Размещение усилителей в линейном тракте. Диаграмма уровней передачи.

Тема № 6 Аналоговые системы передачи

Занятие № 7 Структура, классификация и основы построения проводных линейных трактов

Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить принципы построения структурных схем аппаратуры индивидуальных и групповых систем передачи.

2. Изучить структуру линейных трактов и основные источники помех в них, влияющие на работу многоканальных систем передачи с ЧРК.

3. Научить студентов расчету УУ и составления диаграммы уровней передачи ЛТ.

4. Прививать понимание и значимости своей будущей профессии – офицера связиста.

Время: 2 часа.

План проведения занятия:

Материальное обеспечение:

1. Плакат - Структурная схема П-330-6

2. П-330-1, П-330-2

3. Проектор, слайды.

Введение

На предыдущих занятиях рассматривались вопросы, посвященные принципам построения многоканальных систем передачи. Известно, что многоканальная система передачи представляет собой сложный комплекс, включающий линейные и станционные устройства, предназначенные для получения определенного числа каналов связи на заданную дальность. Системы связи стремятся строить таким образом, чтобы наиболее эффективно использовать дорогостоящие и достаточно сложные линейные сооружения, добиваясь получения максимальной пропускной способности этих линий при минимальных затратах материальных средств, людских ресурсов и времени, необходимых на их развертывание. Исходя из этого, большое внимание, при проектировании систем передачи, уделяется структуре линейного тракта (ЛТ), ее элементам. Рассмотрим основные принципы построения линейных трактов многоканальных систем передачи с ЧРК (СП с ЧРК).

Структура, классификация и основные параметры ЛТ

Систем передачи с ЧРК.

1.1. Элементы линейного тракта. Классификация и основные
параметры (ЛТ).

Линейный тракт является одним из важных и сложных элементов систем передачи. Он предназначен для передачи линейного группового сигнала от одной оконечной станции до другой.

В соответствии с ГОСТ 22832 - 77 под линейным трактом СП с ЧРК понимают совокупность технических средств обеспечивающих передачу сигналов электросвязи в пределах одной системы передачи в полосе частот определяемой номинальным числом каналов ТЧ данной системы передачи.

ЛТ состоит из: участков физических цепей; оборудования промежуточных усилительных станций; части оборудования оконечных станций, которое работает в диапазоне частот линейного группового сигнала.

Общая структурная схема показана на рис. 1.1.

Совокупность ЛТ однотипных или разнотипных систем передачи, имеющие общую среду распространения, линейные сооружения и устройства их обслуживания, называется линией передачи.

Основными параметрами ЛТ являются:

- максимальная протяженность однородного участка - L_ОУЛТ;

- длина усилительного участка - l_уу;

- протяженность секции дистанционного питания - L_ДП;

- диапазон частот линейного сигнала - f_н; f_в;

- относительные уровни передачи на входе оконечных и промежуточных

станций - р_о(t).

Назначение ОАЛТ рассматривалось на предыдущих занятиях.

ЛТ должен обеспечить компенсацию в необходимой степени затухания всех участков физических цепей и корректирование искажений, внесенных данными участками. Эти функции выполняют промежуточные усилительные станции:

- обслуживаемые (ОУП);

- необслуживаемые (НУП).

ОУП предназначены для дистанционного электропитания НУП, а также достаточно точного корректирования и автоматического регулирования ЧХ усилителей ЛТ.

НУП работают без персонала, но требуют периодической профилактики, измерений и ремонта. Питание НУП осуществляется дистанционно от ОУП или ОП. Для упрощения оборудования и экономии электроэнергии на НУП обычно не предусматривают столь точного корректирования и регулирования ЧХ усилителя, как на ОУП.

Под ОУЛТ СП с ЧРК (ГОСТ 22832 – 77) понимают - часть линейного тракта между двумя ближайшими друг к другу станциями СП с ЧРК, в которых линейный тракт разделяется на групповые тракты или каналы ТЧ. Максимальная протяженность однородного участка ЛТ определяется расстоянием между оконечными (транзитными) станциями, при котором с достаточной вероятностью гарантируется выполнение норм на все характеристики каналов, заданные ТУ на данную систему.

Под секцией ДП - часть линии передачи сигналов электросвязи между двумя ближайшими друг к другу усилительными пунктами СП с ЧРК, содержащими источник дистанционного электропитания.

Это расстояние между соседними ОУП или ОУП - ОП.

