К колебаниям контрольных частот предъявляются два основных требования: они должны быть достаточно стабильны по частоте и амплитуде и располагаться вне линейных спектров каналов, чтобы избежать влияния помех от КЧ на эти каналы.
На вход контрольного канала (рис. 3.22) вводятся контрольные колебания от генераторов контрольных частот (ГКЧ). С выходов ЛУС НУП (или ОУП) они поступают в приемник контрольного канала (ПКК), в котором колебание КЧ избирается узкополосным фильтром (обычно он кварцевый и помещен в термостат), усиливается усилителем (УКЧ), выпрямляется и поступает на устройство сравнения (УС), где выпрямленное напряжение Uкч сравнивается со стабильным эталонным напряжением U3. Если Uкч = U3,, уровень передачи по КЧ на выходе ЛУС равен номинальному:
ркч = ркчн (3.17)
Если изменяются окружающие условия, изменяется и уровень ркч.- Например, при увеличении температуры грунта уровень ркч уменьшается, так что ркч < ркчн - При этом уменьшается и выпрямленное напряжение контрольного колебания: Uкч < U3. В этом случае УС вырабатывает сигнал ошибки Uэ.—U кч = - ∆U , который приводит в действие регулятор (Р). В результате изменения управляющего сопротивления R~ изменяется затухание ПАК и увеличивается усиление ЛУС до тех пор, пока не будет выполнено условие (3.17). Если температура грунта уменьшается относительно номинальной, УС вырабатывает сигнал ошибки с противоположным знаком, усиление ЛУС уменьшается до выполнения условия (3.17).
В качестве регулятора может быть использован двигатель, на валу которого закреплен движок управляющего сопротивления. Такая система АРУ называется электромеханической. В другой системе АРУ (рис. 3.23) сигнал ошибки через усилитель постоянного тока (УПТ) изменяет ток подогрева термистора, в результате чего изменяется сопротивление его рабочего тела. Такая система АРУ называется электротермической.
Восстановление уровня КЧ на выходе ЛУСпер происходит со скоростью, определяемой типом линии. Так, для кабельной линии среднегодовые изменения температуры почвы по России составляют 0,6° С за сутки. Поэтому здесь можно применить практически любую систему АРУ. На воздушной линии, где скорость изменения окружающих условий может быть значительной (например, при опадании с проводов гололеда), удобнее применять .
электромеханическую систему АРУ. В целом системы АРУ по контрольным Частотам достаточно точно восстанавливают уровень передачи на выходе ЛУС, однако в них используется дорогое оборудование: стабилизированные кварцевыми резонаторами ГКЧ, содержащие сложные узлы ПКК и т. д. Поэтому снабжать АРУ по контрольным частотам ЛУС каждого НУП во многих случаях неэкономично.
Система АРУ по температуре грунта.Такая система АРУ (рис. 3.24) применяется, как правило, только на кабельных линиях. Она содержит переменный амплитудный корректор, нагруженный на терморезистор (ТР), помещенный в грунт на глубине прокладки кабеля. При изменении температуры грунта изменяется величина сопротивления ТР и, следовательно, входное сопротивление ПАК ZBX. Это приводит к изменению глубины ООС, которой охвачен ЛУС, и его усиления. В такой системе АРУ отсутствуют дорогостоящие ГКЧ и ПКК, поэтому она проще и экономичнее, чем система АРУ по КЧ. Однако погрешность восстановления уровня передачи на выходе ЛУС здесь значительно выше. Поэтому все или большую часть НУП в секции ДП (см. рис. 3.3) снабжают АРУ по температуре грунта, а накапливающуюся в секции погрешность регулирования компенсируют в ЛУС НУП, ОУП или ОП, оборудованных АРУ по КЧ.
3.4. ПОМЕХИ В ТРАКТАХ И КАНАЛАХ АНАЛОГОВЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ
Классификация помех. Помехой называют посторонние электрические колебания, мешающие нормальному приему сигналов. В зависимости от характера воздействия на сигнал помехи подразделяются на аддитивную и мультипликативную. Аддитивная помеха представляет собой случайный сигнал, который накладывается на полезные сигналы, передаваемые по каналам (трактам передачи).
