6.3.3 Измерение рабочего усиления

Рабочее усиление S_p равно рабочему затуханию, взятому с обратным знаком.

Поэтому если измерять его по схеме рис. 6.11, поставив вместо ИЧ усилитель, то, используя два отсчета при а_м = 0,

S_p = p₂ - p₁ - 10lg│Z₂/Z₁│, (6.12)

То же получили бы при использовании двух отсчетов по схеме рис.6.13 (при а_м = 0).

Очевидно, что для использования в обеих схемах метода сравнения надо переставить магазины затуханий в другую ветвь схемы последовательно с измеряемым усилителем, чтобы усиление компенсировалось затуханием магазина и можно было бы получить р₁ = р₂.

Поскольку, кроме того, величина ЭДС обычно должна быть ограничена так, чтобы ее значение не выходило за линейный участок амплитудной характеристики усилителя, то требуется учет и контроль величины ЭДС.

В итоге из схемы, например, рис.6.11 получается схема рис. 6.14, для которой:

S_{p =} p₂ - p₁ + а_м - 101g|Z₂/Z₁│, (6.13)

При этом, чтобы уровень на входе усилителя находился в прямолинейной части его амплитудной характеристики, величина а_м должна быть выбрана с учетом напряжения на выходе генератора (обычно достаточно проверить последнее по индикатору выхода генератора).

Если оказывается возможным при этом сделать p₂ = p₁, то осуществляется метод сравнения и:

S_p = a_м - 10lg│Z₂/Z₁│, (6.14)

Аналогично можно построить и схему для измерения усиления по «методу Z».

Следует обратить внимание, что S_Р не совпадает по определению (а стало быть, во многих случаях и по величине) ни с усилением

Рисунок 6.14 Измерение рабочего усиления с помощью известного генератора

по напряжению, ни с усилением по мощности, поскольку для их контроля задается только сопротивление нагрузки на выходе усилителя, а сопротивление генератора не учитывается (сравнивается выходное напряжение (мощность) со входным, но не с тем, которое было бы, если бы генератор работал непосредственно на согласованную с ним нагрузку).

Контрольные вопросы:

1. Запишите формулу для определения рабочего затухания.

2. Методы измерения рабочего затухания.

3. Перечислите методы измерения рабочего усиления.

4. Запишите формулу для определения рабочего усиления.

6.4. Измерение шумов

Важной и с трудом достигаемой характеристикой трактов и каналов связи является уровень возникающих в них или проникающих извне посторонних напряжении - помех.

Разность измерительного уровня полезного сигнала (р) и уровня помех (р_п) называют помехозащищенностью:

А_п = р – р_п, (6.15)

Требуемое качество передачи информации должно обеспечивать при одновременном воздействии помех всех видов (кроме аварийных) в каналах наибольшей протяженности при самом неблагоприятном сочетании влияющих факторов – всех шумов.

В стандартных телефонных каналах имеют место: а) собственные шумы, состоящие из тепловых шумов сопротивлений и шумов электронных ламп и транзисторов, работающих в канале; б) шумы не линейных переходов, обусловленные нелинейностью амплитудных характеристик устройств канала (групповых и промежуточных усилителей; в воздушных цепях – фильтров, содержащих сердечники из магнитных материалов, модуляторов и т. д.); шумы линейных переходов, возникающие за счет переходных токов из соседних параллельно идущих цепей.

Кроме того, шумы в канале могут появиться от источников питания и разного рода внешних помех (от радиостанций, линий высокого напряжения, электрифицированных железных дорог, атмосферных явлений). Все шумы, складываясь, создают в конце канала общий шум, мешающий нормальному восприятию сигнала.

Нормы, как правило, учитывают помехозащищенность в наихудших условиях, измерения же обычно проводятся в условиях, отличных от наихудшего случая. Поэтому весьма важно предварительно рассчитать ожидаемое значение измеряемой величины для конкретных условий измерений с учетом структуры и особенностей измеряемого объекта. Данные, получаемые в результате измерений, могут удовлетворять нормам, но не совпадать с ожидаемыми. Тогда нет гарантии, что при наихудших условиях нормы окажутся выдержанными. Причины такого несовпадения надо обязательно выяснять.

