Методические указания по выполнению лабораторной работы № 3

Одной из характеристик каналов связи является относительный уровень сигнала. Относительные уровни по мощности, напряжению и току измеряются в децибелах (дБ) и определяются следующими формулами соответственно:

(3.1)

где -мощность, напряжение и ток в измеряемой точке x; - мощность, напряжение и ток в точке канала, принятой за исходную.

Если в качестве исходных для канала ТЧ приняты , то такие уровни называют абсолютными. Напряжение и ток в этом случае определены для сопротивления =600 Ом. Если сопротивление нагрузки канала не равно 600 Ом, то исходные значения напряжения тока определяют по формулам:

, (3.2)

. (3.3)

Измерительный уровень — абсолютный уровень в данной точке, когда уровень на входе канала равен 0 дБ. От относительных уровней можно легко перейти к абсолютным:

, (3.4)

. (3.5)

Величина

(3.6)

называется затуханием участка линии связи. Соотношение между уровнями на входе и выходе канала определяет его остаточноезатухание:

. (3.7)

Общее затухание линии связи длиной равно , где [дБ/км]— затухание единицы длины линии. Если канал связи состоит из участков, вносящих затухание , иjучастков с усилением , то остаточное затухание всего канала вычисляется по формуле

. (8.8)

Для повышения помехозащищенности сигналов необходимо увеличивать уровень передачи. Однако предельный уровень на входе стандартных каналов строго нормируется, так как превышение мощности сигнала может привести к перегрузке и выходу из строя каналообразующей аппаратуры.

Качество передачи дискретной информации зависитот частотных характеристик канала, причем тем в большейстепени,чем выше скорость передачи. К частотным характеристикам канала относятся амплитудно-частотная (АЧХ) и фазочастотная (ФЧХ) характеристики. АЧХ задают обычно частотной характеристикой остаточного затухания, которая оценивается отклонением остаточного затухания канала от величины, определенной для сигнала с некоторой фиксированной для данного канала частотой. Частотная характеристика и допустимые пределы отклонений могут задаваться таблично, либо графически в виде шаблона.

На рис. 3.1 показана типовая характеристика неравномерности остаточного затухания для стандартного канала ТЧ. Штриховыми линиями (шаблоном)
Рис. 3.1. Типовая АЧХ канала

ограничены допустимые пределы изменения . Согласно рекомендациям МККТТ эффективно пропускаемой полосой канала ТЧ называется полоса, неравномерность остаточного затухания на крайних частотах которой превышает 8,7 дБ.

Для нестандартных каналов частотная характеристика затухания может существенно отклоняться от допустимых пределов. Неравномерность затухания сигнала на различных частотах искажает амплитудные соотношения спектра передаваемого сигнала, в связи с чем изменяется форма сигнала на выходе канала, что затрудняет или делает невозможным его прием. Для уменьшения искажений сигналов осуществляют корректирование АЧХ канала путем включения амплитудных корректоров (выравнивателей).

Для оценки фазочастотных искажений в канале пользуются характеристикой группового времени прохождения (ГВП), которая представляет собой производную ФЧХ по частоте

. (3.9)

Частотная зависимость изменения группового времени прохождения нормируется относительно ГВП на некоторой фиксированной для данного канала частоте.

На рис.3.2 приведена нормировочная кривая (шаблон) на допустимые значения для стандартного канала ТЧ. Все характеристики ГВП различных каналов должны располагаться ниже этой ломаной кривой.
Рис. 3.2. Типовая ФЧХ канала

Допустимая неравномерность ГВП зависит от характера кривой , скорости и способа модуляции. Если неравномерность характеристики ГВП выше допустимой, то необходимо ее скорректировать с помощью дополнительно включаемых последовательно с каналом фазовых корректоров.

