Глава 7. Основы передачи сигналов по направляющим системам электросвязи

1. Двусторонние каналы передачи

Передача сигналов осуществляется с помощью электромагнитных колебаний, которые передаются по линиям связи. Линии связи, как было сказано ранее, отличаются большим разнообразием это кабельные, волоконно-оптические, воздушные, радиорелейные, спутниковые и другие. Сигналы, передаваемые по линиям связи, подвержены амплитудно-фазовым искажениям, вносимыми линиями связи. Передаваемые сигналы искажаются под действием сторонних помех и внутренних шумов аппаратуры связи. Для устранения влияния линий связи и помех на форму передаваемых сигналов и их ослабление линию связи разбивают на отдельные участки, в которых устанавливают обслуживаемые и необслуживаемые усилительные пункты. Таким образом, линии связи

вместе с оконечным приёмопередающим оборудованием, промежуточными усилительными пунктами образуют направляющую систему.

До настоящего времени рассматривались односторонние направляющие системы, позволяющие передавать сигналы только в одном направлении от передающей части к приёмной. Однако использование односторонних систем недостаточно для организации полноценных систем связи, поэтому системы связи делают двусторонними.

Направляющая система связи, обеспечивающая передачу сигналов от одного абонента к другому как в прямом направлении, так и в обратном называется двусторонней.

Двусторонняя система необходима для осуществления передачи сообщений в обоих направлениях одновременно или, как говорят, в интерактивном режиме. Так, например, при телефонном разговоре абоненты должны иметь возможность «перебивать» друг друга, переспрашивать, подавать реплики и т.д.

Простейшая двусторонняя направляющая система для канала тональной частоты строится на основе двухпроводной линии (рисунок 7.1). Она состоит из двух оконечных станций (телефонных аппаратов ТА), развязывающих трансформаторов (ТР) и самой двухпроводной линии связи (на рисунке 7.1 обозначена цифрами 12 и). Такая схема связи позволяет одновременно передавать сигналы от абонентов в обоих направлениях. Токво вторичных обмотках развязывающих трансформаторов (или в двухпроводной линии связи) является суперпозицией токов, генерируемых эквивалентными источниками ЭДСсоответствующих абонентских телефонных станций ТА1 и ТА2. Однако такая схема позволяет передавать сообщения на расстояния небольшой протяженности (до нескольких сотен метров), т.к. ввиду отсутствия усилителей передаваемые сигналы подвержены сильному ослаблению.

Рис. 7.1. Двусторонняя направляющая система на основе

двухпроводной линии связи

Двусторонние каналы для линий большой протяжённости с применением усилителей строят при помощи двух встречных каналов одностороннего действия, передающих канальный сигнал в одном направлении. Так как в каждом направлении передачи используют двухпроводную систему, то в целом, для передачи сигналов в обоих направлениях систему называют четырехпроводной.

Поскольку в абонентских трактах сигналы передаются в обоих направлениях по одной и той же двухпроводной цепи, то возникает необходимость в соединении четырёхпроводных каналов ТЧ с двухпроводным окончанием (рисунок 7.2). Объединение этих двух типов каналов осуществляется через специальные переходные (развязывающие) устройства (РУ).

Передаваемый первым абонентом (АБ1) сигнал по двухпроводной линии поступает в развязывающее устройство РУ1, и далее, через усилитель У1 и развязывающее устройство РУ2, поступает на оконечную станцию второго абонента (АБ2). Сигнал от второго абонента проходит аналогичный путь, но по нижнему плечу схемы на рисунке 7.2. Следовательно, усилители У1, У2 с контактами образуют четырёхпроводную двунаправленную систему. Каждый из усилителей обеспечивают передачу сигналов в только одном направлении. Задача переходных устройств состоит в развязывании сигналов соответствующих направлений, так в направлениях 13, 41 (см. рисунок 7.2) должно обеспечиваться минимальное ослабление (затухание) сигнала, а в направлениях 43, 43, наоборот,его максимальное ослабление. Только в этом случае будет достигнута упорядоченность направлений передачи сигналов, т.е. сигнал с выхода одного однонаправленного канала не будет поступать на вход другого.

