уЧЕБНИК. Конспект лекций СанктПетербург 2005
 Скачать 1.58 Mb.
|
|
7.1. Понятие об уровнях передачи. Рабочее затухание (усиление) Абсолютным уровнем мощности называется отношение полной мощности P в рассматриваемых точках цепи к мощности в 1 милливольтампер (милливатт), выраженное в дБ (Нп). 10 = M P lg [ ] 1 мва P [ ] дБ ; 2 1 = M P ln [ ] 1 мва P [ ] Нп . (7.1) 1 дБ ≈ 0,115 Нп ; 1 Нп ≈ 8,68 дБ. Абсолютные уровни напряжения и тока определяются следующими формулами: 20 = Н P lg [ ] 775 мВ U [ ] дБ ; = Н P ln [ ] 775 мВ U [ ] Нп ; 20 = T P lg [ ] 29 , 1 мА I [ ] дБ ; = Н P ln [ ] 29 , 1 мА I [ ] Нп (7.2) Таким образом, нулевому абсолютному уровню мощности соответствует мощность 1мВА(мВт), нулевому абсолютному уровню напряжения – 775 мВ, нулевому абсолютному уровню тока – 1,29 мА. В случае, когда сопротивление в данных точках цепи равно 600 Ом, абсолютный уровень мощности, тока и напряжения оказывается численно равными. Это объясняется выбором величин, принятых за единицу Ом мА мВ 600 29 , 1 775 ≈ и 775 1 29 , 1 мВт мА мВх ≈ Номинал сопротивления 600 Ом исторически появился в технике дальней связи как среднее значение волнового сопротивления воздушной медной линии. Изменение мощности или напряжения сигнала по тракту передачи оценивается относительными уровнями мощности и напряжения 10 = MООТ P lg 0 P P ; 20 = НОТН P lg 0 U U , (7.3) 40 где P и U – мощность и напряжение в рассматриваемых точках, а 0 P и 0 U - мощность и напряжение в точках цепи, принятых за начало. Для этой же цели более удобными оказываются измерительные уровни. Согласно МСЭ измерительным уровнем называется абсолютный уровень в рассматриваемых точках канала, если в начале включен нормальный генератор. Под нормальным генератором понимается генератор с ЭДС 2 × 775 мВ и внутренним сопротивлением 600 Ом. Т.к. входное сопротивление канала как правило активно и равно 600 Ом, то ко входу канала в этом случае оказывается подведенным абсолютный нулевой уровень мощности, напряжения и тока (1мВт,775мВ и 1,29 мА). По определению МСЭ частота нормального генератора может быть любой, но, как правило, считают частоту нормального генератора 800 Гц. Таким образом, измерительный уровень является частным случаем относительного, т.к. в этом случае 0 P =1мВт, 0 U =0,775 В. Потери энергии сигнала в пассивном четырехполюснике или ее увеличение в активном четырехполюснике оцениваются затуханием или усилением. В связи с этим вводится понятие рабочего затхания четырехполюсника 10 = a lg 2 1 P P , дБ (7.4), где 1 P - мощность, которую отдал бы источник ЭДС сигнала согласованной с ним нагрузкой, 2 P - полная мощность, выделяющаяся в нагрузке четырехполюсника при реальной схеме включения. При таком определении учитывается возможная несогласованность как во входной, так и в выходной цепях четырехполюсника. Рабочее усиление определяется аналогично: 10 = S lg 2 1 P P дБ, (7.4) здесь 1 P и 2 P - те же, что и в предыдущей формуле. 7.2. Остаточное затухание канала Остаточным затуханием канала называется его рабочее затухание при оконечных нагрузках 600 Ом. Так как аппаратура дальней связи рассчитывается на согласование с волновым сопротивлением линий связи, то практически остаточное затухание канала может быть определено в системах с частотным разделением каналов ЧРК разностью между суммой затуханий всех участков линии и суммой усилений оконечной аппаратуры и промежуточных усилителей ∑ ∑ − = i i r S a a При измерениях величина остаточного затухания а r определяется разностью между уровнем, отдаваемым измерительным генератором с R г = 600 Ом согласованной нагрузке, и уровнем на выходе канала, нагруженного на сопротивление 600 Ом, т.е. вых r p p a − = 0 41 Остаточное затухание проверяется при 0 p = 0 дБ. При этом величина r a равна величине уровня в дБ на выходе канала , взятого с обратным знаком, т.