книги / Многоканальная связь и РРЛ

0

Основной задачей техники многоканальной передачи является^ создание систем передачи, позволяющих передавать по одной ли” нии одновременно большое количество однородных или разнород­ ных сигналов электрической связи. Развитие народного хозяйства СоветскогоуСоюза и быстрый прогресс в области науки, техники и культуры требуют передачи все большего количества информа­ ции средствами связи, как на короткие расстояния — внутри горо­ дов, районов, областей, так и на дальние расстояния — между городами, областями, странами, вплоть до глобальной передачи между материками. Современные системы связи должны обеспе­ чивать высококачественную и надежную передачу всех потоков информации любого вида: телефонной и видеотелефонной, теле­ графной, программ звукового вещания и телевидения, докумен­ тальной факсимильной в виде текстов, чертежей 'или фотографий, текста центральных газет для печатания их в месте приема, циф­ ровой информации для ЭВМ, сигналов телеуправления в автома­ тизированных системах управления (АСУ), измерительных сигна­ лов и т. д. Без использования систем многоканальной передачи невозможно нормальное функционирование народного хозяйства.

Практическое осуществление многоканальных систем началось в 20—30-х годах. Первыми были 3- и 12-канальные системы пере­ дачи по воздушным линиям. Бурное развитие техники многока­ нальной передачи началось после Великой Отечественной войны. Были созданы системы передачи по кабельным линиям на 24, 60, 120, 300, 1920 и 3600 каналов. Началось строительство многока­ нальных радиорелейных линий (РРЛ). В 60-х годах появились спутниковые линии многоканальной передачи. В 70-х годах начали находить широкое применение многоканальные цифровые системы передачи. Теоретические основы построения цифровых систем были основаны на трудах советских ученых, и прежде всего В. А. Ко,- тельникова.

На XXIII съезде КПСС было принято решение о создании еди­ ной автоматизированной сети связи (ЕАСС) для передачи всех видов информации. Развитие ЕАСС проводится на основании ре­ шений последующих съездов. Основой ЕАСС является так назы­ ваемая первичная сеть ЕАСС, представляющая собой совокуп­ ность сетевых узлов, сетевых станций и линий передачи, соеди­ няющих их между собой. В состав ЕАСС входят местные (город­ ские, сельские) сети, объединяемые во внутризоновые сети. Внут­ ризоновые сети с помощью магистральных линий и сетевых узлов

объединяются в единую сеть страны, имеющую выходы на меж­ дународную сеть связи.

На первичной сети в качестве линий передачи используются: проводные — кабельные и воздушные, радиолинии — радиорелей­ ные линии прямой видимости, тропосферные линии, системы связи через искусственные спутники Земли (ИСЗ), линии коротковол­ новой радиосвязи. В последние годы начинают применяться линии оптической связи. Эффективное использование всех этих линий достигается применением многоканальных систем передачи.

На основе первичной сети ЕАСС организуются так называемые вторичные сети: телефонная, телеграфная, сеть передачи данных

идр., при этом используются каналы первичной сети. Важнейшей

инаиболее развитой вторичной сетью является телефонная сеть.

Максимальная протяженность линий магистральной связи до­ стигает 12 500 км, протяженность линий .внутризоновой связи не превышает 600 км, протяженность линий местной связи не превы­ шает 100 км.

Как известно, системы многоканальной передачи по линиям связи строятся в основном либо путем частотного разделения каналов (ЧРК), либо путем разделения каналов во времени (ВРК). В системах с ЧРК все сигналы, подлежащие передаче по одной линии связи, переносятся путем модуляции непрерывных несущих колебаний в различные диапазоны частот и разделяются на приеме с помощью электрических фильтров. В системах с ВРК все передаваемые сигналы преобразуются в импульсы, дискретные по времени. Наибольшее распространение получили системы с ВРК, в-которых сигналы преобразуются в цифровую форму, при­ чем, как правило, используется двоичный код: все сигналы пере­ даются в виде последовательностей единиц и нулей. Эти системы называются цифровыми системами передачи.

Общеизвестным преимуществом ЦСП является их высокая по­ мехоустойчивость и возможность применения в аппаратуре эле­ ментов современной микроэлектроники. При передаче на большие расстояния преимуществом ЦСП является возможность восстанов­ ления (регенерации) сигналов на промежуточных станциях. Это устраняет эффект накопления помех и искажений, характерный для систем с ЧРК при большой дальности передачи.

Однако ЦСП при том же числе передаваемых сигналов (при том же числе каналов), что и в системах с ЧРК, требуют значи­ тельного расширения используемой полосы частот. Это усложняет применение многоканальных ЦСП на линиях, затухание которых возрастает с повышением частоты.