Рис. 7.2. Соединение двухпроводной и четырёхпроводной систем

Основная трудность при организации перехода от четырёх- к двупроводному каналу с помощью РУ состоит в появлении петли положительной обратной связи (ПОС) (рисунок 7.3,а). Из-за наличия конечного затухания в направлении 43 в РУ, передаваемый сигнал, попадая в двухпроводный канал, «просачивается» в линию обратного направления, где вновь складывается с самим собой. Другими словами, он начинает циркулировать по петле обратной связи (как показано на рисунке 7.3,а пунктирной линией). Это приводит к искажениям формы передаваемых сигналов и в пределе может привести к самовозбуждению канала. При самовозбуждении канала передача сигналов становится невозможной.

Рассмотрим процесс прохождения сигнала по петле ПОС. В качестве точек рассмотрения берутся напряжения сигналов ,соответственно на выходе двунаправленной системы (см. рисунок 7.3,а). Эквивалентная математическая модель канала при наличии обратного положительной обратной связи приведена на рисунке 7.3,б.

Прямой канал передачи от абонента 1 к абоненту 2, или от кописывается единичной передаточной функцией (в идеальном случае). Так как часть энергии передаваемого сигнала по петле обратной через усилитель У2 снова поступает на вход системы обратной связи, то, эту передачу сигнала можно описать с помощью передаточной функции в петле обратной связи (рисунок 7.3,б.) В большинстве случаев передаточную функцию обратной связи можно аппроксимировать апериодическим звеном первого порядка

,

где соответственно коэффициент передачи и постоянная времени канала обратной связи;комплексная переменная Лапласа (см. также параграф 4.2. четвёртой главы).

Рис.7.3. К возникновению принципа ПОС (а),

к анализу влияния ПОС на АФХ канала (б)

Тогда, в соответствии с математической моделью на рисунке 7.3.,б , выходное напряжение двунаправленной системы равно

,

откуда окончательно передаточная функция этого канала имеет вид

.

Корни характеристического уравнения двунаправленной системы определяются из характеристического уравнения вида

,

откуда .

Система будет устойчивой, если (см. также параграф 4.2 четвёртой главы). Устойчивость двунаправленной системы определяется условием. В противном случае, при, система становится неустойчивой, что указывает на явление самовозбуждения в канале. Величинаопределяется в общем случае коэффициентами передачи усилителей и развязывающих устройств в направлении 43. Коэффициенты передачи развязывающих устройств в направлении 43, взятые в логарифмическом масштабе, ещё называютпереходными. Из рисунка 7.3,а. остаточное затухание петли обратной связи равно

,

где переходные затухания соответственно РУ1 и РУ2;коэффициенты передачи усилителей (в логарифмическом масштабе). Величинаопределяет запас устойчивости двунаправленной системы. На практике эта величина нормируется значением не меньшим, чем 24дБ.

Второй сложностью построения двухпроводных каналов является наличие электрического эха. Если предположить, что разговорный сигнал передаётся от первого абонента ко второму, то из-за не идеальности балансировки развязывающих устройств, часть этого сигнала отразится от оконечной станции второго абонента и поступит обратно к говорящему с задержкой во времени. В результате первый абонент услышит свою речь в виде эха.

Существуют несколько способов борьбы с электрическим эхом:

1) Метод самобалансирующейся дифференциальной системы. Здесь с помощью балансного сопротивления (рисунок 7.2) настраивают контур развязывающего устройства на «поглощение» электрического эха.

2) Эхокомпенсационный метод. Идея метода заключается в компенсации эхосигнала искусственно сформированной копией. Копия эхосигналаформируется в формирующем устройстве (ФУ) непосредственно из передаваемого сигнала (рисунок 7.4). Затем проводится вычитание из эхосигналаего копии

.

Остаточный сигнал характеризует степень подавления электрического эха.

Рис. 7.4. Компенсационный метод подавления электрического эха

3) Метод эхозаграждения, который осуществляется с помощью специальных устройств эхозаградителей. Эхозагардители включаются в канал, где в настоящий момент времени разговорный сигнал не производится. Эхозаградители представляют собой аттенюаторы с затуханием 50дБ. Заградитель увеличивает остаточное затухание кабеля, в результате чего эхосигнал не проходит.