Действие аддитивной помехи описывают следующим образом: u(t)= uc(t) + un(t), где uc(t)—напряжение полезного сигнала; un(t) — напряжение помехи; и u(t) —суммарное напряжение на выходе канала (тракта). Мультипликативная помеха обусловливается случайными изменениями коэффициента передачи- канала (тракта) в зависимости от времени: up(t) = uc(t) un(t), где up(t) — результирующее напряжение на выходе канала (тракта).
Кроме того, помехи можно классифицировать следующим образом.
1. В зависимости от места возникновения помехи делятся на внутренние и внешние. К внутренним помехам, возникающим в узлах аппаратуры, относятся: собственные помехи; помехи Нелинейного происхождения; помехи из-за попутных потоков, плохих контактов в местах соединений, переключений трактов (каналов). Внешние помехи обусловлены действием внешних источников помех: линейных переходов с параллельно проходящих цепей связи; линий электропередачи и электрифицированных железных дорог; промышленных установок; атмосферы; фона электропитающих установок; микрофонного эффекта.
2. В зависимости от формы помехи могут быть непрерывными и импульсными. Непрерывные по форме помехи характеризуются неравенством Umax > (3 ... 10) Ucp, а импульсные — неравенством Umax > (100 ... 1000) Ucр, где Umax — максимальное, а Ucр — среднее напряжение сигналов помехи.
3. В зависимости от спектра своего сигнала помехи могут быть сплошными или дискретными (селективными). Сигнал сплошной помехи характеризуется распределением его мощности по широкому спектру частот (пример такой помехи — белый шум). Селективная помеха характеризуется тем, что ее мощность сосредоточена либо на одной частоте, либо в очень узкой полосе частот.
4. По мешающему действию при передаче речи помехи подразделяются на шум и переходный разговор. Шум маскирует слабые звуки речи и тем самым уменьшает разборчивость передачи. Переходный разговор может быть невнятным и внятным. Прослушивание внятного чужого разговора отвлекает внимание абонентов и нарушает секретность связи, невнятный переходный разговор резко увеличивает шум в канале связи. При передаче дискретной информации мешающее действие помех приводит к ошибкам при приеме информации, уменьшает ее достоверность.
Способы оценки действия помех.Для оценки действия помех могут использоваться следующие параметры.
Защищенность A3 = l0 lg(Pc /Pп) или A3= 20 lg (Uc /Uп) где Pc , Uc , Pп , Uп) — мощности и напряжения сигнала и помех соответственно. Защищенность можно также вычислить через уровни мощности сигнала и помехи: А3= рc –рп.
Коэффициент шума , где Pc ,Pп – мощности сигнала и помехи на входе и выходе четырехполюсника соответственно (например, усилителя, тракта, канала и т. д.). Физически эта величина показывает, во сколько раз уменьшается отношение мощности сигнала к мощности помехи при включении в тракт передачи сигнала данного четырехполюсника.
Потери шумозащищенности
d=101gD = А3.BX — А3.ВЫХ, (3.18)
где А3.BX, А3.ВЫХ — защищенность на входе и выходе четырехполюсника.
Оценка помех с помощью псофометрического напряжения (от греческого слова «псофос» — шум) производится при передаче речи по телефонным каналам или каналам радиовещания. Оказывается, что чувствительность системы «телефон — ухо» неодинакова для разных частот спектра воспринимаемых сигналов (рис. 3.25), причем максимум чувствительности приходится на полосу частот 800... 1000 Гц. Если в телефонном канале действует помеха, то ее спектральные составляющие также по-разному воспринимаются системой «телефон — ухо». Отсюда и возникло определение псофометрического напряжения помех: это такое напряжение с частотой 800 Гц, которое по своему мешающему воздействию эквивалентно реально действующей помехе. Следовательно, псофометрическое напряжение в канале всегда меньше действующего: Unc = KncU, где Knc < 1— псофометрический коэффициент. Для канала ТЧ Knc = 0,75. Для измерения псофометрического напряжения применяют псофометр, который представляет собой вольтметр с квадратичным детектором. На входе вольтметра включен фильтр, АЧХ затухания которого соответствует требованиям МККТТ.
