4.АНАЛОГОВЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

СЧАСТОТНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ

4.1.Построение аналоговых систем передачи

Качество многоканальных систем передачи определяют не только качество и количество организуемых каналов ТЧ, но и другие показатели:

–возможность увеличения числа каналов и организации широкополосных каналов (например, для передачи сигналов вещания, централизованной передачи газет, высокоскоростной передачи данных и т. п.);

–возможность выделения каналов в промежуточных пунктах магистрали;

–расход питания;

–стоимость;

–габариты;

–приспособленность к массовому производству;

–численность обслуживающего персонала.

Большинство из перечисленных пунктов зависит от способа построения аппаратуры МСП, в основу построения которых может быть положен индивидуальный, групповой и смешанный принципы.

В аппаратуре индивидуального типа преобразование и усиление сигналов в каждом канале осуществляется раздельно. Достоинством аппаратуры такого типа является ее маневренность. Добавляя или снимая оборудование, можно изменять число каналов. Заменяя промежуточное оборудование оконечным, можно выделять необходимое число каналов в любом промежуточном пункте. К основным недостаткам такой аппаратуры относят незначительное число организуемых каналов, малую дальность связи, громоздкость и высокую стоимость оборудования.

Ограничение дальности связи обусловлено накоплением искажений, вносимых канальными фильтрами, так как их число будет определяться не только оконечными и транзитными станциями, но и усилительными пунктами.

Громоздкость оборудования объясняется тем, что на промежуточных усилительных пунктах необходимо ставить фильтры и усилители для каждого канала отдельно. Неприспособленность к массовому про-

126

изводству объясняется тем, что все канальные фильтры в таких системах связи будут различными, а следовательно, необходимо на каждый тип фильтра иметь свою документацию и т. п.

Аппаратура МСП, построенная по групповому принципу в значительной мере свободна от перечисленных недостатков. Идея группового метода построения систем передачи с ЧРК позволяет резко уменьшить в составе оконечного оборудования число разнотипных фильтров, источников несущих частот и тем самым создает или облегчает возможности создания фильтров каналов с однородными характеристиками и построение систем передачи практически с любым числом каналов.

Использование на промежуточных станциях одного усилителя для усиления сигналов во всех каналах не требует применения канальных фильтров – основных источников амплитудно-частотных и фазочастотных искажений в каналах, поэтому возможно включение очень большого числа промежуточных усилителей, т. е. осуществление связи практически на любые расстояния. Промежуточная аппаратура систем передачи, построенных таким образом, оказывается проще, а следовательно, и дешевле. Кроме того, групповой принцип построения систем передачи позволяет стандартизировать значительную часть группового оборудования и оконечной аппаратуры с разным числом каналов.

Существенным недостатком систем передачи, построенных по такому методу, является необходимость установки всего оборудования вне зависимости от потребного количества связей на данный момент времени, а также необходимость применения специальной аппаратуры выделения в промежуточных пунктах для установления связи с другими пунктами магистрали.

Несмотря на отмеченные недостатки, все современные системы передачи строятся исключительно по групповому методу в силу присущих ему достоинств.

Оборудование (аппаратура) МСП, построенное по групповому принципу, подразделяется на:

–каналообразующее оборудование;

–аппаратуру сопряжения;

–линейный тракт, включающий оконечное оборудование на передающей и приемной сторонах линии связи и промежуточные усилители.

127

Каналообразующая аппаратура N-канальной системы осуществляет ограничение и преобразование спектров N исходных сигналов, занимающих полосу частот от нуля до нескольких килогерц каждый,

вполосу частот, отведенную в спектре группового сигнала.

Вспектре группового сигнала на каждый канальный сигнал отводится полоса частот в 4 кГц: из них 3,1 кГц – собственно ширина полосы частот канала ТЧ, 0,9 кГц – полоса, отводимая на расфильтровку.

На приемной стороне осуществляется обратное преобразование. Каналообразующая аппаратура является одинаковой для любых линий связи (например, кабельных, радиорелейных, волноводных, спутниковых и линий связи оптического кабеля).

Аппаратура сопряжения осуществляет преобразование спектра группового сигнала из диапазона частот f1... f2 в диапазон fЛ1... fЛ2

направляющей среды, который определяется конкретным типом линии связи. Следовательно, для различных направляющих сред оборудование сопряжения будет различным, хотя операции, осуществляемые с помощью этого оборудования, одинаковы.