2. Анализ дифференциальной системы развязывающего устройства

В качестве развязывающих устройств широкое применение находят дифференциальная система (ДС) на основе трансформатора со средней точкой (рисунок 7.5).

Рис. 7.5. Схема трансформаторной дифференциальной системы

Рассмотрим работу ДС в двух режимах: когда абонент разговаривает и когда он прослушивает разговор. Также будем предполагать, что трансформатор идеален и в нём отсутствует потеря энергии и ДС является сбалансированной в направлении 43, т.е. внутреннее сопротивление источника ЭДС, имитирующего электрические колебания микрофона абонента, равно комплексному балансному сопротивлению, т.е..

В случае разговора абонента величина его ЭДС не равна нулю, , и токв первой полуобмотке трансформатора ТР равен току, протекающему во второй полуобмотке ТР (см. рисунок 7.5). Равенство токовтакже обеспечивается тем, что ток, так как сигнал из канала связи не поступает, следовательно, источник токаусилителя У2 не «вырабатывает» ток. При этом внутреннее сопротивление источникатока равно бесконечности (другими словами, на месте источника тока имеется разрыв цепи), что не позволяет току«ответвляться» в направлении контактов. Исходя из ведённых допущений, согласно закону Ома мощностьна выходе контактабудет равна

, (7.1)

где изображениев комплексной области.

Часть энергии тока передаётся во вторичную обмотку трансформатора ТР, т.е. в контуре: вторичная обмотка ТРконтакт 3входное сопротивлениеусилителя У1контактвторичная обмотка ТР, возникает ток(см. рисунок 7.5). Мощность исходящего абонентского сигналана контактахравна

. (7.2)

Затухание абонентского сигнала в направлении передачис учётом (7.1) и (7.2) равно

дБ. (7.3)

Последнее выражение получено из того, что коэффициент трансформации ТР выбирается таким образом, чтобы токи , и выходное сопротивление генератора.

Теперь, если абонент молчит и слушает разговор визави, то имеет место обратная ситуация: и. При этом в случае сбалансированной дифференциальной системы токи токи,равны друг другу по модулю, но «протекают» в противоположных направлениях. Так, токбудет проходить по цепи: средняя точка первичной обмотки ТРконтакт 1сопротивлениеисточник ЭДС (он рассматривается как короткозамкнутая линия)контакт(общий провод). Токбудет проходить по цепи: средняя точка первичной обмотки ТРконтакт 2сопротивлениеконтакт(общий провод). Мощность сигнала, развиваемая на выходе усилителя У2 равна

, (7.4)

где изображениев комплексной области;выходное комплексное сопротивление усилителя У2 (см. рисунок 7.5). Для режима прослушивания разговора абонентом мощность на нагрузкеопределяется выражением (7.1), тогда затухание сигналав направлениис учётом (7.1) и (7.4) равно

дБ. (7.5)

Формула (7.5) получена в предположении, что и дифференциальная система сбалансирована в направлении, т.е..

Таким образом, в случае идеально сбалансированной в направлениях идифференциальной системы затухания передаваемых сигналов в соответствующих направлениях примерно одинаковы и равны 3дБ.

Следует отметить, что в направлении ЭДС во вторичных обмоткахитрансформатора ТР (см. рисунок 7.5) , наводимые соответственно токами,направлены встречно и взаимно уничтожаются. Поэтому результирующая ЭДС во вторичной обмотке ТР равна нулю и там нет генерации тока, т.е.. Другими словами, передача энергии сигнала в направлениине происходит. На самом деле величина затуханияв направленииравна

дБ, (7.6)

так как .

Ещё раз подчеркнём, что формулы (7.3),(7.5),(7.6) справедливы лишь для идеальной дифференциальной системы. Однако на практике трудно добиться абсолютной идентичности параметров соответствующих полуобмоток симметрирующего трансформатора ТР, а также полной сбалансированности дифференциальной системы. Также (это было сказано ранее) в схеме возможны отражения передаваемых сигналов. Поэтому реальное затухание в направлении определяется формулой

дБ

и лежит в диапазоне 2040дБ. Для преодоления вышеперечисленных недостатков трансформаторную дифференциальную систему развязывающих устройств в настоящее время реализуют на полупроводниковых электронных элементах.