Системы передачи с ЧРК исторически начали развиваться зна­ чительно раньше цифровых. В настоящее время многоканальные системы с ЧРК широко распространены во всех странах мира и могут надежно работать еще в течение десятков лет. Поэтому, несмотря на преимущества цифровых систем передачи, вытесне­ ние ими систем с ЧР.К на существующих линиях будет носить длительный характер и, по мнению специалистов, сосуществование

этих двух типов систем будет продолжаться до конца 20-го столе­ тия или даже дольше.

Основным типовым каналом в первичной сети ЕАСС является канал тональной частоты (ТЧ). Канал ТЧ — это совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающая

В первых МСП каналы ТЧ использовались только для телефонной передачи, но в современных системах по этим каналам передаются различные сигналы, ширина спектра которых не превышает ши­ рину полосы пропускания канала ТЧ: телефонные,-факсимильные и сигналы среднескоростной передачи данных. Однако и в настоя­ щее время большую часть передаваемых сигналов составляют те­ лефонные сигналы.

Каждый канал ТЧ состоит из двух каналов одностороннего действия, которые при телефонной передаче объединяются в один двухсторонний канал, а при передаче других сигналов могут ис­ пользоваться независимо один от другого.

Пропускная способность систем передачи с ЧРК характери­ зуется числом каналов ТЧ, которые могут быть организованы. Для разделения каналов при использовании ЧРК между соседними по частоте каналами должен иметься промежуток на расфильтровку. Поэтому в МСП с ЧРК номинальная ширина канала ТЧ равна 4 кГц: полоса пропускания 3,1 кГц и промежуток между канала­ ми 0,9 кГц.

Путем разделения канала ТЧ на несколько узкополосных ка­ налов могут быть организованы каналы передачи телеграфных, сигналов и сигналов низкоскоростной передачи данных.

Для передачи сигналов с широким спектром частот в МСП с ЧРК организуются широкополосные каналы путем объединения полос частот нескольких каналов ТЧ. К этим каналам первичной сети ЕАСС относятся: канал с номинальной шириной полосы час­ тот 8 или 12 кГц, образующийся при объединении полос частот двух «ли трех каналов ТЧ; первичный и вторичный широкополос­ ные каналы с номинальными полосами пропускания шириной со­ ответственно 48 и 240 кГц (12 и 60 каналов ТЧ), которые исполь­ зуются для высокоскоростной передачи данных или для факси­ мильной передачи газет.

Для передачи телевидения по коаксиальным кабелям, радио­ релейным линиям и спутниковым линиям связи в МСП с ЧРК организуются специальные каналы с шириной полосы пропуска­ ния ие менее 6 МГц.

Цифровые МСП также могут характеризоваться числом орга­ низуемых в них каналов ТЧ, которые по своим характеристикам не должны отличаться от каналов ТЧ МСП с ЧРК. Так, например, широко применяются цифровые системы ИКМ-12; ИКМ-15; ИКМ-30 на 12, 15 и 30 каналов ТЧ. Однако в технической лите­ ратуре эти системы -чаще характеризуются не числом каналов ТЧ, а соответствующей их пропускной способностью (бит/с).

б

Основные характеристики сигналов связи. Сигналы электриче­ ской связи предназначаются для передачи сообщений, поступаю­ щих от различных источников информации. Основными сигналами связи являются: телефонные, телеграфные, факсимильные, сигналы передачи данных, звукового вещания и телевидения. К сигналам связи относятся также такие, как сигналы телеуправления, теле­ метрии и т. п.

Сигналы связи являются случайными функциями времени (слу­ чайными процессами). Любой конкретный сигнал представляет собой одну из возможных реализаций случайного процесса. Точно предсказать характер определенной реализации невозможно, но всю совокупность возможных реализаций в определенных внешних условиях можно охарактеризовать вероятностными характери­ стиками.

Для решения ряда практических задач используются обычно следующие характеристики сигналов: ширина полосы частот, за­ нимаемой сигналом, средняя мощность сигнала на входе канала, динамический диапазон сигнала, т. е. возможный разброс мощно­ стей сигнала в этой же точке канала, и пик-фактор сигнала, т. е. превышение максимальной мощности сигнала в этой же точке над средней.

Все сигналы связи (любые их реализации) являются неперио­ дическими функциями времени с ограниченной длительностью и имеют, строго говоря, бесконечно широкий спектр. Однако спек­ тральная плотность распределена по шкале частот неравномерно. Шириной полосы частот сигнала называют основную часть спект­ ра, которую необходимо передать по каналу для высококачествен­ ного восстановления сигнала на приеме.

Для оценки величин мощностей или напряжений сигналов элек­ тросвязи или измерительных сигналов в различных точках канала и для оценки соотношений между этими величинами в технике связи используются логарифмические меры: уровни передачи, вы­ ражающиеся в децибелах.

