литература / Крухмалев В.В., Гордиенко В.Н. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей, 2004

на воздействие в виде единичной функции, и импульсная характеристика, т.е. отклик на воздействие в виде единичного импульса.

При передаче импульсных сигналов (телеграфных, передачи данных) или факсимильных и телевизионных сигналов, для правильного приема которых необходимо точное восстановление их формы, качество канала удобнее оценивать по временным характеристикам; при передаче телефонных сигналов и сигналов звукового вещания, для которых важно восстановить на приеме спектральную плотность передаваемого сигнала, качество канала удобнее оценивать по частотным характеристикам. Метод оценки по частотным характеристикам (спектральный метод) находит более широкое применение, так как:

1)частотные характеристики каскадного соединения нескольких четырехполюсников легко определяются по характеристикам отдельных четырехполюсников, входящих в состав этого соединения. Временные характеристики не поддаются таким простым расчетам;

2)частотные характеристики легче измерить с необходимой степенью точности, тогда как точное измерение временных характеристик является более сложной задачей;

3)по частотным характеристикам канала можно определить его временные характеристики, тогда как обратная задача не всегда может быть решена.

Видеальном случае отсутствие линейных искажений в канале соответствует постоянству коэффициента передачи или остаточного затухания и линейности фазовой характеристики во всем диапазоне частот от 0 до бесконечности, т.е.

где b0 = ± 2кя, к = 0, 1, 2, ...

Условие (8) соответствует постоянству группового времени про-

Условия (7-9) называется условиями неискаженной передачи.

Для полосы частот канала fH...fe условия неискаженной передачи графически представлены на рис. 5.

то напряжение (уровень) сигнала на выходе канала равно напряжению (уровню) на его входе; если угол наклона меньше 45°, то в канале имеет место затухание, а если угол наклона больше 45°, то в канале имеет место усиление. Если Аг > 0, то канал вносит затухание (ослабление), если Аг< 0, то канал передачи вносит остаточное усиление.

Рис. 6. Амплитудные характеристики канала передачи

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, характеризуется появлением нелинейных искажений, которые проявляются в возникновении гармоник или комбинационных частот входного сигнала. По АХ можно лишь приблизительно оценить величину нелинейных искажений. Более точно величина нелинейных искажений в каналах оценивается коэффициентом нелинейных искажений или за-

туханием нелинейности

где и1г - действующее значение напряжения первой (основной) гармоники измерительного сигнала; и2г, и ^ 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 гар-

моникам

где ри - абсолютный уровень первой гармоники измерительного сигнала; рпг - абсолютный уровень л-й 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

где Л/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 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 проходящими через оборудование транзита, и составными, т.е. проходящими через оборудование транзита.

Типовые каналы передачи

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 рвх = - 13 дБмО, на выходе КТЧ рвых = + 4 дБмО. Частота измерительного сигнала принимается равной fU3M = 1020 Гц (ранее 800 Гц). Таким образом, номинальное остаточное затухание КТЧ равно Аг = - 17 дБ, т.е. КТЧ вносит усиление, равное 17 дБ.

Эффективно передаваемой полосой частот КТЧ (составного и максимальной протяженности) называется полоса, на крайних

1020 Гц (ранее 800 Гц).

Частотная характеристика отклонений остаточного затухания ЛАг от номинального значения (-17дБ) должна оставаться в пределах шаблона, приведенного на рис. 7.

ААГ..ДБ

і

Рис. 7. Шаблон допустимых отклонений остаточного затухания КТЧ

Чтобы выполнить требования к частотной характеристике остаточного затухания, ее неравномерность для простого канала длиной 2500 км должна укладываться в пределы, указанные в табл. 1.

Фазочастотные искажения мало влияют на качество передачи речевых сигналов, но так как КТЧ используется для передачи и других первичных сигналов, большие фазочастотные 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. 2).

Т а б л и ц а 2

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 пределах 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 (1н1) и сопротивлением нагрузки ^н 2 ). Входное и выходное сопротивление КТЧ чисто активные и равны Явх = Явых = 600 Ом.

не должны превышать 10 % или 20 дБ соответственно.

