Лекция 4

Канал тональной частоты. Типовой аналоговый канал передачи с полосой частот 300…3400 Гц и с нормированными параметрами и характеристиками называется каналом тональной частоты – КТЧ.

Нормированная (номинальная величина) относительного (измерительного) уровня на входе КТЧ равна р_вх = - 13 дБм 0, на выходе КТЧ р_вых = + 4 дБм 0. Частота измерительного сигнала принимается равной f_изм = 1020 Гц (ранее 800 Гц). Таким образом, номинальное остаточное затухание КТЧ равно а_r = - 17 дБ, т.е. КТЧ вносит усиление равное 17 дБ.

Эффективно передаваемой полосой частот КТЧ (составного и максимальной протяженности) называется полоса, на крайних частотах которой (0,3 и 3,4 кГц) остаточное затухание а_r на 8,7 дБ превышает величину остаточного затухания на частоте 1020 Гц (ранее 800 Гц).

Частотная характеристика отклонений остаточного затухания Dа_r от номинального значения (- 17 дБ) должна оставаться в пределах шаблона, приведенного на рис. 3.6.

Чтобы выполнить требования к частотной характеристики остаточного затухания, ее неравномерность для простого канала длиной 2500 км должна укладываться в переделы, указанные в табл. 3.1.

Рис. 3.6 – Шаблон допустимых отклонений остаточного затухания КТЧ

Таблица 3.1

f, кГц	0,3…0,4	0,4…0,6	0,6…2,4	2,4…3,0	3,0…3,4
Dаr,, дБ	1,4	0,72	0,6	0,72	1,4

Фазо-частотные искажения мало влияют на качество передачи речевых сигналов, но так как КТЧ используется для передачи и других первичных сигналов, большие фазо-частотные искажения или неравномерность частотной характеристики группового времени прохождения (ГВП) недопустимы. Поэтому нормируются отклонения ГВП от его значения на частоте 1900 Гц для простого канала длиной 2500 км, табл.3.2.

Таблица 3.2

f, кГц	0,4	0,6	0,8	1,0	1,4	1,6	2,2	2,4	2,8	3,0	3,2	3,3
Dt, мс	2,4	1,5	1,1	0,6	0,4	0,1	0,1	0,15	0,45	0,75	1,35	1,9

Естественно, что для составных каналов отклонения ГВП будут во столько раз больше, сколько простых каналов организуют составной.

Амплитудная характеристика КТЧ нормируется следующим образом: остаточное затухание простого канала должно быть постоянным с точностью до 0,3 дБ при изменении уровня измерительного сигнала от –17,5 до +3,5 дБ в точке с нулевым измерительным уровнем на любой частоте в переделах ЭППЧ. Коэффициент нелинейных искажений для простого канала не должен превышать 1,5% (1% по 3-й гармонике) при номинальном уровне передачи на частоте 1020 Гц.

Нормирование касается и степени согласования входного и выходного сопротивлений КТЧ с сопротивлениями внешних цепей – нагрузок: внутренним сопротивлением источника передаваемых сигналов и сопротивлением нагрузки. Входное и выходное сопротивление КТЧ должны быть чисто активные и равны R_вх = R_вых = 600 Ом. Вход и выход канала должны быть симметричными, коэффициент отражения d или затухание несогласованности (отражения) а_d равные соответственно не должны превышать 10% или 20 дБ.

не должны превышать 10% или 20 дБ. Здесь Z_н – номинальное, а Z_р – реальное значение сопротивления.

Важным показателем качества передачи по КТЧ является мощность помех, которые измеряются специальным прибором, называемым псофометром (“псофос” – по-гречески означает шум). Псофометр представляет вольтметр с квадратичной характеристикой выпрямления. Выбор такой характеристики объясняется тем, что ухо складывает шумы от отдельных источников по мощности, а мощность пропорциональна квадрату напряжения или тока. От обычных квадратичных вольтметров псофометры отличаются наличием у них частотной зависимости чувствительности. Эта зависимость учитывает различную чувствительность уха на отдельных частотах, входящих в состав спектра помех и шумов, и формируется взвешивающим псофометрическим фильтром.

При подаче на вход псофометра напряжения частотой 800 Гц с нулевым измерительным уровнем его показание будет равно 775 мВ. Для получения того же значения при иных частотах уровни должны быть большей частью выше. Напряжение помех, измеренное псофометром U_псоф, связано с эффективным напряжением U_эфф соотношением U_псоф = k_п× U_эфф, здесь k_п = 0,75 называется псофометрическим коэффициентом.

