Основи теорії дротового зв’язку (Частина 1)

1. Загальні положення.

В дротовому зв’язку, як і в радіозв’язку, сигнали передаються у вигляді електромагнітних коливань. Але такі коливання поширюються не у вільному просторі, а по провідниках, які з’єднують передавач з приймачем. Тому у дротовому зв’язку використовують передавачі значно меншої потужності , що суттєво впливає на схемні і конструктивні рішення таких пристроїв та систем.

Критеріями якості телефонного передавання мови по дротах є: розбірливість, гучність та природність звучання мови.

Розбірливість – кількісна міра , яка характеризує в мові змістову інформацію в даних конкретних акустичних умовах.( найбільш суттєвий показник якості в телефонії)

Гучність розмовного сигналу залежить в основному від втрат енергії сигналу при його поширенні по колу (лінії). Дуже гучні або тихі сигнали , як правило є недостатньо розбірливі.

Природність звучання – тембр.

Всі елементи тракту передавання – мікрофон, коло, підсилювачі, фільтри і т.д. , а також телефон – вносять спотворення, тому відтворюваний телефонний сигнал буде завжди відрізнятися від вхідного. Отже зменшення спотворень сигналу є однією із важливих задач дротового зв’язку.

Мова людини займає частотний діапазон від 70 Гц до 13 кГц. Розбірливість мови суттєво не зменшиться, якщо діапазон звукових частот обмежити спектром від 300 до 3400Гц, який рекомендований міжнародним консультативним комітетом з телефонії і телеграфії МККТТ.

На розбірливість мови найбільш суттєво впливають частоти 800 – 1000Гц. Тому і експлуатаційні вимірювання проводять на тих частотах.

Сукупність пристроїв, що забезпечують проходження сигналу між передавачем і приймачем називають каналом зв’язку.

В електрозв’язку в основному використовують двопровідні і чотири провідні кола . Коло, що використовується для одночасного передавання деякого числа незалежних коливань називається ущільненим.

Лінія зв’язку складається з деякої кількості кіл. Повітряні лінії поділяються на траверсні, гакові і кабельні . Лінії траверсного профілю можуть мати до 20 кіл стального або кольорового дроту.

В кабельних лініях із симетричними колами (парами) двопровідні кола об’єднуються у четвірки. Для ліній дальнього зв’язку широко використовують коаксіальні кабелі, які є несиметричними колами.

Для збільшення дальності зв’язку використовують проміжні підсилювачі. Ділянка лінії між сусідніми підсилюючими пунктами називається підсилюючою ділянкою.

Одиниці вимірювання рівнів сигналу

Для оцінки значень потужності , напруги і струму в техніці телекомунікацій зручно і доцільно користуватися відносними логарифмічними одиницями , тому що спрощуються розрахунки ( множення замінюється на додавання а ділення на віднімання ) логарифмічних величин, також залежність чутливості вуха від сили звукових коливань підпорядковується логарифмічним законам.

Внаслідок цього для оцінки зміни потужностей , напруг і струмів сигналів при їх проходженні по лінії зв’язку або через якісь інші чотириполюсники використовують поняття рівнів передачі , що визначають в логарифмічній формі відношення цих величин.

Розрізняють три види рівнів сигналів, що передаються : абсолютний , відносний, і вимірювальний.

Абсолютні нульові рівні завжди відповідають активній потужності (мВт і уявній потужності) мва. Абсолютний нульовий рівень по потужності Рор пов'язаний з абсолютними рівнями по напрузі РоU і струму PoI через стандартний опір Ro, який дорівнює 600 або 300 Ом.

Потужність Po = U²o/Ro = I²oRo. Отже при Po = 1 мвт і Ro = 600Ом Uo = 0,779 В Io = 1,29 ма; при Po = 1 μвт і Ro = 300Ом Uo = 0,548В Io = 1,83 ма. Таким чином, при різних значеннях Ro і незмінному значенні Po = 1 мвт абсолютні нульові рівні по напрузі і струму будуть відповідати різним значенням Uo i Io.

При Px = Po рp= 0 неп; Ux = Uo рU = 0 неп; Ix = Io рI = 0неп. Абсолютні рівні Pp, Pu, Pi будуть рівними , якщо вони вимірюються в точці системи з опором 600Ом. При вимірюваннях в точках з будь-яким іншим опором абсолютні значення не будуть рівними ; існуючий між ними зв'язок буде виражатися формулами: Відносні рівні PUI

, де Px Ux Ix – потужність , напруга і струм у розглядуваній точці х , а P1 U1 I1 – в точці, яка прийнята за початок кола, відносно якої визначається рівень сигналу.

