Высокочастотные каналы по линиям электропередачи должны обладать определенными качественными показателями, на основании которых можно судить о пригодности канала для передачи той или иной информации и соответствии его предъявляемым требованиям. Эти показатели определяются общесоюзными нормами на телефонные каналы, но с учетом характерных особенностей такого своеобразного тракта передачи, каким является линия высокого напряжения. Общесоюзные нормы установлены для каналов коммерческой телефонии по воздушным или кабельным линиями, тогда как телефонные каналы энергосистем являются чисто служебными, а в. ч. параметры линий электропередачи существенно отличаются от аналогичных параметров обычных линий связи. Эти обстоятельства вынуждают к некоторому отступлению от указанных норм, которые в ряде случаев являются неоправданно жесткими применительно к в. ч. каналам энергосистем.
Основными характеристиками любого в. ч. канала, независимо от способа его выполнения, являются остаточное затухание, частотная и амплитудная характеристики, устойчивость работы канала, отношение сигнала к помехе, защищенность канала от переходных разговоров и величина запаса по перекрываемому затуханию. Для оценки каналов, работающих по линиям электропередачи, необходимо дополнительно учитывать некоторые в. ч. параметры самих линий — входное сопротивление, уровень помех, затухания в отдельных элементах тракта, переходные затухания и т. д. Рассмотрим вкратце эти параметры.
В любом в. ч. канале действует некоторое количество затуханий и усилений. Усилители, включенные в канал, компенсируют большую часть затуханий, поэтому уровень (громкость) передачи на выходе канала будет определяться не всем затуханием тракта передачи, а только той его частью, которая осталась не скомпенсированной усилением усилителей. Это остаточное затухание канала представляет собой, таким образом, разность между суммой всех затуханий, действующих в канале, и суммой всех усилений, введенных в него. Иными словами, остаточное затухание равно разности уровней передачи на входе и приема на его выходе. Чем меньше величина остаточного затухания, тем больше громкость сигнала в оконечной абонентской аппаратуре.
Рис. 4-1. Частотная характеристика канала и определение эффективно передаваемой полосы частот.
Однако остаточное затухание не должно быть равным пулю, иначе в канале может возникнуть генерация вследствие связи между трактами приема и передачи в оконечных дифференциальных системах. Для нормального качества передачи необходимо постоянство остаточного затухания во времени, обеспечивающее одну и ту же громкость, независимо от изменений затухания в канале.
Величина остаточного затухания для разных тональных частот неодинакова и это приводит к появлению так называемых частотных искажений, вызываемых неодинаковой громкостью воспроизведения разных тональных частот, лежащих в полосе телефонного канала. Для оценки степени искажений пользуются частотной характеристикой канала, отражающей зависимость величины остаточного затухания от частоты (рис. 4-1). При построении частотной характеристики по оси ординат откладываются относительные величины остаточного затухания, сравниваемые с остаточным затуханием на частоте 800 Гц, которое принимается за единицу*.
* В телефонии частота 800 гц принята в качестве эталона для измерения и нормирования характеристик канала (затухания, уровня шума, коэффициента нелинейности и т. д.). Характеристики канала на других частотах определяются путем сравнения с аналогичными характеристиками на частоте 800 гц.
По частотной характеристике канала нетрудно определить крайние частоты, на которых остаточное затухание не превышает допустимой (с точки зрения искажений) величины bдоп. Определенная таким образом полоса FF = F2—F1 необходимая для разборчивой и естественной передачи речи, называется полосой эффективно передаваемых частот.
Любой в. ч. канал содержит нелинейные, т. е. не подчиняющиеся закону Ома элементы — трансформаторы, катушки индуктивности, усилители, модуляторы и т. д. Наличие нелинейных элементов приводит к несоответствию амплитуд сигнала на входе и на выходе канала, что искажает передачу. Нелинейные искажения в усилителях многоканальной аппаратуры вызывают, кроме того, появление переходных разговоров, которые могут существенно ухудшить качество передачи.
