6

Лабораторна робота № 2

Тема: Дослідження характеристик смугових фільтрів апаратури частотного ущільнення КНК-12

Мета роботи: Визначити смуги пропускання та крутизну амплітудно-частотних характеристик фільтрів обладання ущільнення з частотним способом розділення канальних сигналів

Теоретичні відомості

Одними з найважливіших вузлів апаратури частотного ущільнення є електричні фільтри, за допомогою яких забезпечується частотне розділення різних сигналів, пригнічення бічних продуктів та ін.

В залежності від того, яку область частот займає смуга пропускання, розрізняють фільтри нижніх частот (ФНЧ), верхніх частот (ФВЧ), смугові (СФ) та режекторні (РФ) фільтри. За своїм функціональним призначенням фільтри апаратури систем передачі можна розділити на канальні, групові, спрямовуючі, лінійні і допоміжні.

Канальні фільтри є смуговими та вмикаються на виходах індивідуальних перетворювачів приймання. На передавальній станції вони забезпечують виділення відповідних бічних смуг окремих каналів, а на приймальній – розділення смуг частот окремих каналів системи передачі.

Групові фільтри в залежності від призначення можуть бути смуговими, низькочастотними або високочастотними. Вони призначені для виділення однієї з бічних смуг після групового перетворення і пригнічення сигналів, що заважають.

Спрямовуючі фільтри використовуються у двосмугових двопровідніх системах зв’язку (див. рис. 1) для виділення сигналів різних напрямків передачі на кінцевих і проміжних станціях. Ці фільтри являють собою сполучення фільтрів ФНЧ і ФВЧ з однією і тією же частотою зрізу, причому один з них вмикається в ланку приймання, а інший – в ланку передачі станційного обладнання.

Лінійні фільтри призначені для розділення лінійних спектрів різних систем передачі, що працюють по одному колу (наприклад, лінійних спектрів систем В-12-3 і В-3-3, що працюють по одній парі мідних проводів ВЛС). Це розділення здійснюється за допомогою ФНЧ і ФВЧ з однаковою частотою зрізу, що вмикаються на вході кінцевих станцій.

Допоміжні фільтри в основному використовуються для виділення або пригнічення однієї частоти або вузької смуги частот. До таких фільтрів відносяться вузькосмугові фільтри, що забезпечують виділення контрольних, несучих і викличних частот, режекторні фільтри, що забезпечують пригнічення залишків несучих і контрольних частот, та інші фільтрі.

У сучасній апаратурі знаходять застосування фільтри, зібрані з котушок індуктивності і конденсаторів (фільтри LC), п’єзоелектричні, магнітострикційні й електромеханічні. Звичайно прагнуть як можна ширше використовувати фільтри LC, недорогі і нескладні в технологічному відношенні. Однак ці фільтри можуть застосовуватися при наявності досить великих відносної смуги розфільтрування і смуги пропускання. Наприклад, фільтри LC зі смугою пропускання близько 4 кГц найбільш ефективно працюють у діапазоні частот приблизно 10...30 кГц.

У тих випадках, коли внаслідок недостатньої добротності елементів використовувати LC-фільтри неможливо, застосовують п’єзоелектричні, магнітострикційні або електромеханічні фільтри. Діапазон частот, у якому можуть застосовуватися ці фільтри, визначається припустимими геометричними розмірами резонаторів. Так, кварцові резонатори для фільтрів мають прийнятні розміри в діапазоні частот понад 60 кГц. Ці фільтри, володіючи високою добротністю, виходять високоселективними і забезпечують велику крутість загасання і малі спотворення.

Основні характеристики фільтрів. Характеристики фільтрів у значній мірі визначають якість каналів і групових трактів систем передачі і повинні відповідати певним вимогам. Основною електричною характеристикою фільтра є його частотна характеристика затухання, для якої

Рис. 1. Робота смугових канальних фільтрів

вводяться поняття ефективно переданої й ефективно затримуваної смуги частот. Основні властивості фільтра характеризуються:

мінімально припустимим робочим затуханням у смузі ефективно затримуваних частот Аз;

максимально припустимим робочим затуханням у смузі ефективно переданих частот Апр;

максимально припустимими амплітудно-частотними сптвореннями в смузі ефективно переданих частот ±Апр;

максимально припустимими відхиленнями характеристичного опору фільтра від номінального значення ±Zном;

мінімально припустимим затуханням нелінійності (для фільтрів, що працюють у груповому тракті).

Чисельні значення наведених параметрів фільтрів визначаються їхнім конкретним призначенням у схемі.

Як приклад розглянемо роботу двох канальних фільтрів сусідніх каналів на передавальній станції апаратури КНК-12 (рис. 1), вважаючи, що вихідні сигнали (на вході перетворювача) займають спектр 0,3...3,4 кГц, несучі частоти F_н1=64 кГц для 12 каналу (ПФ1 на рис.1) та F_н2=68 кГц для 11 каналу (ПФ2 на рис.1). Зауважимо, що несучі частоти визначаються за формулою F_нk=108-4∙(k-1), де k – номер каналу, а канальні фільтри повинні виділяти нижні бічні смуги частот (НБ).

