
При проектировании распределительных систем учет потенциальных источников электромагнитных помех должен быть главным критерием выбора типа горизонтального каблирования и конфигурации горизонтальных трасс.
Основными генераторами и приемниками EMI являются электрические силовые кабели. Излучаемый ими электромагнитный шум воспринимается следующими элементами:
· телекоммуникационными и силовыми линиями, источниками питания,
· радио- и телевизионными приемниками, компьютерами,
· телекоммуникационными системами и системами передачи данных,
· антеннами.
Кабели восприимчивы к шуму от близлежащих электромагнитных источников. Шум может передаваться как излучение, по проводящим каналам, а также с помощью индуктивного и емкостного наведения.
Для подавления или предотвращения электромагнитного шума используют экранирование и заземление экранирующих оплеток кабелей, причем неправильные заземление и экранирование могут даже увеличивать восприимчивость кабеля к EMI.
Один из способов исключения влияния электромагнитных помех на аппаратуру и системы — физическое разнесение возможных источников EMI и телекоммуникационных кабельных систем. При проектировании распределительных систем для телекоммуникационных и силовых проводок не рекомендуется использовать совмещенные кабельные трассы, несмотря на то что некоторыми строительными инструкциями это и разрешено. В тех случаях, когда трассы силовых и телекоммуникационных кабелей все-таки совмещаются, их необходимо разделить заземленным металлическим барьером.
Хотя экранированный кабель является традиционным решением предотвращения EMI для зданий с высокими уровнями помех (например, производственные помещения с большими индуктивными нагрузками), неэкранированные кабели типа "витая пара" (UTP) в большинстве случаев обеспечивают достаточно высокую невосприимчивость к помехам. Достичь нужного уровня невосприимчивости к шумам, соответствующего различным видам кабелей UTP, помогают консультации с производителями кабеля и соблюдение требований и правил, содержащихся в инструкциях по монтажу.
В общем случае генерируемая оборудованием электромагнитная энергия носит название "излучение", а способность оборудования противостоять электромагнитным возмущениям называется "невосприимчивостью".
Электромагнитная совместимость подразумевает такое проектирование электрических или электронных приборов, оборудования и систем, при котором исключается влияние электромагнитной энергии, генерируемой одним устройством, на работу другого. EMC также означает способность устройства функционировать без излучения нежелательных EMI в окружающую среду и не воспринимать внутренние или внешние шумы.
EMC можно интерпретировать как определение компромиссного уровня электронного шума. Телекоммуникационные системы работают должным образом в своей, предназначенной только для них электромагнитной среде. В то же время телекоммуникационные системы не должны вызывать проблем, связанных с явлением EMI, в системах, которые расположены в непосредственной близости от них.
Выполнение требований по EMC обусловливается следующими положениями:
· все электромагнитные помехи объясняются основными законами физики. EMI всегда порождаются в электрических цепях;
· реальная задача по снижению взаимных влияний в телекоммуникационных системах заключается в уменьшении тысяч возможных комбинаций EMI и EMC до поддающегося контролю числа;
· даже при хороших проектировании и монтаже системы EMI, как исключение из правил, могут все-таки проявляться. Это происходит из-за того, что они часто возникают в "скрытых схемах" или распространяются по "неучтенным" путям;
· от влияния EMI легко избавиться, если найти их основную причину;
· EMI являются побочным продуктом развития технологий;
· соблюдение требований EMC при проектировании систем часто зависит от того, учтены ли причины и источники помех, которые могут (или не могут) возникнуть позднее. Бывает, что одни и те же методы, используемые для учета EMC, хороши для одного проекта и совершенно неприемлемы для другого;
· EMC заключает в себе элемент вероятности. Каждая телекоммуникационная система и ее местоположение отличаются друг от друга. Важно не заблуждаться относительно применения одних и тех же методов учета EMC в разных местах установки системы.
Чтобы обеспечить электромагнитную совместимость, необходимо для прокладки силовых линий использовать металлические трассы. Фидер, обслуживающий здание, и проводники локальных сетей, питающие телекоммуникационные системы, должны быть полностью скрыты в металлических коробах, заложенных в капитальные стены. Желательно для каждой локальной сети использовать отдельный короб.
Металлические короба целесообразно применять и для кабелей телекоммуникационных сетей, что особенно рекомендуется при прокладке их вблизи силовых линий. Сигнальные и силовые проводники не должны располагаться в одном коробе. Нельзя использовать изолированные цепи заземления, за исключением тех случаев, когда этого требуют производители оборудования. Следует физически разносить источники шума и чувствительное телекоммуникационное оборудование и использовать устройства защиты от пиковых бросков энергии, которые могут происходить в момент выключения индуктивных приборов. Устройства для защиты от внешних источников пиковых бросков следует устанавливать как можно ближе к этим источникам. Флюоресцентные лампы рекомендуется помещать в экранирующую сетку, а между лампой и силовым щитком — прокладывать экранированный кабель и устанавливать фильтр. Чтобы избежать влияния мощных магнитных полей на электронную аппаратуру, необходимо выдерживать приемлемые расстояния ее от силовых трансформаторов. Кабели типа "витая пара", используемые в цепях, чувствительных к помехам, и в любых цепях, производящих шум, практически полностью исключают возникновение помех.
Требования к электронным устройствам по невосприимчивости EMI изложены в стандартах International Electromechanical Commission (IEC), которые первоначально были предназначены для промышленного управляющего оборудования. В настоящее время их применяют по отношению ко всем типам электронных устройств. Эти стандарты стали основой европейских нормативов по EMC, а соответствие характеристик приборов их требованиям необходимо для маркетинга электронного оборудования в Европе.
IEC 1000-4-2, ESD (электростатический разряд). Первоначально назывался стандарт IEC 801-2. Касается измерений параметров и требований к ESD и определяет четыре уровня невосприимчивости оборудования к воздушному и контактному ESD.
IEC 1000-4-3, Radiated Immunity (невосприимчивость к радиационным помехам). Первоначально назывался стандарт IEC 801-3. Содержит в себе процедуры по тестированию оборудования на невосприимчивость к радиационным полям с частотами от 26 МГц до 1 ГГц.
IEC 1000-4-4, Electrical Fast Transient (кратковременные электрические броски). Первоначально назывался стандарт IEC 801-4. Содержит описание процедур и требования по невосприимчивости оборудования к кратковременным помеховым броскам на линиях питания и в сигнальных проводниках. В стандарте определены четыре уровня защищенности оборудования от напряжения на питающих и сигнальных линиях.
IEC 1000-4-5, Surge (пиковый шум). Первоначально назывался стандарт IEC 801-5. Содержит описания процедур и требования по невосприимчивости оборудования к пиковым помехам (например, производимым молнией на силовые, сигнальные и заземляющие проводники).
IEC 1000-4-6, Conducted Immunity (невосприимчивость к помехам, передающимся по проводящим каналам). Первоначально назывался стандарт IEC 801-6. Содержит описание процедур и требования по невосприимчивости оборудования к высокочастотным шумам, производимым кабелями системы.
TIA/EIA 631, Telecommunications and Telephone Terminal Equipment — Radio Frequency Immunity Requirements for Equipment Having an Acoustic Outlet ("Телекоммуникационное и телефонное оборудование — требования к радиочастотной невосприимчивости для оборудования с акустическими розетками"). Данный стандарт содержит требования к защищенности телефонных аппаратов от помех, создаваемых коммерческими вещательными радио- и телестанциями и другими подобными службами.