Глава 1.1 Принципы построения многоканальных систем передачи

Если при построении сети связи сравнивать затраты на оборудование и затраты на прокладку и приобретение кабелей связи, то увидим, что стоимость кабельных сооружений достаточно велика. Поэтому необходимо как можно эффективнее использовать кабели связи. Естественно, что передавать по одному кабелю один канал не выгодно, поэтому по одной физической цепи передают много каналов, отсюда название - многоканальная система передачи (МСП).

В общем виде упрощенная структурная схема МСП имеет вид:

Рисунок 1- Упрощённая структурная схема МСП

На передающей станции первичные сигналы С₁(t), ..., C_N(t) преобразуются модуляторами М1, ...., Мn в канальные сигналы U₁(t), ...., U_N(t). В сумматоре канальные сигналы объединяются в групповой сигнал U_Г(t). Передатчик (Пер) преобразует групповой сигнал в линейный, который поступает в линию связи. Так как линии передачи бывают разными: пара проводов, коаксиальный кабель, волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), радиорелейные линии (РРЛ); то при формировании линейного сигнала из группового необходимо учитывать свойства соответствующей линии связи, и в частности рабочий диапазон частот, уровни передаваемых и принимаемых сигналов, а также помех. Похождение сигналов по линиям связи сопровождается искажением их формы и ослаблением мощности. Кроме того, происходит маскирование сигналов помехами. Поэтому в подавляющем большинстве случаев линию связи разбивают на отдельные участки, в конце которых устанавливают обслуживаемые или необслуживаемые промежуточные усилительные пункты (ОУП, НУП). Приемник (Пр), во-первых, выполняет функции оборудования ОУП, во-вторых, преобразует линейный сигнал в групповой. Далее сигнал U_Г(t) поступает на вход совокупностей разделителей Р₁,…, Р_N канальных сигналов. Затем с помощью демодуляторов ДМ₁,…,ДМ_N канальные сигналы преобразуются в первичные и поступают на выходы каналов.

При построении МСП чаще всего используются частотный и временной способы разделения каналов (ЧРК и ВРК).

Аналоговые системы передачи с временным разделением каналов (МСП с ВРК)

В основе временного разделения каналов лежит теорема Котельникова, которая гласит:

Любой сигнал, имеющий непрерывный спектр, ограниченный частотой Fв, может быть представлен в виде отсчетов на передаче и затем восстановлен на приеме со сколь угодно малой погрешностью, если частота отсчетов (частота дискретизации Fд) больше либо равна 2 Fв( Fд≥2 Fв).

При временном разделении каналов по цепи передаются периодические последовательности очень коротких импульсов, амплитуды которых равны величинам мгновенных значений канальных сигналов.

Упрощенная структурная схема МСП с ВРК представлена на рисунке 2.

Исходные непрерывные сигналы каждого канала С₁(t), ..., C_N(t) после ограничения спектра фильтром нижних частот (ФНЧ) поступают на ключи К₁, ..., К_N, которые осуществляют дискретизацию этих сигналов. Работой ключей управляет периодическая последовательность импульсов, вырабатываемая генераторным оборудованием ГОпер. Частота следования импульсов равна частоте дискретизации Fд.

Импульсные последовательности, управляющие работой разных ключей, сдвинуты друг от друга на равные временные интервалы, величина которых определяется Тд и числом каналов в системе.

Таким образом, групповой сигнал представляет собой последовательность коротких импульсов.

Рисунок 2 -Структурная схема МСП с ВРК

На приемной станции разделение канальных сигналов осуществляется ключами К₁' , ..., К_N' . Работой ключей управляет последовательность импульсов от ГОпр. Для того, чтобы передаваемый сигнал поступил в соответствующий приемник, необходимо, чтобы электронные ключи на передаче и на приеме работали синхронно и синфазно. Для этого с передающей станции на приемную передается синхросигнал СС. В том случае, если ключи будут работать не синфазно, то сигнал попадет не в свой приемник, а в приемник соседнего канала. При несинхронной работе ключей сигнал вообще может не попасть ни в один приемник. На рисунке 3 и 4 представлены сигналы, поясняющие работу системы передачи с ВРК.

Восстановление исходного непрерывного сигнала из последовательности импульсов осуществляют фильтры нижних частот (ФНЧ). (Рисунок 4)

Так как полоса пропускания линии передачи ограничена, то между каналами в групповом сигнале могут возникнуть взаимные переходные помехи. Для их уменьшения между канальными импульсами вводят защитные интервалы Тз.

Определим частоту и период дискретизации. Как говорилось выше, типовой канал имеет спектр 0,3...3,4 кГц, следовательно, по теореме Котельникова, частота дискретизации должна быть не меньше, чем 6,8 кГц, для того, чтобы обеспечить возможность выделения исходного канала фильтром ФНЧ, частоту дискретизации приняли равной 8 кГц, соответственно период дискретизации составляет 125 мкс.

МСП с ВРК и АИМ имеют низкую помехозащищенность, поэтому АИМ применяют лишь на первой ступени преобразования, а на более высоких ступенях применяют ИКМ и ФИМ.

Рисунок 3 - Сигналы в системе передачи с ВРК

Рисунок 4 - Спектральный состав сигналов в МСП с ВРК

 

Структурная схема многоканальной системы передач с частотным разделением каналов (МСП с ЧРК)

Упрощенная структурная схема МСП с ЧРК представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Структурная схема МСП с ЧРК

Исходные сигналы с полосой частот Fmin...Fmax поступают на модуляторы М₁, ...., М_N, на второй вход которых поступают несущие частоты f_Н1, ...., f_НN от генераторного оборудования ГО. На выходе модуляторов получаем модулированный сигнал. Полосовые фильтры ПФ₁, ..., ПФ_Nподавляют побочные продукты модуляции и выделяют необходимые полосы частот f₁...f₂, f₃...f₄, f_L...f_M., причем эти полосы не должны перекрываться. Объединяясь, канальные сигналы образуют групповой сигнал с полосой частот f₁...f_M.

