Характеристики каналов передачи
Диаграмма уровней канала – график, показывающий изменение уровня передачи при прохождении сигнала по линии от оконечной станции передачи (вход канала) до оконечной станции приема (выход канала). При вычерчивании диаграммы уровней необходимо знать уровни передачи на входах и выходах оконечных и усилительных станций. Обычно диаграмма уровней строится при условии, что на вход канала подается сигнал с заданным (нормализованным) абсолютным уровнем. Для построения диаграммы уровней телефонного канала, например, предполагается, что на вход его подается сигнал с нулевым абсолютным уровнем. Уровни на входе и выходе оконечных и усилительных станций можно либо рассчитывать, либо измерять. На рис. 4.1. показана для примера диаграмма уровней канала, включающего оконечные станции (пункты) передачи и приема (ОПпер и ОПпр), четыре усилительных участка протяженностью 11, 12, 13 и l4 и три усилительные станции с усилением S1, S2, S3.S1 = a11; S2=al2 ;S3 = al3; SОПпр =al4, где a – коэффициент затухания линии связи.
Рис. 4.1.
Уровень приема на входе усилительной станции определяется как pпрi = pпер (i-1) – α li .
Соответственно усиление усилительной станции легко определяется из диаграммы уровней как Si = pпер i - pпрi .
По диаграмме уровней, таким образом, можно судить об усилении усилительных станций, помехозащищенности сигналов в канале передачи и т. д.
Остаточное затухание (усиление) канала - рабочее затухание (усиление) канала, определяемое в условиях замыкания входа и выхода канала на активные сопротивления нагрузок, равные номинальным значениям входного и выходного сопротивлений канала как четырехполюсника. При обеспечении согласования канала с нагрузками на входе и выходе остаточное затухание можно определить как ar = pвх – рвых
Если рвых > pвх , то ar < 0 и имеет место остаточное усиление Sr = – ar. При согласовании всех элементов, образующих канал передачи, по входным сопротивлениям остаточное затухание можно определить как разность суммы всех затуханий и суммы всех усилений в канале: 
Остаточное затухание легко определить по диаграмме уровней канала (см. рис. 4.1.). Частоту f0, на которой измеряют остаточное затухание, устанавливается для каждого типа канала. Например, для канала ТЧ эта частота равна 800 Гц.
Частотная характеристика остаточного затухания - зависимость остаточного затухания от частоты. Примерный вид частотной характеристики остаточного затухания показан на рис. 4.2. На частоте f0 устанавливается номинальное значение остаточного затухания arm. На других частотах значение ar может отличаться от номинального. Отличия обычно задают в виде «шаблона», показанного на рис. 4.2., в виде границ допустимых значений (линии 1 и 2).
Рис. 4.2
По частотной характеристике остаточного затухания можно определить частоты эффективно передаваемой полосы частот канала (f1, f2 на рис. 4.2.), на которых отклонения остаточного затухания от номинального значения достигают некоторой заданной величины. Очевидно, что для канала ТЧ f1= 300 Гц, а f2 = 3400 Гц.
Для передачи ряда сигналов электросвязи важной является фазо-частотная характеричтика канала (ФЧХ), под которой понимается зависимость фазового сдвига между выходным и входным сигналами от частоты. Общий вид ФЧХ приведен на рис. 4.3.
Рис. 4.3.
Амплитудная характеристика канала – зависимость выходного уровня от входного уровня сигнала. Примерный вид этой характеристики показан на рис. 4.4. а. При изменении входного уровня до некоторого значения Pвх0, который определяет порог перегрузки канала, указанная зависимость линейна, т. е. существует пропорциональность между изменениями входного и выходного уровней, что характерно для линейных четырехполюсников. При Pвх > Pвх0 эта пропорциональность нарушается и канал начинает вносить нелинейные искажения. Таким образом, по амплитудной характеристике можно судить о нелинейных искажениях, вносимых каналами. Нелинейные искажения проявляются в появлении паразитных гармоник или комбинационных частот входного сигнала. Оценить величину нелинейных искажений можно рассчитав коэффициент нелинейных искажений как отношение амплитуды паразитных гармоник к амплитуде основной или затухание нелинейности.