Як видно з рисунка, невикористовувана верхня бічна смуга частот першого каналу (ВБ1) перекривається за спектром з використовуваною нижньою бічною смугою другого каналу (НБ2). Очевидно, якщо не забезпечити достатнього пригнічення ВБ1, то вона буде створювати в другому каналі перехідну заваду. Експериментально встановлено, вплив цієї завади на якість зв'язку незначний, якщо загасання канальних фільтрів у смузі ефективно затримуваних частот Аз60 дБ. Звідси легко одержати вимоги до крутизни частотної характеристики затухання канальних фільтрів Sф=Аз/f_р, де f_р- смуга розфільтрування (у даному випадку смуга частот між ВБ і НБ деякого каналу, рівна 0,6 кГц). Таким чином, S_ф=60/600=0,1 дБ.

Вимоги до затухання в смузі ефективно переданих частот для канальних фільтрів не є істотними. Зазвичай Апр складає декілька децибел.

Вимоги до величини Аз для спрямовуючих фільтрів визначаються можливими взаємними впливами між напрямками передачі. Ці впливи можуть викликати самозбудження проміжної або кінцевої станції як замкненої електричної системи, спотворення від зворотного зв’язку або перевантаження підсилювачів. Виходячи з цієї вимоги до величини Аз, як правило, визначаються в такий спосіб:

Аз  20+(S₁+S₂)/2.

Величина Апр спрямовуючих фільтрів не повинна перевищувати 2 дб при Апр=± 0.5 дБ.

Затухання нелінійності цих фільтрів по другій і третій гармоніках повинні бути не менш, ніж на 10 дБ вище значень відповідних параметрів групових підсилювачів.

Вимоги, що висуваються до лінійних фільтрів, аналогічні до вимог, що ставляться до спрямовуючих фільтрів.

Величина амплітудно-частотних спотворень у смузі ефективно переданих частот багато в чому визначає вигляд амплітудно-частотної характеристики каналу ТЧ, а величина відхилення характеристичного опору фільтру від номінального значення характеризує ступінь узгодження фільтра з пристроями, що підключаються до його входу і виходу.

У схемах апаратури систем передачі часто два і більше електричних фільтри працюють на загальне навантаження, тобто в умовах паралельного ввімкнення. При цьому фільтри взаємно шунтуються і порушується умова узгодження фільтрів з навантаженням, що призводить до значних спотворень частотних характеристик фільтрів і збільшення робочого затухання.

Для усунення зазначеного впливу використовується кілька методів. Наприклад, при паралельному з’єднанні 12 канальних фільтрів в обладнанні формування первинної стандартної групи паралельно навантаженню підключається спеціально підібраний резонансний компенсуючий контур (КК), що забезпечує однакові умови роботи для усіх фільтрів (рис. 2а).

У деяких випадках для цих же цілей використовуються пристрої, що розв’язують, виконані на резисторах або з використанням диференціального трансформатора (рис. 2б). В останньому випадку фільтри звичайно розділяються на дві групи: парних каналів і непарних каналів. Шунтуюча дія фільтрів різних груп буде усуватися за рахунок роботи пристрою, що розв’язує, а всередині кожної групи вона зменшується за рахунок того, що збільшується смуга частот між сусідніми каналами. Затухання, що вноситься фільтрами і пристроями, що розв’язують, компенсується підсилювачем.

Рис. 2. Паралельна робота фільтрів з компенсуючим контуром (а), і з диференціальним трансформатором (б)

Найбільше застосування знаходять фільтри із зосередженими інваріантними в часі параметрами (R, L, С), кварцовими, магнітострикційними й іншими резонаторами, застосовуються цифрові методи обробки інформації. Пристрої, що реалізують цифрові лінійні методи фільтрації сигналів, називаються цифровими фільтрами. У порівнянні з аналоговими цифрові фільтри (ЦФ) мають ряд переваг:

високу стабільність і точність, що не залежать від впливу зовнішніх умов (наприклад, температури),

простоту зміни характеристик,

можливість роботи практично в будь-якому діапазоні частот,

лінійність фазових характеристик тощо.

Слід також зазначити, що ЦФ реалізуються на інтегральних цифрових логічних елементах, внаслідок чого вони є компактними, недорогими і високонадійними пристроями. При реалізації ЦФ із великим успіхом можуть використовуватися мікропроцесорні пристрої. Оскільки в процесі обробки сигналу в ЦФ потрібно здійснювати аналого-цифрове перетворення, що передбачає дискретизацію і квантування аналогового вхідного сигналу, неминуче виникають специфічні погрішності, властиві зазначеним операціям.