Влияние РУ на параметры двустороннего канала передачи

Рассмотрим влияние РУ на параметры двустороннего канала передачи на примере двустороннего усилителя, а также на искажения сигналов, возникающих по причине появления обратной связи из-за не идеальности РУ.

При малом переходном затухании а₄₃ РУ оказывает влияние на параметры двухстороннего канала передачи за счет:

- снижения устойчивости канала и ухудшения его частотных характеристик из-за обратных связей;

- появления эхо-сигналов из-за отражения энергии в месте рассогласования РУ и линии.

Двусторонний (дуплексный) усилитель (ДУ) предназначен для усиления телефонных сигналов, передаваемых в двух противоположных направлениях по двухпроводной линии связи. В простейшем случае он состоит из двух усилителей У1 и У2 и двух дифференциальных систем ДС1 и ДС2, предназначенных для перехода от двухпроводной линии к четырехпроводной и обратно при разделении сигналов в направлениях А-Б и Б-А для их усиления (Рис.1.56).

Рис. 1.56 Функциональная схема двустороннего усилителя

Усилители и дифференциальные системы образуют замкнутые электрические цепи в двух направлениях передачи. Сигнал, передаваемый по двухпроводной линии с направления А. через ДС1 поступает на вход усилителя У1 и через ДС2 поступает на вход двухпроводной линии направления Б. В обратном направлении, сигнал из линии Б через ДС2 поступает на вход усилителя У2 и через ДС1 передается в линию А.

По причине не идеальности ДС, что проявляется в виде не полного ослабления сигнала между точками 4 и 3 (Рис.1.56), часть энергии сигнала, например, с выхода У1 и передаваемого в линю Б, ответвляется через ДС2, усиливается в усилителе У2 и снова поступает через ДС1 на вход усилителя У1.

Аналогично часть энергии сигнала, передаваемого в направлении Б-А, ответвляется через ДС1, усиливается в усилителе У1 и через ДС2 поступает на вход усилителя У2.

Возникшие в реальных ДУ токи паразитных обратных связей искажают передаваемую информацию каждого направления и при определенных условиях могут привести к самовозбуждению ДУ.

Самовозбуждение, которое проявляется в виде установления колебательного процесса в системе, охваченной обратной связью (в данном случае паразитной) возможно тогда, когда для какой либо из гармоник, присутствующих в спектре сигнала или в спектре шумов выполняется условие баланса (равенства) фаз гармоники действующей на входе усилителя и проходящей на этот же вход по цепи обратной связи.

При балансе фаз эти гармоники на входе усилителя складываются и их сумма усиливается.

Если при этом общий коэффициент петлевого усиления гармоники (коэффициента передачи по петле обратной связи в разомкнутом состоянии на частоте этой гармоники) больше единицы (условие баланса амплитуд), то в замкнутом состоянии в такой системе амплитуда колебания будет возрастать до тех пор, пока усилительные элементы не войдут в режим насыщения, в результате чего их коэффициенты усиления по переменному току существенно снизятся, рост амплитуды гармоники прекратится и в системе установится гармоническое колебание на частоте, для которой выполняются условия баланса фаз и баланса амплитуд.

В соответствии с критерием устойчивости Найквиста [1,5] самовозбуждение ДУ наступает при выполнении двух условий:

условия баланса амплитуд a₁+a₂ ≤ S_y1+S_y2 , (1.41)

и условия баланса фаз φ_oc=φ₁+φ₂+θ₁+θ₂=2kπ, (1.42)

где a₁, a₂ – переходные затухания ДС1 и ДС2 в направлении 4-3 (Рис.1.56); S_y1, S_y2 – коэффициенты усиления усилителей У1 и У2; φ₁, φ₂, θ₁, θ₂ – фазовые сдвиги, вносимые усилителями и ДС (элементами ДУ); k=0,1,2,…

Иными словами, самовозбуждение в замкнутой системе возникает, если суммарное затухание в разомкнутой петле обратной связи меньше суммарного усиления в этой петле, при условии, что вносимый ею суммарный фазовый сдвиг φ_oc равен нулю или целому числу периодов.

В рассматриваемой замкнутой системе сигналы случайны, и можно предположить, что условие баланса фаз выполняется хотя бы для одной из частот рабочей полосы ДУ. Поэтому для обеспечения безусловной устойчивости необходимо обеспечивать неравенство . Величина, показывающая, насколько затухание превышает усиления в замкнутой петле системы, называется запасом устойчивости ДУ по амплитуде:

(1.43)

Требуемый запас устойчивости по амплитуде не всегда удается обеспечить или поддерживать в процессе эксплуатации. Поэтому принимаются меры для обеспечения запаса устойчивости и по фазе. Например, в системах фазовой подстройки частоты они составляют обычно 15 ÷ 20 дБ по амплитуде и 35⁰ ÷ 40⁰ по фазе.

