3-7. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВЧ КАНАЛОВ ТЕЛЕФОННОЙ СВЯЗИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ ПО ВЛ
Критерии качества ВЧ каналов связи по ВЛ.
Качество телефонной передачи с помощью токов высокой частоты, передаваемых по ВЛ, определяется в основном теми же характеристиками, которыми определяется качество передачи по цепям линий связи, т. е. остаточным затуханием, амплитудной характеристикой, уровнем помех и переходными влияниями. Ниже рассмотрены некоторые особенности перечисленных критериев, характерные для передачи информации по ВЧ каналам связи по ВЛ.
Остаточное затухание.
Для ВЧ каналов связи по ВЛ используются характеристики остаточного затухания, принятые для ВЧ каналов по цепям линий связи. Определение остаточного затухания для прямых каналов связи по ВЛ приводилось в § 3-5. Для поддержания остаточного затухания в заданных пределах в ВЧ аппаратуре применяется автоматическая регулировка уровня, поскольку затухание линейного тракта может изменяться во времени и особенно резко увеличиваться при образовании на проводах инея и гололеда.
Рис. 3-27. Частотные характеристики остаточного затухания канала.
а — реальная частотная характеристика; б — шаблон частотной характеристики прямого канала без усилителей н переприемов.
В каждом направлении передачи нормированное значение остаточного затухания 7 дБ не должно отличаться более чем на 1—2 дБ. Качество телефонной передачи характеризуется, также относительным постоянством (в пределах ±2 дБ) остаточного затухания во времени, обеспечивающим нормальную громкость, независимо от изменения затухания тракта канала.
Критерием качества канала связи является частотная характеристика остаточного затухания, т. е. зависимость остаточного затухания от частоты. Остаточное затухание для разных тональных частот неодинаково, поэтому громкость и разборчивость воспроизводимой речи зависят от частотной характеристики остаточного затухания. Реальная частотная характеристика, приведенная иа рис. 3-27,а, позволяет установить граничные частоты полосы ∆F, при которых остаточное затухание находится в пределах допустимой величины ∆αост, т. е. передача осуществляется без искажения.
Величина ∆αост в полосе частот ∆F сравнивается с остаточный затуханием на частоте 800 Гц, принимаемым за единицу. Полоса ∆F называется полосой эффективно передаваемых частот. Для нормирования частотной характеристики остаточного затухания служит шаблон, в который должна вписываться реальная характеристика. На рис. 3-27,б приведен шаблон ВЧ канала, состоящего из двух оконечных полукомплектов (передатчик — приемник) с полосой эффективно передаваемых частот 0,3—2,4 кГц. Из шаблона видно, что на границах эффективно передаваемой полосы частот допускается увеличение остаточного затухания до 3 дБ по отношению к остаточному затуханию на частоте 800 Гц.
Особенностью ВЧ каналов связи по ВЛ является значительная неравномерность остаточного затухания из-за неравномерности характеристики затухания, вносимого элементами присоединения и обработки, и вследствие взаимодействия падающих и отраженных волн в ВЧ тракте по ВЛ.
Таким образом, реальная частотная характеристика остаточного затухания является параметром, характеризующим качество канала связи по ВЛ, который зависит от качества ВЧ аппаратуры и ВЧ тракта.
Помехозащищенность канала связи.
Осуществление ВЧ канала связи по ВЛ связано с необходимостью решения проблемы ослабления воздействия помех на телефонную передачу. Наибольшие трудности в решении этой проблемы возникают при осуществлении ВЧ каналов по длинным ВЛ напряжением выше 220 кВ из-за большого затухания линейного тракта и высокого уровня помех от коронирования проводов.
Применяются три способа повышения отношения сигнал/помеха на выходе телефонного канала по ВЛ: повышение мощности передатчика, использование помехоустойчивых способов модуляции и максимально возможное сужение рабочей полосы частот канала. Например, для ВЧ каналов по ВЛ применяются системы с передатчиками мощностью до 10 Вт, а на ВЛ с высоким уровнем помех до 100 Вт с передачей в линию одной боковой полосы частот (ОБП) и полосы эффективно передаваемых частот 0,3—2,4 кГц или 0,3—2,0 кГц.
