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

Из этого выражения следует, что при условии одинаковой ширины полосы пропускания для получения КПФ с той же крутизной характеристики затухания в ПЭЗ, но при работе его в области более высоких частот, необходимо увеличить добротность его элементов во столько раз, во сколько увеличилась его несущая частота I Так, например, добротность элементов фильтра с шириной полосы пропускания АЕС = 3100 Гц и несущей частотой ^ =12 ООО Гц, согласно приведенному выражению, должна быть не менее 60, а добротность

индуктивности равна, примерно, 200...300 в диапазоне частот от 10 до 30 кГц, то применение КПФ на /.С-элементах возможно в этом диапазоне частот.

При необходимости формирования сигнала ОБП в диапазоне более высокой области частот, когда т]< 0,02, необходимо применение фильтров на элементах с большей добротностью, например,

фильтры с добротностью не хуже 2000... 10 000.

Серьезным недостатком фильтрового метода формирования сигнала ОБП является разнотипность КПФ, число которых равно канальности системы передачи с частотным разделением каналов (СП с ЧРК). При большом числе каналов это удорожает и усложняет производство и эксплуатацию каналообразующего оборудования. Этот недостаток устраняется применением многократного преобразования частоты, позволяющего реализовать КПФ на единой элементной базе.

Многократное преобразование частоты

Необходимость многократного преобразования вытекает из следующих простых рассуждений. Пусть требуется разработать СП с ЧРК на число каналов тональной частоты N = 60, линейный спектр которой занимает полосу частот от 12 до 252 кГц.

Наиболее просто сформировать линейный спектр одной ступенью преобразования, подавая на каждый канальный модулятор (КМ) первичный телефонный сигнала с полосой частот 0,3...3,4 кГц

и свою несущую частоту: на первый канал ^ = 12 кГц, на второй канал ^ = 16 кГц и так далее через 4 кГц, на шестидесятый канал подается несущая /б0 = 248 кГц, и выделяя верхнюю боковую полосу частот. Для первого канала это будет 12,3... 15,4 кГц, для второго - 16,3... 19,4 кГц и так далее, для шестидесятого 248,3...251,4 кГц. Канальные полосовые фильтры (КПФ) для каналов, занимающих полосу частот до 30 кГц, могут быть реализованы на ^-элементах; от 30 до 60 кГц нет соответствующей элементной базы, реализующей КПФ отвечающих требованиям к величине крутизны характеристики затухания в ПЭЗ; в полосе частот от 60 до 110 кГц КПФ могут быть реализованы на основе кварцевых или магнитострикционных резонаторов; в полосе частот от 130 до 200 кГц возможно применение электромеханических или пьезокерамических фильтров. Следовательно, такой способ формирования линейного спектра приводит к значительной разнотипности КПФ, реализованных на различной элементной базе, т.е. требуются 60 различных фильтров с разной элементной базой. Это усложняет производство и эксплуатацию каналообразующего оборудования СП с ЧРК.

Возможно и другое формирование линейного спектра. Для реализации канальных полосовых фильтров выбирается диапазон частот, являющийся оптимальным для конкретной элементной базы и в пределах которого формируется л, канальных сигналов ОБП, занимающих неперекрывающие полосы частот. Ступень формирования группового сигнала на п1 канальных сигналов называется ступенью индивидуального преобразования. Отметим, что число каналов на

выми и предназначаются для создания из п2 одинаковых по спектру п1 - канальных групповых сигналов общего группового р-канального сигнала (где д = п1 п2), затем для создания из п3одинаковых по спектру р-канальных групповых сигналов общего группового Л/-ка- нального сигнала (где N = длэ = л,л2л3>) и т.д. Последняя ступень группового преобразования предназначается для преобразования спектров полученных многоканальных групповых сигналов, содержащих необходимое число канальных сигналов, в линейный спектр СП с ЧРК, предназначенный для передачи по линии. Структурная схема, поясняющая принцип многократного преобразования частоты, показана на рис. 16.

Типовая преобразовательная аппаратура

Рис. 16. К пояснению принципа многократного преобразования частоты

Используем многократное преобразование частоты для рассматриваемого ниже примера формирования линейного спектра СП с ЧРК на N = 60 каналов тональной частоты (КТЧ).