Рис. 4.4. а, б
Можно изобразить амплитудную характеристику канала как зависимость остаточного затухания от входного уровня канала. При Pвх ≤ Pвх0, ar = const. При Pвх > Pвх0 остаточное затухание возрастает с ростом входного уровня (рис. 4.4. б).
18 Двусторонние каналы передачи
При телефонной связи один и тот же телефонный аппарат является то передающим (абонент говорит), то приемным (абонент слушает). По этой причине телефонные каналы должны быть двусторонними, т. е. обеспечивать передачу сигналов в прямом и обратном направлениях.
При организации телефонной связи на местных сетях ЕСЭ чаще всего используют двухпроводные физические цепи, по которым сигналы передаются без преобразования в тональном спектре частот. Сравнительно небольшая протяженность этих цепей позволяет обойтись без усилителей.
Для организации междугородной телефонной связи необходим канал двустороннего действия, который образуется путем объединения двух встречных односторонних каналов ТЧ. При таком объединении необходимо обеспечить двухпроводное окончание двустороннего канала, так как АЛ местной телефонной сети связи является двухпроводной. Поэтому объединение односторонних каналов осуществляют через специальные переходные (развязывающие) устройства РУ (рис. 4.5.). Из схемы следует, что при объединении двух односторонних каналов в один двусторонний возникает цепь связи, по которой токи с выхода одного одностороннего канала могут попадать на вход другого. В результате может возникнуть самовозбуждение двустороннего канала, если общее усиление этих токов в цепи обратной связи будет больше общего затухания цепи. Для устранения самовозбуждения и других последствий наличия обратной связи развязывающее устройство должно иметь большое затухание между точками а и b, т.е. задерживать токи обратной связи. Вместе с тем РУ должно иметь малое затухание в направлении от а к с и от с к b, т. е. пропускать токи с выхода канала данного направления к линии местной сети и, наоборот, с выхода линии местной сети на вход канала противоположного направления.
Рис. 4.5.
В схеме двустороннего канала (см. рис. 4.5.) можно различить двухпроводную и четырехпроводную части. Развязывающее устройство помимо устранения самовозбуждения канала обеспечивает согласование сопротивлений и уровней передачи этих частей канала.
В одностороннем канале каждого направления можно использовать двухпроводную линию передачи с односторонними усилителями. При этом в каждом из направлений передаются сигналы в одном и том же диапазоне частот. Такая система двусторонней связи называется четырехпроводной однополосной (рис. 4.6.). Для ее осуществления требуются две двухпроводные линии связи. Она в основном используется на кабельных линиях. На оконечных станциях этой системы передачи расположено как передающее, так и приемное оборудование. Несущие колебания подают одновременно на модулятор М и демодулятор Д данного канала на каждой оконечной станции. Для перехода от четырехпроводной части телефонного канала к двухпроводной используются развязывающие устройства.
Достоинством четырехпроводной однополосной системы двусторонней связи являются наличие одинакового оборудования на обеих оконечных станциях, простота оборудования усилительных станций, содержащих два одинаковых односторонних усилителя, что удешевляет их стоимость и упрощает эксплуатацию.
Однако четырехпроводную однополосную систему двусторонней связи не всегда можно реализовать технически, и она не всегда оправдана экономически. В частности, на воздушных линиях передача сигналов в противоположных направлениях в одном и том же спектре частот приводит к значительным влияниям на ближнем конце между цепями, относящимися к односторонним каналам противоположных направлений передачи. Влияние между цепями может привести к самовозбуждению усилителей разных направлений на одной усилительной станции.
19 РУ и помехи
Развязывающие устройства
В четырехпроводной однополосной и двухпроводной однополосной системах двусторонней связи в качестве развязывающих устройств обычно используют дифференциальную систему (рис. 4.11). Дифференциальная система содержит дифференциальный трансформатор с тремя обмотками, число витков которых равно соответственно WI, WII и WIII, и сопротивление Z3, называемое балансным контуром. Если WI=WIII, дифференциальная система называется симметричной или равноплечей. К зажимам 1 – 1 дифференциальной системы, используемой в качестве развязывающего устройства, подключается двухпроводная линия, к зажимам 2 – 2 - вход канала (или усилителя) одного направления передачи, а к зажимам 4 – 4 - выход канала (или усилителя) противоположного направления (рис. 4.12).