Рассмотрим воздействие помех на амплитудно-модулированный сигнал.
Приемник АМ колебаний реагирует только на изменение амплитуды принимаемых сигналов. Изменение фазы или небольшое изменение частоты этого сигнала не создает напряжения на выходе приемника. Если мешающий сигнал имеет частоту, которая лежит в пределах полосы пропускания приемника, то такой сигнал сложится с полезным и, изменив его амплитуду, создаст на выходе приемника помеху. Если мешающий сигнал по частоте незначительно отличается от несущей частоты полезного сигнала, то в результате наложения создается помеха типа биений. Тональная частота на выходе приемника, обусловленная такой интерференцией, равна разности несущей и мешающей частот.
По характеру помехи бывают импульсными и гладкими.
При импульсных помехах кратковременные импульсы напряжения на входе приемника следуют с такими интервалами, что нестационарные процессы в приемнике, вызванные первым импульсом, успевают затухнуть до того, как появится следующий импульс. Напряжение этих помех на выходе фильтра приемника прямо пропорционально ширине полосы пропускания фильтра. После детектирования в приемнике ВЧ помехи преобразуются так же, как и полезный сигнал, в колебания тональных частот. Напряжение импульсных помех на выходе приемника прямо пропорционально удвоенному значению полосы пропускания фильтра тональной частоты ∆F
(3-55) где k — коэффициент пропорциональности, определяемый параметрами усилителя, детектора и других элементов схемы приемника.
Гладкие помехи или помехи флуктуационного характера представляют собой хаотически следующие друг за другом кратковременные импульсы, причем нестационарные процессы, вызванные прохождением через фильтр приемника одного импульса, накладываются на нестационарные процессы от других импульсов. В результате на выходе фильтра создается спектр частот, в котором отдельные составляющие имеют случайные амплитуды и фазы. Действующее напряжение помех на выходе приемника представляет собой действующее значение всех составляющих, пропускаемых приемником.
Предполагая, что помехи имеют составляющие всех частот и что все они имеют одинаковые амплитуды ик, действующее значение напряжения помех на выходе приемника определяется выражениями:
для системы АМ ДБП
(3-56).
для системы АМ ОБП
(3-57);
Один и тот же источник помех с определенной последовательностью импульсов на входе фильтра приемника будет создавать на выходе фильтра с широкой полосой импульсные помехи, а на выходе фильтра с узкой полосой — гладкие помехи.
Как было отмечено в § 3-4, помехи на ВЛ в основном генерируются стримерной короной, возникающей при положительном напряжении на проводе. Во время существования стримерной короны каждый источник разряда дает в среднем 100 импульсов тока в секунду. Если считать, что стримеры удалены один от другого в среднем на 10 м, то при длине ВЛ 10 км общее число импульсов помехи на входе фильтра приемника будет 100 000 в секунду. При таком количестве импульсов помеха на выходе фильтра с полосой пропускания до 6 кГц является флуктуационной.
Помехи от стримерной короны воспринимаются в телефонном канале как шум с изменяющейся амплитудой в соответствии с утроенной частотой промышленного тока (для обычных схем присоединения ВЧ аппаратуры к ВЛ).
Мешающее действие шумов у абонентов ВЧ каналов связи рассматривается с учетом частотной характеристики чувствительности уха и телефона. Так как ухо и телефон имеют неодинаковую чувствительность на различных частотах, то мешающее действие различных частотных составляющих помехи будет различным. Область наибольшей чувствительности уха и телефона лежит в диапазоне от 800 до 1200 Гц. Поэтому мешающее действие различных частотных составляющих можно оценить сравнением их напряжения с напряжением частоты 800 Гц, мешающее действие которого эквивалентно мешающему действию данной составляющей. Эквивалентное напряжение помехи называется псофометрическим.
