ОПИСС / Лекции / лек

Каналы передачи, их классификация и основные характеристики

Основные понятия и определения: канал передачи, его динамический диапазон, эффективно передаваемая полоса частот, время, в течении которого канал предоставлен для передачи первичного сигнала, пропускная способность канала. Основные параметры и характеристики канала. Принципы нормирования отклонения остаточного затухания, частотная характеристика, понятие «шаблона» . Фазо-частотная характеристика. Амплитудная характеристика и различные ее формы. Типовые каналы и их основные характеристики.

Ключевыми понятиями техники телекоммуникационных систем и сетей являются канал передачи и канал электросвязи.

Каналом передачи называется совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающая передачу сигналов электросвязи в определенной полосе частот или с определенной скоростью передачи между оконечными или промежуточными пунктами телекоммуникационных сетей.

Каналы передачи (далее просто “каналы”) классифицируются:

- по методам передачи сигналов электросвязи различают аналоговые и цифровые каналы.

1) Аналоговые каналы, в свою очередь, подразделяются на непрерывные и дискретные в зависимости от изменения информационного параметра сигнала .

2)Цифровые каналы делятся на каналы с использование импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), каналы с использованием дифференциальной ИКМ и каналы на основе дельта-модуляции. Каналы, в которых на одних участка используются аналоговые, а на других цифровые методы передачи сигналов, называются смешанными каналами передачи.

В зависимости от полосы пропускания (для аналоговых систем)

Основой служит канал тональной частоты – (0,3-3,4)кГц

Первичная группа (60-108) кГц 12 КТЧ

Вторичная группа (312 -552) кГц 5 ПГ 60КТЧ

Третичная группа (812-2044) кГц _{5 ВГ300 КТЧ}

_{Четверичная группа (8516- 12388) кГц3ТГ900 КТЧ}

ПЦИ

Цифровые от скорости передачи ОЦК ( основной цифровой канал) : 64 кбит/с

Е1 2048 Кбит /с 32 канала ТЧ (30 рабочих +2 служеб,)

Е2 8448 Кбит/ с 120 каналов ТЧ (4 Е1+256 бит служ.инф.)

Е3 34368 Кбит/с 480 каналов ТЧ (4Е2 +576 бит служ. инф.)

Е4 ₁₃₉₂₆₄ Кбит/с _{1920 каналов ТЧ (4 Е3 +1792 бит служ. инф.)}

_СЦИ

STM-1 155 Мбит/с1920 каналов ТЧ

STM-4 622 Мбит/с7680 каналов ТЧ

STM -16 2.5 Гбит/с30720 каналов ТЧ

STM-64 ₁₀ Гбит/с

STM -256 ₄₀ Гбит/с

Помимо приведенной классификации, каналы электросвязи подразделяются

- по виду передаваемых первичных сигналов (или сообщений) различают телефонные каналы, каналы звукового вещания, телевизионные каналы, теле-

графные каналы и каналы передачи данных;

- по способам организации двусторонней связи различают двухпроводный однополосный канал, двухпроводный двухполосный канал и четырехпроводный однополосный канал;

- по территориальному признаку каналы электросвязи подразделяются на международные, междугородные, магистральные, зоновые и местные.

Рассмотренная классификация каналов передачи и электросвязи (далее просто каналы) соответствует сложившейся практике их организации и разработке требований к их основным параметрам и характеристикам, которые принято увязывать с соответствующими параметрами и характеристиками первичных сигналов.

Канал может характеризоваться тремя параметрами:

1) эффективно передаваемой полосой частот DF_к, которую канал способен пропустить с выполнением требований к качеству передачи сигналов;

2) временем Т_к, в течение которого канал предоставлен для передачи сигналов или сообщений;

3) динамическим диапазоном D_к, под которым понимается отношение вида

, (3.1)

где P_кмакс – максимальная неискаженная мощность, которая может быть передана по каналу; P_кмин – минимальная мощность сигнала, при которой обеспечивается необходимая защищенность от помех.

