Тема 3. Каналы передачи

Лекция 3

Раздел 3.1. Каналы передачи, их классификация и основные характеристики

Ключевыми понятиями техники телекоммуникационных систем и сетей являются канал передачи и канал электросвязи.

Каналом передачи называется совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающая передачу сигналов электросвязи в определенной полосе частот или с определенной скоростью передачи между оконечными или промежуточными пунктами телекоммуникационных сетей.

Каналы передачи (далее просто “каналы”) классифицируются:

- по методам передачи сигналов электросвязи различают аналоговые и цифровые каналы. Аналоговые каналы, в свою очередь, подразделяются на непрерывные и дискретные в зависимости от изменения информационного параметра сигнала (см. лекция 2). Цифровые каналы делятся на каналы с использование импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), каналы с использованием дифференциальной ИКМ и каналы на основе дельта-модуляции. Каналы, в которых на одних участка используются аналоговые, а на других цифровые методы передачи сигналов, называются смешанными каналами передачи.

- в зависимости от ширины полосы пропускания, в которой передаются сигналы электросвязи, и соответствия параметров каналов установленным нормам, различают аналоговые типовые каналы тональной частоты, типовыепервичный, вторичный, третичный и четверичный широкополосные каналы. Типовые каналы передачи сигналов звукового вещания, сигналов изображения и звукового сопровождения телевидения;

- в зависимости от скорости передачи и соответствия параметров каналов установленным нормам различают: основной цифровой канал, первичный, вторичный, третичный, четверичный и пятеричный цифровые каналы;

- по виду среды распространения сигналов электросвязи различают: проводные каналы, организованные по кабельным и, реже, воздушным линиям связи и каналы радиосвязи, организованные по радиорелейным и спутниковым линиям связи.

Каналом электросвязи называется комплекс технических средств и среды распространения, обеспечивающий передачу первичных сигналов электросвязи от преобразователя сообщения в первичный сигнал до преобразователя первичного сигнала в сообщение.

Помимо приведенной классификации, каналы электросвязи подразделяются

- по виду передаваемых первичных сигналов (или сообщений) различают телефонные каналы, каналы звукового вещания, телевизионные каналы, телеграфныеканалы и каналы передачи данных;

- по способам организации двусторонней связи различают двухпроводный однополосный канал, двухпроводный двухполосный канал и четырехпроводный однополосный канал;

- по территориальному признаку каналы электросвязи подразделяются на международные, междугородные, магистральные, зоновые и местные.

Рассмотренная классификация каналов передачи и электросвязи (далее просто каналы) соответствует сложившейся практике их организации и разработке требований к их основным параметрам и характеристикам, которые принято увязывать с соответствующими параметрами и характеристиками первичных сигналов.

Канал может характеризоваться тремя параметрами:

1) эффективно передаваемой полосой частот DF_к, которую канал способен пропустить с выполнением требований к качеству передачи сигналов;

2) временем Т_к, в течение которого канал предоставлен для передачи сигналов или сообщений;

3) динамическим диапазоном D_к, под которым понимается отношение вида

,

где W_кмакс – максимальная неискаженная мощность, которая может быть передана по каналу; W_кмин – минимальная мощность сигнала, при которой обеспечивается необходимая защищенность от помех.

Очевидно, что передача сигнала с параметрами DF_c, Т_с, и D_c по каналу с параметрами DF_к, Т_к и D_к возможна при условии

.

Произведение трех параметров канала V_к = D_к×F_к×T_к называется его емкостью. Сигнал может быть передан по каналу, если его емкость не менее объема сигнала (см. лекция 2). Если система неравенств не выполняется, то возможна деформация одного из параметров сигнала, позволяющих согласовать его объем с емкостью канала. Следовательно, условие возможности передачи сигнала по каналу можно представить виде:

V_к ³ V_с.

Канал характеризуется защищенностью:

,

где W_п – мощность помех в канале.

Пропускная способность канала описывается следующим выражением

,

где W_ср – средняя мощность передаваемого по каналу сигнала.

Раздел 3.2. Канал передачи как четырехполюсник

Канал передачи, как совокупность технических средств и среды распространения электрического сигнала, представляет каскадное соединение различных четырехполюснико в, осуществляющих фильтрацию, преобразование сигналов, их усиление и коррекцию. Следовательно, канал можно представить эквивалентным четырехполюсником, параметры и характеристики которого определяют качество передачи сигналов, рис. 3.1.

