Структура системы и принцип ЧРК
Задача системы многоканальной связи — передать по одной линии сигналы от N источников из пункта А в пункт Б. Информационные сигналы c1(t), c2(t), …, cN(t) поступают на оконечную аппаратуру пункта А, где каждый из них проходит через свой преобразователь M1, M2, …, MN. На выходе преобразователей получаются канальные сигналы u1(t), u2(t), …, uN(t), которые объединяющее (суммирующее) устройство складывает в общий групповой сигнал u(t).
Дальше групповой сигнал попадает в групповые устройства ГУ: они усиливают его и согласуют оконечную аппаратуру с линией — проводной или радиорелейной. В результате преобразования в пункте А исходные сигналы изменяются, и в линию уходят канальные сигналы, отличающиеся друг от друга полосой занимаемых частот. В пункте Б устройства П1, П2, …, ПN выделяют из группового сигнала U(t) канальные сигналы UR(t), а те обратным преобразованием возвращаются к исходному виду CR(t).
Многоканальные системы различаются между собой и построением преобразователей MR на передаче, и способом разделения канальных сигналов на приёме с обратным преобразованием их в информационные. По методу разделения на приёме системы делятся на две группы: с частотным и с временным разделением сигналов.
Аналоговые системы передачи строятся по принципу частотного разделения каналов (ЧРК): каждому каналу в линии отводится своя полоса частот. Чтобы развести каналы по шкале частот, каждый исходный сигнал переносится модулятором с помощью несущей частоты fнес.пер, а на приёмном конце выполняется обратное преобразование с помощью fнес.пр. В общем случае на выходе модулятора присутствуют несущая и две боковые полосы — и то, что именно из этого набора отправляется в линию, определяет способ формирования канального сигнала.
Четыре способа формирования канального сигнала
Различают следующие способы:
- передача двух боковых полос и несущей частоты;
- передача двух боковых полос без несущей;
- передача одной боковой полосы (ОБП) с несущей;
- передача ОБП без несущей.
При передаче двух боковых полос ширина полосы частот канального сигнала расширяется более чем в 2 раза по сравнению с исходным сигналом F. Это прямой перерасход линейного спектра: за то же число каналов приходится платить вдвое большей полосой.
Вторая беда — сама несущая. Она не несёт никакой полезной информации, но её мощность суммируется в групповом тракте и может привести к перегрузке групповых усилителей многоканальных систем передачи, а значит — к росту мощности нелинейных помех.
Тем не менее у первого способа есть достоинство — простота оборудования, поэтому он применяется в технике радиосвязи и в одноканальной системе уплотнения абонентских линий типа АВУ.
Второй способ требует точного совпадения несущих частот на передающем и приёмном концах. Если они разойдутся, то из двух боковых полос получатся частоты F + дельтаf и F - дельтаf, между которыми возникают биения; здесь дельтаf = fн.пер - fн.пр.
Основным для многоканальных систем остаётся передача одной боковой полосы без несущей. Она ставит три задачи, которые и приходится решать в аппаратуре: подавить fнес на передающем конце, восстановить fнес на приёмном конце и подавить одну боковую полосу на передаче.
Подавление несущей и её восстановление на приёме
Для подавления несущей используют балансные схемы модулятора. В некоторых случаях на месте подавленных несущих в линию передают специальные частоты fконтр — по ним контролируют затухание линии. Тогда для подавления несущих применяют заграждающие фильтры: они убирают несущую, не мешая контрольной частоте занять освободившееся место.
Восстановление несущей на приёмном конце требует своего генераторного оборудования (ГО). Любой генератор имеет некоторый уход частоты — нестабильность, и именно она определяет качество канала. Рассмотрим устройства одного канала на передаче и на приёме.
В точке а присутствует частота fнес.пер + F. В точке б после второго преобразования получаются верхняя боковая fнес.пер + F + fнес.пр и нижняя боковая fнес.пер + F - fнес.пр. Поскольку дельтаf = fнес.пер - fнес.пр, сигнал на выходе канала равен F + дельтаf: все частоты исходного сигнала оказываются сдвинутыми на одну и ту же величину дельтаf. Пусть дельтаf = 10 Гц, а F = 1000 Гц — на выходе канала получим 1010 Гц.