Очевидно, что передача сигнала с параметрами DF_c, Т_с, и D_c по каналу с параметрами DF_к, Т_к и D_к возможна при условии

. (3.2)

Произведение трех параметров канала V_к = D_к×F_к×T_к называется его емкостью. Сигнал может быть передан по каналу, если его емкость не менее объема сигнала (см. лекция 2). Если система неравенств (3.2) не выполняется, то возможна деформация одного из параметров сигнала, позволяющих согласовать его объем с емкостью канала. Следовательно, условие возможности передачи сигнала по каналу можно представить в более общем виде

V_к ³ V_с . (3.3)

Канал характеризуется защищенностью

, (3.4)

где P_п – мощность помех в канале.

Пропускная способность канала описывается следующим выражением

, (3.5)

где P_ср – средняя мощность передаваемого по каналу сигнала.

К большинству систем связи предъявляется требование обеспечения одновременной и независимой передачи сигналов в двух направлениях - требование двусторонней связи. Для организации двусторонней связи используются два канала однонаправленного действия, образующих двунаправленный четырехпроводный канал (Рис. 4.1). Проходящие через однонаправленный канал сигналы усиливаются (S_А-Б и S_Б-А).

Рис. 4.1. Канал двустороннего действия

Двунаправленный двухпроводный канал образуется из четырехпроводного при помощи развязывающих устройств (РУ). Зажимы 1-1 РУ называют линейными. Прохождение сигналов от линейных зажимов РУ станции А к линейным зажимам РУ станции Б, а также в противоположном направлении показаны на Рис. 6.19 с помощью сплошной и штриховой линий.

Затухание сигналов между линейными зажимами станций А и Б называется остаточным затуханием двухпроводного канала а_ОСТ = а_1-2 - S_А-Б(Б-А) + a_4-1. Желательно, чтобы а_1-2 и a_4-1 были минимальны.

Основная трудность при организации перехода от четырех- к двухпроводному каналу с помощью РУ состоит в появлении петли обратной связи (ОС). Сигнал, попадая в двухпроводный канал, начинает циркулировать по петле ОС, что приводит к искажениям формы сигналов и в пределе - к самовозбуждению канала.

Затухание, которое претерпевает сигнал, проходя от зажимов 4-4 к зажимам 2-2 РУ, называется переходным a_ПЕР.

Затухание по петле ОС, равное сумме всех затуханий и усилений, a_ОС = a_ПЕР1 + a_ПЕР2 - S_А-Б - S_Б-А носит специальное название - запас устойчивости. Если a_ОС 0, то канал неустойчив и самовозбуждается.

В качестве РУ в современных системах передачи широко используется дифференциальная система (ДС), выполненная на основе симметричного трансформатора со средней точкой (Рис. 4.2) (полуобмотки 2 и 3 идентичны). В состав ДС входит сопротивление Z₃, называемое балансным. Оно приближенно отражает свойства входного сопротивления абонентской линии.

Рис. 4.2. Схема трансформаторной ДС

К ДС предъявляются требования минимального затухания в рабочих направлениях и максимального переходного затухания. Данные требования выполняются при соблюдении так называемого условия баланса ДС. Условием баланса ДС в направлении 4-4  2-2 является равенство входного сопротивления абонентской линии и балансного сопротивления Z_ВХ=Z₃. Условием баланса ДС в направлении 1-1  3-3 является равенство входного сопротивления первой полуобмотки дифференциального трансформатора и входного сопротивления направления приема четырехпроводного канала Z_ВХ.ТР.=Z₄.

В случае сбалансированной ДС мощность входных сигналов, подводимых к зажимам 1-1 и зажимам 4-4, передается на соответствующие выходные зажимы 2-2 и 1-1 не полностью, а лишь частично, и входные сигналы испытывают так называемые рабочие затухания ДС а_4-1 = а_1-2 = 10lg2 = 3дБ. В реальных ДС за счет неидеальности трансформатора рабочие затухания несколько больше.

