На передающем конце ЦСП в точке А (рис. 1.14, а) действует групповой АИМ сигнал. С помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) каждому импульсу группового АИМ сигнала ставится в соответствие кодовая комбинация, т. е. последовательность импульсов и пауз, причем длительность кодовой комбинации равна Δfки (рис. 1.14,6). В результате на выходе АЦП формируется
групповой ИКМ сигнал в виде цифрового потока. В настоящее время принято, что Tо=125 мкс (fд = 8 кГц), число элементов в кодовой комбинации т = 8. Частота следования элементов цифрового потока или тактовая частота N - канальной ЦСП fT =N m fд = = 64 N кГц.
На приеме с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) групповой ИКМ сигнал преобразуется в групповой АИМ сигнал, после чего происходят его разделение на канальные сигналы и демодуляция. Сравнение СП-ЧРК и ЦСП показывает, что ширина спектра группового сигнала в случае ЧРК примерно равна NΔfc, где Δfс — ширина спектра первичного сигнала. В современных СП-ЧРК Δfс =4 кГц. В случае СЦП ориентировочно можно считать, что ширина спектра группового ИКМ сигнала сверху ограничивается частотой fт. Таким образом, если в СП с ЧРК на один канал отводится диапазон частот, равный 4 кГц, то в ЦСП этот диапазон составляет 64 кГц. Необходимость существенного расширения спектра сигналов, передаваемых по линейному тракту в случае ЦСП, является существенным недостатком систем передачи этого типа. Однако их высокая помехозащищенность, возможность использования современной элементной базы, стабильность в работе обусловливают широкое внедрение ЦСП на различных участках сети связи.
1.3. ДВУСТОРОННЯЯ ПЕРЕДАЧА СИГНАЛОВ
Системы передачи обеспечивают передачу сигналов одновременно как от абонентов станции А к абонентам станции Б, так и в противоположном направлении. Четырехпроводный канал (рис. 1.15) состоит из двух каналов однонаправленного действия, в которых сигналы, проходя от передающих зажимов к приемным,
усиливаются (S a-б и S б-а ) и поступают в развязывающие устройства (РУ), обеспечивающие преобразование четырехпроводного канала в двухпроводный. Пути прохождения сигналов от линейных зажимов 1 – 1 РУ станции А к линейным зажимам 1 – 1 РУ станции Б, а также в противоположном направлении показаны с помощью сплошной и штриховой линий. Затухание сигналов между линейными зажимами станций А и Б носит название остаточного затухания двухпроводного канала:
a ост = а 1-2 – SА-Б + а 4-1 (1.2)
(Б-А)
где а 1-2 , а 4-1 — затухания сигналов между соответствующими зажимами РУ, а усиление четырехпроводной части канала Sa—б илиSб-а выбирается в зависимости от направления передачи. Очевидна целесообразность того, чтобы затухания а 1-2 иа 4-1 были минимальными.
Основная трудность при организации перехода от четырех- к двухпроводному каналу с помощью РУ состоит в появлении петли обратной' связи (рис. 1.16). Сигнал, попадая в двухпроводный канал, начинает циркулировать по петле ОС, что приводит к искажениям формы сигналов и в пределе — к самовозбуждению канала.
Рассмотрим процесс многократного прохождения сигнала по петле ОС (рис. 1.17). В качестве точки рассмотрения выбраны
выходные зажимы четырехпроводного канала на станции Б. Пусть в рассматриваемой точке петли ОС возникло напряжение U1которое после однократного прохождения по петле ОС преобразовалось, в напряжение U2, затем после повторного прохождения — в U3и т.д.
