Тема 4. Двусторонние каналы

Раздел 4.1. Построение двусторонних каналов

Для обеспечения диалога при общении двух абонентов (человек-человек, человек-машина, машина-машина) канала передачи должен быть двустороннего действия или двусторонним каналом. Рассмотренные выше типовые каналы являются односторонними и, следовательно, для организации двусторонней – дуплексной связи необходимо использование двух типовых односторонних - симплексных каналов, объединив их в единую двустороннюю систему и сохранив при этом взаимную независимость односторонних каналов. Поскольку наиболее массовым видом является телефонная связь, то рассмотрим принципы организации двусторонних телефонных каналов. Полученные при этом соотношения и выводы справедливы для организации двусторонних каналов передачи других видов сообщений.

Исторически первой двусторонней системой телефонной связи была однополосная четырехпроводная система двусторонней связи, рис. 4.1, при которой передача от микрофона М одного абонента к телефону Т другого абонента ведется в одной полосе частот f₁…f₂ по двухпроводной линии. Такая схема организации двусторонней связи экономически и эксплуатационно нецелесообразна, так как к абонентам требуется подведение четырехпроводной линии.

Рис. 4.1 - Однополосная четырехпроводная схема организации двусторонней телефонной связи

Обычные абонентские линии двухпроводные и поэтому для подключения микрофонов и телефонов к таким линиям требуется применение особых развязывающих устройств – РУ. При этом получается однополосная двухпроводная схема двусторонней связи, рис.4.2, при которой передача и в одном, и в другом направлениях ведется по двухпроводной линии и в одной и той же полосе частот.

Как следует из рис. 4.2, передача в одном и другом направлениях ведется в одной полосе частот, а разделение направлений передачи осуществляется с помощью специального РУ, к характеристикам которого предъявляются определенные требования.

Двухсторонняя связь при использовании двухпроводной линии может быть осуществлена с помощью двух полос частот: одна полоса частот (нижняя) f₁… f₂ передается от абонента А к абоненту Б, а другая полоса частот f₃…f₄ передается от абонента Б к абоненту А. Следовательно, кроме развязывающего устройства

аналогичного РУ при однополосной двухпроводной схеме организации связи должны быть устройства, преобразующие исходные сигналы в полосу частот соответствующего направления тракта передачи и обратного преобразования в тракте приема. Разделение направлений передачи осуществляется с помощью фильтров нижних и верхних частот, называемых направляющими фильтрами или вилкой направляющих фильтров. Схема двухпроводной двухполосной организации двусторонней связи приведена на рис. 4.3.

Рис. 4.2 - Однополосная двухпроводная схема организации двусторонней связи

Рис. 4.3 - Двухполосная двухпроводная схема организации двусторонней связи

Рассмотрим прохождение сигнала от абонента станции А к абоненту станции Б (для обратного направления все процессы будут аналогичными) по двухполосному двухпроводному двустороннему каналу передачи телефонных сигналов и их основные преобразования.

К зажимам 1-1 (2-2 подключается двухпроводный тракт телефонной сети, использующий двухпроводные физические цепи, по которым передаются телефонные сигналы в тональном диапазоне частот F₁… F₂. Эти сигналы поступают на развязывающее устройство (РУ-1), предназначенное для разделения направлений передачи и приема. С выхода РУ-1 первичный сигнала в полосе частот F₁…F₂ поступает на передатчик станции А (Пер-А), где происходит его преобразование в линейный спектр f₁…f₂, передаваемый по двухпроводной линии (физической цепи). Формирование линейного спектра направления передачи от станции А к станции Б осуществляется направляющим фильтром нижних частот (ФНЧ). На станции Б сигнала выделяется аналогичным ФНЧ и поступает на вход приемника (Пр-Б), где происходит его преобразование в тональный спектр с полосой частот F₁…F₂. С выхода Пр-Б сигнала поступает на развязывающее устройство (РУ-2), предназначенное для разделения трактов приема и передачи станции Б и далее поступает в двухпроводный тракт телефонной сети.

При передаче от станции Б к станции А в передатчике станции Б (Пер-Б) осуществляется преобразование спектра первичного сигнала F₁…F₂ в линейный спектр f₃…f₄, выделяемый направляющим фильтром верхних частот (ФВЧ). В тракте приема станции А линейный спектр выделяется ФНЧ и затем в приемнике станции А (Пр-А) преобразуется в тональный спектр F₁…F₂ и далее через РУ-1, разделяющее тракты передачи и приема станции А, поступает в двухпроводный тракт телефонной сети.