Рассмотрим воздействие помех на частотно-модулированный сигнал. В системе передачи ЧМ под действием модулирующего напряжения происходит изменение несущей частоты передатчика. Изменение несущей частоты тем больше, чем больше амплитуда модулирующего напряжения. Скорость, с которой происходит это изменение, пропорциональна частоте модулирующего сигнала. Следовательно, передатчик частотно-модулированных сигналов создает колебания, амплитуда которых все время остается постоянной. В процессе модуляции происходит только изменение частоты генерируемого напряжения (§ 2-4). Такое сложное колебание можно представить в виде суммы бесконечного числа простых гармонических колебаний. В нем в отличие от АМ колебаний будет колебание основной (несущей) частоты и бесконечный ряд. колебаний боковых частот. Первая пара боковых частот отличается от несущей на частоту модулирующего сигнала (fн±F), вторая пара — на удвоенную, третья — на утроенную частоту и т. д. Если отклонение несущей частоты составляет fн=±2,4 кГц номинального значения, то весь спектр модулированных колебаний занимает гораздо большую полосу. Теоретически полоса, занимаемая ЧМ передачей, бесконечно велика, однако амплитуда высших боковых весьма быстро падает и поэтому относительное практическое значение в нашем примере имеет только вторая боковая частота fн=4,8 кГц, амплитуда которой составляет около 11% амплитуды немодулированной несущей. При передаче речи происходит одновременная модуляция спектром частот, из-за чего отклонение несущей частоты, приходящееся на каждую модулирующую частотную составляющую, соответственно уменьшается. Амплитуда высших боковых, выходящих за пределы отклонения модулируемой частоты, убывает сравнительно быстро, и при индексе модуляции, равном единице, можно ограничиться спектром частот, равным удвоенному значению отклонения несущей частоты. Отсюда следует, что при передаче речи в системе ЧМ с индексом модуляции, равным 1, спектр частот занимает такую же полосу, как и спектр АМ ДБП.
Отклонение несущей частоты при ЧМ зависит от двух факторов: от громкости модулирующего сигнала и от частотного сдвига, выбранного для заданной громкости сигнала. Частотный сдвиг не зависит от частоты модулирующего сигнала.
Индекс модуляции показывает максимальный сдвиг колебания высокой частоты (в радианах), вызываемый модулирующим сигналом максимальной громкости и максимальной для данной системы тональной частоты. Если индекс модуляции равен единице, то это значит, что модулирующий сигнал высшей модулирующей частоты при максимальной громкости вызывает сдвиг фазы модулируемого колебания высокой частоты иа ,1 рад. При постоянстве амплитуды звуковых колебаний фазовый сдвиг изменяется обратно пропорционально частоте модулирующего сигнала, т. е. он увеличивается на низких модулирующих частотах.
Если амплитуда помехи составляет 10% амплитуды основного колебания и отличается от нее по частоте на 3 кГц, то вектор помехи будет вращаться вокруг вектора несущей с частотой, равной 3000 об/с, в результате чего вектор несущей частоты получит изменение амплитуды на 10% своего номинального значения и изменение фазового угла с максимальным отклонением фазы на 5,7° или на 0,1 рад. Амплитудный ограничитель приемника сгладит изменения амплитуды, и приемник останется чувствительным лишь к изменениям фазы. Фазовые изменения, вызванные помехой, составляют примерно 0,1 тех изменений, которые имеют место при модуляции частотой (тоном) в 3 кГц при максимальной громкости. Поэтому помеха на высшей модулирующей частоте создает такое же мешающее действие, как и при амплитудной модуляции. Если же, например, мешающий сигнал отличается по частоте от несущей только на 1,5 кГц, условия работы ЧМ приемника получаются другими.
Предположим, что амплитуда помехи составляет 10% номинальной амплитуды колебания несущей частоты. В результате действия помехи фазовый сдвиг вектора несущей частоты составит только 1/20 фазового сдвига при модуляции тоном 1,5 кГц при максимальной громкости. Несмотря на то что амплитуда помехи такая же, как в предыдущем примере, она создает на выходе приемника напряжение в 2 раза меньшее, чем при частоте 3 кГц. Если частота помехи приближается к частоте несущей, то напряжение помехи на выходе приемника уменьшается, стремясь к нулю при совмещении частот помехи и несущей.
Уровень помехи (шума) на выходе приемника пропорционален разности частот помехи и несущей. Интерференционные помехи на выходе приемника при одной мешающей частоте заданной амплитуды выражаются уравнением
(3-61)
где — частотное отклонение (девиация).
Действие гладких помех на ЧМ сигнал может быть оценено путем суммирования эффективного значения шумов в полосе приемника, т. е. так же, как при оценке АМ.
