В рубрику "Защита информации и каналов связи" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
И.В. Дорофеев, главный инженер ООО "АйКорд"
В данной статье рассматриваются вопросы электромагнитного влияния на кабельные линии передачи информационных или голосовых данных. В качестве наиболее распространенных кабелей, применяемых для прокладки в пределах зданий, в настоящее время используются волоконно-оптические и кабели типа "витая пара". Вследствие диэлектрического характера первых электромагнитное влияние на волоконно-оптические линии существенно не отразится на распространении сигнала. Однако этого нельзя сказать о медных кабелях, для которых может быть использовано понятие электромагнитной совместимости (ЭМС).
Применительно к нашему случаю под ЭМС понимают способность нормального функционирования кабельных линий передачи данных в условиях воздействия на них электрических, магнитных и электромагнитных полей, существующих в окружающей обстановке, а также возможность не создавать недопустимые помехи другим объектам.
Физические принципы передачи сигналов
Рассмотрим основные физические принципы передачи, наведения или излучения электромагнитных волн в кабелях типа "витая пара". Передача полезного сигнала по паре витых проводников осуществляется в широком диапазоне частот как посредством тока, протекающего в проводниках, так и посредством поперечной электромагнитной волны, образованной данным током (так называемой TEM-волны).
Сигнал, распространяющийся в проводниках, имеет одинаковую амплитуду. Кроме того, сигналы в каждом из проводников противофазны. Такой вид сигнала называется сбалансированным, полезный же сигнал в этом случае является разностью напряжений между двумя проводниками.
В том случае, когда проводники в кабеле свиты симметрично друг другу, излучаемые проводниками электромагнитные поля взаимно компенсируются, тем самым сводя к минимуму излучение кабеля во внешнее пространство. Симметричный кабель также называют сбалансированным. В сбалансированном кабеле внешние электромагнитные наводки влияют на амплитуды, но не на разность сигналов в проводниках.
В реальной ситуации кабели типа "витая пара" не могут быть идеально сбалансированы. Чем больше кабель разбалансирован, тем больше величина нескомпенсированного тока, излучаемого в пространство (эффект контурной антенны), а соответственно и тока, возникающего в проводниках в результате внешнего электромагнитного воздействия. Наводка дополнительного несбалансированного тока в кабеле приводит к ухудшению распознавания сигнала или снижению скорости передачи информации.
Источники электромагнитного излучения
В первую очередь источники электромагнитного излучения следует разделить на функциональные и нефункциональные. К функциональным можно отнести источники помех, которые возникают в результате работы устройства (например, излучающего передатчика) по прямому назначению. Нефункциональные источники создают электромагнитное излучение вследствие неидеальности конструкции -например, дроссельные катушки люминесцентных ламп. С излучением от вторых можно и нужно бороться, при возникновении помех от функциональных источников следует искать компромиссное решение, определив, что важнее: работа источника излучения или окружающего его оборудования.
Следующим критерием является разделение по естественному или искусственному происхождению. Также помехи могут быть узкополосными или широкополосными. Узкополосные источники могут создавать узкие полосы излучения на нескольких кратных частотах, широкополосные помехи могут занимать от 10-15% полосы полезного сигнала вплоть до генерации "белого шума" во всем спектре. Следует заметить, что естественных узкополосных источников в природе не наблюдается. Искусственные широкополосные источники могут иметь характерное излучение, вызванное импульсными или переходными процессами.
В зависимости от типа источника помехи решение задачи ЭМС может быть разделено на две части: уменьшение электромагнитной интерференции (Electro Magnetic Interference, EMI) и уменьшение радиочастотной интерференции (Radio Frequency Interference, RFI). Для первого влияния характерны низкие частоты (десятки-сотни герц) и большие амплитуды, для второго - небольшие амплитуды и высокие частоты (десятки-сотни мегагерц).
Наиболее наглядно классификация источников электромагнитных помех представлена в табл. 1.
Защита кабельных линий от внешних электромагнитных воздействий
В данном разделе приводятся некоторые рекомендации, которых следует придерживаться при проектировании кабельных линий или при решении уже возникших проблем ЭМС.