Напряжение помех или шумов, измеренное псофометром, называется псофометрическим напряжением. Мощность, определяемая псофометрическим напряжением на некотором сопротивлении R, называется псофометрической мощностью, которая равна P_псоф = k_п×U²_эфф/R = 0,56 U ²_эфф R.

Средний уровень мощности помех с равномерным спектром оказывается при псофометрических измерениях в полосе частот 0,3…3,4 кГц на 2,5 дБ (или в 1,78 раза) меньше, чем при измерениях действующих (эффективных) значений. Величина 2,5 дБ называется логарифмическим псофометрическим коэффициентом.

Псофометрическая мощность помех в точке с нулевым измерительным уровнем КТЧ максимальной протяженности, состоящего из максимального числа простых каналов, не должна превышать 50000 пВтп 0(пиковатт псофометрических в точке нулевого относительного уровня). Соответствующее значение эффективной (невзвешенной) допустимой мощности помех составляет 87000 пВт. Псофометрическая мощность помех простого канала длиной 2500 км не должна превышать 10000 пВтп 0.

Нормируются также допустимые величины средней и пиковой мощности телефонных сигналов на входе КТЧ: в точке нулевого относительного уровня среднее значение мощности составляет 32 мкВт, а пиковое – 2220 мкВт.

Динамический диапазон КТЧ составляет величину 30…35 дБ.

Знание ширины полосы частот КТЧ, средней мощности передаваемого сигнала, значения невзвешенной мощности помех позволяет оценить его пропускную способность, которая оказывается приблизительно равной 25 кбит/с.

Канал звукового вещания. Типовой канал передачи с ЭППЧ 30…15000 Гц (50…10000 или 80…6300 Гц), предназначенный для передачи сигналов звукового вещания, называется каналов звука (КЗ) высшего (второго, третьего) класса. К типовым КЗ относятся каналы передачи сигналов звукового сопровождения телевидения.

Ширина полосы частот КЗ выбирается таким образом, чтобы обеспечить передачу всех составляющих первичного сигнала звукового вещания, существенно влияющих на качество воспроизведения речевой и музыкальной программ. Эффективно передаваемой полосой частот (ЭППЧ) КЗ называется полоса частот, на крайних частотах которой остаточное затухание превосходит затухание на частоте 1020 (800) Гц на величину не более Dа_в = 4,3 дБ.

Нижняя граничная частота ЭППЧ КЗ обычно принимается равно 30…80 Гц. Значение верхней граничной частоты определяется характеристиками аппаратуры вещания и трансляционных сетей, осуществляющих распределение программ вещания. В большинстве случаев эта частота лежит в переделах 6300…15000 Гц. Граничные частоты КЗ выбираются так, чтобы произведение крайних часто ЭППЧ составляло 450000….500000. Значительные отклонения от указанного условия приводят к преобладанию в принимаемой по КЗ программе низких (глухой тембр) или высоких (металлический тембр) тонов.

Амплитудно-частотные искажения в КЗ изменяют соотношение громкостей составляющих звука. Поэтому неравномерность частотной характеристики остаточного затухания КЗ должна быть не более ±(1…2) дБ на средних частотах и ± 4,3 дБ – на краях ЭППЧ.

Ухо является частотным анализатором и поэтому мало чувствительно к фазо-частотным искажениям, Однако при больших громкостях значительные изменения фазовых соотношений между обертонами сигнала вещания воспринимаются как изменения тембра и громкости. Поэтому фазо-частотные искажения в КЗ должны быть не более допустимых. Разность ГВП на нижней граничной частоте КЗ и на частоте 1020 (800) Гц ограничивается величиной 50…80 мс, а на верхней граничной частоте и на частоте 1020 (800) Гц – не более 10 мс.

Динамический диапазон сигналов вещания очень велик. Современные КЗ не могут обеспечить передачу сигналов, имеющих такой динамический диапазон. Ограничением «сверху» является перегрузка канала, ограничением «снизу» – помехи. Динамический диапазон КЗ в 40 дБ можно считать вполне удовлетворительным. Защищенность от помех различного происхождения не должна опускаться ниже 60 дБ.

Допуск на величину нелинейных искажений обычно задают по коэффициенту нелинейных искажений k_н, величина которого не может быть более 0,03. Требования к параметрам и характеристикам КЗ приведены в табл. 3.3.

