5.3. Организация каналов связи. Дифференциальные системы

Каналом связи называют совокупность линейных и станци­онных устройств, обеспечивающих одно- или двустороннюю передачу сигналов между двумя пунктами. В зависимости от способа образова­ния каналы связи могут быть физическими, частотными и вре­менными. По своему назначению каналы разделяются на телефонные, телеграфные, передачи данных, фото­телеграфные; телеуправления и теле­сигнализации, телевизионные, веща­ния и т. п.

По направлению передачи кана­лы могут быть односторонними и двусторонними.

Односторонние каналы связи обеспечивают передачу информации только в одном направлении (рис. 5.5, а). При необходимости организа­ции двусторонней связи используют два канала, по одному из которых сигналы передают в одном направле­нии, а по другому — в обратном. Для увеличения дальности связи в такие каналы включают усилители У одно­стороннего действия. Односторонние каналы применяют для организации технологической связи, передачи данных, программ вещания.

Двусторонние каналы применяют для обеспечения обмена разговором между абонентами. Двусторонний канал может быть организован из двух односторонних (рис. 5.5, б), которые на концах включены в око­нечные усилители ОУ и дифференци­альные системы ДС, обеспечивающие переход с четырехпроводной линии на двухпроводные окончания с вклю­ченными в них телефонными аппара­тами ТА. Такая система называется четырехпроводной системой теле­фонной связи. В технике многока­нальной связи применяется эквива­лентная ей система связи, в которой вместо двух пар физических проводов используются два односторонних канала.

Двухпроводный двусто­ронний канал организуется с

применением двухпроводной линии, в которую на концах включаются телефонные аппараты (см. рис. 5.1, а). Для увеличения дальности теле­фонирования в линию включаются двусторонние усилители У, которые обеспечивают раздельное усиление сигналов в- обоих направлениях.

Основные свойства дифференци­альной системы. Дифференциальная система ДС предназначена для соединения двухпроводной линии с четырехпроводным выходом (вхо­дом) канала или усилителя. Она содержит (рис. 5.6, а) дифференци­альный трансформатор ДТ, имеющий три обмотки ^обмотки л и б одинако­вые) , и балансный контур БК. Сопротивление БК подбирают рав­ным входному сопротивлению двух­проводной ЛИНИИ, Т. е. Z6k = Z_bx-

Схема .дифференциальной систе­мы строится по принципу уравнове­шенного моста, в одну диагональ которого 4—4 включен вход 3—3 уси-литеяя передачи У1, а в другую — индуктивно выходная цепь 2—2 уси­лителя приема У 2 (рис. 5.6, б). В идеальной дифференциальной си­стеме при передаче сигнала в направ­лениях 2—/ и /—3 половина подводимой на зажимы /—1 или 2 — 2 мощности N теряется вследствие ее деления пополам между нагрузками. При этом затухание, вносимое систе­мой в цепь основной передачи,

* * V-~ ■-"• * ^ж * * ■ * ^г- Ъ/ * ■■ ■ Ш Ч^ Ж ЧУ и ч_4 а ■ JK Ч-* » » * * Ч*» "4V 1 * V -Ч- *~J LV Л-

потерь в трансформаторе составляет

примерно 3,5 дБ. Затухание, вноси­мое дифференциальной системой в цепь тока обратной связи, т. е. в на­правлении зажимов 2—3, должно быть, как можно большим во избежа­ние перехода тока сигнала из канала приема (2—2) в канал передачи {3—3). Значение этого затухания, называемого переходным затуханием дифференциальной системы,

называется балансным зату­ханием дифференциальной системы. Значения затуханий, вносимых дифференциальной систе­мой в различные пути передачи, показаны на рис. 5.6, б. Из формулы (5.2) видно, что если Z_6K = Z_ex, то а„= оо, т. е. перехода тока в направ­лении зажимов 2—3 не будет. Отсюда следует необходимость подбора эле­ментов балансного контура ДС таким образом, чтобы частотные характери­стики Ze_K и Z_BX близко совпадали

57

в передаваемом диапазоне частот. Практически достижимое значение балансного затухания колеблется от 10 до 26 дБ.