і , де Zx – опір, виміряний в точці х системи.

Вимірювальними рівнями називаються абсолютні рівні у розглядуваних точках системи, коли на вхід системи включений нормальний генератор (потужність 1 мвт, внутрішній опір 600 Ом, частота 800Гц).

Первинні параметри двопровідних кіл зв’язку

Кожне двопровідне коло характеризується активним опором, індуктивністю, ємністю і провідністю ізоляції, величини яких залежать від довжини кола. Тому двопровідне коло є система з розподіленими параметрами. ΔX=1км , R=Ом/км , L= Гн/км ,C=Ф/км , G=сім/км.

Якщо первинні параметри на всій довжині залишаються постійними, тоді таке коло називається однорідним.

Активний опір – залежить від матеріалу дроту його довжини, діаметру, температури навколишнього середовища і частоти змінного струму, що тече по колу.

R= k1* R0 де R0 – опір 1км двопровідної лінії (кола) при постійному струмі; k1 – коефіцієнт, що враховує збільшення опору кола внаслідок поверхневого ефекту.

Еквівалентна схема двопровідного кола

Rl Ом/км

6 00

400

сталь ø 4 мм

200

мідь ø 1.2 мм

мідь ø 4 мм

f кГц

0 25 50 75 100 125 150

Характеристика кола

Втрата енергії відбувається також за рахунок вихрових струмів у сусідньому провіднику та металічних екранах. Індуктивність кола – залежить від величини магнітного потоку, що створюється струмом у провідниках кола. А величина магнітного потоку залежить від матеріалу провідників µ, діаметру дроту d, віддалі між центрами провідників а і від частоти струму .

, Гн/км

де λ – коефіцієнт скручування (спіральності) різний для різних типів кабелів.

а – віддаль між центрами проводів в см.

r – радіус дроту, см.

µr – коефіцієнт магнітної проникності дроту,

k2 – коефіцієнт, що враховує вплив поверхневого ефекту на індуктивність кола.

L Гн/км

6

5

4

сталь ø 4 мм

3

мідь ø 4 мм

2

кабель ø 1,2 мм

1 f кГц

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Залежність індуктивності кола від f

Ємність кола, двопровідної лінії (можна представити, як ємність конденсатора з обкладками у вигляді дротів, між якими розміщений діелектрик (повітря, полімери чи папір)

, Ф/км

де εr – діелектрична проникність повітря, яка в залежності від типу додаткового діелектрика приймає значення від 1 до 6.

Ємність кола залежить від геометричних розмірів кола та метеоумов і не залежить від матеріалу дроту та частоти струму. Ємність кола зростає при появі інею та ожеледі.

Ємність двопровідної кабельної лінії (кола) визначається за формулою:

, Ф/км

де εre – еквівалентна діелектрична провідність складеного діелектрика (полімер- повітря).

Ψ – поправка на спосіб скручення і віддаль між жилами та земляною оболонкою, ψ>1.

Здебільшого ємність 1 км двопровідного кабельного кола приблизно у 5 разів більша від ємності 1 км повітряного двопровідного кола, 33÷35*10^-9 Ф/км = 33÷35 нф/км, для повітряного кола при а = 20 см С= 6,4 нф/км.

Провідність ізоляції кола.

У повітряних і кабельних колах необхідно добиватися мінімальної провідності ізоляції між дротами. При підвищенні провідності ізоляції прохідний струм між дротами зростає, що веде до втрат енергії сигналу.

Провідність ізоляції повітряних кіл залежить від якості ізоляторів і метеоумов та частоти струму.

Для повітряних кіл G визначають, як суму провідностей на постійному і змінному струмах.

G = G0 + nf сім/км

де G0 – провідність ізоляції на постійному струмі.

n – коефіцієнт, враховує втрати у діелектрику при змінному струмі.