При решении задач ЭМС следует, пользуясь табл. 1, определить возможные источники помех и их характер, а затем выработать методы снижения электромагнитной нагрузки. В общем случае все методы, приведенные ниже, будут способствовать улучшению ЭМС. Задача специалиста - на основе данных обследований объекта, особенностей и параметров помехи и общих рекомендаций расположить методы по ранжиру в соответствии с технической и экономической эффективностью и целесообразностью внедрения возможных изменений.
Из экономических рекомендаций можно отметить использование продукции известных производителей с хорошей репутацией, качество производства которых позволяет гарантировать хороший баланс проводников в кабеле. Заметим, что применение качественной продукции не отменяет требований правильного монтажа, хотя хорошо сбалансированный кабель позволяет создать достаточный запас по сигнальным параметрам и уменьшить влияние человеческого фактора.
Из технических рекомендаций укажем следующие решения:
а) разнесение кабельных линий и источников помех в пространстве;
б) экранирование слаботочных кабельных линий;
в) экранирование силовых кабельных линий или источников помех;
г) ограничение длины параллельного пробега слаботочных и силовых кабелей;
д) корректное использование системы заземления силовых и слаботочных кабелей;
е) снижение излучения источников электромагнитных помех.
Рассмотрим каждый из пунктов более подробно.
А. Пространственное разнесение
Разнесение кабелей и источников помех в пространстве является наиболее простым и эффективным способом снижения электромагнитной нагрузки. Электромагнитное излучение затухает обратно пропорционально степени расстояния. Степень затухания зависит от реальных условий и может изменяться от 1/л/г до 1/r3, где r - расстояние между точкой излучения и точкой наблюдения, в зависимости от:
Б. Экранирование слаботочных кабельных линий
Еще одним способом уменьшения влияния внешних источников на кабель является экранирование. Экранирование может осуществляться двумя способами:
В обоих случаях металлические экраны должны быть надежно заземлены. Особенно внимательно следует относиться к заземлению экранированных кабелей: возможны случаи, когда при нарушении топологии заземления или качества его монтажа электромагнитное влияние не улучшается, а ухудшается.
В. Экранирование силовых линий или источников помех
Альтернативным вариантом экранирования является экранирование силовых линий или источников электромагнитных помех. Применение металлических экранов достаточной толщины позволяет эффективно уменьшать электрическую составляющую электромагнитного поля. К сожалению, эффективно уменьшить магнитную составляющую можно только путем применения магнитоди-электрических материалов с высоким показателем магнитной диэлектрической проницаемости, имеющих крайне высокую стоимость.
Из наиболее распространенных методов реализации данного пункта можно отметить использование электрических кабелей в металлических оплетках или каналах либо, например, экранирование специализированных помещений металлическими проводниками или листами. Во втором случае, то есть при экранировании помещений, так называемая "сетка Фарадея" также выполняет функции системы уравнивания потенциалов.
Г. Ограничение длины параллельного пробега слаботочных и силовых кабелей
В табл. 2 приведены величины разноса слаботочных и силовых кабелей при параллельной прокладке. Данные значения носят общий характер, и зачастую параметры разноса можно снизить. Распространенной ошибкой является прокладка слаботочных и силовых кабелей в одном пучке. Это не только противоречит нормам на ЭМС, но и является нарушением требований п. 2.1.16 Правил устройства электроустановок (ПУЭ).
Д. Корректное заземление силовых и слаботочных кабелей
Как говорилось в пункте Б, корректное использование системы заземления позволяет улучшить электромагнитную обстановку. Между тем ошибки в топологии или реализации заземления могут привести к тому, что заземляющий проводник или экран кабеля станет дополнительным источником электромагнитных помех.
Для заземления проводников целесообразно использовать телекоммуникационное заземление, которое соединено с главной заземляющей шиной (ГЗШ) здания или контуром повторного заземления здания только в одной точке. Все элементы пассивного оборудования и оплеток кабелей должны быть заземлены с использованием промышленных специализированных решений. В качестве примера на рисунке показаны варианты правильного и неправильного заземления оплетки кабеля.
С точки зрения заземления экрана кабеля идеальным является случай, когда параллельно кабелю прокладывается заземляющий проводник, выполняющий функцию уравнивания потенциалов и существенно снижающий паразитные токи на оплетке.