Для речи это принципиально, потому что каждый звук содержит основной тон и его гармоники (обертона). Пусть у звука «А» основной тон 200 Гц, тогда обертона — 400, 600, 800 Гц. На приёмном конце с учётом сдвига 10 Гц они превратятся в 210, 410, 610 и 810 Гц. Абсолютный сдвиг у всех одинаков, а вот кратное соотношение между основным тоном и обертонами нарушается — это и слышно как искажение звука.
Было доказано, что человеческое ухо не воспринимает эти искажения, если дельтаf < 50 Гц. Однако для передачи сигналов дискретной информации такой сдвиг недопустим: для неё норма установлена не более 1 Гц.
Подавление второй боковой полосы и выбор фильтра
Степень подавления ОБП определяется величиной переходных помех, обусловленных неподавленной боковой полосой соседнего канала: чем ближе по частоте стоит сосед, тем жёстче требование. Оценим её для верхней боковой, когда на канал отводится 4 кГц; на рисунке величина Азад — затухание задерживания.
Второй случай — когда на канал приходится 8 кГц.
Здесь на приёмном конце возникают биения. Чтобы их не было, нужно дельтаf = 0, но реально дельтаf = 1 Гц, и на приёме оказываются две частоты, разнесённые на эту величину, — между ними и возникают биения. Именно поэтому вторую боковую необходимо подавлять.
Насколько сложным окажется фильтр, который подавит боковую на 55 дБ, показывает спектр сигнала на выходе модулятора.
Ответ даёт относительная ширина полосы расфильтровки — отношение частотного промежутка, в котором фильтр должен набрать затухание, к рабочей частоте. Если эта величина >= 0,03, подавление 55 дБ получается фильтром на LC-элементах. Если она меньше 0,03, LC-фильтры применять нельзя — используют кварцевые и электромеханические фильтры. Практический диапазон, требующий таких высокодобротных фильтров, лежит в пределах от 0,001 до 0,03.
Многократное преобразование частоты и стандартные группы каналов
В аппаратуре современных многоканальных систем с частотным делением каналов (ЧД), как правило, используется многократное преобразование частоты: информационные сигналы в передающей части несколько раз перемещаются по шкале частот, прежде чем попасть в линию. В приёмной части выполняется такое же многократное преобразование, но в обратном порядке. Смысл приёма — возможность использовать в линии сколь угодно высокий диапазон частот.
Первая ступень называется ступенью индивидуального преобразования: каждые M исходных сигналов системы с общим числом каналов, кратным M, преобразуются в M канальных сигналов в неперекрывающихся полосах и объединяются в M-канальный групповой сигнал. Следующие ступени — групповые. Из P одинаковых по спектру M-канальных сигналов они создают общий Q-канальный сигнал (Q = MP), затем из R одинаковых по спектру Q-канальных — общий N-канальный (N = RQ = RMP) и так далее. Последняя групповая ступень переносит полученный многоканальный сигнал в линейный спектр системы, предназначенный для передачи по линии.
Выигрыш здесь в фильтрах. Линейный спектр современных систем простирается вплоть до очень высоких частот. Если преобразовать исходные сигналы сразу в этот спектр, то для их разделения на приёме полосовыми фильтрами пришлось бы увеличивать защитные интервалы между каналами по мере повышения частоты — либо требовать тем большей крутизны нарастания затухания фильтра, чем выше расположена его полоса пропускания. При многократном преобразовании каналы во всей линейной полосе могут располагаться с такими же промежутками, как в первой M-канальной группе, а спектр самой этой группы выбирается так, чтобы канальные полосовые фильтры работали в наилучших условиях. Дополнительный эффект — резкое сокращение числа типов фильтров и числа номиналов несущих частот и возможность строить оконечную аппаратуру любых систем на стандартном преобразовательном оборудовании.
Все многоканальные системы с числом каналов 12 и выше рассчитаны на число каналов, кратное 12, и комплектуются из соответствующего количества 12-канальных групп. Оборудование 12-канальной группы — это и есть оборудование индивидуального преобразования: оно переводит одинаковые полосы частот 12 исходных сигналов 0,3—3,4 кГц в общую полосу группового сигнала (сигнала первичной группы) 60—108 кГц, где индивидуальные канальные сигналы занимают неперекрывающиеся частотные полосы.