Графік G = φ(f)

G *10^-6

сім/км

40

30

20

10

0 40 80 120 160 fкГц

Для кабельних двопровідних кіл

G = G0 + ωCtgδ сім/км

де C – ємність ф/км

В кабельних колах G0 є дуже малою, тому справедливе співвідношення G0<< ωCtgδ

звідки можна допустити

G ≈ ωCtgδ сім/км

Отже найбільша частина потужності сигналу втрачається на активному опорі.

Індуктивність частково компенсує ємність кола, особливо на НЧ, що є позитивним фактором. Але з ростом індуктивності падає швидкість поширення.

При збільшенні ємності кола зростають втрати з ростом частоти.

Діелектричні матеріали сучасних кабелів мають дуже високий опір, внаслідок чого провідність ізоляції приблизно в 3,5 ÷ 4 тисячі разів є меншою від ємнісної провідності. Тому практично величиною G можна знехтувати.

Вторинні параметри двопровідних кіл.

Вторинними параметрами однорідного двопровідного кола є хвильовий опір zхв і коефіцієнт поширення γ, це комплексні величини, які є функціями первинних параметрів.

Хвильовим опором називається опір електромагнітної хвилі, яка поширюється вздовж однорідного двопровідного кола.

Електромагнітна хвиля складається із хвиль напруги та струму. Відношення хвилі напруги до хвилі струму в будь-якій точці кола дорівнює zхв.

У безконечно довгому однорідному колі при включенні генератора змінного струму буде поширюватися падаюча електромагнітна хвиля. В результаті втрат, енергія хвилі буде зменшуватися і в деякій точці стане рівною 0.Величина хвильового опору в будь-якій точці кола буде постійною.

Якщо до кола конечної довжини підключити приймач з вхідним опором zпр = zхв , то вся енергія падаючої хвилі буде прийнята приймачем. Якщо

zпр ≠ zхв тоді частина падаючої електромагнітної хвилі відіб’ється від входу приймача і буде поширюватись у зворотному напрямку (до початку кола, до передавача).

У порівняно короткому колі відбита хвиля з достатньо великою енергією, досягнувши початку кола, може частково відбиватися і в колі з’явиться ще одна падаюча електромагнітна хвиля. Таким чином, якщо кінці кола навантажити на опори, що відмінні від zхв. В колі можуть виникнути декілька падаючих і відбитих хвиль. Такі хвилі взаємодіючи між собою, можуть привести до затухання і спотворення сигналу. При цьому відношення суми падаючих і відбитих хвиль напруги до суми падаючих і відбитих хвиль струму не буде дорівнювати zхв..

Отже передавання сигналів з мінімальними спотвореннями і затуханнями можливе тільки при узгодженні опорів.

<φхв.

|zхв| - модуль хвильового опору

φхв - кут нахилу вектора

Оскільки в телекомунікаційних колах спостерігається ємнісний характер то φхв . має від’ємний знак.

Хвильовий опір кола з ростом частоти падає.

При f = 0 а при f →∞ , тому що при великих значеннях частоти >>R, а >>G

Для всіх існуючих двопровідних кіл має місце така нерівність R/G > L/C. Тому з ростом частоти опір zхв буде зменшуватись, тобто zхво > zхв∞

Хвильовий опір можна представити як суму активної і реактивної складових

zхв = |zхв| cosφхв + j|zхв| sinφхв

|zхв| cosφхв

j|zхв| sinφхв

Графік хвильового опору zхв = ψ(f)

Частотна залежність хвильового опору для різних кіл є не однаковою, відрізняються і абсолютні величини хвильових опорів. Наприклад на частоті 800 Гц

zхв = 600 Ом - мідь

zхв = 1400 Ом - сталь

zхв = 300 Ом – кабель

Не слід змішувати поняття „хвильовий” і „вхідний” опір.

Вхідним опором кола називається відношення напруги до струму, виміряних на вході кола

, Ом

Вхідний опір кола, як правило, відрізняється від хвильового опору zвх ≠ zхв .

Максимальні відхилення будуть при замкнутому і розірваному колі.

Величина zвх також залежить від величини γl

Коефіцієнт поширення γ визначається за формулою

де α – коефіцієнт затухання, неп/км , характеризує зменшення рівня сигналу при поширенні електромагнітної енергії по колу довжиною 1км. ;

β – фазовий зсув, рад/км, характеризує зміну фази сигналу при поширенні електромагнітної хвилі по колу довжиною 1 км.

1

α неп/км

β рад/км 2

1

2

3

3

f кГц

α і β залежать від частоти.