Для формирования канальных сигналов с ОБП применим канальные полосовые фильтры (КПФ) на /.С-элементах, требуемая крутизна характеристик которых обеспечивается в диапазоне частот 10...30 кГц. Пусть на первой ступени преобразования объединяется п1 = 3 КТЧ в трехканальную предварительную группу (предгруппу), занимающую полосу частот 12,3...23,4 кГц (округленно 12...24 кГц/ Схема формирования трехканальной предгруппы приведена на рис. 17.

Как следует из рис. 17, на первый канал с эффективнопередаваемой полосой частот 0,3...3,4 кГц подается несущая частота = 12 кГц и с помощью /.С-канального полосового фильтра (КПФ-1) выделяется верхняя боковая полоса частот 12,3... 15,4 кГц; на второй канал подается несущая 16 кГц и с помощью /.С-канального полосового фильтра (КПФ-2) выделяется верхняя боковая полоса частот 16,3... 19,4 кГц и на третий канал подается несущая ^3 = 20 кГц и с помощью КПФ-3 выделяется верхняя боковая полоса частот 20,3...23,4

реализация КПФ на основе /.С - элементов с добротностью не хуже

добротности катушек индуктивности легко реализуется при произ- водстве /.С-фильтров, работающих в диапазоне частот 12...24 кГц трехканальной предгруппы.

f и = 12 кГц

f 12= 16 кГц

Г13 = 20 кГц

1, кГц

Рис. 17. К формированию трехканальной предгруппы с применением ІС-канальньїх полосовых фильтров

Если формировать линейный спектр СП с ЧРК на основе 20-ти трехканальных предгрупп, то опять возникают проблемы разнотипности фильтров, формирующих сигналы с ОБП шириной полосы частот равной 23,4 - 12,3 = 11,1 кГц (округленно 12 кГц), и элементной базы их реализации. Поэтому для устранения вышеназванных проблем применим вторую ступень группового преобразования. Для этого на основе п2 = 4 трехканальных предгрупп с полосой частот 12,3...23,4 кГц сформируем двенадцатиканальную первичную группу, занимающую полосу частот 60,6... 107,7 кГц (округленно 60... 108 кГц) (рис. 18).

Как следует из рис.18 на первую трехканальную предгруппу, занимающую полосу частот 12,3... 15,4 кГц, подается несущая второй ступени преобразования ^ = 120 кГц и полосовым фильтром предгруппы (ПФПрГ-1) выделяется нижняя боковая полоса частот 92,6... 107,7 кГц (верхняя боковая полоса частот при этом равна 132,3... 143,4, следовательно, полоса расфильтровки между боко-

и фильтром ПФПрГ-3 выделяется нижняя боковая полоса частот 72,6...83,7 кГц и на четвертую предгруппу подается несущая = = 84 кГц и фильтром ПФПрГ-4 выдается нижняя боковая полоса частот 60,6.. .71,7 кГц.

Рис. 18. К формированию первичной группы с применением 1.С-полосовых

значения добротности катушек индуктивности легко реализуются при производстве 1_С-фильтров предгрупп, работающих в диапазоне частот 60,6..107,7 (округленно 60... 108) кГц первичной группы (ПГ).

Теперь сформировать линейный спектр СП с ЧРК на число каналов N = 60 можно путем переноса спектра пяти первичных групп 60... 108 кГц в линейный спектр 12...252 кГц т.е. применить третью ступень группового преобразования частоты для п3 = 5 (рис. 19).

Как следует из рис.19, на первую первичную группу (ПГ) подается несущая частота (третьей ступени преобразования) = 120 кГц и полосовым фильтром первичной группы (ПФПГ-1 на рис. 19 не показан) выделяется нижняя боковая полоса частот 12...60 кГц, а верхняя боковая полоса частот 180...228 кГц подавляется ПФПГ- 1 (полоса расфильтровки между боковыми при этом равна АРр = =180 - 60 = 120 кГц, следовательно, относительная широкополосность равна 77 = 120/120 =1). Вторая ПГ без преобразования помещается в линейный спектр СП с ЧРК в полосу частот 60... 108 кГц,

Рис. 19. К формированию линейного спектра СП с ЧРК на N = 60 каналов тональной частоты