На приемной станции происходит обратное преобразование. Полосовые фильтры из принимаемого группового сигнала выделяют канальные сигналы, которые затем поступают на демодуляторы и ФНЧ. Таким образом, на приемной станции получаем исходные сигналы с полосами частот Fmin...Fmax.

Необходимо отметить, что полоса частот исходного сигнала должна быть меньше, либо равна полосе частот канального сигнала, для того, чтобы исходный сигнал не искажался. Лучше если они будут равны, тогда групповой спектр будет иметь наименьшую ширину.

Контрольные вопросы

1. Нарисуйте структурную схему системы с ВРК и объясните назначение отдельных устройств.
2. Сформулируйте теорему Котельникова, поясните её смысл.
3. Как восстанавливается непрерывный сигнал из последовательности его дискретных отсчетов?
4. Для чего в системах с ВРК используются синхросигналы?
5. Нарисуйте структурную схему системы с ЧРК и объясните назначение отдельных устройств.
6. Почему желательно, что бы полоса частот канального сигнала равнялась полосе частот исходного сигнала?

Глава 1.2. Канальные и групповые сигналы в МСП с ЧРК

Формирование канальных сигналов в МСП с ЧРК

Формирование канальных сигналов можно осуществить методами амплитудной (АМ), фазовой (ФМ) или частотной (ЧМ) модуляций. В МСП с ЧРК применяется АМ. При этом передачу можно осуществить несколькими способами:

• передача двух боковых полос и несущей.

Достоинство:
1.Простота получения исходного сигнала на приеме, для этого достаточно подать АМ сигнал на демодулятор и с помощью фильтра выделить исходный сигнал.

Недостаток:
1.Неэффективное использование частотного диапазона, широкая полоса частот. Если спектр сигнала Fmin...Fmax, то полоса частот канала равна 2 Fmax.
2.Энергия канала тратится и на передачу боковых полос, которые несут информацию, и на несущую, в которой не заложена информация, при этом мощность боковых мала, следовательно, нужно увеличивать мощность на передаче.
Данный способ используется только в малоканальных системах передачи.

• передача несущей и одной боковой полосы.

Достоинство:
1.Полоса частот уже, чем в первом методе, и равна Fmax.

Недостаток:
1.Так как передается несущая, то на нее тратится значительная доля энергии.
2.Большие искажения.
3.Сложность подавления одной БП.

Данный способ никогда не используется.

• передача двух боковых полос без несущей.

Достоинство:
1.Отсутствие несущей частоты позволяет повысить мощность боковых полос частот, а, следовательно, повысит помехозащищенность.

Недостаток:
1.Большая полоса частот канального сигнала, равная 2Fmax.
2.Наличие нестабильности несущей частоты вызывает биения, частота которых равна 2D w и изменение громкости сигнала.

Данный метод используется только в МСП на местных сетях.

• передача одной боковой полосы частот, несущей и части второй боковой полосы частот.

Данный способ используется, если спектр исходного сигнала начинается от очень низких частот, близких к нулю, например, для передачи факсимильных сигналов и сигналов телевидения.
При этом методе также имеют место квадратурные искажения.

• передача одной боковой полосы (ОБП).

По линии передается либо ВБП, либо НБП (w + W , w - W ). Если выделяется верхняя боковая полоса ВБП, то говорят, что преобразование без инверсии. Если НБП, то - с инверсией (т.к. спектр переворачивается).

При этом методе происходит лишь перемещение сигнала по шкале частот, поэтому данный метод модуляции называют преобразованием частоты, а модуляторы и демодуляторы, используемые в аппаратуре при осуществлении этого метода, - преобразователями частоты.

Как и в предыдущем случае, на приемной станции необходимо восстанавливать несущую, приводит к изменению спектра канального сигнала на приеме на величину ± D w . Это вызывает ухудшение качества передаваемой информации по каналам. При передаче речи изменение частоты в канале не должно быть больше 50 Гц.

Достоинство:
1.Узкая полоса частот канального сигнала, равная полосе частот исходного сигнала.
2.Так как несущая не передается, то энергия тратится лишь для передачи одной боковой полосы.

Недостаток:

1.Необходимость восстановления несущей на приемной станции.
2.Сложность подавления несущей и боковой полосы на передающей станции.

Данный метод наиболее распространен.

При передаче данным методом необходимо подавить неиспользуемую боковую полосу и несущую. Подавление несущего колебания осуществляется непосредственно в схемах модуляторов, которые выполняются по балансным или двойным балансным схемам. Так как условие баланса выполнить достаточно трудно и на выходе модулятора будут присутствовать остатки несущего колебания, то к фильтрам, подавляющим неиспользованную БП, предъявляют дополнительные требования к затуханию на частоте несущего колебания. Это затухание должно превышать затухание в полосе пропускания не менее чем на 9 дБ.

Подавление ОБП осуществляется либо фильтровым, либо фазоразностным, либо фазофильтровым методом. Подробно рассмотрим лишь первый метод.

Фильтровый метод подавления ОБП

Неиспользуемая боковая полоса частот подавляется полосовым фильтром, включенным на выходе модулятора.

Неиспользуемая полоса частот одного канала практически полностью совпадает с полезной боковой полосой частот соседнего канала, т.к. интервал между несущими частотами соседних каналов составляет 4кГц. Поэтому требования к затуханию фильтров в полосе непропускания очень высокие, и составляют 60-70 дБ, иначе в соседнем канале появится помеха в виде переходного сигнала.

Таким образом, данные фильтры должны обладать очень крутой АЧХ, то есть переходные полосы должны быть как можно меньше. Крутизна характеристики АЧХ фильтра зависит:
1)от порядка фильтра - чем выше, тем лучше.
2)от добротности фильтра - чем выше, тем лучше.

