mx_metoda_laby

4. Лабораторная работа

ИЗУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПАНДЕРНЫХ УСТРОЙСТВ

4.1. Теоретическая часть

Компандерные устройства применяются для повышения помехозащищенности в каналах при передаче речевых сигналов. Речевые сигналы характеризуются большим динамическим диапазоном.

D = Pmax – Pmin.

Здесь Pmax и Pmin – максимальный и минимальный уровень мощности речевого сигнала. Уровень мощности речевых сигналов изменяется во времени, достигая максимума при «выкриках» и произношений гласных звуков, и принимает минимальные значения при произношении шипящих и «вялых» звуков.

При передаче по каналу связи помехозащищенность речевого сигнала сильно ухудшается в интервалы времени, когда их мощность минимальна, так

как превышение h уровня сигнала над уровнем помех оказывается наименьшим

h = Pmin – Pш.

Для устранения этого нельзя применять линейное усиление речевого сигнала на входе канала с целью поднятьPmin. В этом случае повысится и Pmax, что приведет к перегрузке канала. Чтобы избежать перегрузки и одновременно повысить Pmin, прибегают к сжатию динамического диапазона речевого сигнала, при котором одновременно с повышением Pmin снижается Pmax.

Сжатие динамического диапазона осуществляется на входе канала(рис. 4.1) при помощи компрессоров (сжимателей). Усиление SК компрессора зависит от уровня на его входе и уменьшается с его увеличением. При некотором уровне P0 компрессор имеет усиление равное нулю. Обычно это уровень, равный измерительному уровнюPИ в точке включения компрессора. Динамический диапазон сигнала после компрессора сжимается(уменьшается) и определяется

D′ = qК · D.

На рис. 4.1 показана диаграмма максимального, измерительного и минимального уровня на всех участках канала.

Коэффициент сжатия qК для компрессора имеет значения меньше единицы. Сжатие динамического диапазона является нелинейным преобразованием и приводит к искажению сигнала.

Существенным в процессе сжатия является повышение минимального уровня Pmin до P′min , что приводит к увеличению превышения уровня сигнала над уровнем помех и на выходе канала передачи h′ > h.

Для устранения искажений, вносимых компрессором, включают в конце канала передачи экспандер (расширитель динамического диапазона), который

30

восстанавливает динамический диапазон сигнала. Усиление экспандера SЭ зависит от уровня на его выходе и возрастает с его повышением. При некотором уровне экспандер имеет усиление равное нулю. Обычно за этот уровень принимают измерительный уровень в точке подключения экспандера.

Динамический диапазон сигнала после экспандера увеличивается qв

Э

равное

D = qЭ · D′.

Чтобы точно восстановить динамический диапазон и устранить искажения, вносимые компрессором, коэффициент сжатия qК берут обратным коэффициенту расширения qЭ. При этом условии динамический диапазон сигнала на выходе всего тракта, включая компрессор, канал и экспандер не будет отличаться от диапазона на входе, а искажения будут отсутствовать.

На рис. 4.2, а показана амплитудная характеристика, которая устанавливает зависимость уровня P2К на выходе компрессора от уровня P1К на его входе. Характеристика представляет прямую с углом наклона к осиP1К менее 45º, что соответствует нелинейной амплитудной характеристике, если ее изобразить в осях напряжений U1К , U2К.

Уровень P2К при заданных значениях коэффициента сжатияqК и измери-

31

На рис.4. 2, б изображена амплитудная характеристика экспандера, определяемая выражением аналогичным (4.1)

Рис. 4.2. Амплитудные характеристики:

а – компрессора; б – экспандера

P2Э = qЭ P1Э +(1- qэ ) PИЭ ,

Характеристика представляет прямую с углом наклона к осиP1Э более

45°.Если коэффициент расширения qэ = 1 , а канал передачи вносит усиление qк

Sn= PИЭ - PИК , то усиление всего тракта, включая компрессор, канал и экспандер, определяется из (4.1) и (4.2).

откуда следует, что усиление всего тракта не зависит от уровня на его входе. Таким образом, нелинейность, вносимая компрессором, устраняется, а динамический диапазон сигнала восстанавливается экспандером, если выполняется условие qЭ· q К =1.