Нормирование помех.С целью обеспечения высокого качества передачи информации, как по национальной, так и международной сети связи по рекомендации МККТТ нормирование помех производится для каналов ТЧ эталонной цепи. Протяженность цепи для кабельной, воздушной, радиорелейной линий связи составляет 2500 км, а ее структура (т. е. число и тип переприемов) зависит от типа кабеля и применяемой системы передачи. Например .
эталонная цепь для симметричного кабеля с системой передачи К-60П (рис. 3.26) содержит два перерриема по ТЧ и на каждом переприемном участке по ТЧ — один переприем по первичной группе (ПГ). Согласно требования МККТТ в точке нулевого относительного уровня (ТНОУ) на выходе канала ТЧ эталонной кабельной цепи мощность всех видов помех не должна превышать PnΣ =10000 пВт псоф, причем PnΣ (0) = Рп.п.о (0) + Рп.л.т (0), где Рп.п.о — мощность помех в ТНОУ канала ТЧ, вносимых преобразовательным оборудованием оконечных и переприемных станций; Рп.л.т — мощность помех в этой же точке, вносимых линейным трактом.
По нормам МККТТ для эталонной цепи Рп.п.о (0)= 2500 пВт псоф. Следовательно, Рп.л.т (0) = 7500 пВт псоф, т. е. каждый километр линейного тракта вносит мощность помех Рл.т (0)/1 км = 7500 пВт псоф/2500 км = 3 пВт псоф. Для современных систем передачи эта норма более жесткая: 1,5 пВт псоф/км (К=1920П)., 1 пВт псоф/км (К = 3600).
Приведенные нормы характеризуют результирующую мощность помех в ТНОУ. Нормы на отдельные виды помех зависят от типа кабеля. Так, для многочетверочного симметричного кабеля характерно соотношение между мощностями собственных, нелинейных и помех от линейных переходов Рс.п : Рн.п : Рп.л.п = 1 : 1 : 2, т. е. нормами предусмотрено, что основным видом помех в симметричном кабеле являются помехи от линейных переходов. Конечно, можно сконструировать многочетверочный кабель, в котором влияние помех от линейных переходов будет меньше. Однако во многих случаях такой кабель экономически не выгоден. Для одночетверочного< симметричного кабеля Рс.п : Рн.п : Рп.л.п = 1 : 1 : 1.
В коаксиальном кабеле поверхностный эффект проявляется, начиная от частоты 60 кГц. Поэтому в полосе частот линейного спектра систем передачи коаксиального кабеля помехи от линейных переходов отсутствуют. Соотношение между мощностями собственных и нелинейных помех зависит от типа кабеля и СП, работающей на этом кабеле. Так, для кабеля МКТП-4 и СП К-420 Рс.п : Рн.п =1 : 1, а для кабеля КМБ-4 и СП К-1920П либо К-3600 Рс.п : Рн.п = 2 : 1.
В случае воздушных линий связи помехи для цепей из цветного металла нормируются для эталонной цепи длиной 2500 км, а для стальных цепей — длиной 400 км. Для каналов ТЧ, организованных на воздушных цепях из цветного металла длиной 2500 км, мощность помех в ТНОУ не должна превышать Рп (0) =20 000 пВт псоф, из которых 17 500 пВт псоф отводится на помехи линейного тракта.
Собственные помехи.К собственным помехам относятся шумы флуктуацинного характера: тепловой, из-за дробового эффекта в электронных лампах и транзисторах и полупроводниковый.
Из курса физики известно, что внутри проводника тепловые hi умы возникают вследствие хаотического теплового движения электронов со случайным распределением скоростей и направлений движения внутри
проводника. Среднеквадратическое значение шумовой ЭДС по формуле Найквиста , где К = 1,38-10-23Дж/град — постоянная Больцмана; Т — температура по шкале Кельвина, К; R — сопротивление проводника, Ом; ∆f — полоса частот, в которой определяется ЭДС теплового шума, Гц. Спектр теплового шума характеризуется равенством амплитуд спектральных составляющих вплоть до частот 1012 Гц (так называемый белый шум).
Рассмотрим источник теплового шума (например, резистор), нагруженный на нешумящее сопротивление RH(рис. 3.27). Нетрудно видеть, что при условии R=RHв нагрузке RHвыделяется максимальная мощность теплового шума, Вт:
. (3.19)
Определим из (3.19) абсолютный уровень мощности теплового шума при комнатной температуре (Т=293К):
(3.20)
В частности, для канала ТЧ из (3.20) р т.ш = -139 дБм.