Существует такое понятие, как относительная полоса расфильтровки d , равная:

d = D w / w н или d = 2Fmin / fнес.

d - определяет сложность фильтра и возможность фильтрации.

Трудность реализации фильтра возрастает с ростом частоты несущего колебания, так как относительная полоса расфильтровки уменьшается, следовательно, повышаются требования к крутизне характеристики фильтров. Поэтому в зависимости от величины d фильтры выполняются на различных элементах.

Если d ³ 0,025...0,03, то можно использовать LC - фильтры,

если d < 0,02, то используют кварцевые фильтры.

Кварцевые фильтры обладают большой добротностью порядка 1000....100000, тогда как у LC - фильтров добротность 200...300.

При большом числе каналов LC - фильтры применять не выгодно, это дорого, т.к. каждый фильтр, должен быть настроен на определенную свою полосу частот, следовательно, большое число разнотипных фильтров. Их применяют при многократном преобразовании частоты.

Многократное групповое преобразование

При построении МСП с ЧРК, как правило, используют многократное преобразование частоты. При этом, частотный диапазон исходного сигнала несколько раз перемещается по шкале частот прежде чем передается в линию, на приемном конце осуществляется аналогичное преобразование, только в обратном порядке.

Достоинства многократного преобразования:

• возможность использования дешевых фильтров;


• возможность использования стандартного оборудования;


• возможность преобразования исходной полосы частот в линейную, если они частично перекрываются.

Пример многократного преобразования при формировании линейного спектра СП В-12-3изображен на рисунке 6.

Рисунок 6 - Многократное преобразование

Виртуальная несущая частота - воображаемая несущая частота, с помощью которой можно было бы исходную полосу частот переместить в линейную путем однократного преобразования. Значение виртуальной несущей частоты можно определить как алгебраическую сумму значений всех несущих частот, участвующих в многократном преобразовании. Например, в нашем случае:

-324 + 468 = 144 кГц.

Определим относительную полосу расфильтровки, используемых в этом случае фильтров:

d 1 = 120 / 324 = 0,37;

d 2 = 2× 384 / 468 = 1,64,

значит можно использовать более дешевые LC-фильтры.

Методы формирования стандартных групповых сигналов

В МСП с ЧРК может использоваться либо индивидуальное, либо групповое преобразование частоты. При индивидуальном методе, оборудование для каждого канала (преобразователи, фильтры, усилители и.д.) свое, следовательно, количество этого оборудования равно числу каналов в данной системе передачи.

В современных МСП применяется групповой метод преобразования частоты. В этом случае преобразование осуществляется в несколько ступеней. На первой ступени применяется индивидуальное преобразование - одинаковые исходные сигналы объединяются в N-канальную группу. Вторая и последующие ступени преобразования являются групповыми. На второй ступени N-канальные группы объединяются в более крупные группы каналов, на третьей и четвертой ступенях аналогично.

Группу каналов, полученную на первой ступени преобразования, называют первичной (ПГ), спектр которой занимает полосу частот 60...108 кГц. Соответственно, группу каналов, полученную на второй ступени, называют вторичной (ВГ), спектр - 312...552 кГц. На третьей - третичной (ТГ), спектр 812...2044 кГц. На четвертой - четверичной (ЧГ), спектр 8516...12388 кГц.

Аппаратура сопряжения преобразует спектр группы каналов в необходимый для данного типа аппаратуры линейный спектр. Оконечная аппаратура линейного тракта (АОЛТ) содержит усилители, устройства АРУ, направляющие фильтры и т.д.

Достоинства группового преобразования:

• возможность уменьшения количества разнотипных фильтров;
• возможность уменьшения количества разных значений несущих частот, необходимых для формирования линейного спектра, например, в аппаратуре В-12-3 при использовании индивидуального метода преобразования необходимо было бы иметь 12 несущих частот, а при групповом методе применяется 10 несущих; в системе К-60 при индивидуальном методе 60 несущих частот, а при групповом - 18;

Формирование ПГ (60,6...107,7 кГц)

Первичная группа получается путем объединения 12 каналов. ПГ может быть сформирована либо с использованием одной, либо двух ступеней преобразования.

А) Формирование ПГ с использованием одной ступени преобразования.

В этом случае спектр формируется 12-тью индивидуальными преобразователями, на которые подаются 12 несущих частот. Выделение полезной ОБП и подавление неиспользуемой производится 12-тью канальными полосовыми фильтрами.

Определим относительную полосу расфильтровки d :

d ₁ = 2Fmin / fнес = 0,3× 2 / 108 = 0,0055,

d ₁₂ = 2Fmin / fнес = 0,3× 2 / 64 = 0,0093.

Так как 0,0055 и 0,0093 < 0,02, то необходимо применять кварцевые или магнитострикционные фильтры.

Недостатком метода является относительно высокая стоимость фильтров.

Б)Формирование ПГ с использованием двух ступеней преобразования.

На первой ступени преобразования с помощью несущих частот 12, 16 и 20 кГц и полосовых фильтров (ВБП) формируются четыре трехканальные предгруппы, полоса частот которых одинаковая и составляет 12,3...23,4 кГц. Для получения спектра ПГ на второй ступени преобразования с помощью несущих частот 84, 96,108 и 120 кГц спектры предгрупп поступают на групповые преобразователи и далее на полосовые фильтры, которые выделяют нижнюю БП. Таким образом, на выходе также получаем спектр ПГ 60,6...107,7 кГц.

Определи относительную полосу расфильтровки и количество разнотипных фильтров.

1.На первой ступени преобразования:

d = 2Fmin / fнес = 0,3× 2 / 20 = 0,03.

Так как 0,03 > 0,02, то можно применять LC - фильтры.

Количество фильтров - 12, но только 3 типа.

2.На второй ступени:

d = 2Fmin / fнес = 12× 2 / 120 = 0,2.

Так как 0,2 > 0,02, то можно применять LC - фильтры.