1 – кабельні кола (велике затухання)

2 – повітряні стальні

3 – повітряні мідні

Спотворення в однорідних колах

Внаслідок частотної залежності вторинних параметрів властивості однорідного кола є неоднаковими для сигналів з різними спектрами частот. Багаточастотний сигнал, що передається через однорідне коло, зазнає амплітудно-частотних і фазових спотворень.

Амплітудно частотні спотворення виникають в результаті неоднакового затухання на різних частотах.

Фазові спотворення виникають внаслідок різної швидкості поширення складових багаточастотного сигналу по колу.

Для усунення амплітудно-частотних спотворень, використовують амплітудні контури, частотні характеристики затухання, яких є зворотними до частотних характеристик затухання кола.

Приблизні величини допустимих амплітудно-частотних спотворень встановлені дослідним шляхом. На частотах 1100 – 500 Гц – 0,6 неп – пракнично не впливає на розбірливість мови.

Прийнявши 0,6 неп за норму можна визначити приблизну допустиму довжину кола для однієї підсилюючої ділянки.

α 1100 l – α 500 l ≤ 0,6

звідки l ≤ 0,6/( α 1100 – α 500), км

lmax ≈ 90 км – повітряне стальне і lmax ≈ 400 км мідне коло.

Фазові спотворення виникають із ростом частоти, тому що зростає фазова швидкість. На відносно високих частотах фазова швидкість є постійною:

При змінній швидкості поширення складових багаточастотного сигналу, форма багаточастотного сигналу в кінці кола зміниться.

Тривалість сигналу в кінці кола є більша ніж на початку. Компенсація фазових спотворень здійснюється за допомогою фазових контурів.

В області розмовних частот однорідні кола вносять невеликі фазові спотворення.

Групова швидкість.

Складний сигнал (телефон, телеграф і т.д.) поширюючись по колу, в деякий момент часу має максимальну величину, яку умовно називають амплітудою складного коливання. Від величини цієї амплітуди здебільшого залежить робота приймального пристрою.

Груповою швидкістю називають швидкість переміщення амплітуди складного коливання по колу. Визначається за формулою:

, км/сек.

Швидкість поширення (або фазова швидкість) сигналу залежить від частоти струму і коефіцієнта фази. Визначається виразом:

, км/сек.

Групова швидкість і фазова швидкість зв’язані нерівністю Vгр ≥V

Груповій швидкості відповідає груповий час поширення електромагнітної енергії tгр. за шлях пройдений амплітудою.

Характеристики електричних сигналів.

В залежності від системи телекомунікацій електричні сигнали

можуть бути аналоговими або дискретними.

і

t

аналоговий сигнал.

i

t

дискретний сигнал.

Сукупність сигналів складає повідомлення.

Кожному виду інформації відповідає певний характер сигналів. Характеристики сигналів включають ознаки, властивості і межі зміни параметрів цього сигналу.

Аналоговий сигнал можна представити, як суму синусоїдальних (гармонічних) електричних коливань.

i,u

I,U

t

φ Т

Миттєве значення електричних коливань змінного струму і напруги математично можна виразити у вигляді:

, ,

Основні залежності параметрів синусоїдальних коливань приведені в таблиці 1.

Табл.1.

Кругова частота, рад/с. Частота, Гц Період, с.	, ,
Діючі значення напруги та струму	,
Амплітуди струму і напруги	,
Середнє значення напруги і струму за період за півперіод	,

Для несинусоїдальних коливань діюче значення напруги дорівнює квадратичній сумі діючих значень складових гармонік

Діюче значення вищих гармонік несинусоїдальної напруги дорівнює квадратичній сумі діючих значень цих гармонік

Будь-який аналоговий сигнал з обмеженим спектром можна перетворити на дискретний, тобто в послідовність імпульсів.

Згідно теореми Котельникова – аналоговий сигнал може бути відновлений за дискретними імпульсами, якщо їх частота дискретизації у два рази перевищує частоту спектра аналогового сигналу. F≥2f

Дискретні сигнали характеризуються формою, полярністю, амплітудою, тривалістю імпульсів та частотою їх проходження та частотою заповнення.

Електричний імпульс – короткочасна зміна електричної напруги або струму за період часу, співрозмірний з тривалістю перехідного процесу в електричних колах.