Дробовый шум возникает из-за случайных отклонений коллекторного (анодного) тока транзисторов (электронных ламп) от среднего значения. Спектр этого шума такой же широкий, как и спектр теплового шума.
Полупроводниковый шум вызван неоднородностью поверхности коллектора транзистора, в результате чего возникают случайные флуктуации коллекторного тока. Мощность этого шума приблизительно обратно пропорциональна частоте; на частотах выше 10 кГц она очень мала и в расчетах не учитывается.
Расчет мощности помех на выходе усилителя. Рассмотрим линейный усилитель, согласованно включенный с линией связи (рис. 3.28). Мощность помех на выходе усилителя будет определяться тепловым шумом линии, тепловым, дробовым и полупроводниковым шумами усилителя. Заменим линию генератором шума с нешумящим сопротивлением R, согласованно включенным с входным сопротивлением усилителя RBx=Rh=R (рис. 3.27). Тогда абсолютный уровень термического шума на входе усилители определится из (3.20). Если из линии на вход усилителя поступает сигнал с уровнем pc, то защищенность сигнала на входе усилителя
А3.вх = рс — рт.ш.
При включении усилителя с усилением S и потерями шумозащищенности d на его выходе появляется собственная помеха с уровнем рс.п. Защищенность сигнала на выходе
А3.вых = рс + S - рс.п
Потери шумозащищенности определяем из (3.18):
d = рс.п - рт.ш - S.
Отсюда мощность собственных помех на выходе усилителя
(3.21)
Величина
(3.22)
называется уровнем собственных помех усилителя, приведенным к его входу.
Таким образом, из (3.21) и (3.22)
Мощность собственных помех в (3.21) соответствует некоторому уровню рпер сигнала на выходе усилителя. Чтобы пересчитать эту мощность в ТНОУ, необходимо изменить показатель степени в (3.21) на - 0,1рпер:
(3.23)
Но рпер - S = Pnp,
где рпр - уровень приема на входе усилителя, поэтому
Для КТЧ. рс.п. п= - 139 дБ + d.
Накопление собственных помех в линейном тракте. Как было показано в § 3.2, в линейном тракте (см. рис. 3.1) каждый ЛУС в точности компенсирует затухание прилегающего участка линии: S1 = aуч1, S2 = aуч2,…, Sn = aуч n . Следовательно, линейный тракт становится «прозрачным» для собственных помех с выхода каждого ЛУС: мощность помехи Рс.п1 с выхода ЛУС1 будет передана на выход тракта, то же произойдет с Рс.п2 и т. д. Так как помехи от разных ЛУС между собой не коррелированы, то на выходе тракта их мощности складываются:
(3.24)
При одинаковых длинах участков линий их затухания одинаковы:
и (3.25)
Результирующий уровень собственной помехи, соответствующий мощности Выразим из (3.25), a из (3.23). Тогда
(3.26)
Определение оптимальной длины усилительного участка.Для практических расчетов пользуются понятием оптимальной длины участка линии 10. Эта такая длина, при которой мощность собственных помех на выходе линейного усилителя точно равна норме.
Для определения lо будем по-прежнему считать, что усиление ЛУС равно затуханию, участка линии: S = ayч = alo, где а — коэффициент затухания кабеля, дБ/км. При длине магистрали LM нормативное значение мощности
Р с.п.н(0)/1 км, (3.27)
где Рс.п.н. (0)/1 км— норма мощности собственных помех на 1 км линейного тракта.
Число усилительных участков магистрали n = LJU Тогда из (3.26) и (3.27)
Отсюда определяем оптимальную длину усилительного участка: (3.28)
Решение (3.28) может быть найдено либо подбором l0. либо графически (рис. 3.29).
Способы повышения защищенности от собственных помех.Для увеличения защищенности от собственных помех применяют следующие способы.
1. В первом каскаде ЛУС используют малошумящие транзисторы. При этом уменьшаются потери шумозащищенности, уменьшается уровень pс.п.п и, следовательно, мощность собственных по мех на выходе ЛУС (3.23).