Коэффициент передач петли обратной связи Ќ(ω)=Ке jφ(ω). (Здесь с целью упрощения полагается, что модуль Ќ(ω) имеет на всех частотах рабочего диапазона канала одинаковую величину К). Тогда Ŭ2= Ке jφ(ω) Ŭ1
Данная сумма является суммой членов геометрической прогрессии, которая стремится к конечному пределу; если К<1. В этом случае . При К≥1 , что указывает на явление самовозбуждения в канале. Таким образом, при отсутствии петли ОС на выходе четырехпроводного канала действовало напряжение , а за счет многократного прохождения по петле ОС оно изменилось в раз, что соответствует изменению остаточного затухания двухпроводного канала на величину
(1.3)
Затухание, которое претерпевает сигнал, проходя от зажимов 4—4 к зажимам 2—2 РУ, называется переходным. Из рис. 1.16 следует, что затухание петли ОС
Аос = апер1 + апер2 — SА - Б - S Б - А (1.4)
Очевидно, что К=10-0,05аос Величина аосимеет специальное на звание - запас устойчивости, и если aос≤0, то K≥1 и ка- нал самовозбуждается.
Рассмотрим зависимость Δа от частоты при различных запасах устойчивости. Имеют место два крайних случая, которым соответствует положительная и отрицательная ОС: При положительной ОС на основе (1.3) можно получить Δаос+=20lg(1-К) =20lg(1-10-0,05aос) , а при отрицательной ОС Δаос-=20lg(1+К) =20lg(1+10-0,05aос) .
Рабочий диапазон частот канала Δfраб обычно содержит поддиапазоны с положительной и отрицательной ОС, так что зависимость Δa(f) имеет вид, приведенный на рис.1.18. В результате aост(ω)=а1-2+ а1-4+ Δа(ω)-SА-Б, т. е. в рабочем диапазоне частот остаточное затухание канала
(Б—А)
принимает различные значения, что приводит к искажениям формы передаваемых сигналов. Неравномерность остаточного затухания Δаос+ и Δаос-нормируется следующим образом: Δаос+ ≤ 0,6 дБ; Δаос - ≤ 0,6 дБ. Эти нормы обеспечиваются, если запас устойчивости аос ≥24 дБ.
В качестве РУ в каналах широко используется дифференциальная система (ДС), выполненная на основе трансформатора со
средней точкой (рис. 1.19). Рассмотрим ее работу в двух режимах: когда абонент станции А слушает и когда абонент станции А говорит. Анализ режимов проведем в предположении,что трансформатор идеален и потери в нем отсутствуют.
Эквивалентная схема, соответствующая первому режиму, изображена на рис. 1.20,а. Если входное сопротивление абонентской линии ZBX равно Z3, имеют место соотношения i1 = i2 , Ф1 = Ф2. где i1 , i2— токи, протекающие в полуобмотках дифференциального трансформатора; , Ф1 , Ф2 — магнитные потоки, создаваемые этими токами в сердечнике трансформатора. Полуобмотки намотаны на сердечник таким образом, что магнитные потоки Ф1и Ф2 направлены встречно и взаимно уничтожаются. В результате ни в одной из обмоток трансформатора не возникает ЭДС и эквивалентная схема ДС вырождается в схему, изображенную на рис. 1.20,6, из которой видно, что энергия, подводимая к зажимам 4— 4, не выделяется на зажимах 2—2. Такая ДС называется сбалансированной в направлении 4—2. Условием баланса является равенство
ZBX = Z3 .(1.5)
Очевидно, что вследствие равенства (1.5) половина подводимой к сбалансированной ДС мощности выделится на сопротивлении ZBX и поступит к абоненту, а другая половина мощности бесполезно выделится на сопротивлении Z3. Таким образом, ДС вносит в тракт прохождения сигнала затухание а1-4 =10lg2 = 3 дБ.
Эквивалентная схема, соответствующая второму режиму, изображена на рис. 1.21, а. Входной ток iBXсоздает в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Ф, который вызывает равные и однонаправленные напряжения U0в полуобмотках дифференциального трансформатора. Переменные напряжения ŬZ4на сопротивлении Z4и во второй полуобмотке дифференциального трансформатора U0имеют противоположные фазы, и если | ŬZ4|= | Ŭ0|, то UZ3 = 0. В этом случае энергия на зажимах 3—3 не выделяется. Такая ДС называется сбалансированной в направлении 1—3. Так как ŬZ3 =0, то i3 = 0, iвх = i4и можно прийти к эквивалентной схеме сбалансированной ДС
Рис. 1.21. Схемы, поясняющие пе- Рис. 1.22. К анализу работы несба-
редачу энергии от зажимов 1 – 1 лансированной ДС
к эквивалентной схеме сбалансированной ДС (рис. 1.21,6). Здесь ZBX.TP — входное сопротивление первой полуобмотки дифференциального трансформатора, причем ZBX.TP = (W1/W2)2Z2.