Мешающее действие шума зависит от: 1)соотношения его мощности и мощности полезного сигнала; 2) частотного состава шума.

Мощности собственных и нелинейных шумов связаны с уровнем передачи. При уменьшении уровня передачи относительный уровень собственных шумов возрастает, а уровень нелинейных шумов падает. При увеличении уровня передачи, наоборот, возрастают шумы нелинейные, а падает относительный уровень шумов собственных. Мощность линейных шумов от уровня передачи по данной цепи не зависит, их уровень увеличивается с увеличением числа усилительных участков N.

Частотный состав шума важен потому, что напряжения различных частот, воздействующие на телефон или громкоговоритель, неодинаково воспринимаются человеческим ухом. На рис. 6.15 показаны кривые примерной зависимости восприятия человеческим ухом одного и того же уровня мощности различных частот через телефон (рис. 6.15а) и через динамик (рис. 6.15 б).

Рисунок 6.15 Общий вид кривых восприятия человеческим ухом одного и того же уровня различных частот с помощью: а) телефона; б) динамического громкоговорителя

Для системы ухо - динамик максимальная чувствительность обнаруживается в диапазоне частот 2000 - 5000 Гц, за единицу принимается чувствительность при 1 кГц. Для системы ухо -- телефон чувствительность, близкая к максимальной и принимаемая за единицу, имеет место при частоте 800 Гц. Для других частот Международным консультативным комитетом по телеграфии и телефонии (МККТТ) на основе многочисленных экспериментов устанавливались соответствующие «весовые», или, как их принято называть, «псофометрические» коэффициенты (по-гречески «псофос» - шум).

В табл. 6.1 приведены эти коэффициенты в децибелах (201g/К) для системы телефон - ухо и в табл. 6.2 - для системы ухо-динамик. В связи с этим введено понятие о псофометрической мощности и псофометрическом напряжении шума (или помехи).

Таблица 6.1

Таблица 6.2

Псофометрическим напряжением U_пс (или Uφ) называется напряжение помех, существующее на оконечном сопротивлении 600 Ом (включенном согласованно на выходе цепи или через трансформатор) и измеряемое с учетом неодинакового воздействия напряжений различных частот на качество телефонного (или радиовещательного) приема. Псофометрическое напряжение для телефонной передачи равно

U_пс = √ ∑ (K_fU_f) ², (6.16)

где U_f - действующие значения отдельных составляющих напряжений помех с частотой f; K_f - псофометрический (весовой) коэффициент для той же частоты f. Весовой коэффициент для частоты 800 Гц здесь принят равным единице.

Таким образом, U_пc равно среднеквадратическому (действующему) значению напряжения частоты 800 Гц, которое произведет на приемник такое же мешающее воздействие, как существующее в цепи суммарное напряжение помех. Для стандартного телефонного канала шириной от 300 до 3400 Гц псофометрическое напряжение U_пc при равномерном распределении шума в этом спектре (три так называемой «гладкой помехе») - может быть подсчитано по формуле

U_пс = U_д / 1,33 = 0,75U_д, (6.17)

где 1,33 - средний псофометрический коэффициент для данной полосы частот. Соответственно мощность Р_пс = 0,75²Р_д = 0,56Р_д.

По требованиям МККТТ:

1. средняя величина псофометрической мощности шума в канале ТЧ эталонной кабельной линии связи (протяженностью 2500 км), измеренная в точке с нулевым относительным уровнем, за час наибольшей нагрузки должна быть не более Р_шL = 10000 пВт;

2. средняя величина псофометрической мощности шумов в ВЧ канале воздушной эталонной линии длиной 2500 км в точке нулевого относительного уровня должна быть не более Р_ш = 20000 пВт за час наибольшей нагрузки. Напряжения, соответствующие этим мощностям и измеренные на зажимах междугородного коммутатора приемной станции (в точке с относительным уровнем - 7 дБ), равны: для кабельной линии связи U_ш.к = 1,1 мВ псоф; для воздушной линии связи U_ш.в = 1,55 мВ псоф (см. задачу 125).