Количество фильтров - 4 разного типа.

Таким образом, при формировании ПГ вторым способом количество разнотипных фильтров будет меньше, хотя общее их число больше, но они дешевле.

Формирование ВГ (312,3...551,4 кГц)

Вторичная группа формируется из пяти первичных групп с использованием одной ступени преобразования. Т.е. число каналов - 60. В зависимости от выбранных значений несущих частот может быть сформирован либо основной, либо инверсный, либо дополнительный спектр ВГ. Если используются несущие частоты 420, 468, 516, 564 и 612 кГц, то организуется основная ВГ. Если несущие равны соответственно 252, 300, 348, 396 и 444 кГц , то - инверсированная ВГ. Дополнительный спектр отличается от основного тем, что 5ВГ в нем инвертирована. При этом в первом случае с помощью полосовых фильтров выделяются верхние, а во втором случае нижние боковые полосы.

Определим относительную полосу расфильтровки и количество фильтров:

1.d = 2Fmin / fнес = 60× 2 / 612 = 0,19.

Так как 0,19 > 0,02, то можно применять LC - фильтры.

2.Количество фильтров - 16× 5 + 5 = 65, количество разнотипных фильтров - 12.

Формула для определения значения несущей частоты:

fнес = 420 + 48 (n - 1), кГц

Наличие трех вариантов спектрообразования необходимо для уменьшения влияния одной системы с ЧРК на другую систему с ЧРК, работающую по параллельной цепи.

Формирование ТГ (812.6 .... 2043.7 кГц)

Третичная группа формируется из пяти основных спектров вторичной группы путем однократного группового преобразования. ТГ содержит соответственно 300 каналов. В спектре ТГ между спектрами стандартных ВГ предусмотрен защитный интервал частот 8 кГц, который позволяет уменьшить требования к канальным фильтрам используемых при объединении и выделении заданной вторичной группы.

Определим относительную полосу расфильтровки и количество фильтров:

1.d = 2Fmin / fнес = 312× 2 / 2356 = 0,132.

Так как 0,132 > 0,02, то можно применять LC - фильтры.

2.Количество фильтров - 16× 5 + 5 + 5 = 70, количество разнотипных фильтров - 17.

Формирование ЧГ (8516 ... 12388)

Спектр четверичной группы получается путем одноступенчатого преобразования трех спектров ТГ с помощью несущих частот 10560, 11880 и 13200 кГц. Полосовые фильтры выделяют НБП.

Контрольные вопросы

1. Перечислите все способы формирования канальных сигналов.
2. В чем достоинства и недостатки формирования ОБП?
3. Назовите достоинства многократного преобразования частот.
4. Поясните принцип фильтрового метода формирования ОБП.
5. Зачем в системах с ЧРК применяется групповое преобразование частот?
6. Что определяет относительная полоса расфильтровки ?

Глава 1.3 Основные функциональные узлы аппаратуры МСП с ЧРК

Преобразователи частоты (ПЧ)

Преобразователи частоты - это одни из основных узлов МСП с ЧРК, которые предназначены для переноса спектра исходного сигнала в другую область частот. По назначению ПЧ подразделяются на: групповые и индивидуальные. Индивидуальные ПЧ предназначены для преобразования индивидуальной полосы частот, а групповые для преобразования полосы частот, составленной из некоторого числа индивидуальных полос.

По характеру применяемых в ПЧ нелинейных элементов подразделяются на: пассивные, в которых применяются пассивные нелинейные элементы - обычно кремниевые или германиевые диоды, и активные, в которых применяются активные нелинейные элементы - обычно транзисторы.

По схемам соединения нелинейных элементов ПЧ подразделяются на: простейшие, балансные и двойные балансные.

Сигнал, проходя через ПЧ, ослабляется. Потеря мощности преобразуемого сигнала характеризуется рабочим затуханием и определяется по формуле:

где - мощность, которую источник ЭДС сигнала с частотой , преобразуемого с помощью сигнала несущей частоты w, может отдать в нагрузку, сопротивление которой равно внутреннему сопротивлению источника; - мощность сигнала боковой частоты (ВБП или НБП), выделяемая в нагрузке ПЧ.

Простейшие ПЧ.

Принцип работы любого ПЧ основан на нелинейности ВАХ (вольт -амперной характеристики) (рис.12.1), которая представляет собой зависимость тока протекающего через диод, от приложенного к нему напряжения.

При анализе работы всех ПЧ будем считать, что они работают в режиме больших амплитуд (РБА), т.е. выполняется неравенство: Еω> > Е (амплитуда несущего колебания много больше амплитуды информационного преобразуемого сигнала).

Для исследования спектрального состава тока на выходе ПЧ принимают:

е_w = Е_wcos wt, е = Тогда напряжение поступающее на диод равно сумме: Uд = Еw cos wt + ЕW cos W t. Так как ВАХ диода аппроксимируется полиномом третьей степени, то можно записать следующее:

iд = а₀ + а₁ Uд + а₂ U²д + а₃ U³д.

Таким образом, на выходе ПЧ спектр выходного тока будет определяться выражением (), где m и n целые числа.

Простейший преобразователь частоты вносит затухание в модулированный сигнал как минимум: а_р = 10 дБ.

Основным недостатком простейшего ПЧ является наличие несущей частоты на выходе схемы.

Схеме простейшего пассивного ПЧ и временные характеристики тока и напряжения в разных точках схемы представлены на рисунке 7.

Рисунок 7 - Схема простейшего модулятора

Последовательный балансный ПЧ.

Схема балансного ПЧ и временные характеристики тока и напряжения представлены на рисунке 8.

В данной схеме напряжение несущей частоты подводится к средним точкам входного и выходного трансформаторов, следовательно, при продольной симметрии схемы (при равных характеристиках диодов) в нагрузке ток несущей частоты будет отсутствовать.