2. Вводят предыскажение уровня передачи на выходе ЛУСпер. Для этой цели в цепь β ООС ЛУСпер (см. рис. 3.3) вводится контур предварительного наклона (КПН). Как видно из рис. 3.30, а
(график 2), уровень передачи на верхних частотах линейного спектра увеличивается, на нижних частотах — уменьшается, так что средняя мощность группового сигнала не изменяется по сравнению со средней мощностью этого сигнала в режиме без предыскажения (график 1).
Для усилительного участка уровень на входе НУП можно определить из соотношения рпр = Рпер — ауч, где Рпер — уровень на выходе ЛУСпер; ауч, — затухание участка линии (см. рис. 3.3). В режиме без предыскажения в цепь ООС ЛУСпер включается удлинитель (см. рис. 3.3).
Из рисунка 3.30,6 следует, что в режиме без предыскажения защищенность верхних в линейном спектре каналов Аз.в существенно меньше защищенности нижних по спектру каналов. При введении предыскажения защищенность верхних каналов Аз.в увеличивается и достигает нормы. Защищённость нижних каналов уменьшается, но остается в пределах заданной нормы. Таким образом, введение предыскажения выравнивает защищенность во всех каналах СП. При этом, однако, в групповой сигнал намеренно вводятся амплитудно-частотные искажения. Для их коррекции в тракте приема ОП предусматривается контур обратного наклона (КОН), характеристика которого обратна характеристике затухания КПН (см. рис. 3.3). Кроме того, увеличение уровня передачи на верхних частотах приводит к возрастанию нелинейных помех. Поэтому значение предыскажения уровня ∆р (рис. 3.30, а) не превышает обычно 13 ... 15 дБ.
Помехи от линейных переходов.Основной причиной возникновения помех от линейных переходов является электромагнитное влияние между параллельными цепями воздушных и кабельных линий связи. Эти влияния могут привести к резкому ухудшению качества связи, особенно при совпадении спектров влияющего и подверженного влиянию каналов. Понятно, что помехи от линейных переходов особенно существенны при организации связи спомощью симметричных кабелей и воздушных линий. В коаксиальном кабеле эти помехи практически не учитывают (см. § 3.1).
Определение защищенности участка линии связи.Определим (защищенность от переходной помехи на ближнем конце Аэ0 из рис. 3.31, где показан усилительный участок при двусторонней связи: Аэ0 = pпр1 — pп. Уровень приема сигнала pпр11 на входе ЛУС HУП1 определяется уровнем передачи pпер11 на выходе ЛУС НУП2 и затуханием участка линии ауч,: pпр11 = pпер11 — ауч. Уровень помехи зависит от переходного затухания на ближнем конце Ао и уровня передачи pпер1 на выходе ЛУС НУП1: рп = pпер1 — Ао. Следовательно, Аэ0 = pпер11 — pпер1 + Ао — ауч. Обычно уровни передачи на выходах ЛУС приблизительно одинаковы. Поэтому Аэ0 = Ао — ауч. В диапазоне тональных частот ауч << Аэ0 и двусторонняя связь в одном симметричном кабеле возможна. Однако в линейном спектре СП значение ауч растет и становится соизмеримым с переходным затуханием Ао, что приводит к недопустимо малым значениям защищенности Аэ0. Для увеличения Ао применяют двухкабельную систему связи
применяют двухкабельную систему связи (четырехпроводную, однополосную, см. § 3.1). При этом из-за экранирующего действия оболочек кабеля значение Ао резко растет (до 140 дБ), переходные помехи на ближнем конце практически отсутствуют.
В двухкабельной СП качество каналов определяется защищенностью Азlот помех на дальнем конце. Определим Азlиз рис. 3.32, где показан усилительный участок, содержащий влияющую (I) я подверженную влиянию (II). пары. В этом случае Азl = pc— рп ; pc = pпер11 — ауч; рп = pпер1—Al , где Al— переходное затухание на дальнем конце. Следовательно, при примерно одинаковых уровнях передачи на выходах ЛУС Азl = Al— ауч. Но Al >>A0. Поэтому Aзl >>Aз0, что и обеспечивает необходимое качество каналов при двухкабельной организации связи.