U,I

4 1,0А

3 5 0,9А

0,5А

τіа

2 6 0,1А

7

t

1 τф τс τх

τі

А – амплітуда;

τф – фронт (1,2,3);

ΔА – підйом і спад вершини (3,4,5);

τс – спад (5,6,7);

τх – хвіст (6,7);

τі – загальна тривалість (2,4);

τіа – активна тривалість на рівні 0,5 А.

Послідовність імпульсів характеризується періодом повторення Т, частотою , паузою Тп, коефіцієнтом заповнення , глибинністю і розрізняється за полярністю: однополярна (0;1) і біполярна

(+1;-1), трійна і квазітрійна (+1;0;-1).

Цифровий імпульсний сигнал характеризується: тактовими, позицією τт

(дорівнює τі ), інтервалом (дорівнює Т) і частотою повторення ( ) а також захисним інтервалом τз (дорівнює часу паузи τп).

В імпульсній техніці широко використовують «перепад» сигналу (перехід від «1» до «0» і навпаки). При цьому за «1» приймають певний рівень напруги U1, за «0» рівень напруги U2 де U1>U2. Наприклад «1» = 2,5В «0»=0,4В. Таким чином, логічний нуль не відповідає нульовому рівню і відсутністю напруги.

Телефонія. Голосовий зв'язок загального користування.

Телефонія – перетворення мови і звуків (звукових коливань) на одному кінці передавального тракту у коливання електричного струму і зворотне перетворення у звук на іншому кінці.

Звукові коливання – коливання молекул будь-якого пружного середовища (повітря, рідини, тверді речовини), які діють на орган слуху людини викликаючи у свідомості специфічні відчуття звуку.

Швидкість поширення звуку залежить від фізичних властивостей середовища. Для повітря 344 м/с при 20°С.

При проходженні через середовище звукових хвиль в ньому виникає звуковий тиск, який періодично змінюється з частотою ( в СІ Н/м² = Па).

Під час поширення звукових хвиль відбувається перенесення енергії від джерела звуку в навколишнє середовище.

Звукова енергія характеризується густиною, потужністю звукової хвилі і інтенсивністю (силою звуку).

Густина – кількість енергії в одиниці об’єму звукового поля (Дж/м³ )

Потужність звукової хвилі – кількість звукової енергії, що переноситься звуковою хвилею через поверхню за одиницю часу (Вт/с)

Інтенсивність (сила) звуку – величина, що дорівнює потоку звукової енергії, яка проходить за одну секунду через поверхню в 1 м² , розміщену перпендикулярно до напрямку поширення звуку (Вт/м² ).

Поріг чутності – мінімальна величина інтенсивності, що розрізняється слухом. (Залежить від частоти).

Поріг больового відчуття – максимальна величина інтенсивності, при сприйнятті якої виникають больові відчуття. (Від частоти майже не залежить).

І, Вт/м²

10²

10^-1

10^-2

10^-4

10^-6

10^-8

10^-10

10^-12

20 50 200 500 1000 2000 5000 20000 f, Гц.

Вухо людини сприймає від 20 до 20000 Гц. Органи мови відтворюють від 70 до 13000 Гц.

Оцінка якості телефонного передавання.

Здійснюється декількома (параметрами) методами:

1. складовою артикуляцією,

2. вимірюванням еквівалентів затухання гучності,

3. за розбірливістю.

Складова артикуляція – визначається як відношення числа правильно прийнятих через тракт елементів мови (звуків, складів або фраз, які не мають змісту), до загального числа переданих елементів. Коефіцієнт артикуляції вимірюється в %. Якщо передано 100 слів і 80 прийнято правильно, то коефіцієнт артикуляції 80% - відмінно, 40-55% - задовільно. Цей метод використовують для визначення смуги (пропускання) частот, необхідної для передавання голосу. 0,3 – 3,4 кГц.

Еквівалент затухання гучності – є мірою якості телефонного передавання по гучності. Вимірювання еквівалента відбувається шляхом порівняння з еталонним колом. Величину затухання, на яку необхідно змінити еталонне коло для досягнення однакової гучності, називають еквівалентом затухання за гучністю.

Еквівалент затухання за розбірливістю на даний час є найбільш досконалим способом визначення якості передавання. Вимірювання цього еквівалента здійснюють шляхом порівняння якості передавання одного і того ж голосового матеріалу по еталонній і випробувальній системах.