Рис. 3.1 - Канал передачи как четырехполюсник

На рис.3.1 приняты следующие обозначения: 1-1 и 2-2 - входные и выходные зажимы соответственно; I_вх (jw) и I_вых (jw) – комплексные входной и выходной токи; U_вх (jw) и U_вых (jw) – комплексные входное и выходное напряжения; Z_вх (jw) и Z_вых (jw) – комплексные входное и выходное сопротивления (как правило, величины чисто активные и равные, т.е. Z_вх = R_вх = Z_вых = R_вых); K (jw) = U_вых (jw) / U_вх (jw) = К (w)× е ^{jb ( w )} – комплексный коэффициент передачи по напряжению, К (w) – модуль коэффициента передачи и b (w) – фазовый сдвиг между входным и выходными сигналами; если берется отношение выходного тока к входному, то говорят о коэффициенте передачи по току; u_вх (t), u_вых (t) – мгновенные значения напряжения входного и выходного сигналов и р_вх и р_вых – входной и выходной уровни напряжения или мощности сигналов.

Каналы передачи работают между реальными нагрузками Z_н1 (jw) и Z_н2 (jw), подключаемыми соответственно к зажимам 1-1 и 2-2.

Свойства каналов и их соответствия требованиям к качеству передачи сообщений определяется рядом параметров и характеристик.

Первым и одним из основных параметров каналов является остаточное затухание А_r, под которым понимается рабочее затухание канала, измеренное или рассчитанное в условиях подключения к зажимам 1-1 и 2-2 (рис. 3.1) активных сопротивлений, соответствующих номинальным значениям R_вх и R_вых соответственно. Входные и выходные сопротивления отдельных устройств канала передачи достаточно хорошо согласуются между собой. При этом условии рабочее затухание канала можно считать равным сумме характеристических (собственных) затуханий отдельных устройств, не учитывая отражений. Тогда остаточное затухание канала может быть определено по формуле;

,

где р_вх и р_вых – уровни на входе и выходе канала (см. рис. 3.1); а_r – затухание i- го и S_j - усиление j- го четырехполюсников, составляющих канал передачи.

Это означает, что остаточное затухание (ОЗ) канала представляет собой алгебраическую сумму затуханий и усилений и удобна при расчетах а_r, когда известны затухания усилительных участков и усиления усилителей. ОЗ измеряется на определенной для каждого канала измерительной частоте.

В процессе эксплуатации ОЗ канала не остается величиной постоянной, а отклоняется от номинального значения под воздействием различных дестабилизирующих факторов. Эти изменения ОЗ называются нестабильностью, которая оценивается по максимальному и среднеквадратическому значениям отклонений ОЗ от номинального значения или величиной их дисперсии.

Остаточное затухание канала связано с его полосой пропускания. Полоса частот канала, в пределах которой остаточное затухание отличается от номинального не более, чем на некоторую величину Dа_r, называется эффективно передаваемой полосой частот (ЭППЧ). В пределах ЭППЧ нормируются допустимые отклонения ОЗ Dа_r от номинального значения. Наиболее распространенным способом нормирования является использование “шаблонов” допустимых отклонений ОЗ Примерный вид такого шаблона приведен на рис. 3.2.

Рис. 3.2 - Примерный шаблон допустимых отклонений остаточного затухания канала передачи

На рис. 3.2 приняты следующие обозначения f₀ – частота, на которой определяется номинальное значение ОЗ; f_н , f_в – нижняя и верхняя граничные частоты ЭППЧ; 1,2 – границы допустимых отклонений ОЗ; 3 – вид измеренной частотной характеристики ОЗ. Отклонения ОЗ от номинального определяются по формуле:

,

где f - текущая частота и f₀ – частота определения номинального значения ОЗ.

С понятием ЭППЧ тесно связана амплитудно-частотная характеристика - АЧХ (или просто частотная характеристика) канала, под которой понимается зависимость остаточного затухания от частоты а_r = j_ч (f) при постоянном уровне на входе канала, т.е. р_вх = const. Эта характеристика оценивает амплитудно-частотные (просто частотные) искажения, вносимые каналом за счет зависимости его ОЗ от частоты. Допустимые искажения определяются шаблоном отклонений ОЗ в пределах ЭППЧ. Примерный вид АЧХ канала показан на рис. 3.3.

Для передачи ряда сигналов электросвязи важной является фазо-частотная характеристика – ФЧХ (просто фазовая характеристика)канала, под которой понимается зависимость фазового сдвига между выходным и входным сигналами от частоты, т.е. b = j_ф(f). Общий вид фазовой характеристики канала приведен на рис. 3.4 (линия 1).

Рис.3.3- Частотная характеристика канала Рис.3.4- Фазовая характеристика канала

В средней части ЭППЧ указанная характерситика близка к линейной, а на ее границах наблюдается заметная нелинейность, обусловленная фильтрами, входящими в состав канала передачи. В связи с тем, что непосредственное измерение фазового сдвига, вносимого каналом, затруднительно, для оценки фазовых искажений рассматривают частотную характеристику группового времени прохождения – ГВП (или замедления – ГВЗ):

t (w) = db (w) / dw,

где b (w) – фазо-частотная характеристика. Примерный вид частотной характеристики ГВП показан на рис.3.4 (линия 2).