Абсолютный уровень мощности р в данной точке х канала оп­

Абсолютный уровень напряжения рп определяется сравнением эффективного напряжения Ux в данной точке канала с эффектив­ ным напряжением Uo=0,775 В, соответствующим выделению мощ­ ности 1 мВт на стандартном нагрузочном сопротивлении RCT=

= 600 Ом: U0= У 1• 10-3-600=0,775 В. Абсолютный уровень напря­ жения равен: рп=20lg( £/*/0,775) дБн.

Абсолютные уровни напряжения измеряют с помощью вольт­ метров, проградуированных в децибелах относительно £/0=0,775 В. Стандартные значения нагрузочных сопротивлений в различных точках канала установлены равными 600, 150 и 75 Ом. Если изме­ рение производится на нагрузке /?„=600 Ом, то измеренный уро­

Относительный уровень передачи равен разности абсолютных; уровней мощности в данной точке канала и в точке, принятой за, точку сравнения. В канале ТЧ точкой сравнения является двухпроводный вход канала. Эта точка называется точкой нулевого относительного уровня (ТНОУ). Абсолютный уровень -в ТНОУI обозначается р0 (дБмО). Относительный уровень в точке х, дБо, канала рхот,,'=рх—ро, где рх и р0 — абсолютные уровни в точке х и в ТНОУ. Относительный уровень характеризует не величину мощности в данной точке канала, а изменение этой мощности (усиление при рХОтн>0 или затухание при рХОтн<0) между дан­ ной точкой и ТНОУ.

Зная абсолютный уровень сигнала в ТНОУ р0 (дБмО), нетруд­ но определить абсолютный уровень в точке с любым относитель­ ным уровнем: рх (дБм) = р 0 (дБмО) + р Х0Тн (дБо).

Остаточное затухание (усиление) канала равно разности уров­

Диаграмма уровней канала представляет собой график изме­ нения относительных уровней гармонического измерительного сиг­ нала (обычно с частотой 800 Гц на входе и выходе канала) при передаче его по каналу ТЧ. Для удобства измерений ,на диаграм­ ме указываются обычно значения уровней напряжения.

Телефонные сигналы. Качество передачи речи (разборчивость и естественность) получается вполне удовлетворительным при ог­ раничении спектра телефонного сигнала частотами 0,3 и 3,4 кГц.

При определении средней мощности телефонного сигнала «а входе канала в ТНОУ учитывается особенность телефонной связи, заключающаяся в том, что речь передается не непрерывно, а с паузами между словами и фразами, причем при двухсторонней связи каждый из абонентов говорит, в среднем, лишь 50% време­ ни длительности разговора. Канал считается активным при непре­ рывной передаче по нему речи с паузами между словами не более 0,35 с. Коэффициентом активности называется отношение времени активного состояния канала к общему времени-его занятия. С уче­ том времени на установление соединения коэффициент активности! телефонного канала т]=0,25-^0,35. По данным МККТТ средняямощность на входе активного телефонного канала в ТНОУ равна 88 мкВт. Умножая эту величину на коэффициент активности (т| = = 0,25) и прибавляя значение средней мощности сигналов управ-: ления на один канал (10 мкВт), получаем величину средней мощ­ ности на входе телефонного канала в ТНОУ 32 мкВт, что соответ-; ствует уровню —15 дБмО.

Динамический диапазон речевого сигнала D= 10 Ig(PmaxlPmin) = = 35-=-44 дБ; пик-фактор v= 10\g(Pmax/Pcp) = 18-М8,5 дБ.

Сигналы звукового вещания. Спектр сигнала звукового веща­ ния занимает полосу частот от 15 до 20000 Гц. Для передачи по каналу эту -полосу обычно ограничивают как сверху, так и снизу до полосы 30 Гц— 15 кГц (в каналах высшего класса) иля еще уже. Возможность сужения полосы частот сигнала вещания оправ­

Величина средней мощности сигнала вещания на входе кана­ ла, предназначенного для его передачи, устанавливается путем ре­ гулировки в соответствии с принятой нормой. Динамический диа­ пазон сигнала при передаче музыки достигает 96 дБ. Для пере­ дачи по каналу этот диапазон сужают до 55—60 дБ с помощью специальных устройств — сжимателей, ослабляющих наиболее мощные сигналы и усиливающих наиболее слабые. На приеме ди­ намический диапазон восстанавливается с помощью расширителей, действие которых обратно действию сжнмателей.