е. r a = - р вых. Величина а r нормируется на частоте 800 Гц. Максимальная величина r a ограничивается требованием в отношении громкости передачи. С этой точки зрения канал дальней связи может вносить затухание до 11,3 – 13,5 дБ. Минимальное же значение r a устанавливается по условию сохранения необходимой устойчивости от самовозбуждения. По существующим нормам остаточное затухание каналов ТЧ (тональной частоты) многоканальных систем уплотнения при их двухпроводном окончании должно составлять 5,3 дБ, а при четырехпроводном остаточное усиление должно быть равно 17,4 дБ. Указанные величины остаточного затухания и усиления устанавливаются с точностью не хуже, чем 0,4 дБ. Отклонение величины остаточного затухания на частоте 800 Гц от номинала во времени, характеризующее стабильность работы канала, должно находиться в пределах 7 , 1 ) ( ≤ Δ t a Ч дБ. 7.3. Частотная характеристика канала Частотной характеристикой канала называют зависимость его остаточного затухания от частоты при постоянном уровне на входе канала ( ) t a Ч ϕ = при const P ВХ = (7.5) Эта характеристика оценивает амплитудно-частотные искажения, вносимые каналом за счет зависимости его остаточного затухания от частоты. Рис.7.2. Частотная характеристика канала 5 4 3 2 1 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 f, кГц По нижение ка чества передачи , дБ 42 На рис.7.2 показан примерный вид частотной характеристики канала ТЧ. Волнистость характеристики в средней части полосы канала обусловлена, главным образом, несогласованностью канальных фильтров с нагрузками, а резкое увеличение Ч a в области граничных частот – неравномерностью затухания фильтров в этой области. Частотная характеристика канала ТЧ нормируется в пределах эффективно передаваемой полосы частот, т.е. такой полосы, на границах которой остаточное затухание может превышать свое нормированное значение при частоте 800 Гц не более, чем на 8,68 дБ. Нормируемая эффективно передаваемая полоса частот должна обеспечиваться при максимальной дальности связи. В пределах эффективно передаваемой полосы частот по условию допустимого понижения устойчивости канала от самовозбуждения, остаточное затухание канала может уменьшаться по сравнению с нормальной величиной не более, чем на 2,1 дБ. Эффективно передаваемая полоса частот определяет не только качество телефонной передачи, но и возможность использования канала ТЧ для передачи сигналов других видов связи. Изменение качества передача речи при ограничении передаваемой полосы частот оценивается величиной дополнительного затухания, которое необходимо ввести в эталонный телефонный тракт с полосой частот 0,1 ÷ 10 кГц с тем, чтобы получить ту же разборчивость, что и при передаче через испытуемый тракт. Полученное таким образом дополнительное затухание называют понижением качества передачи. Для каналов ТЧ, образованных многоканальной аппаратурой, МСЭ установлена эффективно передаваемая полоса частот 0,3 ÷ 3,4 кГц. Такой канал называют стандартным. Неравномерность частотной характеристики канала нормируется допустимыми отклонениями остаточного затухания в пределах отдельных участков эффективно передаваемой полосы частот по отклонению к его величине при = f 800 Гц, т.е. ( ) ( ) Гц a f а a Ч Ч Ч 800 − = Δ а, дБ 8,75 8,68 7,0 5,25 3,5 4,3 1,75 2,15 0 0.3 0.6 1.0 2.0 2.4 3.0 3.4 f, кГЦ -1,75 Рис.7.3. Нормируемая неравномерность АЧХ канала 43 Нормы на неравномерность частотной характеристики каналов на один переприемный участок зависят от допустимого количества переприемов по низкой частоте. 7.4. Фазовая характеристика канала Фазовой характеристикой канала называется зависимость его фазовой постоянной от частоты ( ) f b ϕ = b t 0 f f f 0 f Рис.7.4. а) Фазовая характеристика б) Характеристика группового времени Примерный вид фазовой характеристики канала приведен на рис.7.4. а). В средней части эффективной полосы пропускания характеристика близка к линейной, а на ее границах наблюдается заметная нелинейность, обусловленная, главным образом, канальными фильтрами. На рис.7.4 б), показана зависимость группового времени, определяемого как ω ∂ ∂ = b t (7.5). Если фазовая характеристика линейна так, что ( ) 0 ω ω − = k b , где 0 ω - средняя частота в эффективно передаваемой полосе канала, то групповое время k t = будет постоянным для всех составляющих сигнала, сигнал будет передаваться без искажений с замедлением, определяемым крутизной фазовой характеристики. Запаздывание сигнала, передаваемого по реальным каналам, определяется групповым временем в средней части полосы пропускания канала. Замедление сигналов факсимильной связи, вещания, телевидения не влияет на качество передачи, поскольку передача