Таблица 3.3

Параметры, характеристики	Единица измерения	Класс канала звукового вещания
высший	первый	второй
1. Ширина ЭППЧ	Гц	30…15000	50…10000	80…6300
2. Остаточное затухание на частоте 1020 (800) Гц	дБ	0 ± 2	0 ± 2	0 ± 2
3. Коэффициент нелинейных искажений		0,0008… 0,018	0,01…0,03	0,01…0,03
4. Неравномерность ГВП tнч - tмин tвч - tмин, здесь tмин – минимальное значение ГВП; tнч – значение ГВП на нижней граничной частоте ЭППЧ; tвч – значение ГВП на верхней граничной частоте ЭППЧ	мс

Разность между максимальным уровнем сигнала и уровнем псофометрического напряжения помех на выходе КЗ протяженностью l км определяется по формуле а_зкз = 53 + 10 lg (12500/ l).

Допустимое отклонение остаточного затухания КЗ высшего класса следующее: в полосе частот от 30 до 50 Гц DА_кз = 4,35 дБ; в полосе частот от 50 до 10000 Гц величина Dа_зк = 1 дБ и в полосе частот от 10000 до 15000 Гц это отклонение не превышает 4,35 дБ.

Допустимое отклонение остаточного затухания КЗ первого класса: в полосах частот от 50 до 100 Гц и от 8500 до 10000 не хуже 4,35 дБ, в полосах частот от 100 до 200 Гц и от 6000 до 8500 Гц – 2,5 дБ, в полосе частот от 200 до 6000 Гц это значение не превышает 1,7 дБ.

Неравномерность частотной характеристики остаточного затухания КЗ в сторону занижения не должна превышать 1…1,5 дБ.

Канал изображения. Типовой канал, предназначенный для передачи полного цветного телевизионного сигнала, называется каналом изображения – КИ.

Важнейшей характеристикой качества телевизионного изображения является четкость, позволяющая оценить способность канала передавать мельчайшие детали изображения.

Четкость изображения зависит от размеров развертывающего пятна передающей телевизионной трубки, числа строк разложения кадра, ширины ЭППЧ и от частотных характеристик КИ в пределах этой полосы частот. Необходимая ширина ЭППЧ канала изображения может быть установлена следующим образом.

Границе между различными по яркости полями передаваемого изображения соответствует скачкообразное изменение напряжения видеосигнала. Время изменения напряжения t_ф1 (т.е. длительности фронта сигнала) зависит от четкости границ изображения, размеров сечения развертывающего луча и скорости развертки. Длительность фронта сигнала на выходе КИ будет больше длительности фронта исходного сигнала: t_ф2 = t_{ф1 +} D t. Для достаточно четкого воспроизведения изображения надо, чтобы при t_ф1 ® 0 вносимое КИ увеличение длительности сигнала не превышало длительности t_э пробега луча по мельчайшему элементу изображения. При числе строк N_с = 625кадров N_к = 25 t_э =0,083 мксек и, следовательно, увеличение длительности фронта передаваемых по КИ сигналов должно быть не более Dt = 0,083 мксек.

Если КИ в полосе пропускания 0… f₂ не вносит частотных искажений, то увеличение длительности нарастания скачка напряжения может составлять Dt» 1/ f₂. Исходя из этого, верхняя граничная частота тракта видеосигнала должна быть не ниже f₂ = 1/(2 Dt) = 1/(2 t_э) = 1/(2×0,083× 10 ^{– 6})» 6 МГц, а с учетом передачи соответствующих градаций цветности принимается равным 6,5 МГц. Следовательно, ЭППЧ занимает диапазон 0… 6,5 МГц.

В пределах ЭППЧ частотные и фазовые искажения не должны превышать допустимых, иначе вызванные ими изменения соотношений между амплитудами и фазами составляющих видеосигнала исказят форму последнего на экране приемной телевизионной трубки.

При определении требований к характеристикам КИ в границах ЭППЧ необходимо учитывать следующее.

Различию между полями яркости изображения соответствует видеосигнал, имеющий форму ступеньки напряжением DU₁ c длительностью фронта t_ф1. Если бы КИ обладал характеристиками идеального фильтра нижних частот с частотой среза f_c = 6,5 МГц, то ступенька напряжения DU₂ на выходе канала имела бы длительность фронта t_ф2 > t_ф1, а установление напряжения DU₂ носило бы колебательный характер.