Максимальная длина определяется количеством НУП.

Под усилительным участком линейного тракта понимается его часть между двумя усилительными станциями или между оконечной и соседней усилительной станцией одной СП с ЧРК.

От этого параметра зависит защищенность каналов от помех. Задача оптимизации длины УУ является одной из важнейших при оценке параметров ЛТ.

Диапазон частот занимаемый линейным сигналом определяется прежде всего номинальным числом каналов ТЧ СП.

При выборе диапазона частот учитывают некоторые противоречивые требования:

- желательно снизить всю полосу частот ЛС, чтобы уменьшить затухание цепи на каждом УУ;

- не желательно слишком уменьшать f_н, т.к. при этом усложняется задача корректировании ЧХ тракта и увеличивается относительная ширина рабочей полосы частот f_в/f_н. Поэтому в СП рассчитанных на большее число каналов принимают f_н более высокой.

От величины относительных уровней передачи зависит мощность шумов в каналах. Чем больше относительный уровень передачи, тем меньше влияния оказывают собственные шумы в каналах, но тем труднее регулировать линейные усилители с заданной линейностью. Определение оптимального относительного уровня передачи является сложной задачей, которая решается совместно с задачей нахождения оптимальной структуры линейного тракта.

Классификация ЛТ представлена на рис. 1.2.

В однокабельных системах (рис. 1.3, а) цепи передачи и приема находятся в одном и том же кабеле, в 2-х кабельных (рис. 1.3, б) - цепи передачи и приема находятся в разных кабелях.

Рис. 1.3

4-х проводный 1-кабельный ЛТ реализуется лишь на основе одночетверочного кабеля (П-270, П-296) при относительно небольшом количестве каналов ТЧ и небольших дальностях связи.

На основе одночетверочного кабеля могут быть построены и 2-х кабельные ЛТ. Они используются для обеспечения заданной защищенности между каналами различных систем, т.к. при работе нескольких систем по одному кабелю приходится считаться с переходным влияниями на ближнем конце. В 2 кабельных считаются только с влияниями на дальнем конце, а оно значительно меньше чем на ближнем. В 2-х проводных ЛТ передача и прием линейного группового сигнала производиться по одним и тем же 2-х проводным физическим цепям. Это обуславливает необходимость передачи и приема линейных групповых сигналов в различных диапазонах частот с целью разделения этих сигналов.

Т.О. 2-х проводные СП являются 2-х полосными (рис. 1.4,а). Диапазон частот линейного группового сигнала D f_лс определяется: D f_лс > 2×4×N.

В 4-х проводном ЛТ (рис. 1.4,б) передача группового линейного сигнала в одном направлении производится по одному 2-х ПР. тракту, а в противоположном - по другому, т.е. тракты передачи и приема разделены физическими цепями. В этом случае можно использовать одну и туже полосу частот. Системы, в которых используется одинаковые полосы частот в трактах передачи и приема, называются однополосными. Кроме того, на 4-х ПР.ЛТ могут использоваться и 2-х полосные СП. Диапазон частот линейного группового сигнала Df_лс определяется: Df_лс=4×N.

Вывод: Т.О. были рассмотрены структура и основные параметры ЛТ СП с ЧРК. Существенное влияние на качество передаваемой информации оказывают помехи и шумы в линейном тракте. Рассмотрим их.

1.2. Источники помех в ЛТ. Собственные шумы.

Шумы и помехи - это постоянные токи, частотный спектр которых совпадает со спектром передаваемых сигналов. Основными видами шумов и помех в проводных ЛТ СП с ЧРК являются:

- атмосферный шум;

- собственные (тепловые) шумы;

- помехи и шумы нелинейного происхождения;

- шумы линейных переходов.

Шумы в симметричных кабельных линиях распределяются следующим образом:

- при работе по многочетверочному кабелю на шумы линейных переходов отводится половина всей мощности, а на тепловые шумы и шумы нелинейных переходов по 1/4 от всей мощности шумов;

- при работе по одночетверочному кабелю в двух кабельном ЛТ на все виды шумов отводится поровну, т.е. по 1/3 от всей мощности шумов;

- при работе по одночетверочному кабелю в однокабельной однополосной СП мощность шумов распределяется так: на шумы линейных переходов - 1/2 часть всей мощности, а на тепловые шумы и шумы нелинейных переходов поровну (по 1/4).

Рассмотрим различные виды шумов и помех.

