12.7. Перевірка стійкості каналу

При підключенні до чотирьохпровідних трактів передачі каналів ТЧ двохпровідних закінчень утворяться шляхи для струмів зворотного зв'язку, що викликають перекручування, а іноді і генерацію підсилювачів. Щоб виключити можливість виникнення генерації, уведені норми стійкості, обумовлені різницею посилень, що відповідають: одне — критичній крапці роботи підсилювача (на границі генерації), інше — посиленню, установлюваному при нормальній роботі каналу. Чим ця різниця (запас стійкості) більше, тим більше гарантія, що генерація не виникне.

Стійкість контролюється після перевірки діаграми рівнів. Якщо в каналі маються АРП, те усі вони при контролі стійкості виключаються.

У двохпровідних каналах низької частоти найбільш сприятливим для виникнення генерації є режим холостого ходу, а найбільш хитливим підсилювачем - середній (або один із середніх) стосовно кінцевих станцій. Тому для перевірки стійкості розмикають вихідні затискачі каналу на обох станціях і поступово збільшують посилення середнього підсилювача в обох напрямках передачі доти, поки підсилювач не загенерує й у каналі не з'явиться характерний свист (він прослухується в телефоні переговорно-викличного пристрою, ключ якого повинний знаходитися в положенні «Контроль», а може бути також замічений по різкому збільшенню показань ИУ з високоомним входом, включеного в якості приймача).

Одержавши генерацію, поступово знижують посилення середнього підсилювача, домагаючись перебування критичної крапки, коли генерація тільки припиняється. Залишивши в цьому критичному положенні регулятор посилення, вимірюють на частоті 800 Гц в обох напрямках передачі залишкове згасання а'_r1 і а'_r2 . Вони вийдуть, мабуть, менше нормальних значень а_r1 і а_{r2 .}Стійкість  визначається по формулі

_{ = 0,5 (}а_{r1 +} а_{r2 —} а'_r1 — а'_r2) (12.9)

Величина  для каналів низької частоти на сталевих ланцюгах і ланцюгах з кольорових металів при залишковому згасанні 7 дБ на частоті 800 Гц повинна бути не менш 2,2 дБ при холостому ході і включених транзитних подовжувачах.

Якщо вимоги до стійкості не задовольняються, то необхідно поліпшити підбор балансових контурів в одному із середніх підсилювачів. Коли це не вдається, то приходиться зменшити посилення середнього підсилювача на 1—2 дБ, збільшивши при цьому на таку ж величину посилення одного з крайніх підсилювачів (як більш стійких). Після цього стійкість перевіряється знову.

12.8. Вимірювання шумів у каналах

Важливої і тяжко досягаємою характеристикою трактів і каналів зв'язку є рівень виникаючих у них або проникаючих ззовні сторонніх напруг - перешкод.

Різниця вимірювального рівня корисного сигналу (р) і рівня перешкод (р_п) називають перешкодозахищеністю:

А_п = р – р_п (12.10)

Необхідна якість передачі інформації повинна забезпечуватися при одночасному впливі перешкод усіх видів (окрім аварійних) у каналах найбільшої довжини при самому несприятливому сполученні впливаючих факторів - всіх шумів.

У стандартних телефонних каналах мають місце: а) власні шуми, що складаються з теплових шумів опорів і шумів електронних ламп і транзисторів, що працюють у каналі; б) шуми нелінійних переходів, обумовлені нелінійністю амплітудних характеристик пристроїв каналу (групових і проміжних підсилювачів; у повітряних ланцюгах — фільтрів, що містять сердечники з магнітних матеріалів, модуляторів і т.д.); в) шуми лінійних переходів, що виникають за рахунок перехідних струмів із сусідніх паралельно йдучих ланцюгів.

Крім того, шуми в каналі можуть з'явитися від джерел живлення і різного роду зовнішніх перешкод (від радіостанцій, ліній високої напруги, електрифікованих залізниць, атмосферних явищ). Усі шуми, складаючись, створюють наприкінці каналу загальний шум, заважаючий нормальному сприйняттю сигналу.