Рис.4. 4 - Характеристики ослабления направляющих фильтров

Из рассмотренного очевидно, что вилки направляющих ФНЧ и ФВЧ станций А и Б выполняют роль разделяющих устройств (РУ_А и РУ_Б, обведенные штриховыми линиями), развязывающих направления передачи. Частотные характеристики затухания (ослабления) ФНЧ и ФВЧ приведены на рис.4.4, где приняты следующие обозначения: А_фвч – затухание направляющего фильтра верхних частот (ФВЧ) в полосе эффективного задерживания f₁…f₂; а_ФВЧ – максимально-допустимое затухание ФВЧ в полосе эффективного пропускания; А_ФНЧ – затухание фильтра нижних частот (ФНЧ) в полосе эффективного задерживания f₃…f₄; а_ФНЧ – максимально-допустимое ослабление ФНЧ в полосе эффективного пропускания f₁…f₂.

Дальность непосредственной телефонной связи определяется из следующих рассуждений. На выходе типового микрофона телефонного аппарата средняя мощность первичного сигнала равна W_М = 1 мВт, мощность сигнала на входе телефона, соответствующая его нормальному восприятию, W_Т = 1 мкВт. Допустимое затухание (ослабление) между микрофоном одного абонента и телефоном другого равно а_МТ = 10 lg (W _М / W _Т) = 10 lg (1/10^-3) = 30 дБ. Если коэффициент затухания линии равен a дБ/км, то непосредственная дальность связи будет равна L = А_МТ/a, км.

Пример: коэффициент затухания телефонного кабеля равен a = 0,75 Дб/км, следовательно, допустимая дальность непосредственной связи составит L_МТ = а_МТ / a = 30 / 0,75 = 400 км.

Исходя из максимальной дальности телефонной связи необходимо применение усилителей и их равномерное размещение по магистрали. Усилители это четырехполюсники одностороннего направления передачи и поэтому требуется два усилителя, обеспечивающих усиление сигналов двух направлений передачи. Структурная схема усилителя однополосной двухпроводной схемы организации двусторонней связи приведена на рис.4.5. Подключение усилителей к двухпроводной линии осуществляется с помощью развязывающих устройств РУ₁ и РУ₂. Структурная схема двустороннего усилителя двухполосной двухпроводной схемы организации связи приведена на рис.4.6.

Рис.4.5 - Структурная схема двустороннего усилителя однополосной двухпроводной схемы организации двусторонней связи

Рис.4. 6 - Структурная схема двустороннего усилителя двухполосной двухпроводной организации двусторонней связи

К зажимам 1-1 левого развязывающего устройства (РУ₁) и к зажимам 1-1 правого РУ₂ подключается двухпроводная линия (физическая цепь). Рассмотрим передачу сигналов от станции А к станции Б. После прохождения по двухпроводной цепи ослабленный сигнала от зажимов 1-1 РУ₁ поступает на зажимы 2-2, усиливается усилителем (УС₁) направления от станции А к станции Б и через зажимы 4-4 РУ₂ поступает в двухпроводную линию (зажимы 1-1 РУ₂). Передача от станции Б к станции А осуществляется аналогично. Напомним, что в случае двухпроводной двухполосной схемы организации двусторонней связи роль развязывающих устройств РУ₁ и РУ₂ выполняет вилка направляющих фильтров нижних (ФНЧ) и верхних (ФВЧ) частот.

В случае организации двусторонней связи по четырехпроводной однополосной схемы развязывающие устройства необходимы только для подключения двустороннего канала к двухпроводным линиям телефонных сетей, рис.4.7.

К зажимам 1-1 РУ₁ и РУ₂ подключаются двухпроводные абонентские или соединительные линии телефонных сетей. Передатчики преобразуют полосу частот первичного сигнала в полосу частот f₁…f₂, которая передается по двухпроводной линии от станции А к станции Б и наоборот. Усилители Ус₁… Ус_n компенсируют ослабление (затухание) сигналов при их прохождении по физическим – двухпроводным линиям.

Рис. 4.7 - Обобщенная схема однополосной четырехпроводной системы двусторонней связи

Канал тональной частоты (КТЧ) – канал односторонней передачи. Для организации двусторонней связи требуется два КТЧ и их подключение к двухпроводным линиям телефонных сетей должно осуществляться с помощью развязывающих устройств (РУ₁ и РУ₂).

Из выше рассмотренного следует, что двусторонний канал представляет замкнутую систему и, следовательно, возникает цепь обратной связи и при определенных условиях возможно самовозбуждение канала. Обобщенная структурная схема двустороннего канала и пути возникновения обратных связей показаны на рис.4.8.