32

Улучшение шумовой защищенности канала за счет включения компандерных устройств можно оценить следующим образом. Превышение измерительного уровня Pиэ над уровнем помех на входе и выходе экспандера равно

h = PИЭ - PШ1 и h′ = РИЭ - РШ2 ,

где PШ1 и PШ2 - уровни помех на входе и выходе (рис. 4.1).

Уровень PШ2 зависит от характеристики экспандера и определяется по

(4.2) через PШ1.

Разность h1= h′- h может служить мерой улучшения шумовой защи-

Если qЭ = 2, РИЭ = +4,3 дБ и PШ1 = -25 дБ, то выигрыш составляет h=29,3 дБ. Такой большой выигрыш не будет иметь место при наличии сигнала, превышающего помеху, так как усиление экспандера возрастает с увеличением уровня на его входе. В этом случае экспандер одинаково усиливает сигнал и помеху и не влияет на улучшение шумовой защищенности. Шумовая защищенность при этих условиях определяется компрессором, так как он повышает уровень PС сигнала на входе экспандера (если уровень сигнала меньше измерительного). Выигрыш в защищенности определяется равностью уровней сигнала на входе экспандера при включенном и выключенном компрессоре. Из (4.1) получаем:

Из (4.5) видно, что выигрыш тем больше, чем меньше уровень сигнала на входе.

На рис. 4.3 показаны структурные схемы компрессора и экспандера. Компрессор содержит управляемый удлинитель, состоящий из резистораR и управляемого сопротивления Rу , усилитель Ус, детектор Д фильтр нижних частот ФНЧ. Напряжение U, пропорциональное огибающей выходного напряжения, управляет сопротивлением Rу так, что его величина изменяется обратно величине U. Поэтому затухание удлинителя будет расти с повышением уровня P2К , а значит, и уровня P1К. Таким образом осуществляется сжатие динамического диапазона. Усиление усилителя устанавливается таким, чтобы усиление компрессора при измерительном уровне PИК на его входе равнялось нулю.

Наличие ФНЧ с частотой среза около20 Гц определяет изменение U по закону огибающей речевого сигнала, а не самого сигнала. Компрессоры такого типа называют инерционными, в отличие от компрессоров мгновенного действия.

33

Структурная схема экспандера содержит те же элементы, но отличается способом их соединения. Здесь отсутствует обратная связь, а управление осуществляется входным сигналом после предварительного усиления. Управляемое сопротивление Rу включено в последовательную ветвь удлинителя. При увеличении входного уровня увеличивается напряжениеU , а сопротивление Rу – уменьшается, что приводит к снижению затухания удлинителя и повышению усиления экспандера. При занижении уровня усиление возрастает.

а

б

Рис. 4.3. Структурные схемы:

а – компрессора; б – экспандера

34

4.2. Порядок выполнения работы

4.2.1.Исследование компандерных устройств

1.Изучить лабораторную установку по рабочей схеме и макету. Обратить внимание на точки включения компрессора и экспандера к каналу передачи и

измерительные уровни PИК и РИЭ .

2. Заснять амплитудную характеристику компрессора при изменении уровня P2К на его входе в соответствии с табл. 4.1. измерения уровней производить на частоте 800 Гц при отключенном канале передачи. По результатам измерений определить динамический диапазон D на входе, D′ на выходе и коэффициент

сжатия qk .

Таблица 4.1

Амплитудная характеристика компрессора

Уровни передачи дБ (Hп)

экспандере и источнике шума.

4.Заснять амплитудную характеристику экспандера при изменении уровня P1Э на его входе в соответствии с табл. 4.1. по результатам определить динамический диапазон на входе и выходе и вычислить коэффициент расширения q Э.

5.Заснять амплитудную характеристику всего тракта, включая компрессор, канал передачи и экспандер. Изменение уровня P1 на входе принять таким, как

впункте 2. По результатам измерения сравнить динамический диапазон на входе и выходе тракта.

6.Определить шумовую защищенность канала при включенных компандерных устройствах. Подключив источник шума к каналу, измерить его уровень

Pш2 на входе канала и вычислить защищенность

h′ = РИЭ – PШ2.

Повторить измерение при выключенных компандерных устройствах и вычислить защищенность

h= РИЭ – PШ1.