Переходное затухание реальной ДС также является конечной величиной. Оно зависит, в основном, от точности равенства входного сопротивления абонентской линии и балансного сопротивления. Точно выполнить это равенство на практике не представляется возможным, поскольку к одной и той же ДС могут подключаться абонентские линии с существенно различающимися характеристиками. В то же время характеристики балансного сопротивления являются постоянной величиной. Балансное сопротивление (балансный контур) обычно выполняется в виде последовательно включенных резистора сопротивлением 600 Ом и конденсатора емкостью 1 мкФ. Поэтому величина переходного затухания реальных ДС обычно не превышает 20..40 дБ.

Канал передачи – это комплекс технических средств и среды распространения, обеспечивающий передачу сигнала электросвязи в определенной полосе частот или с определенной скоростью передачи между сетевыми станциями, сетевыми узлами или между сетевой станцией и сетевым узлом, а также между сетевой станцией или сетевым узлом и оконечным устройством первичной сети. Канал передачи, параметры которого соответствуют принятым нормам, называют типовым.

3.2 Основные параметры и характеристики канала тональной частоты.

Канал ТЧ является основным на первичной сети. Он служит единицей при определении ёмкости СП и предназначен для передачи телефонных, телеграфных, факсимильных сигналов и сигналов передачи данных между станциями и узлами первичной сети связи. Каналы ТЧ образуются с помощью как СП с ЧРК, так и ЦСП с ИКМ. В соответствии со специфическими особенностями этих систем некоторые параметры образуемых ими каналов ТЧ также различны. Упрощенная схема организации канала ТЧ приведена на рисунке 3.1

Рисунок 3.1 – Упрощённая схема организации канала ТЧ.

Телефонный канал включает в себя двухпроводное окончание и четырехпроводный тракт. Дифсистема (ДС) служит для перехода с четырехпроводного тракта к двухпроводному окончанию [5]. Удлинители в двухпроводном окончании имеют затухание 3.5 дБ и называются транзитными. Характеристики канала ТЧ нормируются рекомендациями МСЭ-Т серии М.

Нормированные (номинальные) измерительные уровни в стандартных точках канала ТЧ составляют: на входе канала 0 дБм, на выходе транзитного удлинителя минус 3.5 дБм, на входе четырехпроводного тракта минус 13 дБм, на выходе четырехпроводного тракта 4.3 дБм, на входе транзитного удлинителя минус 3.5 дБм и на выходе канала минус 7 дБм на частоте 800 Гц (1020 Гц для каналов, образованных ЦСП).

Эффективно передаваемая полоса частот канала 0.3…3.4 кГц. Средняя длительная мощность сигналов, передаваемых по каналу ТЧ, должна быть не более 32 мкВт, а максимальная, определённая с вероятностью превышения 10 ^-3, –1250 мкВт0. номинальное значение остаточного затухания канала А_ост = 7 дБ при двухпроводном и А_ост = –17 дБ при четырёхпроводном окончаниях.

Входное Z_ВХ и выходное Z_ВЫХ сопротивления канала ТЧ равны 600 Ом. Отклонение входного и выходного сопротивлений от номинального Z_Н оценивается коэффициентом отражения, равным

, (3.1)

или затуханием несогласованности (отражения)

, (3.2)

где Z_Р – реальное значение сопротивления. Значение не должно превышать 10%.

цифровых систем.

Остаточное затухание канала. При согласовании всех элементов, образующих канал передачи, по входным сопротивлениям остаточное затухание можно определить как разность суммы затуханий и суммы усилений в канале:

, дБ

Остаточное затухание канала ТЧ составляет 7 дБ. Максимальное отклонение во времени на одном транзитном участке не должно превышать 2.2 дБ с вероятностью 0,95.

Эффективно передаваемая полоса частот канала ТЧ – полоса, на крайних частотах которой (0.3 и 3.4 кГц) остаточное затухание на 8.7 дБ превышает остаточное затухание на частоте 800 Гц. С понятием ЭППЧ тесно связано понятие амплитудно-частотной характеристики ( частотной) ,под которой понимается зависимость отклонения остаточного затухания от частоты. По этой характеристике можно оценить линейные искажения ,вносимые каналами передачи при прохождении по ним сигналов электросвязи. Наиболее распространенным способом нормирования является использование «шаблонов».Шаблон- нормы на отклонения остаточного затухания заданные в графическом виде. Частотная характеристика отклонения канала ТЧ от номинала 7 дБ должна оставаться в пределах шаблона (рисунок 3.4) при максимальном числе транзитов, т.е. при 12 переприемных участках.