Спектральный состав тока в нагрузке определяется выражением:

mw ± (2n + 1) , где n и m любые целые числа.

Минимальное затухание сигнала при прохождении через ПЧ составляет 10 дБ.

Рисунок 8 - Схема последовательного балансного ПЧ

Двойной балансный (кольцевой) ПЧ.

Рисунок 9 - Схема двойного балансного ПЧ

В данной схеме, как и в балансной, при продольной симметрии в выходной и входной цепях будет отсутствовать ток несущей частоты и всех ее гармоник. Кроме того, в отличие от балансной схемы, в данной схеме при одинаковых ВАХ всех диодов в выходной цепи будут отсутствовать составляющие тока исходного сигнала и всех их гармоник, так как кольцевая схема представляет собой настроенный мост, т.е. R_д1R_д2 = R_д3R_д4, в котором источник исходного сигнала и нагрузка включены в диагонали.

Спектральный состав тока в нагрузке определяется выражением:

(2m + 1)w ± (2n + 1) , где m и n любые целые числа.

Минимальное рабочее затухание кольцевого преобразователя равно:

а_мин = 4 дБ.

На следующем рисунке представлены спектральные характеристики токов на выходе трех рассмотренных выше схем ПЧ.

Генераторное оборудование в АСП

В АСП для преобразования первичных сигналов от разных источников информации в групповой сигнал на передаче, и обратная операция на приеме осуществляется с помощью ПЧ, где сигнал переносится из одной области частот в другую посредством несущей частоты. Несущие частоты (индивидуальные и групповые), в свою очередь, поступают на ПЧ от генераторного оборудования (ГОпер и ГОпр). Кроме несущих частот ГО должно также вырабатывать сигналы контрольных частот (групповые и линейные).

В современных МСП при многократном преобразовании частоты наибольшее распространение получил гармонический способ синтеза несущих частот. Сущность этого способа состоит в том, что все несущие частоты представляют собой гармоники основной частоты f₀, которая вырабатывается задающим генератором (ЗГ). Так как ширина канала ТЧ равна 4 кГц, то все несущие частоты должны быть кратны 4 кГц.

Структурная схема генераторного оборудования представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 - Схема генераторного оборудования. ЗГ - задающий генератор, ГГ- генератор гармоник, ДЧ - делитель частоты.

Каждый из сигналов, вырабатываемый генераторным оборудованием, должен отвечать ряду требований, важнейшими из которых являются: стабильность частоты и уровня, помехозащищенность и надежность.

Допустимая относительная нестабильность частоты ЗГ определяется для наивысшей виртуальной частоты системы, которая практически равна верхней предельной частоте линейного спектра fmax:

Например, для МСП К-60 линейный спектр которой занимает полосу частот 12...252 кГц, 1000 = 1,98 10^-6.

Для поддержания высокой стабильности ЗГ выполняют на кварцевых резонаторах и помещают его в термостат, где поддерживается стабильная температура с точностью до 0,01° С. Данные генераторы строятся на основе усилителей (рисунок 11).

Рисунок 11

Для обеспечения нормальной работы данного генератора необходимо чтобы выполнялись следующие условия:

1.Баланс амплитуд: К1× К2 = 1.

2.Баланс фаз: , где к ноль или целое число.

Так как фаза мало зависит от амплитуды колебания, а в основном от его частоты, то считают что уравнение баланса фаз и частота колебаний жестко связаны. Таким образом генератор должен генерировать ту частоту, на которой выполняется баланс фаз.

Контрольные вопросы

1. Какие основные узлы входят в состав аппаратуры оконечной станции систем передачи с ЧРК?
2. Поясните режим работы больших амплитуд.
3. Как строятся преобразователи частоты?
4. Как строятся генераторы в МСП с ЧРК?
5. Какие требования предъявляются к генераторам?
6. Какие требования предъявляются к генераторному оборудованию?

Глава 1.4 Помехи в трактах и каналах аналоговых систем передачи

Помеха - постороннее электрическое колебание, проникающее в каналы систем передачи и мешающее нормальному приему полезного сигнала.

Классификация помех:

• по месту возникновения;
• по форме;
• по спектру;
• по мешающему воздействию.

По месту возникновения:

• внутренние - помехи, обусловленные свойствами самих каналов, т.е. линейным трактом и каналообразующей аппаратурой. К таким помехам относятся - тепловые шумы линии; шумы, создаваемые усилителями, преобразователями и другими компонентами аппаратуры, а также помехи возникающие вследствие паразитной нелинейности компонентов аппаратуры.
• внешние помехи - помехи, обусловленные внешними факторами, например, помехи от линейных переходов между параллельными цепями, радиопомехи, атмосферные помехи, помехи от линий высокого напряжения и т.п.

По форме:

• непрерывные: U_ср< U_max в 10 раз

• импульсные: U_ср< U_max в 100…1000 раз

Импульсная помеха имеет пиковое значение в десятки тысяч раз превышающее среднее значение напряжения помехи. У непрерывной помехи пиковые значения в десятки раз больше среднего значения. Импульсная помеха создает в канале треск, щелчки, а непрерывная - постоянный шум.

По спектру:

• сплошные:

• дискретные:

По мешающему воздействию:

• помехи в виде шума;
• помехи в виде внятного переходного разговора.

Невнятный телефонный разговор - неразборчивая речь. Наиболее опасен внятный переходный разговор, так как раскрывает секреты. Если эту помеху устранить нельзя, то стараются сделать ее невнятной.