Рассмотрим особенности работы двустороннего канала, образованно­го с помощью дифференциальных систем (рис. 5.7).

Двусторонний канал состоит из двух односторонних, объединенных двумя дифференциальными система­ми ДС1 и ДС2. Принятые значения уровней на входах каналов ТЧ — 13 дБ, а на выходах +4 дБ, т. е. уси­ление канала по НЧ в каждом на­правлении передачи S_K=17 дБ.

На входах ДС1 и ДС2 включа­ются транзитные удлинители ТУ с^чзатуханием а_т = 3,5 дБ, а между ДС и каналом включаются удлинители с затуханиями а\=6 дБ и аг —4 дБ. Эти удлинители необходимы для получения постоянных значений уровней передачи и приема при оконечных и транзитных соединениях каналов. При уровне 0 дБ измери­тельного сигнала на частоте 800 Гц, подаваемого на вход ГУ, общее затухание сигнала составит а_пер = а_т + а_дс + а, =3,5 + 3,5 + 6 = =13 дБ и на входе канала передачи будет требуемый уровень —13 дБ. Выход канала нагружен на удлините­ли а₂, а_т и ДС2, общее затухание которых будет a₂ + a_ac + a_T = 4 + + 3,5 + 3,5=11 дБ; поэтому значе­ние уровня сигнала, подаваемо­го в абонентскую линию, составит 4 —11 = —7 дБ. Общее затухание двустороннего канала при / = 800 Гц между входами 1 — Г составляет 7 дБ, которое называется остаточным затуханием канала.

Устойчивость канала ТЧ. Если дифференциальные системы ДС1 и ДС2 на обоих концах канала уравновешены и в них а_е=оо, то перехода тока через них из канала передачи в канал приема не будет. Однако практически вследствие ко­нечного значения а_е через ДС1 и ДС2 создается замкнутая цепь тока обратной связи г_ос (на рис. 5.7 пока­зана штриховой линией), по которой будут проходить токи обратной связи, которые могут вызывать при определенных условиях генерацию или самовозбуждение усилителя. Вследствие этого токи, генерируемые усилителем и распространяющиеся по каналам в обе стороны от него, воспринимаются в телефонных аппа­ратах абонентов в виде свиста, нарушающего разговор. Генерация канала возникает только при одно­временном удовлетворении двух условий, называемых условиями воз­никновения генерации: сумма усиле­ний обоих каналов равна или больше суммы затуханий, вносимых двумя дифференциальными системами и уд­линителями а\ и п2 в цепь обратной связи; сдвиг фаз в цепи обратной связи равен нулю или кратен 2л.

Если обозначить усиление кана­лов через S_K\ и "S_K2, вносимый ими сдвиг фаз через'фц 1 и ф_К2, затухания на пути тока обратной связи через а_а\ и а„2 и вносимый ДС1 и ДС2 сдвиг фаз на этом пути через 8i и 02, то указанные условия возникновения генерации:

где я = 0, 1, 2, 3, ...

Затухание на пути токов обратной связи. дБ.

Если принять S_Ki =Sk2 = 17 дБ, то согласно формуле (5.3) генерации канала не будет при условии, если а_е>0, что сравнительно легко полу­чить. Под устойчивостью кана­ла понимается отсутствие его генера­ции при некоторых изменениях значений а_е в пределах не менее 2 дБ.

58

Таким образом, в каналах 1ч самовозбуждение практически устра­няется, но токи обратной связи вызывают искажения сигналов. По­явление искажений объясняется тем, что ток обратной связи в усилителе накладывается на разговорный и ис­кажает его вследствие различия фаз. Для уменьшения искажений от обратной связи необходимо доби­ваться возможно лучшего уравнове­шивания дифференциальных систем усилителя, что достигается получени­ем значения балансного затухания а_е>7 дБ.