Аппаратура сопряжения содержит, как правило, одну ступень преобразования. Однако если спектр группового сигнала на выходе каналообразующей аппаратуры частично или полностью совпадает с линейным спектром частот, то используются две ступени преобразования. При применении в этом случае только одной ступени преобразования неизбежны значительные искажения, вызванные непосредственной передачей исходного сигнала через элементы с нелинейной амплитудной характеристикой.

Воконечной аппаратуре линейного тракта осуществляется коррекция частотных искажений, вносимых линейным трактом, автоматическая регулировка уровня, введение и выделение различных контрольных частот.

Влинейном тракте осуществляется усиление и передача группового сигнала, выделение сигналов на транзитных пунктах.

Из рассмотренных типов аппаратуры целесообразнее всего использовать то, которое обладает наилучшими показателями, т. е. оборудование должно обеспечивать лучшие характеристики каналов, должно быть технологичным в изготовлении, а это определяется, прежде всего, количеством разнотипных узлов аппаратуры.

128

4.1.1.Многократное преобразование частоты

ваналоговых системах передачи

Все современные системы передачи используют иерархический принцип построения. Группы с большим числом каналов формируются путем объединения нескольких более мелких групп. Те, в свою очередь, формируются путем объединения нескольких еще более мелких групп и т. д. В МСП с ЧРК этот принцип реализуется путем многократного преобразования частоты, когда исходные первичные сигналы несколько раз преобразуются по частоте, прежде чем они в форме канальных сигналов попадают в направляющую среду. На приемной оконечной станции осуществляются аналогичные преобразования, но в обратном порядке. Такой метод позволяет легко наращивать емкость системы передачи, а с другой стороны, позволяет унифицировать многие элементы систем передачи, что приводит к удешевлению аппаратуры МСП в целом.

Поясним целесообразность применения многократного преобразования частоты на простом примере. Предположим, что стоит задача создания N-канальной системы передачи. Необходимо построить оптимальную, с экономической точки зрения, или хотя бы наилучшую структуру из конечного множества возможных вариантов. Пусть требуемое число каналов в системе передачи N = 300. Можно создать 300-канальную систему передачи по индивидуальному и групповому принципам. При индивидуальном способе организации группового сигнала необходимо на передаче и приеме иметь 300 источников несущих частот и 300 сложных канальных фильтров, т. е. число типов фильтров F = 300. Чем больше будет разнотипных узлов в аппаратуре, тем сложнее ее производство. Объясняется это тем, что на каждый фильтр нужна своя документация, свой набор комплектующих элементов, своя инструкция по настройке и т. п.

Рассмотрим второй вариант, когда 300-канальная группа делится на 5 более мелких групп по 60 каналов, которые затем на второй ступени преобразования с помощью 5 групповых преобразователей, 5 групповых фильтров объединяются в 300-канальную группу. Теперь общее число организуемых каналов N = n1n2n3 , а число типов фильтров F2 = n1 + n2 + n3 =12 +5 +5 = 22 (где n1, n2 , n3 −число объединяемых

129

сигналов на первой, второй и третьей ступенях преобразования соответственно). Ясно, что F2 < F . Интуитивно понятно, что должен существовать какой-то оптимальный вариант выбора. Можно показать, что оптимальное число объединяемых сигналов на каждой ступени преобразования примерно равно 3. Практически оказывается, что минимум выражен не очень ярко, поэтому можно допустить незначительные отклонения n от оптимального значения, выбор значения которого определяется конкретными условиями реализации системы.

При разработке конкретной каналообразующей аппаратуры систем передачи учитывают опыт других стран и в первую очередь международные рекомендации, так как указанная аппаратура должна обеспечить организацию как национальной, так и международной сети связи.

В связи с этим в каналообразующей аппаратуре в настоящее время принято следующее группообразование. В качестве первичной группы используется 12-канальная группа. Вторичная группа формируется путем объединения пяти первичных групп, третичная группа – путем объединения пяти вторичных групп, четверичная – путем объединения трех третичных групп.

Полосы частот каждой из групп выбирались так, чтобы абсолютная и относительная ширины их были как можно меньше. При этом учитывались возможность изготовления фильтров, выделяющих требуемую боковую полосу частот и необходимость выделения этих групп каналов в промежуточных усилительных пунктах.

Абсолютная ширина спектра частот первичной группы зависит от полосы частот, занимаемой каналом ТЧ. Наибольшее число каналов в системе передачи используется для передачи речевой информации, поэтому требуемая ширина полосы частот канала ТЧ определяется необходимостью передачи речевых сигналов. Передача речевой информации должна производиться в диапазоне от 0,3 до 3,4 кГц. В этом случае удовлетворяются требования в отношении разборчивости и естественности речи. Однако расстояние между несущими частотами соседних каналов выбирается равным 4 кГц. Интервалы в 0,9 кГц между полосами частот соседних каналов необходимы для обеспечения требуемой крутизны нарастания затухания фильтров при переходе от полосы пропускания к полосе задерживания. Таким образом, ширина спектра стандартной первичной группы составляет 48 кГц.