Методы оценки помех

Любой способ оценки помех основан на сравнении величины сигнала и помехи. Так как помехи, это случайные процессы, то точную их форму мы предсказать не можем. Поэтому помехи принято оценивать средним значением ее эффективного напряжения (или мощности), определенным за какой-то промежуток времени (час, минуту). Средним, потому что напряжение помехи изменяется во времени.
Действие любой помехи оценивается по величине помехозащищенности, равной разности уровней полезного сигнала и помехи в заданной точке канала:
Аз = р_с - р_пом = 10 lg Рс / Рпом = 20 lg Uс / Uпом, дБ
Помеха на выходе канала оценивается не действующим напряжением, а псофометрическим, которое связано с эффективным напряжением следующим образом:
Uп.псоф = Кпс Uп.эфф;
Рп.псоф = Кпс² Рп, где Кпс = 0,75 для канала ТЧ.
Псофометрическое напряжение измеряется псофометром.
Шумы, вносимые усилителем, характеризуются коэффициентом шума Dш или dш = 10 lg Dш, дБ.
Dш = (Рс вх / Рп вх) / (Рс вых / Рп вых),
dш = р_с.ш.вх - р_т.ш.

Нормирование помех

Допустимая величина помех на выходе канала нормируется для каналов определенной длины. В соответствии с рекомендациями МСЭ-Т выбрана эталонная цепь протяженностью 2500 км.
Эталонная цепь - некоторая цепь, в которой на краях две оконечные станции (ОС) и некоторое количество переприемных станций (ПС) разных типов.
Для кабельных линий связи (КЛС):
Рп псоф (0) < 10000 пВт псоф, в том числе 2500 пВт псоф - помехи, создаваемые оконечными и переприемными станциями, а 7500 пВт псоф - помехи, вносимые линейным трактом, т.е. 3 пВт псоф на 1 км. Следовательно, для линейного тракта протяженностью Lкм допустимая мощность помех в ТНОУ не должна превышать 3L пВт псоф.

Собственные помехи

Собственные помехи - внутренние помехи, вызванные тепловыми шумами и усилителями.

Тепловой шум вызывается хаотическим движением электронов в резисторах. На резисторе возникает напряжение теплового шума. Источником теплового шума является температура окружающей среды.

где k - постоянная Больцмана, равная 1,38× 10^-23 Дж/к;
Т- абсолютная температура в градусах Кельвина;
D F - полоса частот, Гц;
R - активное сопротивление источника шума, Ом.

Мощность теплового шума определяется следующим образом:

Например, для канала ТЧ с полосой частот D F = 3,1кГц при абсолютной температуре Т = 293 К (t = 20° С) мощность тепловых шумов равна 1,25× 10^-17 Вт, что соответствует абсолютному уровню - 139 дБм (-16нП).

Шумы, вносимые усилителем, обусловлены непостоянством числа носителей заряда во времени (дробовый эффект), и характеризуются коэффициентом шума Dш или dш = 10 lg Dш, дБ.

Dш = (Рс вх / Р п вх) / (Рс вых / Рпвых).

dш = (р_{с вх} -р_{п вх}) - (р_{с вых} - р_{п вых}),дБ.

При расчете шумов в линейном тракте с ЧРК обычно пользуются величиной мощности или уровня собственных шумов, приведенных ко входу усилителя:

Рс.ш.прив =Рт.ш.× Dш = К× Т× D f× Dш, Вт

р_{с.ш .прив}= 10 lg Рс.ш.(мВт) = р_т.ш. + d_ш = -139 + d_ш, дБ - для канала ТЧ.

или р_с.ш.вх = р_т.ш. + d_ш.

р _с.ш.вых = р_т.ш. + d_ш + S, где S - усиление усилителя.

Почему шумы измеряют на входе усилителя? Потому, что там самый слабый сигнал.
Коэффициент шума усилителя еще можно определить как разность защищенности на входе и выходе усилителя:

dш = Аз вх - Аз вых, дБ .

Накопление собственных помех

При большом числе усилителей на линейном тракте происходит накопление собственных помех, что приводит к значительной результирующей мощности собственного шума на выходе линейного тракта.

Пусть на линейном тракте N усилителей. Считаем, что с точки зрения шумовых свойств они одинаковые, а усиление усилителей разные. При этом каждый усилитель кроме сигнала будет усиливать и помеху приведенную ко входу усилителя, причем на выходе каждого усилителя будет помеха не только от него, но и от предыдущего усилителя (рис.18.1).

р_{с.ш.вых 1} = р_{с.ш .прив} + S1,

р_{с.ш.вых 2} = р_{с.ш .прив} + S2,

.....

р_{с.ш.вых N} = р_{с.ш .прив} + S_N

Так как собственная помеха это случайный процесс, то результирующая мощность будет определяться по закону сложения мощностей:

Если усилители одинаковые, то:

, или , дБ.

где n_ус - количество усилителей.

Мощность собственных шумов на выходе канала ТЧ в ТНОУ определяется:

где р _пер - уровень на выходе усилителя передачи.

Методы борьбы с собственными помехами.

Наиболее низкая помехозащищенность будет на выходе линейного тракта, т.к. уровень полезного сигнала очень низкий. При этом затухание линии передачи частотно-зависимое, причем, чем больше частота сигнала, тем большее затухание он испытывает (рисунок 12), следовательно, уровень приема для верхних по частоте каналов будет меньше. А так защищенность на входе усилителя определяется как: А_{з вх} = р_пр - р_с.ш, то защищенность верхних каналов будет меньше (рисунок 13).

Рисунок 12 - Затухание линии передачи

Рисунок 13

Для увеличения защищенности от собственных шумов в линейном тракте КЛС применяют предыскажение уровней передачи. Для этого на выходе передающей станции уровни передачи в верхних по частоте каналах повышают по сравнению к уровням при работе без предыскажений, сохраняя при этом среднюю мощность группового сигнала неизменной (рисунок 14).

Рисунок 14

На приемной станции включается восстанавливающий контур с АЧХ, обратной АЧХ предыскажающего контура на передаче, и уровни во всех каналах выравниваются.

Помехи от линейных переходов

Помехи от линейных переходов возникают в каналах систем передачи, которые работают по симметричным кабелям и по ВЛС, вследствие электромагнитной связи между ними. Если линейные спектры сигналов одинаковые, то помехи будут восприниматься как внятный переходный разговор, а если различны, то как шум или невнятный переходный разговор.