5.4. Одиополосные и двухполосные системы двусторонней телефонной связи

Основными системами двусто­ронней телефонной связи являются однополосная двухпроводная (кана­лы НЧ),/однополосная четырехпро-водная (каналы ТЧ) ,\/двухполосная двухпроводная (каналы ТЧ).

Однополосная двухпроводная си­стема телефонной связи. При этой системе связь осуществляется по двухпроводной цепи с передачей в обоих направлениях одной и той же полосы частот. По этому принципу организуется телефонный канал низ­кой частоты НЧ, в котором для передачи речи используется полоса частот 0,3—3,4 кГц (рис. 5.8). Для увеличения дальности передачи ка­нал оборудуется двусторонними уси­лителями У. Двусторонний усилитель содержит два усилительных элемента и две дифференциальные системы.

разговорный ток проходит от теле­фонного аппарата ТА1 через верхние усилительные элементы и поступает в телефонный аппарат ТА2. В обрат­ном направлении передача разго­ворных сигналов от ТА2 кТА1 осуще­ствляется через нижние усилитель­ные элементы и соответствующие участки канала.

Для осуществления двусторонней связи требуется одна двухпроводная цепь. Однако дальность связи по такой цепи ограничена, что обу­словлено возрастанием тока обрат­ной связи с увеличением числа усилителей, включенных в цепь. В каждом из них вследствие неточно­сти уравновешивания дифференци­альных систем существует некоторый ток обратной связи to. При этом ток обратной связи, возникший, напри­мер, в усилителе У2, распространяясь в обе стороны от него, поступает в усилители У/ и УЗ, где накладыва­ется на токи обратной связи, имеющиеся в этих усилителях.__

Аналогично ток обратной связи, i возникший в усилителе У/, поступает в усилители У2 и УЗ и накладывается на ток обратной связи, существую­щий в них. При наличии в цепи ■ нескольких усилителей к каждому из них слева и справа будут приходить токи обратной связи от других усилителей и накладываться на ток| обратной связи, существующий этом усилителе. Значение результи­рующего тока обратной связи в каж-1 дом усилителе зависит от соотношен ния между фазами взаимодействую! щих токов, числа усилителей в цепи

59

и местоположения каждого из них. Вероятное значение результирующе­го тока можно считать равным квадратному корню из суммы квадра­тов взаимодействующих токов. Поэ­тому чем больше включено в цепь усилителей, тем больше будет значе­ние тока обратной связи в каждом из них. Увеличение тока обратной связи в усилителе обусловливает уменьше­ние балансных затуханий его диффе­ренциальных систем и, в конечном счете, может вызвать генерацию усилителя, которая возникает при появлении условий, приведенных в формуле (5.3). В наихудших условиях будет находиться средний усилитель, через который проходит наибольшее количество токов обрат­ной связи. Таким образом, чем больше усилителей включено в цепь, тем с меньшим усилением может работать каждый из них. Рабочее усиление усилителя S_y выбирают меньше критического усиления S_o, при котором возникает генерация на величину а, которая называется устойчивостью усилителя, т. е. S_y = So + a, где согласно нормам a^fel,74 дБ. Значение критического усиления усилительного элемента So определяется выражением

где a_eiH а_ег — значения балансных зату­ханий дифференциальных систем ДС1 и ДС2.

Среднее значение усиления дву­стороннего усилителя принимается равным 9 дБ при частоте 800 Гц.

Практически при телефонирова­нии токами ни-зкой частоты надежная связь обеспечивается при последова-

тельном включении от двух до четырех усилителей. Длина усили­тельных участков составляет для двухпроводной стальной цепи 100 км, а для двухпроводной кабельной цепи 50 км. Однополосная двухпроводная система связи получила практическое применение для телефонирования по воздушным и кабельным цепям на относительно небольших расстояниях при организации технологической телефонной связи.