Нелинейные искажения сигналов обусловлены зависимостью усиления канала от уровня передаваемых сигналов. Эти искажения оцениваются амплитудной характеристикой канала, представляющей зависимость уровня сигнала на выходе (либо остаточного затухания) от уровня на его входе. Уровень, при котором отклонение характеристики от прямой превышает 0,43— 1,3 дБ, называют уровнем перегрузки. Искажения сигнала на рабочем участке амплитудной характеристики оценивают коэффициентом нелинейных искажений

, (3.10)

где — напряжение основной (первой) гармоники выходного сигнала; , - напряжения высших гармоник, возникающих вследствие нелинейности амплитудной характеристики канала.

В канале ТЧ на одном переприемном участке К_ни не должен превышать 1,5% (1% по третьей гармонике) при номинальном уровне передачи сигнала на частоте 800 Гц.

Для передачи по каналу связи единичных элементов длительностью t₀, спектр которых занимает бесконечно большую полосу частот, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и характеристика группового времени прохождения (ГВП) канала должны быть постоянными в бесконечной полосе частот. Реальные каналы для передачи видеоимпульсов имеют частотные характеристики, близкие к характеристикам фильтра нижних частот, а для передачи радиоимпульсов - полосового фильтра.

Для повышения эффективности использования полосы частот занимаемой каналом связи спектр частот сигнала ограничивают, т.е. передают лишь ту часть спектра, в которой сосредоточена основная энергия сигнала (³90%). Ограничение спектров сигналов при передаче по реальным каналам вызывает искажения формы сигналов и появление переходных процессов, которые приводят к взаимному перекрытию соседних посылок, так называемым межсимвольным помехам, затрудняющим прием единичных элементов.

Основная часть энергии при передаче импульсов постоянного тока сосредоточена в полосе частот от 0 до 1/(2t₀) Гц. Если в канал связи передавать лишь частотные составляющие этого диапазона, минимально необходимая полоса частот определяется по формуле

, (3.11)

где В—скорость модуляции, определяемая для двухпозиционных сигналов как

. (3.12)

Предельная скорость модуляции при передаче двухпозиционных видеосигналов и сигналов AM с одной боковой полосой (AM ОБП) будет равна

. (3.13)

При передаче модулированных сигналов (AM, ФМ, ЧМ) минимально необходимая полоса частот увеличивается вдвое в виду необходимости передавать верхнюю и нижнюю полосы частот

. (3.14)

Предельная скорость передачи в этом случае

. (3.15)

Для сохранения удовлетворительной формы посылок на выходе канала на практике скорость модуляции В_пр выбирают несколько меньше, чем предельно допустимые В_max, а именно

. (3.16)

При использовании сигналов AM, ЧМ и ФМ с двумя боковыми полосами она уменьшается вдвое:

. (3.17)

Передача сигналов с одной боковой полосой позволяет почти удвоить скорость передачи. В реальных условиях при методах передачи с ОБП практическая скорость определяется выражением

. (3.18)

Если при проектировании АПД заданной является скорость передачи, то определяется необходимая полоса частот канала для видеосигналов

. (3.19)

Для радиосигналов с двумя боковыми полосами

. (3.20)

Для радиосигналов с ОБП

. (3.21)

При этом нужно определить, что называется шириной полосы пропускания . Для этого используют частотную характеристику неравномерности остаточного затухания канала , которая может быть взята разработчиком АПД из справочной литературы в виде графика затухания для нормированных типовых каналов либо снята экспериментально для нестандартного канала обычным способом.

Если затухание нарастает плавно и симметрично относительно несущей частоты, то граница полосы пропускания определяется на уровне затухания 6 дБ (рис.3.3), когда в полосе пропускания имеются нечетно-симметричные и колебательные отклонения затухания, то они не должны превосходить 1,75— 2,6 дБ

Рис. 3.3. Возможные варианты АЧХ каналов

Для того чтобы межсимвольные помехи (эхо-сигналы) , возникающие за счет нелинейности частотной характеристики ГВП, не превышали допустимой величины £ (0,1—0,2) Uo, где Uo—амплитуда основного сигнала, необходимо, чтобы неравномерность характеристики ГВП не превышала следующих пределов: для четно-симметричнойи колебательной характеристик ГВП (рис. 3.4а и 3.4в) , (3.22) Для нечетно-симметричной зависимости ГВП (рис.3.4б) . (3.23)
а
б
в
Рис. 3.4. Возможные варианты ФЧХ каналов

Следовательно, с учетом приведенных выше ограничений, при расчете скорости передачи или выборе полосы пропускания канала необходимо проверить, удовлетворяет ли неравномерность характеристики ГВП в выбранной полосе условию . Если не удовлетворяет, то необходимо уменьшить скорость передачи либо откорректировать частотную характеристику ГВП.