Входящие в (1.43) значения переходного затухания ДС1 и ДС2 могут быть представлены тремя слагаемыми: рабочим затуханием ДС в направлении 4-1, балансным затуханием A_l (затуханием отражения) и рабочим затуханием той же ДС в направлении 1-3:

. (1.44)

Величина балансного затухания зависит от несогласованности двухпроводной линии с ДС и рассчитывается по формуле

, (1.45)

где Z_л, Z_б – сопротивления двухпроводной линии и балансного контура (БК). Этот контур обеспечивает балансировку дифсистем.

Учитывая то, что усиление усилителя S_yi может быть представлено через усиление канала S_i данного направления

S_yi=S_i+a_1-3+a_4-1 , (1.46)

на основании (1.43), (1.44), (1.46) запас устойчивости можно выразить относительно доступных для измерений полюсов на входе и выходе двустороннего усилителя:

, (1.47)

где – балансные затухания ДС1 и ДС2; – усиления первого и второго каналов ДУ.

Обычно в линию связи включается последовательно до пяти дуплексных усилителей. Возникшие в каждом из них токи обратной связи охватывают одновременно несколько усилителей, увеличивая вносимые искажения сигнала. Величина искажений зависит от запаса устойчивости a_oc и величины фазового сдвига φ_ос в петле ОС. В зависимости от значения φ_ос обратная связь может увеличивать (положительная ОС) или уменьшать (отрицательная ОС) усиление усилителей. Примерный вид амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) усилителя при разомкнутой (1) и замкнутой (2) цепи ОС показан на рисунке (Рис.1.57).

Рис. 1.57. Амплитудно-частотные характеристики усилителя

Рис.1.58. Зависимость приращения усиления от запаса устойчивости усилителя

На практике для оценки искажений в ДУ определяют предельные значения изменения усиления при наличии положительной (φ_ос=2kπ) и отрицательной (φ_ос=(2k+1)π) обратных связей.

Приращение усиления при положительной ОС составляет

, дБ. (1.48)

Уменьшение усиления при отрицательной ОС составляет

, дБ. (1.49)

Влияние токов положительной ОС всегда больше влияния токов отрицательной ОС. При а_ос ≥ 25 дБ значения ΔS₊ и ΔS_- примерно равны (Рис.1.58). С искажениями можно не считаться, если а_ос ≥ 35 дБ. В этом случае величина искажений от обратной связи ΔS ≤ 0,2 дБ.

Для снижения искажений от ОС в дуплексных усилителях необходимо увеличивать запас устойчивости а_ос путем улучшения согласования дифференциальных систем и оптимального выбора усиления усилителей.

Эквивалентом двустороннего усилителя является стандартный канал тональной частоты (ТЧ) с двухпроводным окончанием (Рис. 1.59).

Канал ТЧ состоит из двух встречных каналов, объединенных на концах дифференциальными системами ДС1 и ДС2 для перехода от четырехпроводной к двухпроводным линиям.

Нежелательная обратная связь в канале ТЧ, как и в ДУ, образуется вследствие недостаточной балансировки ДС. Повышение устойчивости двустороннего телефонного канала осуществляется в основном за счет повышения запаса устойчивости по амплитуде а_ос.

В соответствии с формулой (1.47) запас устойчивости канала ТЧ относительно входа ДС1 и выхода ДС2 (точки А и Б на схеме Рис. 1.59) определяется суммой балансных затуханий дифсистем а_ос=А_l1+A_l2, так как S₁=S₂=0. Для наихудших условий, например, режима холостого хода или короткого замыкания на двухпроводных окончаниях (точки К на Рис.1.59) запас устойчивости а_ос = 4а_тр.у.= 2а₀ = 14 дБ, где а_тр.у – затухание транзитного удлинителя, равное 3,5 дБ; а₀ – остаточное затухание канала ТЧ.

На практике обеспечивается величина а_ос ≥ 25 дБ и максимальное значение изменения усиления двустороннего телефонного канала из-за токов обратной связи ΔS ≤ 0,6 дБ. Такая величина амплитудно-частотных искажений является допустимой.

Рис. 1.59. Структурная схема канала тональной частоты в ЦСП