Рисунок 3.4 – Шаблон отклонения остаточного затухания аналогового канала ТЧ.

Фазочастотная характеристика – ФЧХ канала, под которой понимается зависимость фазового сдвига между входными и выходными сигналами от частоты. Фазочастотные искажения не являются столь существенным при передаче речи. Но так как каналы ТЧ используются также для передачи данных и факсимильной связи, большие фазочастотные искажения недопустимы. Поэтому нормируется отклонение группового времени передачи (ГВП) от его значении на частоте 1900 Гц на одном транзитном участке длиной 2500 км (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5 – Допустимые отклонения ГВП канала ТЧ

По АЧХ И ФЧХ определяют линейные искажения, вносимые каналами передачи при прохождении по ним сигналов электросвязи.

Зависимость мощности ,напряжения ,тока или их уровней на выходе канала от мощности напряжения ,тока или их уровней канала называется амплитудной характеристикой канала. Под АХ канала понимается так же зависимость отклонения остаточного затухания канала от уровня сигнала на входе.

Из рассмотрения графиков ,видно, что АХ имеет три участка:

1) нелинейный участок при малых значениях напряжения или уровней сигнала, нелинейность АХ при этом соизмерима с напряжением или уровнем сигнала с шумами самого канала;

2) линейный участок при значениях напряжения или уровня входного сигнала пропорционально напряжению (уровню) выходного сигнала.

3) участок с существенной нелинейностью, для которого характерно появление нелинейных искажений.

По АХ можно только приблизительно оценить нелинейные искажения .Более точно величина нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений.

Где - действующее значение напряжения первой ( основной) гармоники.

Коэффициент нелинейных искажений канала ТЧ на одном транзитном участке не должен превышать 1.5% (1% по третьей гармонике) при номинальном уровне передачи тока частотой 800 Гц. Амплитудная характеристика при этом нормируется следующим образом: остаточное затухание канала на одном транзитном участке должно оставаться постоянным с точностью 0.3 дБ при изменении уровня измерительного сигнала от минус 17.5 дБ до плюс 3.5 дБ в точке с нулевым измерительным уровнем на любой частоте пределах 0.3… 3.4 кГц. При повышении уровня измерительного сигнала до 8.7 и 20 дБ остаточное затухание должно уменьшиться не менее чем на 1.75 и 7.8 дБ соответственно.

Помехи в каналах ТЧ. На выходе канала ТЧ кроме информационного сигнала присутствуют помехи, которые определяются на приемном конце в точке с относительным уровнем –7 дБ. Средняя величина псофометрического (взвешенного) напряжения помех в канале в течение любого часа на одном переприемном участке длиной 2500 км не должна превышать 1.1 мВ псоф. (10000 пВт псоф. В точке относительного нулевого уровня).

Стандартные каналы ТЧ, организованные с помощью цифровых и оптических систем передачи, являются более высококачественными. Поэтому ряд характеристик цифровых каналов ТЧ имеют следующие отличия:

Нормы на амплитудно-частотные искажения заданы МСЭ-Т в виде шаблона (рисунок 3.6). Если сравнить допустимые отклонения остаточных затуханий цифровых и аналоговых каналов ТЧ, можно отметить, что нормы для цифровых каналов более жесткие. То же можно сказать и о фазочастотных искажениях (рисунок 3.7).

Рисунок 3.6 – Шаблон отклонений остаточного затухания цифрового канала ТЧ

Рисунок 3.7 – Шаблон на допустимую неравномерность ГВП цифрового канала ТЧ

Для цифровых каналов ТЧ вводится дополнительная характеристика, которая оценивает шумы квантования. Эта характеристика задается в виде зависимости отношения сигнал-шум (ОСШ) от уровня сигнала (рисунок 3.8).