Сигналы, используемые для передачи сообщений в системах электросвязи, представляют собой электрические напряжение или ток, изменяющиеся во времени. Характер изменений мгновенных значений напряжения или тока сигнала однозначно соответствует передаваемым сообщениям.
Значения напряжений (токов) сигналов и помех в различных точках каналов и трактов имеют величины от пиковольт (пикоампер) до десятков вольт (ампер) Мощности токов имеют величины от долей пиковатт до ватт, киловатт и даже мегаватт. Чтобы облегчить измерения и расчеты величин, значения которых изменяются в широком диапазоне и чтобы при сравнении результатов измерений или расчетов операции умножения и деления заменить соответственно сложением и вычитанием, вместо величин мощности, напряжения и тока, выраженных в ваттах, вольтах и амперах (или их долях), используют логарифмы отношения этих величин к одноименным величинам, принятым за отсчетные. Относительные величины, выраженные в логарифмической форме называют уровнями передачи. Уровни передачи, представляющие десятичные логарифмы отношения одноименных величин, называются децибелами (дБ), а уровни передачи, представляющие натуральные логарифмы отношения одноименных величин, называются неперами (Нп). В технике телекоммуникационных систем в основном принято пользоваться децибелами.
Уровни передачи по мощности, напряжению и току определяются следующими формулами соответственно:
рм=10lg(Wх/W0);
рн=20lg(Uх/U0);
рт=20lg(Iх/I0).
В этих формулах Wх, Uх, Iх—величины кажущейся мощности, напряжения или тока в рассматриваемой точке, а W0, U0 и I0 — величины, принятые за исходные при определении уровней передачи. Уровни называются абсолютными, если за исходное приняты следующие величины: кажущаяся мощность W0=1 мВт; действующее напряжение U0=0,775 В; действующий ток I0=1,29 мА.
В общем случае численные значения уровней передачи по мощности, напряжению и току не совладают. Однако между ними легко установить взаимозависимость, если известны сопротивления Zх и Z0, на которых выделяются мощности Wх и W0. Действительно:
рм =101g = 10lg =201g -101g .
Откуда:
рм=рн-101g .
Аналогично получим:
рм=рт+101g .
Если абсолютные уровни определяются при сопротивлении Z=600 Ом, то рм=рн=рт. Это объясняется выбором исходных величин: U0=0,775 В; I0=1,29 мА; W0=1 мВт и Z0=0,775 В/1,29 мА=600 Ом.
Уровни передачи называются относительными, если величины W0 , U0 , I0 соответствуют значениям мощности, напряжения и тока в точке цепи, принятой за отсчетную (начало, вход цепи). Легко показать, что относительный уровень сигнала равен разности абсолютных уровней в данной точке цепи (рх) и в точке, принятой за начало (р0). Так, для уровня по мощности имеем:
От логарифмических единиц (уровней в децибелах) легко перейти к абсолютным (мощности, напряжению, току) по очевидным формулам:
Рх=W0´100,1рм;
Uх=U0´100,05рн;
Iх=I0´100,05рт.
При передаче сигналов по каналам связи имеют место потери энергии в пассивных четырехполюсниках или ее увеличение в активных четырехполюсниках. Чтобы охарактеризовать изменение энергии сигнала в различных четырехполюсниках, образующих каналы связи, вводится понятие рабочего затухания и рабочего усиления.
Рабочее затухание измеряется в децибелах и определяется по формуле:
ap=10lg(Wг/W2)= 10lg(Wвх/Wвых),
где Wг—кажущаяся мощность, которую отдал бы источник сигнала согласованной с ним нагрузке, W2— кажущаяся мощность, выделяющаяся в нагрузке четырехполюсника в реальных условиях включения. При таком определении учитывается возможная несогласованность на входе и выходе четырехполюсника. Рабочее усиление определяется выражением:
Sp=10lg(W2/Wг)= 10lg(Wвых/Wвх)
Очень важным является понятие измерительного уровня. По определению МККТТ измерительным уровнем называется абсолютный уровень в рассматриваемой точке системы (канала), если в начале этой системы (на входе канала) включен нормальный генератор. Нормальным называется генератор с ЭДС, равной 2´775 мВ, и внутренним активным сопротивлением, равным 600 Ом. Частота тока нормального генератора может быть любой, однако, на практике, если нет специальной оговорки, частоту считают равной 800 Гц. Если входное сопротивление канала активно и равно 600 Ом, то при подключении нормального генератора на входе канала оказывается абсолютный нулевой уровень мощности, тока и напряжения.
При проектировании и эксплуатации систем связи необходимо знать величины уровней сигнала в различных точках тракта передачи. Чтобы охарактеризовать изменения энергии сигнала при его передаче, пользуются диаграммой уровней — графиком, показывающим распределение измерительных уровней вдоль тракта передачи.
Рис. 1.3 - Диаграмма уровней
На рис. 1.3 показана диаграмма уровней канала передачи, состоящего из усилителя передачи УСпер, трех участков линии связи l1, l2 и l3, двух промежуточных усилителей Ус1 и Ус2 и усилителя приема УCпр. На диаграмме отмечены характерные точки тракта: точка 1—вход; точка 2—выход канала; точки 3 — выходы оконечного усилителя передающей станции и промежуточных усилителей; точки 4 — входы промежуточных и оконечно-приемного усилителей. Уровни в точках 3 определяются усилением усилителей; уровни в точках 4 зависят от затуханий участков линии. Минимально допустимый уровень в точках 4 определяется требуемым превышением сигнала над помехой (защищенностью):
Аз=10lg(WС/Wп)=рс- рп,
где Wс и Wп — мощности сигнала и помехи, а рс и рп — соответствующие уровни.
Соотношение между уровнями на входе и выходе канала определяется его остаточным затуханием, которое представляет собой рабочее затухание, определенное в условиях замыкания входа и выхода канала на активные сопротивления нагрузки, соответствующие номинальным значениям входного и выходного сопротивлений канала. Остаточное затухание равно разности между суммой всех рабочих затуханий, имеющихся в канале, и суммой всех рабочих усилений:
Ar= åaр.i- åSi
Для того чтобы обеспечить нормальную работу системы связи величины мощностей, напряжений и токов сигналов и соответствующих уровней нормируют; нормируют также допустимые уровни помехи. При этом приходится считаться с тем, что вследствие наличия затуханий и усилений, уровни сигналов и помех в различных точках канала будут различными. Чтобы избавиться от неопределенности, все нормируемые величины относят к точке тракта передачи с нулевым измерительным уровнем (ТНОУ). Уровни по мощности, отнесенные к точке с нулевым измерительным уровнем, обозначают через дБм0.
Возможно также использование натуральных логарифмов; при этом логарифмические единицы называются неперами (Нп); рм= 1/2 In(Wх/W0), рн=1n (Ux/Uy), Iт=1n (Iх/I0). Очевидно, при таких определениях 1 Нп =8,686 дБ, а 1 дБ=0,115 Нп. На практике применяются только децибелы.
И в заключение отметим, что приборы для измерения уровней передачи называются указателями уровней и представляют собой обычные вольтметры, измерительная шкала которых и входные регуляторы отградуированы в уровнях мощности и напряжения.
Вопросы и задания для самоконтроля
1. Что такое уровни по мощности, по напряжению и току и как они связаны между собой?
2. Что такое абсолютный, относительный и измерительный уровни по мощности, напряжению, току и как они связаны между собой?
3. Какой мощности, напряжению, току соответствует абсолютный уровень 0 дБ?
4. Как по диаграмме уровней определить помехозащищенность?
= 10lg 
=201g 
-101g 
.