Различают переходные помехи на ближний и дальний конец (рисунок 15).

а)

б)

Рисунок 15 - Переходные помехи:

а - на ближний конец; б - на дальний конец

 

Влияние помехи оценивается переходным затуханием на ближний и дальний конец, соответственно Ао и А_l. Величина Ао будет значительно меньше А_l   следовательно защищенность на ближнем конце меньше, чем на дальнем.

Определим защищенность на ближний конец:

р _{п о} =р _{пер 1} - Ао, р _{с о} =р _{пер 2} - Ал,

Азо = р _{с о} - р _{п о} = (р _{пер 2} - Ал) - (р _{пер 1} - Ао) = Ао - Ал - (р _{пер 1} - р _{пер 2}).

Определим защищенность на дальнем конце:

р _{п l} = р _{пер 1} - Аl, р _{с l} = р _{пер 2} - Ал

Азl = р _{с о} - р _{п о} = (р _{пер 2} - Ал) - (р _{пер 1} - Аl) = Аl - Ал - (р _{пер 1} - р _пер2).

Ал – затухание линии.

Для устранения влияния на ближний конец используют двухполосный способ передачи, т.е. передача осуществляется в одной полосе частот, а прием в другой.

Если защищенность на дальнем конце недостаточна, то помехи будут проявляться как внятный переходный разговор. Для того, чтобы сделать их невнятными используют инвертированные и сдвинутые друг относительно друга спектры (рисунок 16).

Рисунок 16 - Инверсия и сдвиг линейных частот параллельно работающих систем

Нелинейные помехи

Помехи нелинейного происхождения (нелинейные помехи) возникают в групповых устройствах, содержащих нелинейные элементы – диоды, транзисторы, катушки индуктивности с ферромагнитными сердечниками и др. Основными источниками нелинейных помех являются усилители линейного тракта, так как их число обычно весьма велико. При поступлении на вход нелинейного четырёхполюсника группового сигнала, содержащего ряд гармонических составляющих, на выходе этого четырехполюсника появляются колебания с новыми частотами – продуктами нелинейности, которых не было на входе. Частоты этих продуктов могут совпадать с частотами полезных сигналов. В соответствующих каналах в данном случае появляются посторонние колебания – нелинейные помехи.

Частоты продуктов нелинейности на выходе уселителя являются либо гармониками частотных составляющих входного группового сигнала, либо комбинационными частотами вида (mf_x±nf_y±qf_z±…), где f_x, f_y, f_z … - частоты составляющих входного группового сигнала; m,n,q,… - целые числа (0,1,2,…). Величина (m+n+q+…) указывает порядок продукта нелинейности. Если m±n±q±…=1, то такой продукт нелинейности называется продуктом нелинейности первого рада, если ≠1, то продукты нелинейности второго рода.

Например: 3f_x-f_y, 3+1=4, 3-1=2≠1, значит это продукт нелинейности четвертого порядка второго рода.

Мешающее действие нелинейных помех определяется мощностью и спектральным распределением продуктов нелинейности.

Амплитудная характеристика (АХ) усилителя в идеальном случае должна быть прямолинейна, реально же она квазилинейна (рисунок 17) и может быть аппроксимирована. Хорошую аппроксимацию дает степенной полином. Для квазилинейного участка достаточно трех членов полинома.

Рисунок 17 - Амплитудная характеристика усилителя

U_вых = а_1× Uвх + а_2× U_вх² + а_3× U_вх³,

где U_вх = Uо × cosω_оt, т.е. на входе гармонический сигнал.

Тогда U_вых = а₁ Uо × cosω_оt + 1/2 а₂ Uо² × cos2ω_оt + 1/4 а₃ Uо³ ×cos3ω_оt ...= U_1г × cosω_оt + U_2г × cos2ω_оt + U_3г ×cos 3ω_оt...

где U_1г - амплитуда полезного сигнала;

U_2г ,U_3г - амплитуды второй и третьей гармоники сигнала, чем они меньше, тем лучше.

Нелинейные помехи принято оценивать затуханием нелинейности, которое определяется следующим образом:

А_2г = р_1г - р_2г = 20 lg (U_2г / U_1г),

А_3г = р_1г - р_3г = 20 lg (U_3г / U_1г).

При нулевом уровне передачи затухание нелинейности равно А_2г0 и А_3г0, тогда: А_2г = А_2г0 - р_пер, А_3г = А_3г0 - 2р_пер. Таким образом, при увеличении уровня передачи затухание нелинейности уменьшается.

Распределение продуктов нелинейности по спектру

Спектр продуктов нелинейности гораздо шире спектра исходного группового сигнала. Пусть линейный спектр системы передачи занимает полосу частот f₁... f₂. Распределение продуктов нелинейности представлено на рисунке 18.

Рисунок 18 - Распределение продуктов нелинейности по спектру

Возможен случай, когда помех второго рода не будет. Условием этого будет:

Продукты первого рода попадают во все каналы системы передачи. Это самые опасные помехи.

Распределение мощности продуктов нелинейности по частоте на рисунке изображено равномерным. Однако, в действительности это не так, на разных частотах мощность продуктов нелинейности различна.

Формулы для расчета мощностей продуктов нелинейности представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Порядок продукта	Частота продукта	Мощность на выходе
второй	2fx fx± fy
третий	3fx
	2fx± fy
	fx+fy± fz

Накопление нелинейных помех

Обычно линейный тракт содержит большое число усилителей, на выходах которых появляются нелинейные помехи, которые накапливаются от усилителя к усилителю (рисунок 19).

Рисунок 19

Помехи второго порядка и третьего порядка второго рода внутри секции регулирования и между секциями суммируются по закону мощностей, значит для нашего случая:

Продукты нелинейности третьего порядка первого рода внутри секции регулирования могут суммироваться с совпадением по фазе, то есть по закону сложения напряжений. А между секциями по закону сложения мощностей.