Выбор именно этой полосы объясняется двумя соображениями. Во-первых, передача одной боковой полосой требует высокоселективных канальных фильтров, а такими в начальный период разработки систем современного типа могли быть только фильтры с кварцевыми резонаторами — для упрощения их конструкции было желательно работать в спектре примерно от 50—60 кГц до 110 кГц. Во-вторых, полосу выгодно выбрать так, чтобы в неё попадало минимальное количество гармоник и комбинационных частот: относительная ширина полосы 60—108 кГц меньше октавы (108/60 < 2), поэтому вторые и более высокие гармоники, а также многие комбинационные продукты оказываются за её пределами. На этом основании МККТТ рекомендовал диапазон 60—108 кГц как стандартный для 12-канальной группы.
Более крупные группы формируются групповым преобразованием. Вторичная (60-канальная) группа получается объединением пяти 12-канальных групп и занимает стандартный диапазон 312—552 кГц; третичная (300-канальная) — объединением пяти 60-канальных и занимает диапазон 812—2044 кГц. Все эти группы и их стандартные спектры соответствуют рекомендациям МККТТ и используются в многоканальных системах всех стран, а линейный спектр конкретной системы собирается из нескольких стандартных групп переносом их в соответствующие части линейного диапазона.
При групповом преобразовании возможен неприятный случай: спектр группового сигнала на входе преобразователя частично совпадает со спектром полезной боковой полосы на его выходе. Тогда из-за «просачивания» непреобразованных сигналов со входа на выход возникают переходные помехи между каналами; чтобы их устранить, вводят дополнительную промежуточную ступень группового преобразования.
Положение каждого канала в линейном спектре при многократном преобразовании характеризуется виртуальной несущей частотой. Это частота, с помощью которой можно было бы однократным преобразованием перенести исходный спектр сигнала ровно туда, куда он фактически попадает после всех ступеней. В линейном спектре канала она занимает то место, которое занимала бы нулевая частота, если бы та присутствовала в спектре исходного сигнала.
Групповой тракт, в котором передача многоканального сигнала идёт в линейном спектре частот, называется линейным трактом. Он начинается входом усилителя передачи одной оконечной станции и заканчивается выходом усилителя приёма другой, а внутри содержит участки линий связи и промежуточные усилители, поддерживающие уровень группового линейного сигнала.
Преобразователи частоты: диод в режиме ключа
Преобразователи частоты современных систем с ЧД — и индивидуальные, и групповые — представляют собой нелинейные устройства, в которых нелинейными элементами служат полупроводниковые диоды или транзисторы. По этому признаку преобразователи делят на пассивные и активные. В пассивных нелинейным элементом является диод, типичная амплитудная характеристика которого показана ниже.
При очень больших амплитудах воздействующего напряжения диод удобно рассматривать не как нелинейность, а как параметрическое сопротивление, которое под действием управляющего напряжения переходит из «открытого» состояния в «закрытое» и обратно. Подадим на диод большое постоянное отпирающее напряжение +U0 и наложим на него небольшое переменное напряжение — сопротивление диода будет определяться постоянным смещением, то есть диод «открыт». На небольшом используемом участке характеристику можно считать линейной и определить сопротивление пропускания для переменного тока. При постоянном напряжении противоположного знака -U0 («запирающем») нелинейный элемент «закрыт», и аналогично определяется его сопротивление запирания. При идеализации диода эти сопротивления считают нулевым и бесконечным; у реальных диодов это не так, но соотношение сопротивления запирания к сопротивлению пропускания обычно весьма велико.
Теперь включим нелинейный элемент в цепь переменного тока и подадим управляющее переменное напряжение с большой амплитудой. Элемент превращается в параметрическое активное сопротивление, и его действие эквивалентно действию переключателя.
Характеристику нелинейного элемента в этом случае аппроксимируют ломаной прямой линией.
Если амплитуда несущего колебания во много раз превышает амплитуду модулирующего сигнала, то управляющим оказывается именно напряжение несущей частоты: сопротивление нелинейного элемента практически зависит только от знака этого напряжения и скачком меняется от сопротивления пропускания при положительной полуволне до сопротивления запирания при отрицательной. Строго говоря, это верно лишь при прямоугольной форме напряжения несущей, когда переход от амплитудного значения одного знака к другому происходит мгновенно. Но при большой амплитуде скорость изменения напряжения вблизи нуля достаточно велика, и допущение не вносит существенной неточности.