Норми, як правило, враховують перешкодозахищеність у найгірших умовах, виміри ж звичайно проводяться в умовах, відмінних від найгіршого випадку. Тому досить важливо попередньо розрахувати очікуване значення вимірюваної величини для конкретних умов вимірювання з урахуванням структури й особливостей вимірюваного об'єкта. Дані, одержувані в результаті вимірювань, можуть задовольняти нормам, але не збігатися з очікуваними. Тоді немає гарантії, що при найгірших умовах норми виявляться витриманими. Причини такої розбіжності треба обов'язково з'ясовувати. Про розрахунок очікуваних значень див. [Л7].

Дія шуму, що заважає, залежить від: 1) співвідношення його потужності і потужності корисного сигналу і 2) частотні склади шуму.

Потужності власних і нелінійних шумів зв'язані з рівнем передачі. При зменшенні рівня передачі відносний рівень власних шумів зростає, а рівень нелінійних шумів падає. При збільшенні рівня передачі, навпаки, зростають шуми нелінійні, а падає відносний рівень шумів власних [1]. Потужність лінійних шумів від рівня передачі по даному ланцюзі не залежить, їхній рівень збільшується зі збільшенням числа підсилювальних ділянок.

Ч астотний склад шуму важливий тому, що напруги різних частот, що впливають на телефон або гучномовець, неоднаково сприймаються людським вухом. На мал. 12.7 показані криві зразкової залежності сприйняття людським вухом того самого рівня потужності різних частот через телефон (мал. 12.7а) і через динамік (мал. 12.7б).

Рис. 12.7. Загальний вид кривих сприйняття людським вухом одного і того ж рівня різних частот за допомогою: а) телефону; б) динамічного гучномовця.

Для системи вухо-динамік максимальна чутливість виявляється в діапазоні частот 2000—5000 Гц, за одиницю приймається чутливість при 1 кГц. Для системи вухо-телефон чутливість, близька до максимальної і прийнята за одиницю, має місце при частоті 800 Гц. Для інших частот Міжнародним консультативним комітетом з телеграфії і телефонії (МККТТ) на основі численних експериментів установлювалися відповідні «вагарні», або, як їх прийнято називати, «псофометричні» коефіцієнти (з грецької «псофос» —шум).

У табл. 12.1 приведені ці коефіцієнти в децибелах (201g К) для системи телефон-вухо й у табл. 12.2 — для системи вухо — динамік. У зв'язку з цим уведене поняття про псофометричної потужності і псофометричної напруги шуму (або перешкоди).

Таблиця 12.1

Псофометричною напругою U_nc (або U) називається напруга перешкод, що існує на кінцевому опорі 600 Ом (включеному узгоджено на виході ланцюга або через трансформатор) і вимірюване з урахуванням неоднакового впливу напруг різних частот на якість телефонного (або радіомовного) прийому. Псофометрична напруга для телефонної передачі дорівнює

(12.11)

де Uf — діючі значення окремих складових напруг перешкод з частотою f; K_f — псофометричний (вагарні) коефіцієнт для тієї ж частоти f. Ваговий коефіцієнт для частоти 800 Гц тут прийнятий рівним одиниці.

Таким чином, U_nc дорівнює середньоквадратичному (діючому) значенню напруги частоти 800 Гц, що зробить на приймач такий же заважаючий вплив, що й існуюча в ланцюзі сумарна напруга перешкод. Для стандартного телефонного каналу шириною від 300 до 3400 Гц псофометрична напруга U_пс при рівномірному розподілі шуму в цьому спектрі (при так називаній «гладкій перешкоді») може бути підраховане по формулі

(12.12)

де 1,33 — середній псофометричний коефіцієнт для даної смуги частот. Відповідно потужність Р_пс = 0,75²Р_Д = 0,56Р_Д. По вимогах МККТТ:

1) середня величина псофометричної потужності шуму в каналі ТЧ еталонної кабельної лінії зв'язку (довжиною 2500 км), обмірювана в крапці з нульовим відносним рівнем, за годину найбільшого навантаження повинна бути не більш Р_шl = 10000 пВт;

2) середня величина псофометричної потужності шумів у ВЧ каналі повітряної еталонної лінії довжиною 2500 км у крапці нульового відносного рівня повинна бути не більш Р_ш = 20000 пВт за годину найбільшого навантаження. Напруги, що відповідають цим потужностям і обмірювані на затисках міжміського комутатора прийомної станції (у крапці з відносним рівнем —7 дБ), рівні: для кабельної лінії зв'язку U_ш.к = 1,1 мВ псоф; для повітряної лінії зв'язку U_ш.в = 1,55 мВ псоф (див. задачу 125).