этих сигналов является односторонней. Заметное время замедления может являться помехой для двухсторонней телефонной связи, поскольку большие интервалы времени между вопросом говорящего и ответом слушающего нарушают возможность беглого разговора. Нормы МСЭ ограничивают время замедления между двумя абонентами до 250 мс. Наибольшее групповое время в каналах ТЧ проводной и радиорелейной связи не должно превышать 100 мс, а при наличии в тракте передачи 44 искусственных спутников – 400 мс, из которых 300 мс отводится на космический участок. Неравномерность группового времени, которая становится особенно заметной на краях частотного спектра канала, приводит к искажению формы сигнала. При передаче речи нарушение фазовых соотношений составляющих спектральной характеристики сигнала не сказывается на восприятии звуков, так как ухо реагирует лишь на характеристику спектральной плотности. Поэтому фазовые искажения будут сказываться на качестве передачи речи только тогда, когда неравномерность группового времени вызывает заметное смещение во времени отдельных компонент звука. Для каналов, предназначенных для передачи речи, нормируется максимальное отклонение группового времени на граничных частотах эффективно передаваемой полосы частот по отношению к минимальной величине этого времени. По рекомендации МСЭ на национальных участках международной сети должно выполняться условие мс t t t f кГц f 20 min 3 0 3 0 ≤ − = Δ = = и мс t t t f кГц f 10 min 4 , 3 4 , 3 ≤ − = Δ = = Эти нормы установлены без учета требований, предъявляемых к каналам ТЧ системами передачи данных. С учетом этих требований неравномерность группового времени в каналах ТЧ на участке протяженностью 2500 км должна находиться в пределах мс t t t f 2 min ≤ − = Δ , где f t - групповое время на любой из частот эффективно передаваемой полосы канала, min t - минимальное значение группового времени в этой полосе. Максимально же допустимая величина неравномерности группового времени в пределах спектра, используемого для передачи данных, в зависимости от скорости и системы передачи определяется соотношением B B t ÷ = Δ 2 1 max , где – B скорость передачи в бит/c. Так как каналы ТЧ не удовлетворяют этому требованию при применяемых на практике скоростях передачи, то приходится использовать устройства корректирования фазовых искажений. Для обеспечения условий корректирования и обеспечения возможности применения стандартных фазовых корректоров разброс частотных характеристик неравномерности группового времени должен находится в определенных пределах. 45 Рис.7.5. Допустимые отклонения ГВЗ 7.5. Амплитудная характеристика Амплитудной характеристикой канала называют зависимость остаточного затухания от уровня на входе, измеренную при неизменной частоте измерительного генератора ( ) ВХ Ч P a ϕ = при const f = (7.6). Передающая часть схемы каждого канала ТЧ многоканальной аппаратуры во избежание перегрузки групповых устройств этой аппаратуры снабжается ограничителем амплитуд ОА. Амплитудная характеристика канала на переприемном участке нормируется для двух случаев – при включенном и выключенным ОА. Примерный вид амплитудных характеристик каналов ТЧ многоканальных систем для обоих случаев показан на рис.7.6. Рис.7.6. Амплитудная характеристика канала ТЧ Приведенные на рис.7.6 уровни ВХ P = 3,5 и 7,0 дБ определяют нормированные значения превышений уровня измерительного тока на входе канала по отношению к номинальному, при которых величина остаточного затухания увеличивается не более, чем на 0,3 дБ. При включенном ограничители амплитуд с повышением уровня измерительного тока на входе канала до 8,7 и до 19 дБ остаточное затухание канала должно увеличиваться не менее, чем на 1,7 и 8,2 дБ, соответственно. 