Средняя псофометрическая мощность шума, создаваемого оконечным оборудованием и оборудованием переприема для эталонной цепи, принимается 2500 пВт. Так как мощность шумов пропорциональна числу усилительных участков, которые можно считать расположенными приблизительно равномерно, то для магистрали длиной L километров норма на допустимую мощность шумов в точке с относительным нулевым уровнем равна:

для кабельной цепи Р_{ш.к (L)} = 3L пВт псоф,

для воздушной цепи Р_{ш.в (L)} = 7L пВт псоф.

В зависимости от климатических условий рекомендации МККТТ выполняются различно. В СССР для воздушных цепей из цветных металлов при максимальной длине переприемного участка 2000 км для точки с относительным уровнем - 7 дБ приняты следующие нормы на псофометрическое напряжение всех видов шумов (U_ш.в) в зависимости от условий погоды: для сухой погоды зимой и летом 1,25 мВ; для условий «лето—сыро» 1,4 мВ; при изморози до 5 мм 2,8 мВ для аппаратуры В-12 и В-12-2 и 1,6 мВ для аппаратуры В-3 и В-3-2; при изморози свыше 5 мм нормы соответственно увеличиваются до 7,4 и 6,1 мВ.

Для других длин переприемного участка L величина допустимого напряжения шумов U_ml находится из формулы

U_ml = U_{ш.к (в)}√l/l_max, (6.18)

где I_max для воздушных цепей из цветных металлов - 2000 км и I_max для кабельных цепей - 2500 км. Следует иметь в виду, что при приеме каналов в эксплуатацию нормы на шумы жестче, поскольку приведенные выше соответствуют часу наибольшей нагрузки, что нельзя получить в процессе приема.

Для измерений псофометрических напряжений применяются приборы, называемые псофометрами или указателями напряжения помех. На рис. 6.14 приведена схема широко распространенного указателя

Рисунок 6.14 Схема указателя напряжения помех (псофометра) типа

УНП – 60

напряжения помех типа УНП - 60. Входное устройство прибора состоит из симметричного по отношению к земле трансформатора с делителем напряжений в его выходной обмотке. Входное сопротивление трансформатора не менее 8 кОм, но путем подключения соответствующего шунта к первичной обмотке оно может быть сделано равным 600 Ом с погрешностью не более 5%. Для измерения напряжения помех на линиях, по которым проходит постоянный ток (цепи ГТС), в приборе предусмотрена возможность подключения к измеряемому объекту через разделительные конденсаторы (на схеме не показаны). Ключом К могут быть установлены три режима работы:

1)прибор работает как квадратичный вольтметр (без фильтра) с пределами измерений от 0,1 мВ до 10 В (-80÷+20 дБ) при основной погрешности ± 5% в диапазоне частот 30 - 20000 Гц;

2)прибор работает с фильтром Ф₁ для измерения псофометрических напряжений в канале ТЧ;

3)прибор работает с фильтром Ф₂ для измерения псофометрических напряжений в радиовещательных каналах.

Усилитель выполнен с глубокой отрицательной обратной связью, что обеспечивает стабильность работы прибора. Общий коэффициент усиления 60000 (96 дБ). Детектор - квадратичный, построенный по методу кусочно-линейной аппроксимации. В диапазоне от 50 до 20000 Гц частотная характеристика усиления (без фильтров) плоская. Амплитудная характеристика в пределах измерений линейна до 25 В на входе. Частотные характеристики фильтров соответствуют требованиям МККТТ 1951 г.

В приборе имеется калибровочное устройство для проверки работы прибора перед измерениями. Оно содержит генератор синусоидального напряжения частоты 800 Гц. В положении «Калибровка» показания прибора в режиме вольтметра и при включении Ф₁ не должны отличаться друг от друга более чем на 5%. Прибор может питаться от сети переменного тока или от источника постоянного тока 24 В.