Для нахождения оптимальной скорости передачи В_ОПТ необходимо решить графически систему двух уравнений, одно из которых задано зависимостью вида , а второе представлено графиком , построенным на основе характеристики ГВП при выполнении условий или . График зависимости строится на основе типовой ГВП для стандартного канала, либо на основе характеристики ГВП, снятой экспериментально для нестандартного канала связи. Для этого по заданной АЧХ канала в зависимости от ее вида необходимо определить . Далее по формуле (3.17) можно найти . В зависимости от вида ФЧХ канала найти по формулам (3.22) или (3.23). Выбирая несколько значений , определить по ФЧХ при каждом из них соответствующее значение и, полагая , построить зависимость . Точка пересечения зависимостей (3.17) и даст значение В_ОПТ. Далее из стандартного ряда (ГОСТ 17422-72) следует выбрать В_СТАНД£В_ОПТ.

Контрольные вопросы к лабораторной работе №3 [1. с. 67-73]

3-1. Какой канал называется дискретным?

3-2. Назовите основные характеристики, определяющие качество и эффективность передачи данных

3-3. Как определяется скорость передачи информации по каналу?

3-4. Как определяется скорость модуляции?

3-5. Как оценивается верность передачи информации по каналу?

3-6. Чем характеризуются сигналы, поступающие на вход дискретного канала?

3-7. Чем характеризуются сигналы, поступающие на вход непрерывного канала?

3-8. Назовите основные характеристики непрерывного канала?

3-9. Что называется относительным уровнем сигнала?

3-10. Что называется абсолютным уровнем сигнала?

3-11. Что называется измерительным уровнем сигнала?

3-12. Что называется остаточным затуханием канала?

3-13. Чему равно остаточное затухание канала, содержащего усилители?

3-15. К чему может привести превышение мощности сигнала на входе канала?

3-16. Что собой представляет АЧХ канала?

3-17. Что называется эффективно пропускаемой полосой частот канала?

3-18. К чему приводит неравномерность АЧХ канала?

3-19. Что называется групповым временем прохождения?

3-20. Что собой представляет ФЧХ канала?

3-21. Как оцениваются нелинейные искажения, вносимые каналом?

3-22. Что называется уровнем перегрузки?

3-23. К чему приводит ограничение спектра сигнала при передаче по реальным каналам?

3-24. Как связаны предельная скорость передачи с шириной полосы канала при передаче модулированных сигналов с двумя боковыми?

3-25. Как характер АЧХ канала сказывается на ширине полосы пропускания канала?

3-26. Как характер ФЧХ канала сказывается на ширине полосы пропускания канала?

3-27. Как по АЧХ и ФЧХ канала находится оптимальная для него скорость передачи?

3-28. Что называется помехой?

3-29. Какие помехи называются аддитивными?

3-30. На какие типы подразделяются аддитивные помехи?

3-31. Что является математической моделью флуктуационной помехи?

3-32. Чем гармоническая помеха отличается от флуктуационной?

3-33. Какими параметрами характеризуется гармоническая помеха?

3-34. Чем импульсная помеха отличается от гармонической?

3-35. Какими параметрами характеризуется импульсная помеха?

3-36. Какие помехи называются мультипликативными?

3-37. К какому типу помех относится дрейф коэффициента усиления канального усилителя?

3-38. Чем характеризуются сигналы, поступающие с входа непрерывного канала?

3-39. Что служит численной оценкой искажений формы сигналов на выходе демодулятора?

3-40. Какими параметрами характеризуется устройство синхронизации?