иулучшение защищенности за счет компандерных устройств

h1 = h′– h.

Вычислить теоретическое улучшение шумовой защищенности через значения qЭ , PШ1 и РИЭ по формуле (4.4) и сравнить с полученным экспериментально.

35

7. Проверить на слух влияние компандерных устройств на улучшение защищенности, для чего на вход канала подать речевой сигнал и прослушать ,его включив телефон на выходе. Субъективно оценить влияние помехи при наличии и отсутствии компандерных устройств.

4.2.2. Изучение принципиальных схем компандерных устройств аппаратуры с ЧРК

Принципиальные схемы изучаются по техническому описанию к аппаратуре самостоятельно.

4.2.3. Составление отчета

Отчет должен содержать структурную схему лабораторной установки, графики амплитудных характеристик компрессора, экспандера, канала в целом, выводы по пунктам исследования.

4.3. Контрольные вопросы

1.Назначение компандерных устройств.

2.С какой целью уменьшается динамический диапазон на передаче?

3. Чем отличаются компрессоры инерционного действия от компрессоров мгновенного действия?

4. Какие функции выполняет экспандер?

36

5. Лабораторная работа

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

5.1.Теоретическая часть

Дифференциальная система (ДС) представляет собой шестиполюсник, условное обозначение которого дано на .рис5.1. ДС обладает следующими свойствами:

1.Затухание ДС в направлении от точек1 к точкам 2 и 4, которые обозначим а12, а14, а21, а41 имеют небольшую величину и называются собственным затуханием ДС, (ас).

2.Затухание ДС в направлении от точек 2 к точкам 4 и обратно имеет большую величину и называется переходным затуханием ДС, которое будем обозначать ап.

Такие свойства ДС позволяют использовать её в качестве развязывающих устройств (РУ). Если к точкам 2 и 4 подключить линии, входы и выходы усилителей, фильтров, каналов передачи или других четырехполюсников, то все они будут соединены с точками 1 ДС. Эти точки являются входом или выходом для всех подключенных четырехполюсников. На рис. 5.2, а показано образование двухсторонних (дуплексных) усилителей или каналов передачи. Благодаря большому переходному затуханиюап устраняется самовозбуждение системы, имеющей обратную связь. При ап много больше затухания ДС такая система способна усиливать сигналы в обоих направлениях.

На рис. 5.2, б показан способ подключения полосовых фильтров к тракту (линии 1), устраняющий взаимное влияние между фильтрами ПФ-1 и ПФ-2. Такой способ получил широкое распространение при построении аппаратуры многоканальных систем с частотным уплотнением.

Из рассмотренных примеров следует, что ДС позволяет объединить два тракта (линии) с общим трактом (линией) так, что объединяемые тракты окажутся развязанными между собой.

Большое распространение получили трансформаторные и резисторные

ДС.

На рис. 5.3, а приведена схема ДС на трансформаторе. Если полуобмотки W1 одинаковы, то ДС называют равноплечей. Затухание равноплечей ДС при

согласованной нагрузке без учета потерь в трансформаторе равно

а12=а21=а14=а41= 6 дБ (0,35 Нп).

37

Рис. 5.1. Условное обозначение дифференциальной системы (ДС)

Односторонний канал

Рис. 5.2. ДС, как развязывающее устройство:

а- для образования двухстороннего (дуплексного) усилителя или канала;

б- для подключения двух фильтров к общему тракту

Рис. 5.3. Принципиальные схемы ДС:

а - на трансформаторе; б - на резисторах

38

Рис. 5.4. Второй способ включения ДС

ление Zб называют балансным. При Zб=Zл, aб=∞ и aп=∞. Этот режим называют режимом полного равновесия. На практике точное выполнение этого условия в широком диапазоне частот невозможно. Так, если Zл представляет входное сопротивление линии (четырехполюсника с распределенными параметрами), то ни один двухполюсник из дискретных элементовRLC не может иметь сопротивление точно равное Zл, во всем рабочем частотном диапазоне, в реальных условиях ДС работает вблизи равновесия │Zб=Zл│. ДС согласованно нагружена, , если Z2 равно входному сопротивлению со стороны 4-4. Эти сопротивления определяются формулами:

39