Атмосферный шум играет существенную роль при передаче сигналов по воздушным линиям связи и рассматриваться не будут.

Собственные шумы обусловленные тепловыми шумами в линии, резисторах узлов аппаратуры и шумами ламп, транзисторов, микросхем и др. элементов в узлах аппаратуры.

Тепловые шумы являются следствием хаотического движения электронов в проводниках.

Мощность тепловых шумов определяется известной формулой

Р_т= kTDF,

где k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; DF - полоса частот.

Шумы транзисторов возникают вследствие дробового эффекта, теплового шума и полупроводникового шума.

Мощность собственных шумов усилителя зависит от коэффициента шума транзисторов или микросхем, который определяется как:

k_ш= Р_шс /Р_т.

Он показывает, во сколько раз возрастает мощность шума в нагрузке усилителя в полосе частот DF, если «идеальный» не шумящий транзистор заменить реальным.

Поскольку в полосе частот линейных усилителей коэффициент шума можно считать не зависящим от частоты, то в результате:

Р_шс = kTDF k_ш.

Псофометрическое значение определяется домножением на псофометрический коэффициент - k_п = 0.75

Р_{шс пс} = kTDFk_шk_п²

В практике многоканальной связи оперирует уровнем собственного шума приведенного ко входу ЛУс. В современных линейных усилителях при DF =3,1 кГц и Т=300^о удается достичь значений

р_шс=10lg(kTDF/10^-3)+10lgk_ш+20lg0,75=-135 ¸ -138 дБ.

Уровень собственного шума приведенного ко входу ЛУС практически является величиной постоянной, мало зависящей от температуры и уровня передаваемого сигнала.

Т.О., собственные шумы не оказывают существенного влияния на качество передаваемой информации. Поэтому для уменьшения воздействия результирующей мощности шума на выходе линейного тракта определенной структуры и протяженности необходимо увеличивать уровни передачи сигналов. Однако при этом возникают трудности в обеспечении необходимой линейности тракта передачи. Кроме того, увеличение уровня передаваемого сигнала требует увеличения расхода мощности источников питания.

Размещение усилителей в линейном тракте. Диаграмма уровней передачи.

Накопление помех в ЛТ.

Известно, что амплитуды напряжения и тока падающей волны в линии уменьшаются по экспоненциальному закону:

U_m (e) = U_mo e^-al , I_m (e) = I_mo e^-al ,

где U_mo, I_mo - амплитуда напряжения и тока падающей волны в начале линии; a - коэффициент затухания; l - расстояние от начала линии до рассматриваемого сечения.

Поэтому уровень сигнала, распространяющегося вдоль линии, уменьшается по линейному закону. Следовательно, для обеспечения требуемой дальности связи при допустимой разности уровней сигнала и помех необходимо включать усилители.

При размещении усилителей в линейном тракте должны выполнятся следующие требования:

- усилители должны быть малошумными;

- разность уровня сигнала и помех не должна быть меньше допустимой величины;

- искажения АЧХ в линии должны быть устранены.

Для оценки возможных вариантов размещения усилителей рассмотрим пример.

Пусть необходимо осуществить многоканальную связь по цепи кабеля МКС протяженностью L = 100 км. Максимальная частота спектра линейного сигнала
64 кГц. На этой частоте коэффициент затухания a = 1,3 дБ/км. Преобразовательное оборудование каждой оконечной станции вносит затухание в тракт передачи 7 дБ, остаточное затухание канала а_r = 7 дБ.

Остаточным затуханием КТЧ называется его рабочее затухание, измеренное на частоте f = 800 Гц при номинальных нагрузках 600 Ом.

а) Все усиление обеспечивает передающий усилитель

а_r = 2х7+al-S=7(дБ); S=7+1,3х100=137 дБ

Уровень сигнала на выходе усилителя р_о=S-7=130 (дБ)

Мощность на выходе усилителя: Р_вых=10 ^0,1ро=10¹³мВт=100 млн. кВт

Для сравнения - мощность Братской ГЭС 4,5 млн. кВт.

б) Все усиление обеспечивает приемный усилитель.

Усиление усилителя также равно 137 дБ а мощность Р_вых = 1 мВт. Чему же равна разность уровней сигнала и помех. Эта разность называется защищенностью и является логарифмической мерой отношения сигнал/шум по мощности: а_з=р_с-р_п=10lg(Р_с/Р_п).

Уровни шума для кабельных цепей составляет: р_ш=р_п=-130 дБ.

