Устойчивость каналов связи

Тема № 6.

Для увеличения дальности передачи двухполосных систем уплотнения необходимо использовать линейные усилители. При этом в состав усилителя должны входить два противонаправленных усилительных элемента, объединённые, в отличие от однополосных систем передачи (см. рис. 5.1. и рис. 5.2.), в единое целое. При этом возникает задача разделения сигналов, передающихся в противоположных направлениях. Для этого в состав оборудования линейных усилителей включается разделительное устройство, называемое дифференциальной системой, сокращённо дифсистемой.

Рис. 6.1. Структура линейного тракта двухполосной системы передачи.

Так же дифсистемы используются в оконечных стойках многоканальной связи для подключения двухпроводных абонентских линий к четырёхпроводным каналам.

Основной задачей дифференциальных систем является передача сигнала с двухпроводной линии на вход усилителя одного направления и сигнала с выхода усилителя другого направления в двухпроводную линию с минимально возможным затуханием. Значение же затухания на пути сигнала с выхода одного усилителя на вход другого должно быть максимально большим, для недопущения возникновения в тракте цепи положительной обратной связи (ПОС). Таким образом, для идеальной дифсистемы должны выполняться два условия: а_п = 0, а_з = ∞. Выполнение этих условий может обеспечить мостовая схема.

Рис. 6.2. Дифференциальная система.

Двумя плечами моста являются первичные обмотки трансформатора, включённые согласно. При равенстве числа витков в первичных обмотках дифсистема называется симметричной, при неравенстве числа витков – несимметричной. Ещё одним плечом моста является двухпроводная линия. Для приведения моста в равновесное состояние в четвёртое плечо моста включается регулируемый балансный контур, задачей которого является максимально возможно точное воспроизведение волнового сопротивления линии: . Усилительные элементы включаются в диагональ моста и во вторичную обмотку трансформатора. Направления передачи усилительных элементов при этом не имеют значения. При поступлении сигнала на клеммы №2 этот сигнал разветвляется и протекает по первичным обмоткам в противоположных направлениях. Поскольку обмотки включаются согласно, магнитные потоки в сердечнике трансформатора взаимно компенсируются, и во вторичной обмотке ток не индуцируется. При поступлении сигнала на клеммы №3 он по индуктивной связи поступает в диагональ сбалансированного моста. Поэтому разность потенциалов на клеммах №2 равна нулю, и ток также не возникает. Таким образом, достигается высокое значение заградительного затухания.

Рассмотрим значения затуханий для всех направлений распространения электрических сигналов в дифференциальной системе. Для упрощения расчётов будем считать, что трансформатор дифсистемы идеален, т.е. не имеет потерь и рассеивания (К.П.Д.=100%). При передаче сигнала через входы 2 или 3 (рис. 6.2.), мощность распределяется между сопротивлениями линии и балансного контура. Таким образом, на двухпроводную линию поступает половина мощности от источника.

а_п= а_2-1=10 lg|Р_ист / Р_лин|=10 lg|Р_ист /(0.5·Р_ист)|=10 lg2 ≈ 3дБ, (6.1.)

а_п= а_3-1 ≈ 3 дБ.

Аналогично можно доказать, что значение затуханий в остальных направлениях передачи также равно

3 дБ:

а_п = а_1-2 = а_1-3 ≈ 3 дБ. (6.2.)

Значение заградительного затухания зависит от точности настройки балансного контура и составляет в общем случае:

а_з = а_2-3 = а_3-2 = , дБ, (6.3.)

где первое слагаемое определяет затухание несогласованности входного сопротивления дифсистемы с линией из-за неточности настройки балансного контура. При Z_Л = Z_БК затухание несогласованности, а, следовательно, и всё выражение (6.3.) становится равным бесконечности. В литературе затухание передачи дифсистемы называют так же рабочим затуханием, заградительное затухание - переходным затуханием, а затухание несогласованности – балансным затуханием.

При построении каналов связи согласно рис. 6.1., в случае неуравновешенности дифсистем, в двухстороннем усилителе возникают токи обратной связи. На практике такие токи существуют всегда, поскольку добиться идеальной сбалансированности дифференциальной системы на сколь ни будь значительный период времени не представляется возможным. Это связано с тем, что сопротивление линии, являющееся одним из плеч моста, имеет непостоянный характер во времени из-за климатических колебаний и вариативности подключающейся к линии нагрузки.

Токи обратной связи могут привести к генерации усилителей и неработоспособности канала в целом. Из курса ТЛЭЦ известно, что в системе с обратной связью генерация возникает при выполнении условий Баркгаузена:

(6.4.)

Поскольку при передаче речевых сообщений через тракт передаётся достаточно широкополосный сигнал, в его составе практически обязательно найдётся хотя бы одна гармоническая составляющая, для которой будет выполняться второе условие Баркгаузена. Поэтому считается, что условием возникновения, либо невозникновения генерации в усилителе является первое условие.

В случае двухстороннего усилителя невыполнение первого условия означает, что сумма заградительных затуханий дифференциальных систем превышает сумму усилений обоих усилительных элементов, т.е. усилитель в целом обладает затуханием на пути циркуляции паразитных токов.

. (6.5.)

При выполнении условия (6.5.) генерация в усилителе не возникает, и он работает стабильно.

Введём понятие суммарного усиления:

. (6.6.)

Суммарное усиление, при котором в усилителе возникает генерация, называют критическим (S_кр). Поскольку, чем больше разность между критическим и суммарным значениями усиления, тем устойчивее работает усилитель, вводится понятие устойчивости:

. (6.7.)

При наличии в канале нескольких усилителей количество петель обратной связи лавинообразно нарастает, поскольку паразитные токи замыкаются через все усилители канала. При этом возможна ситуация неустойчивой работы канала в целом, несмотря на выполнение условия недопущения генерации в каждом усилителе по отдельности. Поэтому принято нормировать устойчивость тракта в целом. Значение устойчивости по существующим нормативам не должно быть меньше 1.74 дБ. Эта величина получила наименование запаса устойчивости, и предназначена для компенсации изменений состояния тракта в связи с климатическими условиями. Опыт эксплуатации двухпроводных систем связи показывает, что добиться устойчивой работы тракта связи при наличии в нём более трёх – четырёх усилителей не представляется возможным.