Важным показателем качества передачи по КТЧ является мощность помех, которые измеряются специальным прибором, называемым псофометром («псофос» - по-гречески означает «шум»). Псофометр представляет собой вольтметр с квадратичной характеристикой выпрямления. Выбор такой характеристики объясняется тем, что ухо складывает шумы от отдельных источников как их 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 форми-

775 мВ. Для получения того же значения при иных частотах уровни должны быть большей частью выше. Напряжение помех, измеренное псофометром ипсоф, связано с эффективным напряжением С/эфф соотношением ипСоф = кп-иэфф, здесь кп = 0,75 называется псофометрическим коэффициентом. Напряжение помех или шумов, измеренное псофометром, называется псофометрическим напряжением;

мощность, определяемая псофометрическим напряжением на некотором сопротивлении Я, называется псофометрической мощностью, которая равна \Мпсоф = к2п 1/эфф/П = 0,56 (Лфф/Я.

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

тельного уровня). Соответствующее значение эффективной (не- взвешенной) допустимой мощности помех составляет 87 ООО пВтО. Псофометрическая мощность помех простого канала длиной 2 500 км не должна превышать 10 ООО пВтО.

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

Динамический диапазон КТЧ составляет величину 30...35 дБ. Знание ширины полосы частот КТЧ, средней мощности переда-

ваемого сигнала, значения невзвешенной мощности помех позволяет оценить с помощью формулы (7) лекции 2 его пропускную способность, которая оказывается приблизительно равной 25 кбит/с.

Канал звукового вещания. Типовой канал передачи с ЭППЧ

кового вещания (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 1 020 (800) Гц на величину не более ААв = 4,3 дБ.

Нижняя граничная частота ЭППЧ КЗ обычно принимается равной 30...80 Гц. Значение верхней граничной частоты определяется характеристиками оборудования канала вещания и трансляционных сетей, осуществляющих распределение программ вещания. В большинстве случаев эта частота лежит в пределах 6 300... 15 000 Гц. Окончатель-

но граничные частоты КЗ выбираются так, чтобы произведение крайних частот ЭППЧ составляло 450 ООО....500 ООО. 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 1 020 (800) Гц ограничивается величиной 50...80 мс, а на верхней граничной частоте и на частоте 1 020 (800) Гц - не более 10 мс.

Динамический диапазон сигналов вещания очень велик. Современные КЗ не могут обеспечить передачу сигналов такого динамического диапазона. 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 кн, величина которого не может быть более 0,03. Требования к параметрам и характеристикам КЗ приведены в табл. 3.

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

Допустимое отклонение остаточного затухания КЗ высшего класса следующее: в полосе частот от 30 до 50 Гц ЛАКЗ = 4,35 дБ; в полосе

частот от 50 до 10 000 Гц величина ЛАЗК = 1 дБ и в полосе частот от 10 000 до 15 000 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 10 000 не хуже 4,35 дБ, в полосах частот от 100 до 200 Гц и от 6 000 до 8 500 Гц - 2,5 дБ, в полосе частот от 200 до 6 000 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 тф1 (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: тф2 = тф1 + А т. Для достаточно четкого воспроизведения изображения надо, чтобы при тф1 -> 0 вносимое КИ увеличение длительности сигнала не превышало длительности

и пробега луча по мельчайшему элементу изображения. При числе строк 2С = 625 кадров = 25 /э= 0,083 мкс и, следовательно, увеличение длительности фронта передаваемых по КИ сигналов должно быть не более Лт= 0,083 мкс.

Если КИ в полосе пропускания 0...А2не вносит частотных искажений, то увеличение длительности нарастания скачка напряжения может составлять Лт~ ЛН2. Исходя из этого, верхняя граничная частота тракта видеосигнала должна быть не ниже ^ = 1/(2/47) = 1/(2 (,) = = 1/(2 - 0,083 - 10"6) = 6 МГц, а с учетом передачи соответствующих градаций цветности принимается равной 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 Ли1 с длительностью фронта тф1. Если бы КИ обладал характеристиками идеального фильтра нижних частот с частотой среза £ = 6,5 МГц, то ступенька напряжения ли2 на выходе канала имела бы длительность фронта Тф2 > Гфь а установление напряжения ли2 носило бы колебательный характер.

Продолжительность колебательного процесса возрастает с уменьшением ^ а величина первого, наибольшего, выброса будет тем больше, чем меньше Тф1 исходного сигнала. При гф г -> 0 выброс достигает 0,09ли2.

Монотонное (по мере роста частоты) увеличение затухания в полосе 0...^ увеличивает тф2 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 фазочастотных характеристик мало сказывается на времени нарастания выходного напряжения, но резко увеличивает выбросы и вызывает несимметричное искажение переднего