Середня псофометрична потужність шуму, створюваного кінцевим устаткуванням і устаткуванням переприйому для еталонного ланцюга, приймається 2500 пВт. Тому що потужність шумів пропорційна числу підсилювальних ділянок, які можна вважати розташованими приблизно рівномірно, то для магістралі довжиною l кілометрів норма на припустиму потужність шумів у крапці з відносним нульовим рівнем дорівнює:

д ля кабельного ланцюга Р_ш.к(l) = 3l пВт псоф,

для повітряного ланцюга Р_ш.в(l) =7l пВт псоф. (12.13)

У залежності від кліматичних умов рекомендації МККТТ виконуються по-різному. У СРСР для повітряних ланцюгів з кольорових металів при максимальній довжині переприйомної ділянки 2000 км для крапки з відносним рівнем —7 дБ прийняті наступні норми на псофометричну напругу усіх видів шумів (U_ш.в) у залежності від умов погоди: для сухої погоди узимку і влітку 1,25 мВ; для умов «влітку - сиро» 1,4 мВ; при паморозі до 5 мм 2,8 мВ для апаратури В-12 і В-12-2 і 1,6 мВ для апаратури В-3 і В-3-2; при паморозі понад 5 мм норми відповідно збільшуються до 7,4 і 6,1 мВ.

Для інших довжин переприйомної ділянки l величина припустимої напруги шумів U_шl знаходиться з формули

(12.14).

де l_max для повітряних ланцюгів з кольорових металів — 2000 км та l_max для кабельних ланцюгів — 2500 км. Варто мати на увазі, що при прийомі каналів до експлуатації норми на шуми жорсткіше, оскільки приведені вище відповідають випадку найбільшого навантаження, що не можна одержати b процесі прийому.

Д ля вимірів псофометричних напруг застосовуються, прилади, називані псофометрами або покажчиками напруги перешкод. На мал. 12.8 приведена схема широко розповсюдженого

Рис. 12.8. Схема покажчика напруги перешкод (псофометра) типу УНП-60

покажчика напруги перешкод типу УНП-60. Вхідний пристрій приладу складається із симетричного стосовно землі трансформатора з дільником напруг у його вихідній обмотці. Вхідний опір трансформатора не менш 8 кОм, але шляхом підключення відповідного шунта до первинної обмотки воно може бути зроблено рівним 600 Ом з погрішністю не більш 5%. Для вимірювання напруги перешкод на лініях, по яких проходить постійний струм (ланцюга ГТС), у приладі передбачена можливість підключення до вимірюваного об'єкта через розділові конденсатори (на схемі не показані). Ключем К можуть бути встановлені три режими роботи: 1) прилад працює як квадратичний вольтметр (без фільтра) з межами вимірів від 0,1 мВ до 10 В (—80  + 20 дБ) при основній погрішності ±5% у діапазоні частот 30—20000 Гц; 2) прилад працює з фільтром Ф₁ для вимірювання псофометричних напруг у каналі ТЧ; 3) прилад працює з фільтром Ф₂ для вимірювання псофометричних напруг у радіомовних каналах.

Підсилювач виконаний із глибоким негативним зворотним зв'язком, що забезпечує стабільність роботи приладу. Загальний коефіцієнт підсилення 60000 (96 дБ). Детектор - квадратичний, побудований по методу кусочно-лінійної апроксимації (див. § 4.2). У діапазоні від 50 до 20000 Гц частотна характеристика посилення (без фільтрів) плоска. Амплітудна характеристика в межах вимірів лінійна до 25 В на вході. Частотні характеристики фільтрів відповідають вимогам МККТТ 1951 р.

У приладі мається калібровочний пристрій для перевірки роботи приладу перед вимірами. Він містить генератор синусоїдальної напруги частоти 800 Гц. У положенні «Калібрування» показання приладу в режимі вольтметра і при включенні Ф₁ не повинні відрізнятися друг від друга більш ніж на 5%. Прилад може живитися від мережі змінного струму або від джерела постійного струму 24 В.