Продолжительность колебательного процесса возрастает с уменьшением f₂, а величина первого, наибольшего, выброса будет тем больше, чем меньше t_ф1 исходного сигнала. При t_ф1 ® 0 выброс достигает 0,09 DU₂.

Монотонное (по мере роста частоты) увеличение затухания в полосе 0… f₂ увеличивает t_ф2 и уменьшает выбросы. Монотонное уменьшение затухания приводит к обратному эффекту. Монотонное изменение затухания только на верхних частотах ЭППЧ влияет на переходной процесс меньше, чем такой же величины монотонное изменение затухания на нижних частотах. Волнообразное изменение затухания приводит к появлению дополнительных сигналов (эхо-сигналов), сдвинутых во времени относительно основного сигнала.

Монотонность фазо-частотных характеристик мало сказывается на времени нарастания выходного напряжения, но резко увеличивает выбросы и вызывает несимметричное искажение переднего и заднего фронтов импульсных сигналов. Волнообразное изменение фазо-частотных характеристик приводит к появлению дополнительных сигналов (эхо-сигналов) разной полярности, сдвинутых (во времени) относительно основного сигнала.

Частотные и фазовые искажения тем меньше влияют на переходной процесс, чем выше диапазон частот, в котором они наблюдаются.

Увеличение длительности фронта сигналов снижает контрастность изображения, а выбросы напряжения приводят к окантовке вертикальных границ полей изображения. Дополнительные импульсы вызывают повторное (сдвинутое относительно основного) изображение.

Причиной появления повторных изображений может быть также несогласованность входных/выходных сопротивлений четырехполюсников, составляющих КИ.

Нелинейные искажения, обусловленные нелинейностью амплитудной характеристики канала, приводят к изменению соотношения амплитуд последовательности телевизионных сигналов и, следовательно, к изменению соотношения яркостей элементов изображения. Чрезмерные нелинейные искажения могут нарушить нормальную работу системы синхронизации.

Разнообразно влияние помех различного происхождения и характера на качество передачи телевизионных сигналов.

Периодическая помеха, частота которой кратна частоте полукадров, приводит к появлению на экране кинескопа темных горизонтальных полос. Степень потемнения зависит от амплитуды помехи, а число темных полос на экране – от соотношения частот помехи и полукадров. Чем выше частота помехи, тем больше темных полос.

Если частота помехи некратна частоте следования полукадров, то темные полосы будут перемещаться в вертикальном направлении. Скорость перемещения возрастает с увеличением разности частот помехи и ближайшей к ней гармоники частоты полукадров.

Периодическая помеха с частотой f_п кратной частоте строк, т.е. f_п = mF_c, в течение передачи одной строки создает m периодических изменений напряжения видеосигнала. На экране кинескопа это вызывает появление чередующихся по яркости участков на каждой строке. Поскольку за время передачи строки проходит целое число периодов помехи, участки потемнения и посветления каждой последующей строки оказываются точно под аналогичными участками предыдущей строки. Так как за время передачи кадра проходит целое число периодов помехи, то в каждом последующем кадре участки посветления и потемнения строк сохраняют свое положение на экране. Чем выше частота помехи, тем больше число периодов помехи проходит за время передачи одной строки, тем большее число темных полос будет на экране и тем более узкой будет каждая из них.

Периодическая помеха с частотой не кратной частоте строк приводит к появлению на экране кинескопа сетки подвижных наклонных полос.

Кратковременные импульсные помехи вызывают появление светлых и темных горизонтальных полосок, длина которых зависит от длительности импульсной помехи.

Выбросы флуктуационных помех приводят к появлению светлых и темных точек, беспорядочно возникающих в различных участках кинескопа. При значительных флуктуационных помехах мерцающие точки создают подобие пленки, снижающей четкость и контрастность принимаемого изображения.

Нормы на частотные искажения в КИ определяются по шаблонам. Для каналов с верхней граничной частотой до 6,5 МГц допускаются отклонения частотной характеристики остаточного затухания от идеальной в переделах ±2 дБ и группового времени прохождения (ГВП) в переделах ± 0,3 мкс в диапазоне 0…1,2 МГц и монотонное увеличение отклонений частотной характеристики затухания до 2…4 дБ и ГВП до ±0,5 мкс на частотах 1,2… 6,5 МГц.

Отношение размаха сигнала изображения к напряжению взвешенной флуктуационной помехи, измеренной на выходе КИ, должно быть не меньше 57 дБ в течение 99 % времени. Эта величина может снижаться до 49 дБ в течение 0,1 % времени.