Контрольные вопросы

1. По каким параметрам классифицируются помехи?
2. Что является источником собственных помех?
3. Поясните принцип предыскажения уровней передачи.
4. Что является причиной переходных помех?
5. Объясните, как внятные переходные помехи делают невнятными.
6. Что является основным источником нелинейных помех?
7. Как определяется порядок и род продуктов нелинейности?
8. Какие продукты нелинейности являются наиболее опасными и почему?
9. Как суммируются продукты нелинейности?

Глава 1.5 Линейные искажения и их коррекция

Сигналы, проходя по каналам связи подвергаются действию амплитудно- частотных (АЧИ) и фазо - частотных линейных искажений (ФЧИ). АЧИ и ФЧИ вносятся самой линией связи вследствие наличия в ней сосредоточенных или распределенных реактивных элементов.
Сигнал не будет искажаться, если АЧХ линии будет постоянна, а ФЧХ - линейна. Одновременно выполнить эти условия не возможно.

Рисунок 20 - Условия безыскаженной передачи

ФЧИ оказывают влияние только при передачи широкополосных сигналов (телевидения), а для канала ТЧ они не оказывают мешающего воздействия, а иногда могут даже уменьшить накопление нелинейных помех первого рода. Поэтому далее будем говорить только об АЧИ.

Затухание линии возрастает с ростом частоты, следовательно, разные составляющие спектра сигнала ослабляются в неодинаковой степени, что приводит к искажению формы сигнала. Затухание линии зависит от внешних условий (температуры грунта - для КЛС, температуры и влажности воздуха, изморози - для ВЛС), которые не постоянны во времени, следовательно, АЧИ также не постоянны во времени. При изменении внешних условий изменяется не только затухание линии, но и характер его частотной зависимости - наклон и криволинейность. АЧХ линии можно представить в виде трех составляющих: плоской, наклонной и криволинейной (рисунок 21).

Рисунок 21 - АЧХ линии

Компенсацию затухания линии производят с помощью корректоров, которые входят в состав линейных усилителей (ЛУС). Каждый ЛУС обеспечивает усиление, равное затуханию предшествующего ему участка. Для упрощения схемы корректоров применяют корректоры, которые компенсируют затухание по отдельным составляющим, соответственно различают плоский, наклонный и криволинейный переменные корректоры. Частотные характеристики данных корректоров представлены на рисунок 22. Семейство затухания наклонного ПАК должно иметь одну общую точку, а криволинейного - две, это точки называют точками вращения характеристик затухания ПАК.

Рисунок 22 – Частотные характеристики переменных корректоров

Часто АЧИ вносимые линией, при каких-то заданных условиях (например, при заданной температуре грунта) корректируются с помощью постоянного АК, а изменения АЧИ, вызванные отклонением температуры грунта от заданного значения, корректируются с помощью переменных корректоров (ПАК).

Способы включения постоянного АК

1.На входе или выходе усилителя (рисунок 23):

Рисунок 23

В этом случае характеристика корректора должна быть обратная характеристики затухания линии, а следовательно усиление усилителя не будет зависеть от частоты (рисунок 24).

Рисунок 24

2.В цепи обратной связи (рисунок 25):

Рисунок 25

В данном случае характеристика АК повторяет характеристику затухания линии, и при глубокой обратной связи усиление усилителя будет примерно равно затуханию цепи обратной связи (рисунок 26).

Рисунок 26

Включение АК на входе усилителя обеспечивает большие пределы корректирования, но при этом снижается защищенность сигнала от собственных помех, т.к. уровень сигнала уменьшается на величину затухания корректора. При включение АК в цепь ООС помехозащищенность не снижается, но пределы корректирования ограничены (при большой крутизне АЧХ АК усилитель может самовозбудиться).

Автоматическая регулировка уровней (АРУ)

Для того, чтобы судить о качестве приема группового сигнала, на передаче в его спектр вводят контрольные частоты (КЧ). А на приемной стороне выделяют КЧ специальными приемниками КЧ. Количество КЧ зависит от типа линии передачи. Так для воздушных линий связи достаточно две КЧ, для симметричного кабеля три КЧ, а для коаксиального кабеля достаточно одной КЧ, но в реальных системах передачи для надежности используют две КЧ.

Например, для системы К-60 (12 - 252 кГц) КЧ имеют значение 16 кГц (наклонный ПАК), 112 кГц (криволинейный ПАК) и 248 кГц (плоский ПАК).

Рассмотрим работу системы АРУ на примере СП К-60 (рисунок 27).

Рисунок 27 - Система АРУ

Принцип работы системы АРУ заключается в следующем: сигнал, проходя по линии связи, испытывает затухание, следовательно, изменяется уровень группового сигнала и уровень КЧ, введенных на передаче. Контрольные частоты вырезаются из спектра группового сигнала с помощью кварцевых фильтров, обладающих очень узкой полосой пропускания. Далее сигнал КЧ поступает на выпрямитель, а затем на соответствующую схему сравнения (СС). Если эталонное напряжение и напряжение КЧ не совпадают, то на выходе СС появляется напряжение ошибки, воздействует на соответствующий ПАК. Например, если затухание линии увеличилось, то уровень КЧ на входе и выходе усилителя уменьшился и АРУ по КЧ увеличивает уровень КЧ до номинального значения.

КЧ - это гармоники частоты ЗГ. Частота и уровень КЧ должны быть стабильны. Уровень КЧ выбирается на 10 дБ больше или меньше уровня информационного сигнала.

Контрольные вопросы

1. В чем заключаются условия безыскаженной передачи?

2. Почему для коррекции линейных искажений применяют корректоры трех видов? Какие это корректоры?
3. Как включают постоянные корректоры, и что от этого зависит?
4. Поясните принцип работы АРУ?
5. Для чего нужны контрольные частоты?