При организации связи по двухпроводной, двухполосной системе оконечное оборудование СП (особенно на воздушных линиях) принято разделять на станции А и Б. При этом передача по параллельным цепям от А к Б ведется с запада на восток и с севера на юг. Тем самым исключаются переходы на ближний конец от влияющих одноименных СП.
Однако даже в двухкабельных системах защищенность на дальнем конце может оказаться недостаточной. Тогда, если спектры влияющего и подверженного влиянию каналов совпадают, переходные влияния могут привести к появлению внятных переходных разговоров, которые отвлекают внимание слушающего абонента.
Для борьбы с внятными переходами применяют инверсию и сдвиг полос частот в линейных спектрах СП, работающих на параллельных цепях. Смысл инверсии частот поясняет рис. 3.33. Здесь FH, FB,— граничные частоты спектра исходного сигнала; fнI , fвI — граничные частоты линейного спектра этого сигнала во влияющей цепи; fнII , fвII — граничные частоты линейного спектра в цепи, подверженной влиянию; f0I , f0 II — виртуальные несущие, преобразующие исходный сигнал в линейный спектр в первой и второй СП соответственно: fнI = fo1 + FH; fвI = f0I+ FB.
Как видно из рисунка, линейный спектр канала в цепи, подверженной влиянию, инвертирован относительно линейного спектра во влияющей цепи. Поэтому после демодуляции на выходе канала СП, подверженной влиянию, возникнут колебания с частотами
FH I I = f0 I I - f0 I - FB,, f0 I I - fI - FH(3.29)
Например, для первого канала СП В-3-3 fн = 0,6 кГц, fв = 3,4 кГц, f0 I= 4 кГц, f0 II= 8 кГц. Тогда согласно (3.29) fHII= 0,6 кГц, fвII = = 3,7 кГц. Это означает, что сигналы с частотами 0,6 и 3,4 кГц во влияющем канале превращаются в помехи с частотами 3,7 и 0,6 кГц соответственно в канале, подверженном влиянию. Помехи будут восприниматься слушающим абонентом как невнятный переходный разговор, что согласно экспериментальным исследованиям эквивалентно увеличению защищенности на 7 дБ. Еще больший эффект дает одновременный с инверсией сдвиг полос каналов, подверженных влиянию, относительно полос частот одноименных влияющих каналов. При этом защищенность увеличивается на 25... 26 дБ.и
Нелинейные помехи. Источниками нелинейных помех являются узлы групповых устройств, содержащие нелинейные элементы, т. е. элементы, вольтамперные характеристики которых не подчиняются закону Ома,— диоды, транзисторы, катушки с ферромагнитными сердечниками и т. д. В линейных трактах СП (см. рис. 3.1) основными источниками нелинейных помех являются линейные усилители. Так как число ЛУС в линейном тракте весьма велико, эти помехи, накапливаясь от участка к участку, могут резко ухудшить качество каналов и трактов СП.
Для оценки нелинейных свойств ЛУС рассматривают его амплитудную характеристику (рис. 3.34). Рабочая точка выбирается па линейном участке характеристики (на рис. 3.34 от 0 до Uп). При превышении порогового напряжения форма сигнала резко изменяется (рис. 3.35), на выходе усилителя появляются колебания с частотами, которых не было во входном сигнале. Например, если на вход усилителя подается сигнал, содержащий частоты fx, fy, fz, то на его выходе кроме, полезного сигнала с частотами fx, fy, U возникнут гармонические колебания с частотами kfx, kfy, kfz (k = 2,3,...) и комбинационные колебания pfx ± gfy ± mfz, где р, g,
z = 1,2,3. Эти колебания и являются нелинейными помехами, так как они распределяются по всему линейному спектру СП и могут вызвать нелинейные переходы между каналами и дополнительные нелинейные шумы в каждом канале. Поэтому напряжение сигнала не должно превышать порога перегрузки усилителя Unили соответствующий этому напряжению уровень рп.
По определению МККТТ порогом перегрузки называют уровень мощности рп на выходе ЛУС, при котором увеличение уровня сигнала на входе ЛУС на 1 дБ вызывает увеличение уровня третьей гармоники на выходе ЛУС на 20 дБ. Однако нелинейные помехи возникают даже в том случае, если амплитуда сигнала непревышает порога перегрузки, так как линейный участок амплитудной характеристики ЛУС (см. рис. 3.34) является квазилинейным.