Отношение размаха сигнала изображения к размаху периодической помехи должно быть не менее: 30 дБ для помехи в полосе частот 50…100 Гц; 50 дБ для помехи в полосе частот от 1 кГц до 1 МГц и [50 – 4 (f_п – 1)] дБ для помехи в полосе частот от 1 до 6 МГц (f_п – частота помехи, МГц).

Номинальная величина входного и выходного сопротивлений КИ должна быть равна 75 Ом при затухании несогласованности (отражения) не менее 24 дБ.

Широкополосные и цифровые каналы. К широкополосным каналам (трактам) относятся: предгрупповой (ПШКГ), первичный (ПШК), вторичный (ВШК), третичный (ТШК) и четверичный (ЧШК) широкополосные каналы.Для организации связи на телекоммуникационных сетях параметры и характеристики этих каналов должны быть унифицированы независимо от оборудования их образования.

Основные нормы на электрические характеристики и параметры широкополосных каналов приведены в табл. 3.4.

Величины номинальных измерительных уровней, остаточного затухания и амплитудная характеристика измеряются на частотах 18 кГц для предгруппового, 82 кГц для первичного, 420 кГц для вторичного и 1545 кГц для третичного широкополосного канала.

Таблица 3.4

Параметры и характеристики	Типовые широкополосные каналы
ПГШК	ПШК	ВШК	ТШК	ЧШК
1. Границы ЭППЧ, кГц	12,3…23,4	60,6…107,7	312,3…551,4	812,6…2043,7	8515…12388
2.Номинальная величина входного и выходного сопротивления, Ом
3. Номинальный относительный измерительный уровень, дБм 0: - на входе - на входе	- 36 - 14	- 36 - 23	- 36 - 23	- 36 - 23	- 36 - 23
4.Остаточное затухание, дБ	- 22	-13	-13	-13	-13
5.Допустимая неравномерность частотной характеристики остаточного затухания, дБ	± 0,87	± 0,87	±0,87	± 0,5	± 0,15
6.Допустимые отклонения группового времени прохождения, мкс в полосе, кГц	13…23	65…103	330..530	0,25 900…1900	0,25 9300…11700
7.Амплитудная характеристика прямолинейна при изменении уровня, дБм в сторону уменьшения в сторону увеличения с точностью ± дБ	- 10	- 10	- 10	- 10	- 10
8. Средняя мощность сигнала в точке с нулевым относительным уровнем, мВт 0	0,096	0,348	1,92	9,6
9. Уровень среднего невзвешенного шума (за час), дБм 0 при протяженности канала 2500 км	- 42	- 35	- 28	- 21	- 16
10.Пропускная способность не ниже, бит/с	82×10^3	330×10^3	165×10^4	8,5×10^6	33×10^6

На телекоммуникационных сетях организуются типовые цифровые каналы (тракты), основными из которых являются:

- основной цифровой канал (ОЦК) со скоростью передачи 64 (1±50×10^-6) кбит/с;

- субпервичный цифровой канал (СПЦК) со скоростью передачи 480 (1±50×10^-6) кбит/с;

- первичный цифровой канал (ПЦК) со скоростью передачи 2048 (1±50×10^-6) кбит/с;

- вторичный цифровой канал (ВЦК) со скоростью передачи 8448 (1±30×10^-6) кбит/с;

- третичный цифровой канал (ТЦК) со скоростью передачи 34368 (1±20×10^-6) кбит/с;

- четверичный цифровой канал (ЧЦК) со скоростью передачи 139264 (1±15×10^-6) кбит/с.

Качество передачи по цифровым каналам определяется коэффициентом ошибок, о котором говорилось выше.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Что такое канал передачи? Его структурная схема и требования к основным элементам.

2. Канал передачи как четырехполюсник. Перечислите основные параметры характеристики канала и поясните их физическую сущность.

3. Остаточное затухание канала передачи, его оценка и влияние на качество передачи.

4. Эффективно-передаваемая полоса частот канала, ее влияние на качество передачи.

5. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) канала тональной частоты. Влияние АЧХ канала на качество передачи.

6. Фазочастотная характеристика (ФЧХ) канала тональной частоты. Влияние ФЧХ канала на качество передачи.

7. линейные искажения, причины их возникновения и способы оценки.

8. Амплитудная характеристика (АХ) канала тональной частоты. Формы представления АХ канала.

9. нелинейные искажения, причины их возникновения и оценка.

Дата добавления: 2014-10-17