/зз = 2 1 6 кГц и полосовым фильтром первичной группы ПФПГ-3 выделяется нижняя боковая полоса частот 108... 156 кГц, а верхняя боковая полоса частот 276...324 кГц подавляется ПФПГ-3 (как видим, полоса расфильтровки между боковыми равна 120 кГц, а относительная широкополосность ПФПГ-3 равна 77 = 0,556). На четвертую ПГ подается несущая /34 = 264 кГц и полосовым фильтром ПФПГ-4 выделяется нижняя боковая полоса частот 156...204 кГц и подавляется верхняя боковая полоса частот 324... 372 кГц. Относительная широкополосность ПФПГ-4 при этом будет равна // = 0,45. На пятую ПГ подается несущая частота /35 = 312 кГц и фильтром ПФПГ-5 выделяется нижняя боковая полоса частот 204...252 кГц и подавляется верхняя боковая полоса частот 372...420 кГц. Относительная широкополосность ПФПГ-5 будет равна 77 = 0,38.

Минимальное значение широкополосности ПФПГ позволяет применять для их реализации £.С-элементы с добротностью катушек индуктивности О >97... 130.

Если число каналов СП с ЧРК более 60-ти и кратно этому числу, то применяется третья ступень группового преобразования, где на основе п3 = 5 первичных групп с полосой частот 60... 108 кГц формируется вторичная группа (ВГ) или 60-канальная группа, занимающая полосу частот 312...552 кГц.

Один из вариантов формирования ВГ приведен на рис. 20.

\ 31 = 420 кГц

Полосовые фильтры первичных фупп (ПФПГ) имеют широкополосность не менее 77 = 0,196 и требуемая для их реализации добротность /.С-элементов должна быть не менее 0 > 260.

На основе вторичной 60-канальной группы возможно формирование и линейного спектра СП с ЧРК на N=60 каналов тональной частоты (рис. 21).

Из рис. 21 следует, что с помощью групповой несущей ир = 564 кГц полоса частот вторичной 312...552 кГц переносится в линейный спектр 12...252 кГц, который легко выделяется фильтром нижних частот (ФНЧ) с частотой среза /ф = 252 кГц. Можно убедиться, что общее число каналов при этом равно N = п^гЛз = 3 x 4 x 5 = 60, как и для случая формирования линейного спектра на основе первичных групп (см. рис. 19).

Рис. 21. Формирование линейного спектра СП с ЧРК на N = 60 тональной частоты основе вторичной группы

Для СП с ЧРК на большое число каналов предусмотрено формирование на основе пяти вторичных групп третичных групп, на основе третичных групп каналов тональной частоты возможно формирование четверичных групп.

Рассмотренный пример наглядно иллюстрирует достоинства многократного преобразования частоты при формировании линейных спектров: 1) возможность подобрать диапазон частот канальных сигналов, сигналов первичных, вторичных и т.д. групп так, чтобы они были оптимальными с точки зрения реализации фильтров, формирующих ОБП сигналы, с требуемыми характеристиками затухания в полосах эффективного задерживания (в рассмотренном примере на всех ступенях преобразования используется единая элементная база); 2) уменьшается разнотипность фильтров, так как на первой ступени необходимо три типа фильтров, на второй ступени - четыре типа фильтров и на третьей ступени преобразования необходимо пять типов фильтров, т.е. всего необходимо 3 + 4 + 5 = 12 типов фильтров (при одноступенном формировании линейного спектра число типов фильтров равняется числу организуемых каналов тональной частоты 14), хотя общее число фильтров при многократном преобразовании частоты будет больше (для нашего примера оно равно N + 5п2 + п3 = = 60+ 5 x 4 + 5 = 85), но для массового производства оборудования преобразования лучше иметь минимально возможную разнотипность фильтрового оборудования, реализуемого на единой материальной базе.

Первая ступень преобразования называется индивидуальной, возможно совпадение индивидуальной ступени и ступени формирования первичной группы. Совокупность устройств, обеспечивающих формирование первичных групп каналов тональной частоты, называется аппаратурой канального преобразования (АКП).

Совокупность устройств, обеспечивающих формирование вторичных, третичных и более высокого порядка групп каналов, называется, соответственно, аппаратурой преобразования первичных групп (АППГ), аппаратурой преобразования вторичных групп

(АПВГ) и т.д.