Н а мал. 12.9 представлені схеми включення псофометра для контролю каналу по шумам. За схемою мал. 12.9а проводять

Рис. 12.9. Схема включення псофометра: а) при 600-омному навантаженню; б) з використанням погоджуючого трансфор­матора

вимірювання псофометричної напруги шуму на кінцевій станції А в випадку, коли погодженне навантаження каналу дорівнює 600 Ом; вхідний опір псофометра беруться високоомним. За схемою мал. 12.9б вимірювання проводять для каналу з характеристичним опором, відмінним від 600 Ом. У цьому випадку псофометр із 600-омним входом підключається на виході каналу через трансформатор з коефіцієнтом трансформації п, рівним квадратному кореневі з відношення 600/Z_с. Таким чином, канал виявляється навантаженим узгоджено на вхідний опір трансформатора, рівний 600/n²=Z_c, псофометр же, що виступає в якості 600-омного навантаження, також включений узгоджено, оскільки вихідний опір трансформатора дорівнює Z_cn² = 600 Ом (що і потрібно по визначенню псофометричної напруги).

При використанні каналів ТЧ для телефонного зв'язку серед лінійних перешкод розрізняють виразну перехідну розмову, коли джерело перешкоди одне, і невиразний, коли джерел перешкод кілька. Заважаюча дія виразних перехідних розмов по оцінках МККТТ значно більше (приблизно на 9 дБ), чим невиразних. У каналах ТЧ, організованих по симетричних кабелях, на частку перешкод від лінійних переходів падає значна частина загальної припустимої потужності перешкод (від 30 до 50%), для коаксіальних же кабелів на їхню частку приходиться нехтуємо мала частина цієї потужності.

Захищеність від виразних переходів у 90% загального числа комбінацій пар каналів повинна складати не менш 58 дБ та для інших — 10% — не менш 52 дБ. Ця захищеність також виміряється за допомогою псофометра як на ближньому, так і на далекому кінцях. Такі виміри проводять у чотирьохпровідній частини тракту для обох напрямків передачі. Попередньо встановлюють нормальний рівень прийому +4,35±0,45 дБ і вимірюють псофометричну напругу власного шуму в каналі U_ш.с (при цьому входи всіх інших каналів повинні бути навантажені на 600 Ом). Потім при вимірі захищеності на ближньому кінці на входи каналів по черзі в крапці з відносним рівнем —13 дБ подають напруга частоти 800 Гц із відносним рівнем —13 дБ. На тій же станції в крапці з відносним рівнем +4,35 дБ за допомогою псофометра вимірюють U_ш, що представляє собою суму напруги власних шумів і наведеної напруги U_ш.н . Напруга наведеного шуму, що визначає виразну перехідну розмову, знаходиться з формули

(12.15)

Величина ж захищеності, дБ, від виразної перехідної розмови (див. задачу 132) визначається по формулі

(12.16)

Захищеність на далекому кінці вимірюють аналогічно, тільки сумарна напруга U_ш контролюється на виходах каналів на інший кінцевій станції.

При вимірі захищеності від виразної перехідної розмови між однойменними, каналами систем, що працюють на рівнобіжних ланцюгах, струм з частотою 800 Гц подають у визначені канали впливаючої системи. Номера каналів вказуються в інструкціях з експлуатацій відповідних систем. Вимірювання проводять у чотирьохпровідному тракті кінцевих і переприйомних станцій в обох напрямках передачі на ближньому і далекому кінцях і при подачі такого ж рівня (—13 дБ) аналогічно сказаному вище [3].

Нерідко виразність шуму перевіряють за допомогою телефону. Частотний склад шумів у випадку потреби визначають аналізаторами гармонік, аналізаторами спектра або виборчими ИУ. За допомогою селективних вимірювачів рівня (або напруги) можуть бути також виявлені перешкоди високої частоти, що знаходяться поза робочим спектром апаратури зв'язку.