Частотные характеристики остаточного затухания, фазового сдвига или группового времени прохождения определяют линейные искажения, вносимые каналами передачи при прохождении по ним сигналов электросвязи.

Зависимость мощности, напряжения, тока или их уровней на выходе канала от мощности, напряжения, тока или их уровней на входе канала называется амплитудной характеристикой – АХ. Под АХ канала понимается также зависимость остаточного затухания канала от уровня сигнала на его входе, т.е. а_r = j_а (р_вх), измеренная на некоторой обусловленной постоянной частоте измерительного сигнала на входе канала, т.е. f_изм = const.

Амплитудная характеристика канала может быть представлена различными зависимостями, показанными на рис.3.5: U_вых = j_н (U_вх) (рис.3.5 а, линии 1 и 2), А_r = j_А (р_вх) (рис. 3.5 б, линия 1), р_вх = j_р (р_вых) (рис. 3.5 б, линии 2 и 3), где приняты следующие обозначения: U_вх, U_вых – напряжения сигнала на входе и выходе канала соответственно; р_вх,, р_вых – уровни (напряжения, мощности) сигналов на входе и выходе канала соответственно; а_r – остаточное затухание канала передачи.

Из рассмотрения графиков, представленных на рис.3.5 видно, что АХ имеет три участка:

1) нелинейный участок при малых значениях напряжения или уровней сигнала на входе канала. Нелинейность АХ при этом объясняется соизмеримостью напряжения или уровня сигнала с шумами самого канала;

2) линейный участок при значениях напряжения или уровня входного сигнала, для которого характерна прямая пропорциональная зависимость между напряжением (уровнем) сигнала на входе канала и напряжением (уровнем) сигнала на выходе канала;

3) участок с существенной нелинейностью при значениях входного напряжения (уровня) сигнала выше максимального U_макс (р_макс), для которого характерно появление нелинейных искажений. Если угол наклона прямой, соответствующей линейному участку АХ, равен 45⁰, то напряжение (уровень) сигнала на выходе канала равно напряжению (уровню) на его входе. Если угол наклона меньше 45⁰, то в канале имеет место затухание, а если угол наклона больше 45⁰, то в канале имеет место усиление. Если а_r> 0, то канал вносит затухание (ослабление), если а_r < 0, то канал передачи вносит остаточное усиление.

Незначительная нелинейность АХ при малых значениях входного напряжения или уровня сигнала не влияет на качество передачи и ею можно пренебречь. Нелинейность АХ при значительных значениях напряжения или уровня входного сигнала, выходящих за пределы линейного участка АХ, проявляются в возникновении гармоник или комбинационных частот выходного сигнала. По АХ можно лишь приблизительно оценить величину нелинейных искажений. Более точно величина нелинейных искажений в каналах оценивается коэффициентом нелинейных искажений или затуханием нелинейности.

Рис.3. 5 - Амплитудные характеристики канала передачи

или ,

где U_1г – действующее значение напряжения первой (основной гармоники измерительного сигнала; U_2г, U_3г и т.д.– действующие значения напряжений второй, третьей и т.д. гармоник сигнала, возникших из-за нелинейности АХ канала передачи. Кроме того, в технике многоканальных телекоммуникационных систем передачи широко пользуются понятием затухания нелинейности по гармоникам

а_нг = 20 lg (U_1г / U_nг) = р_1г - р_nг, n = 2, 3 …,

где р_1г – абсолютный уровень первой гармоники измерительного сигнала, р_nг – абсолютный уровень n –ой гармоники, обусловленной нелинейностью АХ канала.

Цифровые каналы характеризуются скоростью передачи, а качество передачи сигналов оценивается коэффициентом ошибки, под которым понимается отношение числа элементов цифрового сигнала, принятых с ошибками к общему числу элементов сигнала, переданных в течение времени измерения

К_ош = N_ош / N = N_ош / ВТ,

где N_ош – число ошибочно принятых элементов; N – общее число переданных элементов; В – скорость передачи в бодах; Т – время измерения (наблюдения).

Телекоммуникационные системы должны быть построены таким образом, чтобы каналы обладали бы определенной универсальностью и были бы пригодны для передачи различного вида сообщений. Такими свойствами обладают типовые каналы, параметры и характеристики которых нормированы. Типовые каналы могут быть простыми, т.е. не проходящим через оборудование транзита,и составными, т.е. проходящими через оборудование транзита.

Раздел 3.3. Типовые каналы передачи

Дата добавления: 2014-10-17