mx_metoda_laby

Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Связь»

Н. К. Велигжанин О. Н. Пащенко

МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

С ЧАСТОТНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ

Екатеринбург

2010

Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Связь»

Н. К. Велигжанин О. Н. Пащенко

МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

С ЧАСТОТНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ

Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов IV, V курсов очной и заочной формы обучения специ-

альности 190402 – «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» (специализация «Системы переда-

чи и распределения информации»)

Екатеринбург

2010

УДК 621.372.88 В27

Велигжанин, Н. К.

В27 Многоканальные телекоммуникационные системы с частотным разделением каналов : метод. указания / Н. К. Велигжанин, О. Н. Пащенко. - Екатеринбург : УрГУПС, 2010. – 56 с.

Методические указания предназначены для студентов очной и заочной формы обучения, изучающих дисциплину «Многоканальная связь на железнодорожном транспорте». Имеют цель помочь студентам старших курсов овладеть комплексом теоретических и практических знаний по аналоговым системам передачи с частотным разделением каналов.

Разработаны в соответствии с программой по специализации«Системы передачи информации» специальности 190402 – «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте».

УДК 621.372.88

Утверждены на заседании кафедры «Связь» 11 июня 2008 г., протокол № 9.

Авторы: Н. К. Велигжанин, доцент кафедры «Связь», канд. техн. наук, УрГУПС О. Н. Пащенко, ассистент кафедры «Связь», УрГУПС

Рецензент: М.С. Мухамедзянов, профессор кафедры «Связь», канд. техн. наук, УрГУПС

ÓУральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), 2010

3

4

1. Лабораторная работа

ИЗУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ

1.1. Теоретическая часть

1.1.1. Назначение и основные характеристики преобразователей частоты

Преобразователи частоты (ПЧ) предназначены для преобразования спектров сигналов при частотном уплотнении линии связи.

Преобразование спектра сводится к перемещению его по оси частот на неко-

торую величину ω, которую называют частотой преобразования. На рис. 1.1 по-

казаны графики, иллюстрирующие возможные случаи преобразования спек-

тров, где ωн, ωв – нижняя и верхняя границы частот, а Ω – произвольное значе-

ние частоты спектра исходного сигнала.

ω+Ω

ω-Ω

ω

Рис. 1.1. Спектры амплитудно-модулированных сигналов

5

Если частота преобразования ω выше частоты ωв ( см. рис.1.1 а, б), то спектр преобразованного сигнала формально получается сложением частоты преобразования с частотой сигнала (верхняя боковая ВБ) или вычитаем из частоты преобразования частоты сигнала (нижняя боковая НБ). При этом спектр нижней боковой перемещается и инвертируется относительно исходного, а спектр верхней боковой перемещается без инверсии. Если частота преобразования ниже частоты Ωв, то спектр преобразованного сигнала смещается на величину ω в строку повышения или понижения без инверсии.

В общем случае частоту произвольной составляющей преобразованного сигнала можно вычислить как модуль выражения |ω±Ω|.

Полезным результатом преобразования (см. рис. 1.1, а) может быть верхняя или нижняя боковая, или обе боковые вместе. Если преобразование происходит в соответствии с рис. 1.1, б; 1.1, в, то полезным продуктом обычно является одна из боковых. Кроме полезных продуктов на выходе преобразователей всегда появляются побочные (вредные) составляющие, которые затрудняют выделение первых.

Для оценки качества преобразования применяют следующие характеристики ПЧ (рис. 1.2):

Затухание преобразователя:

где PΩ – мощность составляющей входного сигнала;

Pпп – мощность полезной составляющей выходного сигнала.

Затухание преобразователя желательно иметь меньше.

Моделируемый сигнал (несущая частотой ω )

Рис. 1.2. Обобщенная схема преобразователя частоты

Затухание нелинейности:

6

где PВП – мощность вредных продуктов на выходе ПЧ. Преобразователь должен обладать большим затуханием нелинейности.

Частотная характеристика затухания преобразователя aП (ω), т. е. зависимость затухания от частоты. Лучше, если эта характеристика будет постоянной в пределах используемого диапазона:

aП (ω) = const при ΩН < ω < ΩВ.

Амплитудная характеристика преобразователя, выражающая зависимость затухания преобразователя от мощности входного сигнала. Желательно, чтобы эта зависимость была постоянной до максимальной допустимой мощности PМ:

aП (PΩ) = const при 0< PΩ < PМ.

Все перечисленные характеристики могут быть выражены не только через мощности, но и через токи и напряжения.

1.1.2. Принципы преобразования частоты

Принцип преобразования частоты, при помощи нелинейной цепи, показан на рис. 1.3.

Нелинейное

сопротивление

uω=Uωcosωt

Рис. 1.3. Схема нелинейной цепи

Вольтамперная характеристика любого нелинейного сопротивления может быть с желаемой точностью выражена многочленом некоторой степени

7

где u – напряжение на этом сопротивлении. Коэффициенты a, имеющие размерность проводимостей, можно подобрать так, чтобы получить заданную точность зависимости тока от напряжения. Если подвести к схеме в качестве на-

пряжения сигнала одну гармоническую составляющуюuW = U W cos Wt и напряжение с частотой преобразования то напряжение на нелинейном сопротив-

лении u = uW + uω .

Подставив его в (1.3), найдем ток I, который будем считать выходным. Составляющие тока изображены на спектрограмме(рис.1.4.). Амплитуда полезных составляющих тока верхней и нижней боковой частоты равна

Из уравнения (1.4) следует, что амплитуда боковой частоты пропорциональна амплитуде преобразуемого сигнала, т.е. боковые составляющие содержат полную информацию о сигнале, если допустить, что амплитуда частоты преобразования (амплитуда несущей) Uω постоянна.

Рис. 1.4. Спектрограмма тока нелинейной цепи

Амплитуды вредных составляющих имеют различные значения, но учитывать следует прежде всего те, которые близко располагаются к полезным составляющим, например составляющие с частотами ω±2Ω и ω±3Ω. Общее выражение для частот составляющих выходного тока можно записать

где m и n могут принимать значения 0, 1, 2, 3, … (см. рис. 1.4).

На основе нелинейной цепи можно составить практическую схему простейшего преобразователя частоты, представленного на рис. 1.5.

8

Д

Рис. 1.5. Схема простейшего преобразователя частоты

В качестве нелинейного сопротивления в схеме используется диод. Д Трансформаторы Тр-1 и Тр-2 разделяют нагрузку и источник сигнала по постоянной составляющей от цепи диода. Недостатки этого преобразователя:

1)большое число побочных (вредных) составляющих в токе нагрузки iн, что затрудняет, а иногда делает невозможным выделение полезных составляющих;

2)в цепи генератора несущей и сигнала протекает ток, содержащей все составляющие |mω ± nΩ|, что исключает возможность использования общего генератора несущей для питания нескольких преобразователей;

3)ток полезных составляющих на выходе зависит от амплитуды напряжения несущей. Без мер стабилизации несущей затухание этого преобразователя не может быть стабильным во времени.

Для устранения некоторых недостатков этой простейшей схемы применяются балансовые схемы преобразователей, на выходе которых отсутствует ряд вредных составляющих.

На рис. 1.6. представлена схема балансного относительно несущей частоты преобразователя. Эта схема представляет комбинацию двух простейших преоб-

разователей с общими трансформаторами Тр и Тр . Если имеет место полная

1 2

электрическая симметрия полуобмоток трансформаторов и диодов, то выходной ток можно рассматривать, как сумму токов в цепи диодов или полуобмоток трансформатора Тр2.

9