7.6. Коэффициент нелинейных искажений Амплитудная характеристика определяет порог перегрузки канала, но не дает возможности оценить нелинейные искажения, вносимые каналом до порога перегрузки. Оценка канала с этой точки зрения важна при его вторичном Ч a Δ =0,3 дБ Ч a Δ =0,3 дБ НОРМ Ч a Ч a ,дБ ВХ P ,дБ 3,5 7 46 уплотнении, в связи с чем нормируется еще и коэффициент нелинейных искажений, вносимых каналом при выключенном ограничители амплитуд. При подаче на вход канала сигнала с частотой 800 Гц и нулевым измерительным уровнем коэффициент нелинейных искажений для одного переприемного участка должен быть не более 1,5% при коэффициенте нелинейности по 3-ей гармонике не более 1%. При n переприемных участках коэффициент нелинейных искажений должен составлять не более 1,5 % n 7.7. Защищенность от помех Под помехами понимают посторонние токи, частотный спектр которых совпадает со спектром передаваемых сигналов. В каналах связи эти помехи маскируют или искажают сигналы. Основными видами помех в каналах дальней связи являются шумы, которые в телефонном канале маскируют слабые звуки речи и тем самым уменьшают разборчивость передачи; а в каналах передачи данных искажают принимаемые комбинации импульсов. При оценке и нормировании шумовых помех в канале различают шум, возникающий в каналообразующей аппаратуре оконечных и переприемных станций, и шум линейного тракта. Шум за счет каналообразующей аппаратуры создается, главным образом, оборудованием преобразования частот и источниками электропитания в системах с ЧРК или устройствами квантования по уровню в системах ВРК. Основными источниками помех линейного тракта систем с ЧРК являются тепловые шумы резисторов; шумы транзисторов; шумы, возникающие за счет нелинейного взаимодействия сигналов в линейных усилителях; шумы взаимного влияния каналов параллельных цепей. В системах с ВРК источниками помех линейного тракта являются ошибки линейных регенераторов и джиттер(качание фазы) цифрового линейного сигнала. Для нормальной передачи любых видов сигналов необходимо обеспечить вполне определенную защищенность канала от шума, определяемую превышением уровня сигнала над уровнем шума на выходе канала. Отсюда следует, что мешающее действие шума можно оценивать также величиной напряжения или мощности шума на выходе канала, отнесенной к точке с определенным значением относительного уровня передачи. При телефонной передаче мешающее действие отдельных спектральных составляющих шума из-за частотной зависимости чувствительности уха и телефона будет неодинаковым, поэтому шум в этом случае оценивается не действующим напряжением, а псофометрическим. Псофометрическим напряжением шума называют напряжение с частотой 800 Гц, мешающее действие которого эквивалентно мешающему действию шума во всем спектре канала. Другими словами псофометрическое напряжение шума определяет действующее значение всех составляющих помехи в канале, определенное с учетом частотной характеристики чувствительности уха и телефона. Псофометрическое напряжение шума измеряется псофометром, представляющим собой вольтметр с квадратичным детектором, на входе которого 47 включен специальный контур с частотной характеристикой, соответствующей чувствительности уха, телефона и микрофона. Рис.7.7. АЧХ псофометра Частотная характеристика псофометра рекомендована МСЭ. Учитывая приведенную на рис.7.7 зависимость f k от частоты, можно определить псофометрическое напряжение шума в канале следующим образом: ∫ ∂ = 2 1 2 2 f f f n f псоф n f U k U , (7.6) где 1 f и 2 f - граничные частоты эффективно передаваемой полосы; f n U - спектральная характеристика напряжения шума; f k - частотная зависимость коэффициента передачи псофометра. В соответствии с этим можно записать Ш псоф n kU U = , где k - псофометрический коэффициент шума, определяемый коэффициентом передачи псофометра и спектральной характеристикой шума; Ш U - действующее напряжение шума. Для гладкого шума, т.е. шума, спектральная плотность которого равномерна, и эффективно передаваемой полосе телефонного канала 0,3 ÷ 3,4кГц k =0,75. МСЭ нормирует допустимое значение псофометрической мощности шума для каналов гипотетической цепи, относя эту мощность к точке с нулевым относительным уровнем. По этим нормам допускается среднее за любой час значение псофометрической мощности шума для кабельных и радиорелейных линий 10000пВт. Этой величине мощности соответствует следующее значение защищенности от шума. 10 = − = Ш C Ш P P a lg Ш C P P =10 lg мВт мВт 9 10 10000 1 − ∗ = 50 дБ. Данной величине мощности соответствует псофометрическое напряжение шума на выходе канала 1,1 мВ с остаточным затуханием в 0,7 дБ. Из общей допустимой мощности шума на преобразовательное оборудование оконечной аппаратуры уплотнения и аппаратуры переприемных |