Р_с=0-7-al=-(7+1,3х100)=-137 (дБ). а_з=-7 дБ.

Т.е. шумы в линии подавили сигнал на входе усилителя.

в) Равномерное размещение усилителей.

Разобьем весь участок на 4 равных участка по 25 км и включим еще три промежуточных усилителя.

Если считать, что их усиление компенсирует затухание прилегающего участка линии, т.е.

S=al=1,3х25=32,5 (дБ),

то уровень сигнала на входе усилителей будет равен

р_с=0-7-al=-39,5 дБ, р_о=-7 дБ, т.е. р_с-S=р_о.

Защищенность сигнала от помех на одном усилительном участке

а_з=р_с-р_п=-39,5-(-130)=90,5 (дБ).

Рассмотренные варианты размещения усилителей позволяют сделать вывод.

Задача увеличения дальности связи с применением маломощных усилителей при допустимой разности уровней сигнала и помех решается лишь на основе равномерного распределения усилителей по линии когда мощность сигнала восстанавливается усилителями после каждого участка линии определенной длинны.

Другими словами, усиление линейного усилители должны быть не менее величины затухания прилегающего к нему участка КЛС.

При равномерном распределении усилителей по линии проще рассчитывается задача коррекции АЧХ линии, т.к. величина искажений D а_уу на одном усилительном участке прямо пропорциональна его длине D а_уу = Dal, где Da - разность коэффициента затухания на граничных частотах рабочего диапазона частот.

Диаграммой уровней называется график, показывающий распределение измерительного уровня по всему тракту передачи канала.

Различают диаграммы:

- внутренних уровней;

- внешних уровней.

Диаграмма внутреннего уровня показывает распределение уровней на зажимах отдельных узлов аппаратуры.

Диаграмма внешнего уровня показывает распределение уровней вдоль ЛТ.

ДУ рассчитывается при проектировании линии, определяются ее допустимые отклонения. Оценивая ДУ для реального канала, следует иметь в виду, что увеличение уровня сверхдопустимых пределов приведет к перегрузке усилителей, а недопустимое понижение уровня - уменьшение защищенности канала от помех.

Передача сигналов по каналам неизбежно сопровождается шумовыми помехами. Основные источники шума были рассмотрены на предыдущем занятии. Необходимо отметить, что при увеличении числа УУ помехи, имеющие место в каждом из них, будут накапливаться от одного УУ к другому.

Рассмотрим процесс накопления помех.

На входе первого усилителя сигнал и помеха складываются по мощности и усиливаются усилителем совместно. Поскольку усиление первого усилителя равно затуханию второго усилительного участка, то мощность шума от первого участка, поступающего на вход второго усилителя, будет такой же, как и на входе первого усилителя. На входе второго усилителя к шуму первого участка добавляется шум второго УУ. Так как по мощности они одинаковы, то происходит удвоение мощности шума. Рассуждая аналогично и далее, получим

Р_ш=nP_ш1,

где Р_ш - мощность шума на входе n-го усилителя; P_ш1 - мощность шума на одном участке.

Следовательно, уровень шума на выходе последнего УУ будет равен

р_п=10lg(Р_ш/1мВт)= 10lg(Р_ш1/1мВт)+10lgn=р_ш1+10lg(L/lуу).

Иными словами, с увеличением протяженности ЛТ мощность шумов в нем увеличивается.

Вывод: Т.О. проведенный анализ показал, что ЛТ СП с ЧРК предусматривает равномерное размещение промежуточных усилителей, позволяющее существенно увеличить дальность связи при допустимом значении уровня шумов.

Заключение

Таким образом, на занятии были рассмотрены принципы построения ЛТ СП с ЧРК. Из рассмотренного материала видно, что ЛТ предназначен для решения важной задачи передачи линейного группового сигнала от одной оконечной станции до другой. При этом он должен обеспечить компенсацию в необходимой степени затухание всех участков физических цепей и корректирование искажений, вносимых данными участками. Эти функции, в основном, выполняют промежуточные усилители. Исходя из этого, к линейным усилителям предъявляется ряд требований. Данные требования и порядок выбора усилителей будет рассмотрен на последующих занятиях.

Задание на самоподготовку.

Знать материал:

1. Классификацию и основные параметры линейного тракта.

2. Классификацию помех и шумов, особенности собственного шума.

3. Варианты размещения усилителей в ЛТ.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: