Закономерности передачи информации в системах. Способы ее распределения в сетях связи. Виды сигналов, используемых в телекоммуникационных системах, особенности их передачи по каналам и трактам. Принципы, алгоритмы и устройства их цифровой обработки.
Аннотация к работе
Федеральное Государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» __________________________________________________________________________ ________Основы построения инфокоммуникационных систем и сетей_______ (наименование учебной дисциплины) по специальности (направлению подготовки): 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» наименование специальности (направления подготовки) Основные закономерности передачи информации в системах, основные виды сигналов, используемых в телекоммуникационных системах, особенности передачи различных сигналов по каналам и трактам телекоммуникационных систем; принципы, основные алгоритмы и устройства цифровой обработки сигналов; принципы построения телекоммуникационных систем различных типов и способы распределения информации в сетях связи; современные и перспективные направления развития телекоммуникационных сетей и систем.Так стал зарождаться Интернет, который, по сути, является сетью между сетями (перевод: inter - между или среди, net - сеть). С использованием систем передачи создана инфокоммуникационная сеть страны, реализованная в виде комплекса технологически сопряженных сетей электросвязи общего пользования, ведомственных и частных сетей электросвязи на территории России, охваченная общим централизованным управлением и называемая Взаимоувязанной сетью связи Российской Федерации (ВСС РФ). Изучение дисциплины “Основы построения инфокоммуникационных систем и сетей” предусматривает соответствующую подготовку студентов по дисциплинам “Теория электрической связи” и “Теория электрических цепей”, владение основными понятиями и определениями этих дисциплин, таких как: четырехполюсник и его основные параметры и характеристики, сообщение, сигнал, канал передачи, система передачи, частотное и временное разделение каналов, условия неискаженной передачи в системах с частотным и временным представлением сигналов, прямое и обратное преобразование Фурье, элементы теории случайных процессов. Международная Конвенция по электросвязи определила “электросвязь” (Найроби, 1982 год) как “…передачу, получение и прием знаков, сигналов, письменного текста, изображений и звуков или сообщений любого рода по проводной, радио и оптической или другим электромагнитным системам …”. В Основных положениях развития ВСС РФ “электросвязи” дается такое определение: электросвязь (telecommunication) - передача или прием знаков, сигналов, текстов, изображений, звуков по проводной, оптической или другим электромагнитным системам.Wcp ? Т ?R 0U2 (t)dt, где Т - период усреднения; если Т = 1 мин, то такая средняя мощность называется среднеминутной мощностью, если Т = 1 ч, то речь идет о среднечасовой мощности и при Т?? 1 ч говорят о долговременной средней мощности сигнала; R - сопротивление нагрузки, на которой определяется средняя мощность сигнала; U(t) - напряжение первичного сигнала. Первичный сигнал характеризуется максимальной мощностью Wmakc, под которой понимается мощность эквивалентного синусоидального сигнала с амплитудой Um, которая превышается мгновенными значениями переменной составляющей сигнала U(t) с определенной малой вероятностью ? . Этот диапазон еще называют эффективно передаваемой полосой частот сигнала, устанавливаемой экспериментально, исходя из требований качества передачи для конкретного вида первичных сигналов. Если отношение граничных частот эффективно передаваемой полосы частот первичного сигнала Fmakc / Fмин ? 2, то такие сигналы называются узкополосными, а если Fmakc / Fмин ?? 2, то такие сигналы называются широкополосными. Классификация первичных сигналов по виду передаваемых сообщений охватывает телефонные (речевые) сигналы и сигналы звукового вещания, сигналы передачи данных и телеграфии, телевизионные сигналы и факсимильные сигналы, сигналы телемеханики, телеуправления и телеконтроля, являющихся частным случаем сигналов передачи данных.Первичные сигналы телеграфии и передачи данных получаются на выходе телеграфных аппаратов или аппаратуры передачи данных и представляют последовательность однополярных (рис. Для определения полосы частот, необходимой для качественной передачи сигналов телеграфии и передачи данных воспользуемся понятием спектральной плотности амплитуд Sи (f) элементарного сигнала: прямоугольного импульса с амплитудой Am и длительностью ?и. Эти нули располагаются на частотах, где sin?f?и = 0, т.е. при ???и = 2k?, и следовательно, на частотах fk = k/?и = KFT, т.е. нули спектральной плотности амплитуд одиночного прямоугольного импульса располагаются на гармониках тактовой частоты. Из рассмотрения рис.2.6 следует, что основаня энергия (более 90%) импульса находится в полосе частот от 0 до FT = 1/?и , т.е. в полосе частот главного «лепестка» его спектральной плотности амплитуд, а в полосе частот от 0 до FT / 2 - более 60 %.
План
Содержание конспекта лекций
Список сокращений и обозначений..................................................................7 Введение.................................................................................................................9 Лекция 1
Тема 1. Основные понятия и определения.....................................................11 Раздел 1.1. Основные понятия и определения....................................................11 Раздел 1.2. Классификация систем электросвязи..............................................13 Раздел 1.3. Уровни передачи...............................................................................16 Вопросы для самоконтроля.................................................................................21 Лекция 2
Тема 2. Первичные сигналы электросвязи...................................................21 Раздел 2.1. Первичные сигналы электросвязи и их физические характеристики.....................................................................................................21 Раздел 2.2. Телефонные сигналы........................................................................25 Раздел 2.3. Сигналы звукового вещания............................................................27 Раздел 2.4. Факсимильные сигналы....................................................................29 Раздел 2.5. Телевизионные сигналы...................................................................32 Раздел 2.6. Сигналы передачи данных и телеграфии........................................37 Вопросы для самоконтроля.................................................................................42 Лекция 3
Тема 3. Каналы передачи..................................................................................42 Раздел 3.1. Каналы передачи, их классификация и основные характеристики.....................................................................................................42 Раздел 3.2. Канал передачи как четырехполюсник...........................................45 Раздел 3.3.Типовые каналы передачи.................................................................51 Вопросы для самоконтроля.................................................................................62 Лекция 4
Тема 4. Двусторонние каналы.........................................................................63 Раздел 4.1. Построение двусторонних каналов.................................................63 Раздел 4.2. Развязывающие устройства, требования к ним и их классификация......................................................................................................71 Раздел 4.3. Анализ трансформаторной дифференциальной системы.............78 Вопросы для самоконтроля.................................................................................83 Лекция 5
Тема 5. Устойчивость двухсторонних каналов............................................83 Раздел 5.1. Двусторонние усилители..................................................................83 Раздел 5.2. Устойчивость телефонного канала..................................................85 Раздел 5.3. Искажения от обратной связи..........................................................86 Вопросы для самоконтроля.................................................................................89
3
Лекция 6
Тема 6. Принципы построения много канальных систем передачи........90 Раздел 6.1. Обобщенная структурная схема многоканальной системы передачи.................................................................................................................90 Раздел 6.2. Методы разделения канальных сигналов........................................94 Раздел 6.3. Взаимные помехи между каналами...............................................105 Вопросы для самоконтроля................................................................................107 Лекция 7
Тема 7. Основы построения систем передачи с частотным разделением каналов (ЧРК)............................................................................................................107
Раздел 7.1. Структурная схема системы передачи с ЧРК................................107 Раздел 7.2. Групповой принцип построения систем передачи с ЧРК............111 Вопросы для самоконтроля................................................................................113 Лекция 8
Тема 8. Основы построения систем передачи с временным разделением каналов (ВРК)............................................................................................................113
Раздел 8.1. Структурная схема системы передачи с ВРК................................113 Раздел 8.2. Формирование канальных сигналов...............................................115 Раздел 8.3. переходные влияния между каналами систем передачи с ВРК...118 Вопросы и задания для самоконтроля...............................................................118 Лекция 9
Тема 9. Построение цифровых систем передачи..........................................119 Раздел 9.1. Импульсно-кодовая модуляция. Квантование сигнала по уровню..................................................................................................................119 Раздел 9.2. Шумы квантования..........................................................................119 Раздел 9.3. Кодирование квантованных отсчетов............................................120 Раздел 9.4. Виды синхронизации в цифровых системах передачи.................122 Раздел 9.5. Обобщенная структурная схема цифровой ситемы передачи.....125 Вопросы для самоконтроля................................................................................126 Лекция 10
Тема 10. Способы объединения цифровых потоков...................................127 Раздел 10.1. Объединение цифровых потоков в плезиохронной цифровой иерархии.......................................................................................................................127 Раздел 10.2. Объединение цифровых потоков в синхронной цифровой иерархии.......................................................................................................................131 Вопросы для самоконтроля................................................................................133 Лекция 11
Тема 11. Основы построения волоконнооптических систем передачи..133 Раздел 11.1. Особенности передачи электромагнитных колебаний по оптическому кабелю...................................................................................................133 Раздел 11.2. Обобщенная структурная схема волоконнооптической системы передачи................................................................................................138 Раздел 11.3. Уплотнение оптических кабелей..................................................141 Вопросы для самоконтроля................................................................................144
4
Лекция 12
Тема 12. Основные узлы оптических систем передачи.............................145 Раздел 12.1. Лазеры и светодиоды.....................................................................145 Раздел 12.2. Затухание оптического излучения в ОВ......................................145 Раздел 12.3. Оптические усилители...................................................................147 Вопросы для самоконтроля................................................................................147 Лекция 13
Тема 13. Основы построения систем радиосвязи........................................148 Раздел 13.1. Упрощенная структурная схема беспроводной линии связи....148 Раздел 13.2. Общие принципы построения радиорелейных систем связи....149 Раздел 13.3. Спутниковые системы связи.........................................................153 Раздел 13.4. Основные характеристики цифровых транкинговых систем....167 Раздел 13.5. Принцип построения сотовых систем связи. Стандарты сотовой связи.......................................................................................................172 Вопросы для самоконтроля................................................................................181 Лекция 14
Тема 14. Основы построения инфокоммуникационных сетей.................181 Раздел 14.1. Назначение и состав сетей электросвязи.....................................181 Раздел 14.2. Принципы построения систем коммутации................................185 Раздел 14.3. Семиуровневая модель взаимодействия открытых систем.......190 Раздел 14.4. Топология сетей.............................................................................195 Вопросы для самоконтроля................................................................................198 Заключение.........................................................................................................199 Список литературы...........................................................................................202
5
Список сокращений и обозначений
ВСС РФ - Взаимоувязанной сетью связи Российской Федерации АИМ - амплитудно-импульсная модуляция
ЗС - оборудование формирование сигналов звукового сопровождения ИКМ - импульсно-кодовой модуляции
ИС - источник сообщения КЗ - каналов звука
КИ - каналом изображения
КТЧ - каналом тональной частоты ЛВС - локальная вычислительная сеть МД - многократный доступ
МДВР - многостанционный доступ с временным разделением МДЧР - многостанционный доступ с частотным разделением МУПЧ - мощный усилитель промежуточный усилитель
ЦАП - цифроаналоговый преобразователь ЦСП - цифровая система передачи
ЧГ - четверичная группа
ЭИ - электрический интерфейс
ЭППЧ - эффективно передаваемой полосой частот
7
Введение
Инфокоммуникации - это новая отрасль экономики, которая развивается как единое целое информационных и телекоммуникационных технологий.
В инфокоммуникациях технологии связи используются как средство передачи информации различной природы на произвольные расстояния.
В прошлом телекоммуникационные и информационные технологии развивались отдельно и, по сути, независимо друг от друга. Предоставление телекоммуникационных услуг было неразрывно связано с организациями, называемыми операторами связи, которые выстраивали свой бизнес на продаже голосового трафика. Информационные технологии в свою очередь развивались самостоятельно и были связанны с разработкой программного обеспечения.
Однако постепенное развитие цифровых технологий привело к тому, что для того чтобы оперативно обмениваться информацией компьютеры стали объединяться в небольшие локальные сети. В них стали появляться специализированные мощные компьютеры - серверы, ресурсы которых стали доступны другим пользователям сети. Это в свою очередь способствовало развитию сетевых технологий, поскольку возрастала потребность в надежных высокоскоростных системах передачи.
Со временем возникла необходимость в объединении разрозненных сетей, находящихся на большом расстоянии друг от друга. Так стал зарождаться Интернет, который, по сути, является сетью между сетями (перевод: inter - между или среди, net - сеть). То есть Интернет объединяет локальные сети в одну глобальную сеть.
Такая сеть оказалась востребованной на рынке, что привело к быстрому развитию Интернета. Более того, оказалось, что возможности этой сети позволяют передавать не только данные, но также голос и видео.
Бурный рост интернет-компаний, представляющих различные сетевые сервисы, ознаменовал собой переход от "экономики трафика" к "экономике сервиса". Будущее телекоммуникаций неразрывно связано с развитием сервисов.
Интеграция телекоммуникаций и информационных технологий в единую отрасль -инфокоммуникации - общемировая тенденция, ориентированная на
8 развитие телекоммуникационной сети и расширение на ее основе числа глобальных информационных сервисов.
В течение ближайших лет термин инфокоммуникации приобретет большее употребление, поскольку возрастет количество компаний, в которых телекоммуникации и информационные технологии будут составлять основу бизнеса. Современные инфокоммуникационные системы и сети представляют сложный комплекс разнообразных технических средств, обеспечивающих передачу различных сообщений на любые расстояния с заданными параметрами качества. Основу инфокоммуникационных систем составляют многоканальные системы передачи по электрическим, волоконнооптическим кабелям и радиолиниям и предназначены для формирования типовых каналов и трактов. С использованием систем передачи создана инфокоммуникационная сеть страны, реализованная в виде комплекса технологически сопряженных сетей электросвязи общего пользования, ведомственных и частных сетей электросвязи на территории России, охваченная общим централизованным управлением и называемая Взаимоувязанной сетью связи Российской Федерации (ВСС РФ).
Взаимоувязанная сеть связи, как информационная транспортная среда, кроме сетей передачи привычных сообщений, позволит создать: - цифровую сеть связи с интеграцией служб, обеспечивающую полностью цифровые соединения между оконечными устройствами для предоставления абонентам широкого спектра услуг для передачи телефонных и нетелефонных сообщений, доступ к которым осуществляется через ограниченный набор стандартизированных многофункциональных интерфейсов;
- интеллектуальную сеть, которая предоставит абонентам расширенный набор услуг в заданное время в заданном месте, например, установления телефонного соединения с оплатой за счет вызываемого абонента, вызов по кредитной карте, общение по сокращенному набору номера, телеголосование и др;
- сотовые мобильные сети связи, предоставляющие абоненту, находящемуся в движении, получить услуги связи в любом месте;
9
- широкополосные цифровые сети с интеграцией услуг со скоростью обмена информацией свыше 140 Мбит/с;
- высокоскоростные сети на основе транспортирования информации с помощью технологии асинхронного режима переноса (Asynchronous Transfer Mode - ATM).
Материал, изложенный в цикле лекций, является основой для изучения таких специальных дисциплин как “Многоканальные телекоммуникационные системы”, “Спутниковые и радиорелейные системы передачи”, “Волоконнооптические системы передачи” и др.
Изучение дисциплины “Основы построения инфокоммуникационных систем и сетей” предусматривает соответствующую подготовку студентов по дисциплинам “Теория электрической связи” и “Теория электрических цепей”, владение основными понятиями и определениями этих дисциплин, таких как: четырехполюсник и его основные параметры и характеристики, сообщение, сигнал, канал передачи, система передачи, частотное и временное разделение каналов, условия неискаженной передачи в системах с частотным и временным представлением сигналов, прямое и обратное преобразование Фурье, элементы теории случайных процессов.
Лекция 1
Тема 1. Основные понятия и определения. Классификация систем электросвязи. Уровни передачи
Раздел 1.1. Основные понятия и определения
Развитие человеческой цивилизации - это непрерывное и динамичное развитие средств общения от личного до общественного, от примитивных с помощью жестов, мимики, наскальных рисунков, звуков и света и оптических семафоров до создания глобальных телекоммуникационных систем и сетей, обеспечивающих передачу, прием, обработку, распределение и хранение различной информации. Под
10 информацией понимается совокупность сведений о событиях, явлениях, процессах, понятиях и фактах, предметах и лицах независимо от формы представления. Телекоммуникационные системы - это комплекс технических средств, обеспечивающих электрическую связь - электросвязь определенного типа.
В приведенном определении есть ключевые слова “связь” и “’электросвязь”. Связь (communication) - обмен информацией или пересылка информации с помощью средств, функционирующих в соответствии с согласованными правилами (называемых в конкретных условиях протоколами).
Международная Конвенция по электросвязи определила “электросвязь” (Найроби, 1982 год) как “…передачу, получение и прием знаков, сигналов, письменного текста, изображений и звуков или сообщений любого рода по проводной, радио и оптической или другим электромагнитным системам …”.
В Основных положениях развития ВСС РФ “электросвязи” дается такое определение: электросвязь (telecommunication) - передача или прием знаков, сигналов, текстов, изображений, звуков по проводной, оптической или другим электромагнитным системам. Это определение может быть выражено в такой форме: электросвязь это передача и прием сообщений с помощью сигналов электросвязи по проводной, радио, оптической или другим средам распространения.
Вышеприведенные определения содержат слова: сообщение, сигнал, сигнал электросвязи.
Сообщение - форма представления информации для передачи ее от источника информации к потребителю. Применительно сфере телекоммуникаций сообщение это информация, передаваемая с помощью электромагнитных сигналов средствами электросвязи. Примеры сообщений: текст телеграммы, речь, музыка, фототелеграмма - факс, телевизионное изображение, данные на выходе вычислительной машины, команды в системах телеуправления и телеконтроля и др.
Сигнал - материальный носитель или физический процесс, отражающий (несущий) передаваемое сообщение. Классификация сигналов может быть самой разнообразной, но особый интерес представляют электрические сигналы, называемые сигналами электросвязи, и представляющими электрические
11 напряжения или токи, изменение параметров которых во времени отражает передаваемое сообщение. К электрическим сигналам относятся: телефонные, телеграфные, факсимильные сигналы, сигналы передачи данных, сигналы телевизионного и звукового вещания, сигналы телеконтроля и телеуправления.
С понятием телекоммуникационные системы и тесно связано понятие телекоммуникационные сети или сети, представляющие совокупность пунктов, узлов и линий (каналов, трактов) их соединяющих.
Раздел 1.2. Классификация систем электросвязи
Телекоммуникационные системы и телекоммуникационные сети, взаимодействуя друг с другом, образуют систему электросвязи - комплекс технических средств, обеспечивающих электросвязь определенного вида.
Классификация систем электросвязи весьма разнообразна, но в основном определяется видами передаваемых сообщений, видами среды распространения электрических сигналов (рис. 1.1) и способами распределения информации: коммутируемые или некоммутируемые сети передачи сообщений.
Телекоммуникационные системы и сети, как отмечалось выше, представляют совокупность технических средств и осуществляют следующие операции передачи сообщения от его источника до получателя: - преобразование сообщения, поступающего от источника сообщения (ИС) в сигнал электросвязи;
- преобразование сигналов электросвязи в форму удобную для получателя сообщения (ПС);
- сопряжения сигналов электросвязи с каналами передачи и станциями коммутации (СК), установленными в оконечных пунктах (ОП) или узлах связи (УС).
12
Электросвязь
Виды передаваемых сообщений
Телефонная
Телеграфная
Передача
Факсимильная
Передача газет
Телевизионного вещания
Звукового вещания
Проводная
По воздушным линиям связи
По кабельным линиям связи
Радио
Наземная радиосвязь
Космическая радиосвязь
Спутниковая радиосвязь
Оптическая
По волоконнооптическим кабелям
В свободном пространстве
Рис.1.1- Классификация систем электросвязи по видам передаваемых сообщений и среды распространения
Обобщенная структурная схема взаимодействия телекоммуникационных систем и сетей представлена на рис. 1.2, приняты следующие обозначения:
13
Оконечная (сетевая) станция -А Оконечная (сетевая) станция - Б АА
ИС ПР1 СК ОС1 СР ОС-1 СК ПР-1 ПС
Система передачи - СП
Канал передачи - КП
Рис. 1.2 - Взаимодействие телекоммуникационных систем и сетей ИС - источник сообщения (информации);
ПР1 - преобразователь сообщения в электрический сигнал, называемым первичным электрическим сигналом (в дальнейшем просто “первичный сигнал”;
СК - станция коммутации, представляющая совокупность коммутационной и управляющей аппаратуры, обеспечивающая установление различного вида соединений (местные, междугородные, международные, входящие, исходящие и транзитные) и реализующей определенный метод коммутации (коммутация каналов, коммутация сообщений или коммутация пакетов);
ПР1 - преобразователь сообщения в первичный сигнал;
ОС1 - оборудование сопряжения, осуществляющее преобразование первичных сигналов в линейные электрические сигналы, физические характеристики которых согласуются с параметрами передачи среды распространения (СР);
ОС-1 - оборудование сопряжения, осуществляющее преобразование линейных электрических сигналов в исходные;
ПР-1 - преобразователь первичного сигнала в сообщение и ПС - получатель сообщения.
Комплекс технических средств и среды распространения, обеспечивающий передачу первичного сигнала в определенной полосе частот или с определенной
14 скоростью передачи между сетевыми станциями или сетевыми узлами называется каналом передачи.
Комплекс технических средств и среды распространения, обеспечивающий преобразование первичных сигналов в линейные сигналы и их передачу по среде распространения называется системой передачи.