В таком режиме можно считать, что ток в схеме преобразователя протекает только при положительных полуволнах несущей частоты, причём зависимость тока от напряжения на диоде линейна. В выражение для тока входят напряжение несущей частоты и напряжение преобразуемого сигнала, который для упрощения представляют одночастотным гармоническим колебанием. Амплитудная характеристика диода здесь описывается линейно-ломаной характеристикой, и аппроксимация тем точнее, чем меньше отношение амплитуды сигнала к амплитуде несущей. В многоканальных системах передачи такой режим называют режимом больших амплитуд (РБА); огибающая тока в цепи однотактного преобразователя при этом повторяет форму преобразуемого сигнала.
Общее выражение для тока при любом знаке напряжения несущей записывают через функцию коммутации (функцию переключения), которая принимает значение +1 в одном полупериоде несущей и 0 в другом. Разложив эту функцию в ряд Фурье и подставив разложение в выражение для тока, после несложных тригонометрических преобразований видно, что ток однотактного преобразователя, работающего в режиме линейно-ломаной характеристики, помимо полезных боковых частот содержит колебания с частотой сигнала, с частотой несущего колебания и её гармоник, а также боковые частоты около нечётных гармоник несущей. Всё это — паразитные продукты, от которых тракт приходится защищать.
Однотактная и балансная схемы преобразователя
Чтобы оценить качество преобразователя, рассматривают идеализированный случай: нелинейный элемент идеален, трансформаторы без потерь и согласуют сопротивление выходной нагрузки с внутренним сопротивлением источника преобразуемого сигнала, а внутреннее сопротивление источника несущего колебания пренебрежимо мало. Для такого идеального однотактного преобразователя строится эквивалентная схема, из которой и находится ток в нагрузке.
Важнейший параметр пассивного преобразователя — вносимое им в тракт передачи рабочее затухание. Оно определяется как отношение мощности, которую источник преобразуемого сигнала отдал бы в непосредственно подключённое к нему сопротивление нагрузки, равное его внутреннему сопротивлению, к мощности полезной боковой частоты, выделяющейся на выходной нагрузке преобразователя. Через амплитуды это отношение ЭДС источника сигнала к амплитуде тока боковой частоты в нагрузке; подставив в формулу найденную из эквивалентной схемы амплитуду тока полезной боковой, получают рабочее затухание идеального однотактного преобразователя.
Однако в системах, где при преобразовании частоты несущее колебание подавляется, однотактные преобразователи не применяются. Подавление несущей выполняют балансные или двойные балансные (кольцевые) схемы, и они же попутно уменьшают число паразитных нелинейных продуктов в выходном токе по сравнению с однотактной схемой.
В балансной схеме напряжение несущей частоты подаётся в средние точки трансформаторов на входе и выходе — уже из этого видно, что тока несущей частоты в выходном сигнале не будет. Если считать сопротивления запирания обоих диодов бесконечными, а сопротивления пропускания — нулевыми, схему заменяют эквивалентной, в которой ЭДС источника преобразуемого сигнала и его внутреннее сопротивление пересчитаны во вторичную обмотку входного трансформатора, а сопротивление нагрузки — в первичную обмотку выходного.
Работает это так. В один полупериод напряжения несущей оба диода находятся в режиме пропускания: цепь замкнута, и ток преобразуемой частоты проходит через сопротивление нагрузки. В другой полупериод диоды переходят в режим запирания: цепь разрывается, и ток через нагрузку не идёт. То есть преобразователь ведёт себя как ключ, который под действием напряжения несущей замыкает и размыкает цепь между входом и нагрузкой, — форма тока на выходе представляет собой вырезанные несущей куски преобразуемого сигнала.
Ток на выходе балансной схемы определяется разностью токов, протекающих через оба диода. При этом напряжение модулирующего сигнала подаётся на диоды в противоположных фазах: если в данный момент на первый диод воздействует одно напряжение, то на второй — напряжение с обратным знаком модулирующей составляющей. Именно эта противофазность и даёт на выходе взаимную компенсацию несущей и части нелинейных продуктов.