Структурная схема формирования линейного спектра СП с ЧРК на N = 60 каналов тональной частоты, с учетом вышеприведенных определений и технологии многократного преобразования частоты, приведена на рис. 22.

Рис. 22. Формирование линейного спектра на основе многократного преобразования частоты с использованием различной аппаратуры преобразования

Первичный телефонный сигнал поступает на канальный (индивидуальный) модулятор (КМ), где с помощью несущих частот предгруппового преобразования 12, 16, 20 кГц формируется трехканальная предгруппа (п1 = 3), занимающая полосу частот (округленно) 12...24 кГц. Выделение нужной боковой полосы частот осуществляется канальными полосовыми фильтрами (КПФ). Далее на основе четырех трехканальных предгрупп (п2 = 4) с помощью преобразователей частоты первичных групп (ПЧПрГ), на которые подаются несущие 120, 108, 96, 84 кГц, формируется первичная группа, занимающая полосу частот 60... 108 кГц. Выделение нужной боковой полосы частот на этой ступени преобразования осуществляется полосовыми фильтрами предгрупп (ПФПрГ). С помощью несущих частот 420, 468, 516, 564 и 612 кГц АППГ пять первичных переносятся в спектр вторичной группы. Выделение нужной боковой полосы частот осуществляется полосовыми фильтрами первичных групп (ПФПГ). Если число каналов СП с ЧРК более 300, то с помощью АПВГ формируется третичная группа, если, как в нашем примере, число каналов не превышает 60, то АПВГ выполняет роль оборудования сопряжения (ОС), формирующего линейный спектр СП с ЧРК. Для чего на преобразователь частоты вторичной группы (ПЧВГ) подается несущая частота 564 кГц и нужная полоса частот 12...252 кГц выделяется фильтром нижних частот (ФНЧ), Д-252.

Отметим, что формирование первичной группы (ПГ), занимающей полосу частот 60... 108 кГц, возможно и с помощью одной ступени преобразования. Но как бы ни формировалась ПГ, местоположение каналов в спектре 60... 108 кГц всегда является постоянным.

При многократном преобразовании частоты расположение каждого канала в линейном спектре СП с ЧРК характеризуется так называемой виртуальной несущей частотой данного канала. Виртуальная несущая частота представляет собой частоту, с помощью которой можно было бы путем однократного преобразования исходный спектр сигнала переместить в то положение, которое он занимает в линейном спектре и в которое он фактически перемещается путем многократного преобразования. Виртуальная несущая частота занимает в линейном спектре то положение, которое занимала бы в нем нулевая частота, если она бы имелась в спектре исходного сигнала.

Для пояснения этого понятия вернемся к формированию линейного спектра СП с ЧРК на N = 60 каналов тональной частоты. При использовании многократного преобразования частоты было выполнено следующее: на ступени формирования трехканальной предгруппы на первый канал подали несущую частоту предгруппового преобразования = 12 кГц и с помощью канального полосового фильтра выделили полосу частот 12,3... 15,4 кГц. Первый канал находится в первой трехканальной предгруппы, на которую подается несущая f2i = 120 кГц при формировании первичной группы и переносит этот канал в полосу частот 104,6... 107,7 кГц. Первый канал находится в первой первичной группе, на которую подается несущая частота f31 = 420 кГц при формировании вторичной группы

ипереносится этот канал в полосу частот 312,3...315,4 кГц. Далее

спомощью несущей f41 = 564 кГц этот канал переносится в полосу частот 248,6...251,7 кГц (выделяется нижняя боковая полоса частот). Первый канал в полосу частот 248,6...251,7 кГц может быть перемещен одной ступенью преобразования с помощью вирту-

альной несущей частоты fie = 252 кГц и выделением канальным полосовым фильтром нижней боковой полосы частот.

Спектры частот, получаемые на выходе аппаратуры канального преобразования, аппаратуры формирования первичных, вторичных, третичных и т.д. групп каналов, как правило, не совпадают с частотными диапазонами линейных трактов СП с ЧРК. Согласование спектров частот оборудования формирования групп каналов и линейных спектров осуществляется специальным оборудованием сопряжения (ОС).