В реальной ситуации такая возможность существует на магистральных линиях связи здания, на обоих концах которых есть телекоммуникационное заземление. Если же кабель прокладывается до абонентского устройства, то монтаж такого проводника, как правило, не осуществляется. В этом случае нужно обеспечить заземление оплетки кабеля с одного конца и исключить возможность объединения защитного электрического и телекоммуникационного заземления.
Таким образом, следует учесть, что применение неэкранированных решений зачастую более оправдано, чем использование некорректно выполненных экранированных систем.
Е. Снижение излучения источников электромагнитных помех
Не всегда есть возможность изменить параметры электромагнитного излучения источника помех, особенно внешнего происхождения. Тем не менее для некоторых видов оборудования уменьшение уровня излучения не только возможно, но и необходимо, так как приводит к более эффективному функционированию источника помехи.
В первую очередь это относится к силовым кабелям, в которых нарушен порядок чередования фаз. Появление тока на нейтральном проводнике силового кабеля приводит к увеличению излучения кабеля на основной частоте 50 Гц и на частоте третьей гармоники 150 Гц. Ситуация усугубляется, если в цепи существуют множественные объединения нейтрального и заземляющего проводника, в результате которых несбалансированный ток появляется в петлях, образованных этими двумя проводниками.
Для снижения электромагнитного излучения и устранения описанных выше проблем необходимо внести изменения в схему электроснабжения. Для потребителей электрической мощности, которые представляют собой нелинейную нагрузку (например, импульсные источники питания), целесообразно увеличивать сечение нейтрального проводника относительно фазного для уменьшения излучения
на частоте третьей гармоники. Данное требование в большей мере относится не к распределенным, а к сосредоточенным в одном месте потребителям, например к источникам бесперебойного питания, кабельные трассы которых могут проходить в непосредственной близости от слаботочных кабелей.
Еще одним объектом, на котором возможно уменьшение электромагнитного излучения, являются люминесцентные лампы. Замена электромагнитной пускорегулирующей аппаратуры на электронную позволяет уменьшить излучения как при переходных процессах при включении лампы, так и при стационарной работе светильника.
Защита кабельных линий от несанкционированного доступа
Задача защиты кабельных линий от несанкционированного доступа (НСД) имеет несколько другую логику, нежели подход, изложенный в предыдущем пункте, где кабельная линия рассматривалась как приемник. Здесь же следует рассматривать кабель как источник излучения, то есть передатчик.
С точки зрения российских норм и правил защита кабельных линий подпадает под действие стандартов по защите информации. Стандарты делятся на открытые, например ГОСТ Р 50739-95 "Средства вычислительной техники. Защита от несанкционированного доступа к информации. Общие технические требования", и на закрытые, разработанные Федеральной службой по техническому и экспортному контролю (ФСТЭК России). Создание информационных систем, которые обрабатывают и передают сведения, составляющие государственную тайну, строго регламентируется закрытыми нормами. При защите коммерческой тайны, как правило, применяются те же самые принципы.
Из классической электродинамики известно, что характеристики источников электромагнитных волн, например антенн, идентичны на прием и на передачу (принцип взаимности). Таким образом, большинство рекомендаций, связанных с уменьшением влияния внешних источников, будут способствовать уменьшению излучения самих информационных кабелей. Дополнительно для защиты информации могут применяться различного рода фильтры и широкополосные генераторы шума.
Выводы
При выполнении элементарных требований в большинстве случаев создания кабельных систем задача ЭМС решается "по умолчанию". Поскольку кабели типа "витая пара" обладают достаточной устойчивостью к электромагнитным воздействиям, то для обычных офисных приложений достаточно использовать неэкранированные решения, избегая прокладки кабельных линий в непосредственной близости от источников электромагнитных помех. Также следует заметить, что очень редко неблагоприятная электромагнитная обстановка приводит к полному нарушению связи; как правило, снижается скорость передачи данных, которую трудно оценить без отдельного, специально проведенного анализа.
Для решения специальных задач или размещения кабельных трасс в условиях сложной электромагнитной обстановки следует принимать решения, пользуясь рекомендациями, изложенными в данной статье.
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #3, 2006
Посещений: 24964
Статьи по теме
Автор
| |||
В рубрику "Защита информации и каналов связи" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