Величину нелинейных искажений оценивают по амплитудной характеристике канала, выражающей зависимость уровня сигнала на выходе канала от величины уровня на его входе. По этой характеристике можно определить, например, максимально допустимый уровень сигнала, подаваемого на вход канала при заданной величине нелинейных искажений. В телефонных каналах допускается небольшая величина нелинейности, для определения которой амплитудная характеристика слишком груба. Поэтому на практике при оценке нелинейности пользуются коэффициентом нелинейных искажений или так называемым затуханием нелинейности. Оба этих параметра определяют соотношение величин уровней основной частоты и гармоник высшего порядка, возникающих вследствие нелинейности отдельных элементов канала.
Коэффициент нелинейных искажений (клир-фактор) представляет собой выражаемое в процентах отношение корня квадратного из суммы квадратов амплитуд некоторого числа высших гармоник к амплитуде основной частоты. Если же величину искажений желательно выразить в логарифмической форме, то пользуются понятием затухания нелинейности, которое равно натуральному логарифму величины, обратной клир-фактору.
Нормальная работа в. ч. канала может нарушаться в результате возникновения в каком-нибудь его элементе паразитной генерации. Генерация чаще всего возникает в усилителях при нарушении амплитудных и фазовых соотношений в цепи обратной связи, но при некоторых условиях она может возникнуть в самом канале. В таких случаях говорят о «самовозбуждении канала», которое внешне проявляется в виде свиста в телефонных аппаратах, мешающего разговору или даже полностью нарушающего его. Поэтому среди качественных показателей не последнюю роль играет устойчивость канала к возникновению в нем самовозбуждения. Устойчивость канала измеряется величиной дополнительного усиления, которое нужно ввести в канал сверх нормального для того, чтобы в нем возникла генерация.
Дальность связи по в. ч. каналам зависит, кроме других причин, ют уровня помех, которые понижают разборчивость передачи, а при достаточно большой их величине и вовсе нарушают ее. При оценке качества передачи имеет значение не абсолютная величина помех, а соотношение между уровнем полезного сигнала и уровнем помех. Очевидно, что слабый полезный сигнал будет не слышен на фоне помех, а сильный, наоборот, будет подавлять помехи и они не окажут значительного влияния на качество передачи. В связи с этим на практике пользуются понятием отношения сигнала к помехе, которое является одной из важнейших характеристик канала. Конкретная величина этого отношения устанавливается в зависимости от назначения канала и вида передаваемой информации.
Поскольку помехи имеют очень широкий спектр частот, а ухо человека и устройства воспроизведения звука обладают разной чувствительностью на разных частотах, то для оценки мешающего действия шума пользуются не эффективным, а так называемым псофометрическим напряжением. Псофометрическим напряжением шума (или помех) называется напряжение мешающего сигнала 800 Гц, эквивалентного по действию на телефонный разговор существующей в канале помехе со всеми ее частотными составляющими. Измеряется оно специальным прибором — псофометром, состоящим из лампового вольтметра, на входе которого включен фильтр с частотной характеристикой, имитирующей чувствительность уха или телефона.
Как правило, по одной линии электропередачи устраивается несколько в. ч. каналов. При этом между разными каналами неизбежно возникают взаимные влияния вследствие перехода токов из одного канала в другой. Эти переходные разговоры могут быть внятными (разборчивыми) или невнятными. Последние оказывают на качество передачи такое же влияние, как и обычный шум. Внятные переходные разговоры, отвлекая внимание абонентов, в гораздо большей степени мешают передаче, чем шумы того же уровня. Кроме того, они нарушают секретность переговоров, что в некоторых случаях имеет решающее значение.
Чем больше переходное затухание между каналами, тем слабее уровень переходных разговоров и тем меньше их влияние на качество передачи. Оценка мешающего влияния внятных переходных разговоров производится по разности уровней полезного сигнала и переходного разговора, которая называется защищенностью канала от переходных разговоров.