Таким образом, для возникновения баланса в направлении 1—3 необходи-мо, чтобы ZBX.TP = Z4.
Мощность, подводимая, к зажимам 1 – 1, согласно эквивалентной схеме, изображенной на рис. 1.21,6, поровну распределяется между равными сопротивлениями ZBX.TPи Z4причем, имея в виду идеальность трансформатора, можно считать, что мощность, выделяемая на ZBX.TP, полностью поступает на Z2. Затухание ДС между зажимами 1—1 и 2—2 a1-2 =101g2 = 3 дБ.
В реальных каналах ДС работает в условиях согласования как в направлении 1—3, так и в направлении 2—4. Однако необходимо иметь в виду, что к каналу могут быть подключены различные абонентские линии и поэтому (1.5) носит приближенный характер. Сопротивление Z3, которое называют балансным, приближенно отражает свойства входного сопротивления абонентской линии (рис. 1.22,а). Можно считать, что входное сопротивление ДС со стороны линейных зажимов 1—1 равно балансному сопротивлению, т. е. Z1-1 = Z6. Процесс прохождения сигналов в несбалансированной ДС от 4—4 к 2—2 можно уяснить с помощью рис. 1.22,6. Здесь показано, что сигнал проходит от зажимов 4—4 к зажимам 1—1, претерпевая затухание а4-1 затем из-за несогласованного подключения ДС к линии часть энергии отражается от зажимов 1 – 1 и, претерпивая затухание а1-2,пос-
тупает на зажимы 2—2. В соответствии с этим a 4-2 = а4-1 + аотр + а1-2 , где аотр - затухание отражения. Так как коэффициент отражения равен отношению напряжения падающей и отраженной волны: Котр = |Uотр / Uпад | = = | (Zвх —Z6) / (Zвх + Z6) |, то aотр = - 201g Котр
С учетом (1.5) и (1.6) a 4 - 2 = 20 lg | (Zвх + Z6)/( Zвх — Z6 ) +6 дБ. На прак-тике a 4 - 2 ≈ 20 ... 40 дБ.
1.4. КАНАЛЫ СВЯЗИ
Стандартный канал ТЧ.Канал тональной частоты (ТЧ) является единицей измерения емкости систем передачи и используется для передачи телефонных сигналов, а также сигналов данных, факсимильной и телеграфной связи. Такой канал включает в себя двухпроводное окончание и четырехпроводный тракт (рис. 1.23). Дифсистема (ДС) служит для перехода с четырехпроводного тракта к двухпроводному окончанию. Удлинители в двухпроводном окончании имеют затухание 3,5 дБ и называются транзитными. Рассмотрим основные характеристики такого канала.
Нормированные (номинальные) измерительные уровни в стандартных точках канала ТЧ показаны на рис. 1.23. На входе канала 0 дБм, на выходе транзитного удлинителя —3,5 дБм, на входе четырехпроводного тракта —13 дБм, на выходе четырехпроводного тракта 4,3 дБм, на входе транзитного удлинителя —3,5 дБм и на выходе канала —7 дБ.
Входное ZBX и выходное сопротивления канала ТЧ равны 600Ом. Отклонение входного и выходного сопротивлений от номинального ZHоценивается коэффициентом отражения ротр = | (ZH - Zp) / (ZH + Zp) | .или затуханием несогласованности (отражения) aOTP = 201g | (ZH + ZP) / (ZH - Zp) |, где Zр —реальное значение сопротивления. Значение ротр не должно превышать 10%.
Остаточное затухание канала.Это есть величина, равная разности суммы затуханий и суммы усилений в канале: aост = Σa— ΣS. Остаточное затухание канала составляет 7 дБ. Максимальное отклонение во времени на одном транзитном участке не должна превышать 2,2 дБ с вероятностью 0,95.