Рис. 4.11.
Рис. 4.12.
Очевидно, что затухание дифференциальной системы в направлении 4–2 должно быть очень большим, идеально – бесконечно большим.
Рассмотрим, в каком случае выполняется это условие применительно к равноплечей дифференциальной системе. Будем считать усилитель встречного направления источником напряжения с внутренним сопротивлением Z4, подключенным к зажимам 4–4. Входные сопротивления усилителя прямого направления и двухпроводной линии Z2 и Z1 подключены соответственно к зажимам 2–2 и 1–1 (рис. 4.13).
Рис. 4.13. –
Токи I1 и I3, протекая по обмоткам I и III, создают в сердечнике трансформатора магнитные потоки, направленные в противоположные стороны. Если эти потоки равны, ЭДС, наводимая в обмотке II, равна нулю. Через сопротивление ток протекать не будет, и, следовательно, затухание дифференциальной системы в направлении 4–2 будет бесконечно велико, т.е. ток обратной связи будет отсутствовать. Поскольку у равноплечей дифференциальной системы WI=WIII, необходимо, чтобы I1 = I3. Это условие, в свою очередь, будет выполнено, если Z1 = Zбк.
Таким образом, для устранения токов обратной связи необходимого подобрать сопротивление балансного контура равным входному сопротивлению линии. Соответствующая дифференциальная система называется уравновешенной или сбалансированной.
Рис. 4.14.
Известно, что при прохождении сигнала электрическая цепь создает минимальное затухание, если она включена согласованно с нагрузками. При согласованном включении передача сигналов через электрическую цепь характеризуется собственным затуханием:
где Рвх и Рвых – мощность сигнала на входе и выходе электрической цепи. Если условия передачи энергии с входа цепи на ее выход и в обратном направлении одинаковы, то электрическая цепь называется обратимой. В частности, все пассивные цепи являются обратимыми. Для обратимых цепей затухание не изменяется при замене направления передачи сигналов. Так, в схеме рис. 4.13 затухание дифференциальной системы не изменится, если генератор подключить к зажимам 2–2, а сопротивление Z4 рассматривать как нагрузку. Другими словами, A4-2=A2-4. Подключая генератор к зажимам 2–2 равноплечей уравновешенной дифференциальной системы (рис. 4.14) и имея в виду, что выполняется условие Z1 = Zбк, т. е. A2-4 = ¥, можем заключить, что вся мощность, развиваемая генератором на зажимах 2–2, делится поровну между нагрузками Z1 и Zбк, если считать трансформатор идеальным. Полагая, что в этом случае выходом цепи являются зажимы 1–1, и используя выражение ( 
), получаем
Аналогично в схеме, показанной на рис. 4.13, мощность, развиваемая генератором на зажимах 4–4 дифференциальной системы, делится поровну между нагрузками Z1 и Zбк, так как на сопротивлении Z2 мощность не рассеивается. Следовательно, для равноплечей уравновешенной дифференциальной системы
Таким образом, в направлении от двухпроводной линии связи до входа усилителя собственное затухание дифференциальной системы сравнительно невелико.
На практике выполнение условия (Z1 = Zбк) оказывается невозможным, так как входное сопротивление линии Z1 сложным образом зависит от частоты, а схема балансного контура должна быть сравнительно простой. Поэтому в реальной дифференциальной системе затухание в направлении от зажимов 4–4 к зажимам 2–2 (см. рис. 4.13) конечно, и, следовательно, всегда существует некоторый ток обратной связи. Тем не менее в любой системе двусторонней связи следует обеспечить условия, при которых общее затухание цепи обратной связи будет больше общего усиления этой цепи
Рис. 4.15
Помимо дифференциальной системы в качестве развязывающих устройств при рганизации двусторонней связи можно использовать РУ на резисторах (рис. 4.15). Такие РУ значительно проще, однако обладают сравнительно большим затуханием в направлениях пропускания (около 6 дБ) и рядом других недостатков. Существуют РУ с использованием активных приборов, которые имеют заметные преимущества перед пассивными схемами.