Телеграфные сигналы и сигналы передачи данных. Телеграф­ ные сигналы передаются со скоростью 50—200 Бод. Сигналы пе­ редачи данных передаются с различными -скоростями: 50— 200 Бод — низкоскоростная передача, 600—9600 Бод — средне­ скоростная, десятки и сотни килобод — высокоскоростная. Соот­ ветственно скорости передачи изменяется и ширина полосы частот сигналов. Для видеоимпульсов эта полоса частот занимает диапа­ зон 0—Fmах, причем Лпах, Гц, определяется из выражения Гт ах= = 0,5 В, где В — скорость передачи, Бод.

Для передачи по каналам ТЧ или по широкополосным каналам видеоимпульсы модулируют непрерывные несущие колебания и полоса частот сигнала расширяется за счет боковых полос. При использовании ЧМ или ОФМ амплитуда сигнала на входе канала остается постоянной и понятие динамического диапазона неприме­ нимо. Уровень средней мощности сигнала на входе канала в ТНОУ устанавливается путем регулировки в соответствии с нор­ мой.

Факсимильные сигналы. Факсимильные сигналы служат для пе­ редачи неподвижных изображений: текстов, чертежей, фотографий, газетных полос и т. д. Передаваемые изображения подразделяют­ ся на штриховые и полутоновые.

Ширина полосы факсимильного сигнала определяется скоро­ стью передачи элементов неподвижного изображения. При стан­ дартных параметрах факсимильных аппаратов, рекомендованных МККТТ, максимальная частота сигнала равна 732, 1100 или 1438 Гц. Нижняя граница спектра, соответствующая передаче бе­ лых полей, равна нулю. Исходный факсимильный сигнал модули­ рует тональную несущую, и ширина спектра увеличивается в за­ висимости от метода модуляции.

Для факсимильной передачи газет — одного из важнейших видов факсимильной передачи — используются специальные вы­ сокоскоростные аппараты. Максимальная частота спектра зависит

от скорости передачи и при передаче 3000 строк/мин составляет 180 кГц. Динамический диапазон факсимильного сигнала при пе­ редаче полутоновых -изображений составляет примерно 25 дБ.

Телевизионный сигнал. Движущееся изображение передается в виде сменяющих друг друга кадров, причем для создания эффек­ та плавного движения передается 25 кадров в секунду. Каждый кадр разделяется на строки, число которых определяется приня­ тым в данной стране стандартом. В Советском Союзе кадр делит­ ся на 625 строк. В передающей трубке оптическое изображение преобразуется в его электрическую копию, в которой распределе­ ние яркости заменяется распределением потенциалов. Электриче­ ский луч, перемещаясь по экрану трубки, обходит изображение строка за строкой. При этом на выходе трубки постоянное напря­ жение изменяется в соответствии с изменением яркости оптичес­ кого изображения. Так формируется телевизионный видеосигнал. На приеме этот сигнал изменяет интенсивность электронного луча, перемещаемого по экрану, покрытому люминофором, яркость све­ чения которого изменяется в соответствии с изменением яркости передаваемого изображения.

Каждый кадр передается в два этапа: сначала луч обходит все нечетные строки, затем все* четные. Благодаря высокой частоте смены полукадров (50 раз в секунду) на экране приемной трубки формируется немерцающее изображение.

Ширина спектра телевизионного сигнала может быть опреде­ лена следующим образом. Максимальная частота спектра соответ­ ствует передаче чередующихся черных и белых квадратных эле­ ментов изображения. Вертикальный размер элементов определяет­ ся размером строки. Время передачи одной строки Тс= 1/(25-625) с. Учитывая, что ширина кадра относится к его высоте, как 4:3, не­ трудно определить число элементов, содержащихся в одной стро­ ке; оно составляет 4/3 от числа строк в кадре, т. е. равно 4-625/3. Время передачи одного элемента т=3/(4-6252-25) «0,08 мкс; мак­ симальная частота Fmax—0,5/т«6 МГц. Таким образом, полагая нижнюю границу спектра, равной 50 Гц (частота смены полукад­ ров), общая ширина видеоспектра телевизионного сигнала будет составлять 50 Гц — 6 МГц.

Движение лучей в передающей и приемной трубках должно быть синхронным и синфазным. Для этого от передатчика к при­ емнику передаются синхронизирующие импульсы: в моменты пе­ рехода луча от конца одной строки к началу следующей передают­ ся импульсы строчной синхронизации, а в моменты перехода от конца каждого кадра (полукадра) к началу другого — импульсы кадровой синхронизации. В эти моменты лучи в передающей и приемной трубках гасятся. Телевизионный сигнал представляет собой последовательность импульсов с непрерывно изменяющимся значением напряжения. Эти импульсы повторяются периодически с частотой следования строк: Fc= l/T c=25-625=15 625 Гц. В про­ межутках между ними передаются импульсы -строчной и кадровой синхронизации, имеющие постоянные амплитуды.

ю