Рассмотрим прохождение сигналов при передаче от пункта А (п.А) к пункту Б (п.Б). Сигнал от абонета п.А поступает по двухпроводной линии на зажимы 1-1 РУ₁, далее – на зажимы 2-2 РУ₁ и через канал односторонней передачи – на зажимы 4-4 РУ₂ и далее через зажимы 1-1 РУ₂ сигнала поступает по двухпроводной цепи к абоненту п.Б. Если затухание от зажимов 4-4 к зажимам 2-2 РУ₂ не равно бесконечности, то сигнал с выхода канала передачи от от п.А к п.Б поступает на вход канала обратного направления передачи и, если затухание от зажимов 4-4 к зажимам 2-2 РУ₁ также не равно бесконечности, то сигнал поступает на зажимы 2-2 и на вход канала передачи от п.А к п.Б. Так образуется замкнутая цепь обратной связи от зажимов 4-4 РУ₂ к зажимам 2-2 РУ₁, через односторонний канал от п.А к п.Б и к зажимам 4-4 РУ₂.

Рис. 4.8 - Обобщенная структурная схема двустороннего канала

Цепь обратной связи образует одиночную замкнутую систему (ОЗС), в которой при определенных условиях возможно самовозбуждение (генерация).

Раздел 4.2. Развязывающие устройства, требования к ним и их классификация. Анализ трансформаторной и резисторной дифсистем

Как следует из схем организации двусторонних каналов, РУ представляет собой шестиполюсник (2´3 – полюсник), условное обозначение которого приведено на рис.4.9.

Рис. 4.9 - Развязывающее устройство (а) и его условное обозначение (б)

Пути передачи сигналов от зажимов 1-1 (1) к зажимам 2-2 (2) и от зажимов 4-4 (4) к зажимам 1-1 (1) называются направлениями пропускания и характеризуются минимально возможным затуханием (ослаблением); путь передачи сигнала от зажимов 4-4 (4) к зажимам 2-2 (2) и называется направлением развязки (задерживания) и характеризуется максимально возможным затуханием.

Идеальным РУ называется развязывающее устройство, у которого в рабочих частотном и динамическом диапазонах передаваемых сигналов выполняются следующие требования:

- отсутствует затухание в направлениях передачи, т.е. а_1-2 = А_4-1 = 0;

- обладает бесконечно большим затуханием (ослаблением) в направлениях развязки (задерживания), т.е. а_4-2 = а_2-4 = ¥;

- входные сопротивления со стороны зажимов 1-1, 2-2 и 4-4 должны обеспечить согласованное подключение нагрузок;

- отсутствие различного вида искажений при передаче сигналов в направления пропускания (развязки);

- простота технической реализации и высокая надежность;

- малые габариты.

Развязывающие устройства могут быть построены на принципах частотной селекции или на принципах уравновешенных (сбалансированных) мостовых схем, называемых дифференциальными системами (ДС).

Развязывающие устройства подразделяются на следующие три группы:

- линейные РУ, построенные на пассивных элементах, параметры которых не меняются во времени и не зависят от уровня передачи сигналов; такие РУ называются пассивными;

- линейные РУ, которые содержат активные элементы, их параметры не меняются во времени и не зависят от уровня передачи сигналов; такие РУ называются активными;

- параметрические РУ, в которые включены элементы с изменяющимися во времени параметрами.

Развязывающие устройства называются обратимыми (взаимными), если выполняются условия а_1-2 = а_2-1, а_4-1 = а_1-4. Если эти условия не выполняются, то такие РУ называются необратимыми. Линейные пассивные РУ относятся к обратимым (взаимным).

В однополосных двухпроводных и четырехпроводных системах организации двусторонней связи широкое применение нашли линейные пассивные обратимые РУ на основе резисторов, включенных по мостовой схеме и именуемые резисторными дифференциальными системами (РДС). И построенные на основе дифференциальных трансформаторов, которые называются трансформаторными дифференциальными системами (ТДС).

Задачей анализа дифференциальных систем является определение:

1) условий, при которых дифференциальная система, как разделяющий шестиполюсник, имеет направления пропускания с минимально возможным затуханием и направления непропускания (задерживания) с максимально возможным затуханием (ослаблением);

2) условий, обеспечивающих согласованное подключение нагрузок к соответствующим зажимам дифференциальной системы;

3) рабочих затуханий (ослаблений) дифференциальной системы (далее дифсистемы) в различных направлениях передачи.

Дата добавления: 2014-10-17