Однополосная четырехпроводная система телефонной связи. Она характеризуется тем, что связь осуществляется по двум парам проводов с передачей в обе стороны одной и той же полосы частот и позволяет обеспечить телефонную связь практически на любое расстоя­ние. Принцип организации связи по четырехпроводной системе пояснен рис. 5.9. Речевой сигнал с частотой /_р = 0,3-=-3,4 кГц преобразуется в модуляторе М в полосу частот F± ±/_ри передается в соответствующую сторону по двум проводам. На приемном конце происходит обратное преобразование сигнала в демодуля­торе Д. Телефонные аппараты ТА1 и ТА2 подключаются к четырехпро-водному тракту связи через диффе­ренциальные системы ДС1 и ДС2. Че­тырехпроводная система телефонной связи на высокой частоте применя­ется на двухкабельных линиях, где в каждом кабеле отводится по паре жил для создания независимых цепей связи Ц1 и Ц2, либо в однокабельной линии с использованием экраниро­ванных друг от друга двух пар жил. Благодаря этому исключаются пере­ходные влияния с одной цепи на

/.n

другую. В оконечных и промежу­точных усилителях четырехпроводно-го канала могут возникнуть замкну­тые цепи обратной связи, обу­словленные наличием путей пере­ходного разговора на ближнем конце. Если переходные затухания А„\ и Д„2 между цепями достаточно велики и удовлетворяется условие

где Si и Si — усиления усилительных элементов промежуточного усилителя,

то можно не считаться с явлением обратной связи и полагать, что передача в прямом и обратном направлениях проходит по цепям, электрически независимым друг от друга.

Большим достоинством четырех-проводных систем с частотным разделением каналов является при­менение одинаковых преобразовате­лей Ми Дна оконечных пунктах для каждого канала. Вследствие наличия дифференциальных систем в ко­нечных пунктах приходится учиты­вать цепь обратной связи, охватыва­ющую весь канал в целом (см. штри­ховую линию). Эта цепь может обусловить возникновение генерации в канале. Однако следует иметь в виду, что генерация может возникнуть только при особо тяже­лых условиях, а при соответствующей настройке ДС1 и ДС2 четырехпро-водный канал является более устой­чивым, чем двухпроводный с несколь­кими включенными двусторонними усилителями. На дальность связи по;

четырехпроводным цепям' большой протяженности оказывают влияние такие факторы, как искажения сигна­лов, время распространения, элект­рические эхо и помехи (см. п. 9.2).

Двухполосная двухпроводная си­стема телефонной связи. Система связи, образуемая по двум частотным каналам с использованием одной и той же двухпроводной цепи, называется двухполосной двухпро­водной (рис. 5.10). Связь в направле­нии слева направо осуществляется при помощи полосы частот Fi — /_р, получаемой в результате модуляции несущей частоты Fi на оконечной станции ОС1, а в обратном направле­нии — при помощи полосы частот Fs — f_p, возникающей в результате модуляции несущей частоты Fi на станции ОС2 и не совпадающей с полосой частот F\ — f_p. Диффе­ренциальные системы ДС1 и ДС2 обеспечивают подключение двухпроводных абонентских линий с аппаратами ТА1 и ТА2 к четырех-проводному тракту. Таким образом, двухполосная двухпроводная систе­ма связи в электрическом отношении эквивалентна четырехпроводной си­стеме. Токи обратной связи в око­нечных установках и промежуточных усилителях подавляются фильтрами Ф1, Ф2 с достаточно большим затуханием — 75—80 дБ в полосе задерживаемых частот.

Достоинством двухполосной си­стемы является возможность приме­нения одной двухпроводной цепи, а недостатком — необходимость на­личия двух каналов прямого и обрат-

61

ного направлений с разными полоса­ми частот для обеспечения одного разговора. Данная система связи применяется на воздушных и однока-бельных линиях связи, так как она обеспечивает по сравнению с однопо­лосной четырехпроводной системой наименьшие влияния каналов.