Как уже отмечалось, затухание канала — величина, непостоянная во времени. Оно, в частности, сильно зависит от метеорологических условий и особенно резко возрастает при покрытии проводов линии инеем или гололедом. Одновременно увеличивается и уровень помех в канале. Для того чтобы изменение метеорологических условий не нарушало работу канала, он должен иметь некоторый запас по перекрываемому затуханию, который позволит скомпенсировать увеличение затухания канала и сохранить заданное отношение сигнала к помехе. Этот запас определяется разностью между фактическим и минимально допустимым уровнями приема на конце канала. Под минимально допустимым уровнем приема понимается при этом уровень сигнала на входе оконечного приемника, превышающий уровень помех на величину установленного для данного канала отношения сигнала к помехе.
Высокочастотные характеристики линии электропередачи определяются ее конструкцией, состоянием линии, сечением и материалом проводов. Основными параметрами линии, имеющими существенное значение для проектирования в. ч. каналов, являются затухание, уровень помех и входное сопротивление.
Полное затухание в. ч. тракта представляет собой сумму затуханий в отдельных его элементах. Оно складывается из собственного затухания линии, концевых затуханий, затуханий в аппаратуре обработки и соединительных фидерах, затуханий в шунтирующих и параллельных цепях и затуханий во вспомогательной аппаратуре — фильтрах, разделительных контурах, удлинителях и др.
Собственное или линейное затухание есть затухание в проводах линии электропередачи, определяемое как произведение километрического затухания на длину линии. Как показали исследования и измерения ряда организаций (Ленинградского политехнического института, ОРГРЭС, ВНИИЭ и др.), километрическое затухание, вообще говоря, различно у разных фаз одной и той же линии, а его зависимость от частоты и конструкции линии имеет более сложный характер, чем считалось до недавнего времени. Подробно эти вопросы рассмотрены в соответствующей литературе [Л. 31, 32, 52], а методы расчета для разных случаев приведены в гл. 6 и 7.
Высокочастотная энергия распространяется по проводам линии электропередачи, главным образом, в виде междуфазной волны. Но при однофазном подключении аппаратуры связи часть энергии междуфазной волны вблизи от концов линии переходит в так называемую волну земляного возврата (волну нулевой последовательности). Энергия этой волны практически полностью затухает уже на расстоянии 15—20 км, обусловливая тем самым появление в канале дополнительных затуханий, которые по месту их возникновения называют концевыми. При симметричных схемах включения концевые затухания отсутствуют. Затухания в аппаратуре обработки, в шунтирующих и параллельных цепях (ответвления, промежуточные посты и т. д.) возникают вследствие ответвления части энергии сигнала в эти цепи или отражения энергии от мест неоднородности. Величина этих затуханий зависит от вида и характеристик шунтирующей цепи и рассчитывается по формулам, приводимым в гл. 7.
При распространении в. ч. энергии вдоль линии в общем случае существуют две волны: падающая, т. е. идущая от передатчика, и отраженная, движущаяся ей навстречу. Отраженная волна возникает на границе участков линии с разными электрическими характеристиками (электрически неоднородных участков). При отражении часть энергии теряется бесполезно, так как она не доходит до приемника; кроме того, отраженная волна при взаимодействии с падающей может сильно повлиять на характер распространения последней. В результате напряжение и ток в начале линии имеют значения, отличные от величин, наблюдаемых в линии без отражений. Соотношения между током и напряжением удобно характеризовать введением понятия о некотором условном сопротивлении — так называемом входном сопротивлении, понимая под ним отношение напряжения к силе тока в. ч. сигнала в начале («на входе») линии.
Входное сопротивление зависит не только от электрических свойств и длины линии, но и от величины нагрузки на ее конце, т. е. является величиной непостоянной. Поэтому для характеристики линий часто пользуются не зависимой от указанных параметров величиной волнового сопротивления, представляющего собой входное сопротивление линии, в которой отсутствуют отраженные волны. Такой линией является либо бесконечно длинная однородная линия, либо линия конечной длины, замкнутая на сопротивление, величина которого подбирается так, чтобы режим работы генератора, включенного на входе линии, не изменился по сравнению со случаем нагрузки его на линию бесконечной длины. Величина подобранного таким образом сопротивления численно равна волновому сопротивлению данной линии.