Псофометричні виміри проводяться і при іспиті устаткування кінцевих станцій, коли тракти передачі і прийому з'єднані через іспитовий підсилювач (для перевірки характеристик каналів за участю індивідуального устаткування каналів). У такий спосіб вимірюють власні шуми каналів при відсутності передачі по каналах, але при поданих у тракт групових частотах. Ці виміри проводять як при роботі основного генераторного устаткування, так і резервного. Детальний опис таких намірів мається в відповідних інструктивних матеріалах.

Якщо виявиться, що напруги перешкод перевищують припустимі значення, то відшукується ділянка (або підсилювач), за рахунок якого це виходить. Для цієї мети за допомогою спеціальних розділових контурів розділяють магістраль на дві частини. Якщо при цьому показання псофометра істотно зменшуються, то несправність знаходиться за місцем підключення контуру, якщо ж показання псофометра практично не змінюються, то несправність знаходиться між мостом включення контуру і псофометром. Продовжуючи такий розподіл на два, знаходять місце ушкодження.

На виходах каналів зі смугою первинних груп і вторинних груп нормується захищеність від сумарного рівня перешкод. Виконання цієї норми контролюється (у випадку найбільшого навантаження) за допомогою широкосмугового вимірювача рівня, що включається через фільтр зі смугою пропущення, рівній переданій смузі вимірюваного каналу (60—108 кГц для каналів ПГ і 312— 552 кГц для каналів ВГ).

Варто мати на увазі, що рівні перешкод міняються в часі через не піддаючіся облікові включення, вимикання і зміни джерел перешкод. Тому потрібні багаторазові їхні вимірювання і, як правило, визначення середніх значень:

(12.17)

де п — число вимірів.

В даний час часто способом створення штучного завантаження трактів (особливо лінійних трактів багатоканальних систем) для визначення можливої потужності власних і нелінійних перешкод є використання сигналів «білого шуму». Білий шум з достатньою точністю імітує реальне навантаження трактів сигналами, що надходять з великого числа каналів ТЧ. Генератор такого шуму являє собою підсилювач з постійним посиленням у широкій смузі частот, до входу якого підключений-активний опір. Власні шуми цього опору після посилення і створюють білий шум, що характеризується сталістю спектральної щільності в межах заданої смуги частот.

Вимірювання перешкод при подачі в тракт білого шуму дають значно більше інформації, чим вимірювання гармонік і комбінаційних частот [7].

У трактах для телеграфної передачі вимірювати псофометричні напруги не має змісту, тому що перекручування переданих телеграфних сигналів не зв'язані з псофометричними кривими, а залежать від амплітуди і частоти перешкоди. Припустимий струм перешкоди при телеграфуванні постійним струмом для повітряних ліній зв'язку довжиною від 300 до 600 км знаходиться в межах від 2 до 5 мА; при наявності кабельних уставок довжиною 15 км — до 14 мА. В індивідуальному каналі для тонального телеграфування (на виході прийомного фільтра) перешкоди вимірюють у вузькій смузі частот, обумовленою смугою пропущення фільтра. При вимірі їх в загальному каналі і широкому діапазоні частот вони нерідко мають явно виражений піковий характер.

Тому що заважаюча дія перешкод у телеграфному каналі пропорційна їхньої потужності, то їх варто вимірювати приладом із квадратичною характеристикою. Зручний той же псофометр у режимі вольтметра (без фільтрів). Потрібно, однак, оцінювати вимірювані в такий спосіб перешкоди по викидах показань індикатора.

По нормах на стандартні телефонні канали, надані для тонального телеграфування і факсимільного зв'язку, рівень перешкод для однієї переприйомної ділянки (при покажчику рівня з плоскою частотною характеристикою) повинний бути не більш ніж —41 дБ для каналів повітряних систем і не більш ніж - 43,5 дБ для кабельних систем. Для N переприйомних ділянок припустимий рівень перешкод повинний бути знижений на 10 lg N дБ. Для каналів факсимільного зв'язку, де на передачу однаково діють шуми всіх частот робочого діапазону, рівні перешкод р_П, визначені ИУ з плоскою частотною характеристикою, повинні бути такі, щоб різниця, що визначає захищеність від перешкод А_з = р_с - р_П, була при амплітудній модуляції не менш 35 дБ, а при частотній модуляції не менш 26 дБ.

В усіх каналах, призначених для передачі дискретної інформації, нормується і контролюється груповий час запізнювання (див. § 10.10).