130

Выбор спектра частот для стандартной первичной группы основывается на следующих соображениях. Относительная ширина спектра частот группы должна быть не только как можно уже, но и меньше двух. В этом случае вторые и более высокие гармоники всех составляющих этого спектра, а также комбинационные продукты второго порядка оказываются вне полосы группы. В соответствии с этим желательно выбирать спектр первичной группы в области более высоких частот, но это потребовало бы использовать в качестве несущих частот более высокие гармоники частоты 4 кГц, что усложнило бы генераторное оборудование. С этих позиций спектр первичной группы желательно выбирать в области более низких частот. В качестве компромисса выбран диапазон частот 60–108 кГц. В этом диапазоне частот оказалось более удобным осуществить изготовление и эксплуатацию кварцевых и магнитострикционных фильтров, которые часто используются в ряде стран для подавления неиспользуемой боковой полосы. В этом диапазоне частот такие фильтры обладают достаточно хорошей однородностью и высокой стабильностью характеристик.

В мировой практике применяется несколько способов формирования стандартной первичной группы:

–с использованием одной ступени преобразования;

–с использованием двух ступеней преобразования;

–с применением двух ступеней преобразования на основе четырех предварительных трехканальных групп.

Стандартная первичная группа – первичная группа аналоговых канальных сигналов (12-канальный сигнал с шириной спектра 48 кГц).

Если в спектре сигнала первичной группы спектры канальных сигналов занимают инверсное положение, то такая первичная группа назы-

вается основной.

Прямой спектр преобразованного сигнала – спектр преобразованного сигнала, в котором более высокочастотным составляющим соответствуют более высокочастотные составляющие первичного сигнала.

Инверсный спектр преобразованного сигнала – спектр сигнала, в котором более высокочастотным составляющим соответствуют более низкочастотные составляющие первичного сигнала.

Формирование первичной группы аналоговых канальных сигналов осуществляется в аппаратуре канального преобразования.

131

Аппаратура канального преобразования – совокупность устройств, обеспечивающая формирование основной первичной группы аналоговых канальных сигналов и 12 телефонных сигналов из первичной группы.

При формировании стандартной первичной группы с использованием одной ступени преобразования получение 12 амплитудно-моду- лированных колебаний с одной боковой полосой частот осуществляется 12 индивидуальными преобразователями передачи, на которые подаются 12 различных несущих частот (108, 104, …, 64 кГц). Выделение полезных (нижних боковых) полос и подавление побочных продуктов преобразования производится с помощью 12 полосовых канальных фильтров (рис. 4.1, а).

На приемной стороне спектр частот 60–108 кГц распределяют на входы соответствующих индивидуальных преобразователей приема с помощью аналогичных канальных фильтров.

Нумерация канальных сигналов делается сверху вниз, т. е. первым считается канальный сигнал, спектр которого сосредоточен в диапазоне частот 104–108 кГц.

Спектры первичных речевых сигналов (рис. 4.1, б) на входах преобразователей частоты первичной группы различны и сосредоточены

вдиапазоне частот ≈(100–300)…(5000–10000) Гц. На выходах преобразователей частоты присутствует множество спектральных составляющих,

втом числе и боковые полосы около частоты несущего колебания. Полосовые канальные фильтры выделяют нижнюю боковую полосу частот и ограничивают ширину полосы эффективно передаваемых частот канала ТЧ пределами 300–3400 Гц. Амлитудно-частотные и фазочастотные искажения канала ТЧ определяются именно этими фильтрами.

Степень подавления неиспользуемой боковой полосы будет достаточной, т. е. мешающее влияние между каналами группы будет отсутствовать, если крутизна характеристики затухания полосового канального фильтра будет не менее 0,1–0,13 дБ/Гц. Требуемую крутизну затухания

вполосе частот 60–108 кГц могут обеспечить только кварцевые или магнитострикционные фильтры. Таким образом, при одноступенном формировании стандартной первичной группы необходимо использовать 12 различных кварцевых или магнитострикционных фильтров.

132

Рис. 4.1. Формирование спектра стандартной первичной группы

Для уменьшения числа типов полосовых канальных фильтров и их удешевления в некоторых системах передачи оборудование 12-канальной стандартной группы строится из четырех трехканальных предварительных групп, т. е. используется предварительная модуляция (рис. 4.2).