Рис. 1.23. Эквивалентная схема стандартного канала ТЧ
очного затухания аналогового канала ТЧ ГПВ канала ТЧ
Эффективно передаваемая полоса частот канала ТЧ — полоса, на крайних частотах которой (0,3 и 3,4 кГц) остаточное затухание на 8,7 дБ превышает остаточное затухание на частоте 800 Гц. Частотная характеристика отклонения канала ТЧ от номинала 7 дБ должна оставаться в пределах шаблона (рис. 1.24) при максимальном числе транзитов, т. е. при 12 переприемных участках.
Фазочастотные искажения не являются столь существенными при передаче речи. Но так как каналы ТЧ используются также для передачи данных и факсимильной связи, большие фазочастотные искажения недопустимы. Поэтому нормируется отклонение группового времени передачи (ГВП) от его значения на частоте 1900 Гц на одном транзитном участке длиной 2500 км (рис. 1.25).
Коэффициент нелинейных искажений канала ТЧ на одном транзитном участке не должен превышать 1,5% (1% по третьей гармонике) при номинальном уровне передачи тока частотой 800 Гц. Амплитудная характеристика при этом нормируется следующим образом: остаточное затухание канала на одном транзитном участке должно оставаться постоянным с точностью 0,3 дБ при изменении уровня измерительного сигнала от - 17,5 до +3,5 дБ в точке с нулевым измерительным уровнем на любой частоте в пределах 0,3... 3,4 кГц. При повышении уровня измерительного сигнала до 8,7 и 20 дБ остаточное затухание должно уменьшиться не менее чем на 1,75 и 7,8 дБ соответственно.
Помехи в каналах ТЧ.На выходе канала ТЧ кроме информационного сигнала присутствуют и помехи, которые определяются на приемном конце в точке с относительным уровнем -7 дБ. Средняя величина псофометрического (взвешенного) напряжения помех в канале в течение любого часа на одном переприемном участке длиной 2500 км не должна превышать 1,1 мВ псоф (10 000 пВт псоф в точке относительного нулевого уровня).
Пропускная способность канала ТЧ определяется выражением
C = ΔF log2 ( l+ Рср / Рп). (1.6)
где ΔF — эффективно передаваемая полоса частот, 3,1 кГц; Рср – средняя
Рис.1.26. Шаблон отклонений оста- Рис.1.27. Шаблон на допустимую
точного затухания цифрового канала ТЧ неравномерность ГПВ цифрового канала ТЧ
средняя мощность сигнала, 32 мкВт; Рп— невзвешенная средняя мощность помех, отнесенная к точке с нулевым измерительным уровнем, 87 нВт. Подставляя эти значения в (1.6), получаем С ≈ 25 . 103 бит/с.
Стандартные каналы ТЧ, организованные с помощью цифровых и оптических систем передачи, являются более высококачественными. Поэтому ряд характеристик цифровых каналов ТЧ имеют следующие отличия.
Нормы на амплитудно-частотные искажения заданы МККТТ в виде шаблона (рис. 1.26). Если сравнить допустимые отклонения Да цифровых и аналоговых каналов ТЧ (см. рис. 1.24), можно отметить, что нормы для цифровых каналов, более жесткие. То же можно сказать и о фазочастотных искажениях (рис. 1.27).
Для цифровых каналов ТЧ вводится дополнительная характеристика, которая оценивает шумы квантования. Эта характеристика задается в виде зависимости отношения сигнал-шум (ОСШ) от уровня сигнала (рис. 1.28).
Широкополосные каналы.Современные системы передачи позволяют кроме стандартных каналов ТЧ организовать каналы с более высокой
Пропускной способностью. Увеличение пропускной способности достигается
расширением эффективно передаваемой полосы частот, причем широкополосные каналы образуются объединением нескольких каналов ТЧ.
В настоящее время аналоговые системы передачи предусматривают образование следующих широкопо-лосных каналов:
предгруппового канала с полосой частот 12...24 кГц взамен трех каналов ТЧ;
Рис. 1.28.Зависимость ОСШот уровня сигнала
первичного канала 60 ... 108 кГц взамен 12 каналов ТЧ;
вторичного канала 312... 552 кГц взамен 60 каналов ТЧ;
третичного канала 812... 2044 кГц взамен 300 каналов ТЧ.