Предгруппа аналоговых сигналов – трехканальный сигнал с шириной спектра 12 кГц.

Каждая трехканальная группа формируется путем преобразования исходных сигналов в индивидуальных преобразователях с помощью несущих частот 12, 16 и 20 кГц. Полученные после первой ступени преобразования верхние боковые полосы частот трех каналов, примерно 12–24 кГц, подаются на групповые преобразователи с несущими частотами 84, 96, 108 и 120 кГц. На выходах групповых преобразователей включены групповые полосовые фильтры, каждый из которых соответственно выделяет нижние боковые полосы частот, примерно 60–72; 72–84; 84–96 и 96–108 кГц. На приемном конце преобразование осуществляется в обратном порядке.

133

16

20

Рис. 4.2. Формирование спектра стандартной первичной группы

с помощью предгрупп

134

Введение трехканальных групп с предварительным преобразованием позволяет заменить дорогие кварцевые фильтры более дешевыми LC фильтрами, которые для диапазона частот 12–24 кГц обладают требуемыми характеристиками затухания и небольшими габаритами.

Групповые полосовые фильтры также выполняются на LC элементах. Использование этих фильтров возможно потому, что требования к крутизне нарастания затухания фильтра значительно облегчены, так как увеличивается частотный промежуток между полезной и подавляемой полосами частот.

В аппаратуре МСП иностранного производства иногда применяется метод формирования стандартных первичных групп с использованием двух ступеней индивидуального преобразования (рис. 4.3).

a)

1

2

б)

248 312

12

Рис. 4.3. Формирование спектра стандартной первичной группы

двумя ступенями индивидуального преобразования

135

На первой ступени с использованием одной для всех каналов несущей частоты 248 кГц спектры первичных сигналов преобразуются

вдиапазон несущей частоты 248 кГц, а затем выделяется верхняя боковая полоса частот. Требуемая крутизна нарастания характеристики затухания фильтра обеспечивается применением электромеханических фильтров.

На второй ступени преобразования используются несущие частоты 356, 352, …, 316 и 312 кГц, с помощью которых спектры переносятся

вдиапазон стандартной первичной группы.

Каждый из методов формирования первичной группы имеет свои достоинства и недостатки. При первом методе формирования используется одна ступень преобразования. Наличие второй ступени преобразования вызывает увеличение количества узлов оборудования группы и может привести к его удорожанию. Кроме того, это же обстоятельство может увеличить искажения и помехи в каналах. Но при первом методе построения необходимо использовать 12 различных канальных фильтров с высокой селективностью – кварцевые или магнитострикционные. При втором методе формирования группы используются канальные фильтры всего трех типов. Это простые в изготовлении и дешевые LC фильтры. После второй ступени преобразования применяются также простые фильтры LC. При третьем методе полосовые канальные фильтры одинаковые, что удешевляет их производство. После второй ступени преобразования используются относительно простые фильтры LC. Выбор того или иного метода формирования первичной группы в МСП определяется в первую очередь технологией изготовления и стоимостью отдельных узлов оборудования группы.

Аналоговые системы передачи на число каналов более 12 строятся на основе стандартных групп (вторичная, третичная, четверичная), которые формируются по иерархической структуре.

При выборе положения спектров вторичной и третичной групп исходят из тех же предпосылок, что и при выборе спектра частот первичной группы.

В максимальной степени этим противоречивым требованиям отвечает для вторичной стандартной группы полоса частот 312–552 кГц, а для третичной 812–2044 кГц.

Стандартная вторичная группа формируется из пяти первичных групп (рис. 4.4, а). Спектр частот каждой из 12-канальных групп с помощью группового преобразования перемещается в такую область

136

частот, чтобы общая полоса частот составляла 312–552 кГц. Если в качестве номиналов несущих используются частоты 420, 468, 516, 564 и 612 кГц, то такая вторичная группа называется основной (рис. 4.4, б). При несущих частотах 252, 300, 348, 396 и 444 кГц получается так называемая инверсная вторичная группа (рис. 4.4, в).

Рис. 4.4. Формирование спектра стандартной вторичной группы

В некоторых системах передачи используется вторичная стандартная группа, отличающаяся от основной обратным расположением пятой первичной группы. Для этого вместо несущей частоты 612 кГц используется частота 444 кГц. Неиспользуемые боковые полосы и побочные продукты преобразования подавляются с помощью групповых полосовых фильтров (312–360, 360–408, 408–456, 456–504, 504–552).

137

138