Кроме перечисленных каналов в системах передачи формируются каналы вещания и телевидения (со звуковым вещанием).
Основные характеристики широкополосных каналов приведены it табл. 1.1.
Цифровые системы передачи позволяют организовать следующие стандартные широкополосные каналы:
Скорость, Канал кбит/с
Основной цифровой канал (ОЦК), 1 канал . . 64 Субпервичный цифровой канал (СЦК), 7 каналов . . 480 Первичный цифровой канал (ПЦК), 30 каналов . . 2048
Вторичный цифровой канал (ВЦК), 120 каналов . . 8448
Третичный цифровой канал (ТЦК), 480 каналов . . 34368
Четвертичный цифровой канал (ЧЦК), 1920 каналов . . 139264
Важным достоинством широкополосных стандартных каналов является возможность построения систем передачи на базе унифицированного оборудования формирования широкополосных каналов. Так, система передачи ИКМ-120 включает в себя четыре комплекта оборудования формирования ПЦК и один комплект оборудования для ВЦК. Система передачи ИКМ-480 содержит 16 комплектов для формирования ПЦК, четыре комплекта оборудования для ВЦК и один комплект для создания ТЦК и т. д.
Глава 2. ПОСТРОЕНИЕ ОКОНЕЧНЫХ СТАНЦИЙ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ С ЧАСТОТНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ
2.1. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ КАНАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ
Для организации по одной линии передачи большого числа каналов используют метод частотного разделения каналов (ЧРК)г при котором сигналы от разных источников с помощью сигналов-переносчиков размещаются в непрерывающихся частотных пологах. Для этой цели можно использовать разные виды модуляции — амплитудную, частотную и фазовую. Для более эффективного использования линии передачи желательно в ее полосе частот разместить как можно больше каналов. Это означает, что спектр частот, отводимый для одного канального сигнала, должен быть как можно более узким.
Из перечисленных выше видов амплитудная модуляция характеризуется самым узким спектром модулированного сигнала. Если принять, что в качестве несущей частоты (сигнала-переносчика) используется гармоническое колебание Uωcos ωн t , а исходного (преобразуемого) сигнала -гармоническое колебание UΩ cos Ωt ,то выражение для амплитудно-модулированных колебаний будет иметь вид
uAM (t) = Uω (1 + m cos Ωt) cos ωн t, (2.1)
где т = UΩ / Uω— коэффициент глубины модуляции. Разложив (2.1) на слагаемые, получим
uAM (t) = Uω cos ωн t + m/2 Uω cos [(ωн - Ω )t]+m/2 Uω cos [(ωн + Ω )t] (2.2)
В системе передачи с ЧРК преобразуемый сигнал представляет собой сложное гармоническое колебание:
Uп.с(t)= (2.3)
и тогда спектр амплитудно-модулированных колебаний будет состоять из несущей частоты и двух боковых полос, занимающих частотный диапазон ΔΩ = Ωтах - Ωтin(рис. 2.1). При этом верхняя боковая (ωн + Ωi) преобразуется без инверсии, а нижняя боковая (ωн - Ωi)—с инверсией. Частотный интервал между нижней и верхней боковыми полосами определяет абсолютную величину полосы расфильтровки ΔΩр.
Передача канального сигнала, содержащего несущее колебание и две боковые полосы частот, является нерациональной, так как ширина спектра этого сигнала ΔΩ к в 2 раза с лишним больше, чем ширина спектра исходного (преобразуемого) сигнала ΔΩ. В то же время передача обеих боковых полос не обязательна, потому что они несут одинаковую информацию о преобразуемом сигнале. Несущее колебание вообще не содержит полезной информации, хотя основная мощность AM сигнала приходится на несущее колебание. Например, при глубине амплитудной модуляции m=0,2
мощность несущего колебания в 100 раз больше, чем мощность боковых полос. Следовательно, передающее устройство должно развивать на выходе линии передачи мощность, большая часть которой расходуется бесполезно.
В современных системах передачи с ЧРК используют метод передачи одной боковой полосы (ОБП) частот без несущей. Основным способом получения ОБП является использование фильтрового преобразователя частоты (рис. 2.2), состоящего из модулятора М, с помощью которого осуществляется амплитудная модуляция преобразуемого сигнала и подавляется несущее колебание ωн = 2πfн и полосового фильтра ПФ, который выделяет верхнюю (или нижнюю) боковую полосу частот. В некоторых малоканальных системах передачи с ЧРК для получения ОБП используется фазоразностная схема, которая позволяет существенно упростить преобразовательное оборудование. Однако из-за недостаточного подавления одной из боковых полос при использовании фазоразностного метода на канальный сигнал в линейном спектре отводится полоса в 2 раза больше, чем при фильтровом методе формирования ОБП. Так, при организации канала ТЧ с учетом защитных полос в линейном спектре на него отводится при фильтровом методе формирования ОБП полоса 4 кГц, а при фазоразностном - 8 кГц.
Важной технической задачей при построении систем передачи с ЧРК и передачей ОБП является необходимость восстановления несущего колебания на приемной станции. Частота восстановленного колебания должна с требуемой точностью совпадать с частотой несущей на передающей станции. Эта задача решается путем соответствующего построения генераторного оборудования оконечных станций систем передачи с ЧРК. Принцип построения и анализ работы преобразователей частоты и генераторного оборудования рассмотрены в § 2.4.
2.2. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ СТАНДАРТНЫХ ГРУППОВЫХ СИГНАЛОВ
Возможности реализации фильтров, обеспечивающих нужную степень подавления на 65... 70 дБ неиспользуемой боковой полосы частот при преобразовании сигнала со спектром Ωтах … Ωтin, определяются относитель-
Рис. 2.3. Многократное преобразование частоты
определяются относительной шириной полосы расфильтровки (см, рис. 2.1)
δ = ΔΩр / ωн = ΔFр / fн = 2Fmin /fн(2.4)
Для речевого сигнала ΔFр = 2 . 0,3 кГц = 0,6 кГц. При использовании, напри-мер, LC-фильтров для выполнения указанных выше требований по избирательности необходимо выполнение условия δ ≥ (0,025... 0,03). При меньшем значении полосы расфильтровки необходимо использовать кварцевые, магнитострикционные, электромеханические и другие фильтры с высокодобротными элементами. Очевидно; что при очень высоких значениях несущих частот полоса расфильтровки оказывается настолько малой, что реализовать соответствующий фильтр оказывается невозможным. В этом случае, а также тогда, когда применение высокодобротных фильтров нежелательно из экономических соображений, применяют многократное преобразование частоты.
При многократном преобразовании сигнал проходит последовательно через несколько преобразователей частоты (ПЧ) с различными несущими частотами (рис. 2.3). На выходе ПЧ образуется сигнал со спектром (ωн1 + Ωmin) … (ωн1 + Ωmax) или (ωн1 + Ωmax) ... (ωн1 + Ωmin)в зависимости от того, какая боковая полоса - нижняя или верхняя - выделяется фильтром.
Относительная ширина полосы расфильтровки на первой ступени преобразования δ1 = 2 Ωmin / ωн1.
На выходе ПЧ2 образуется сигнал со спектром ωн2 + (ωн1 + Ωmin)... ωн2 + (ωн1 + Ωmax). Относительная ширина полосы расфильтровки на этой ступени преобразования δ2 = 2 (ωн1 + ωmin) / ωн2 (предполагается, что на обеих ступенях преобразование осуществляется без инверсии). Абсолютная ширина полосы расфильтровки существенно больше, чем на первой ступени преобразования, и даже при сравнительно невысоком значении несущей ωн2 величина δ2 может оказаться больше, что облегчает построение соответствующего фильтра. Для увеличения δ1 следует выбрать небольшие значения несущей частоты ωн1 . При передаче, например, речевого сигнала и применении LC-фильтров несущая частота fн = ωн / 2π не должна превышать 24 кГц.