Линейные сигналы при прохождении по среде распространения испытывают затухание, подвергаются различного вида искажениям и помехам. Для устранения влияния этих факторов на качество передачи сигналов через определенные расстояния в зависимости от вида системы передачи устанавливаются усилители, регенераторы или ретрансляторы, которые вместе со средой распространения образуют линейный тракт системы передачи.
Раздел 1.3. Уровни передачи
Сигналы, используемые для передачи сообщений в системах электросвязи, представляют собой электрические напряжение или ток, изменяющиеся во времени. Характер изменений мгновенных значений напряжения или тока сигнала однозначно соответствует передаваемым сообщениям.
Значения напряжений (токов) сигналов и помех в различных точках каналов и трактов имеют величины от пиковольт (пикоампер) до десятков вольт (ампер) Мощности токов имеют величины от долей пиковатт до ватт, киловатт и даже мегаватт. Чтобы облегчить измерения и расчеты величин, значения которых изменяются в широком диапазоне и чтобы при сравнении результатов измерений или расчетов операции умножения и деления заменить соответственно сложением и вычитанием, вместо величин мощности, напряжения и тока, выраженных в ваттах, вольтах и амперах (или их долях), используют логарифмы отношения этих величин к одноименным величинам, принятым за отсчетные. Относительные величины, выраженные в логарифмической форме называют уровнями передачи. Уровни передачи, представляющие десятичные логарифмы отношения одноименных величин, называются децибелами (ДБ), а уровни передачи, представляющие натуральные логарифмы отношения одноименных величин, 15 называются неперами (Нп). В технике телекоммуникационных систем в основном принято пользоваться децибелами.
Уровни передачи по мощности, напряжению и току определяются следующими формулами соответственно: рм=10lg(Wx/W0); рн=20lg(Ux/U0); рт=20lg(Ix/I0).
В этих формулах Wx, Ux, Ix—величины кажущейся мощности, напряжения или тока в рассматриваемой точке, а W0, U0 и I0 — величины, принятые за исходные при определении уровней передачи. Уровни называются абсолютными, если за исходное приняты следующие величины: кажущаяся мощность W0=1 МВТ; действующее напряжение U0=0,775 В; действующий ток I0=1,29 МА.
В общем случае численные значения уровней передачи по мощности, напряжению и току не совладают. Однако между ними легко установить взаимозависимость, если известны сопротивления Zx и Z0, на которых выделяются мощности Wx и W0. Действительно: р =101g?Wx ? = 10lg?Ux ??? Z0 ? =201g ?Ux ?-101g? Zx ?.
? ?
? ?
2
2
? ? ? ?
? ? ? ?
U U
? ? ? ?
? ? ? ?
W Z Z м
? 0 ? ? х ? ? 0 ? ? 0 ? ? 0 ?
Откуда: р =р -101g? Zx ?.
? ?
? ?
Z м н
? 0 ?
Аналогично получим: р =р 101g? Zx ?.
? ?
? ?
Z м т
? 0 ?
Если абсолютные уровни определяются при сопротивлении Z=600 Ом, то рм=рн=рт. Это объясняется выбором исходных величин: U0=0,775 В; I0=1,29 МА; W0=1 МВТ и Z0=0,775 В/1,29 МА=600 Ом.
Уровни передачи называются относительными, если величины W0 , U0 , I0 соответствуют значениям мощности, напряжения и тока в точке цепи, принятой за отсчетную (начало, вход цепи). Легко показать, что относительный уровень сигнала
16 равен разности абсолютных уровней в данной точке цепи (рх) и в точке, принятой за начало (р0). Так, для уровня по мощности имеем: рм.отн =101g(Wx/W0) =10lg (Wx/1 МВТ) - 10 lg (W0/1 МВТ) = рмх-рмо.
От логарифмических единиц (уровней в децибелах) легко перейти к абсолютным (мощности, напряжению, току) по очевидным формулам: Рх=W0?100,1рм; Ux=U0?100,05рн; Іх=I0?100,05рт.
При передаче сигналов по каналам связи имеют место потери энергии в пассивных четырехполюсниках или ее увеличение в активных четырехполюсниках. Чтобы охарактеризовать изменение энергии сигнала в различных четырехполюсниках, образующих каналы связи, вводится понятие рабочего затухания и рабочего усиления.
Рабочее затухание измеряется в децибелах и определяется по формуле: ap=10lg(Wг/W2)= 10lg(Wвх/Wвых), где Wг—кажущаяся мощность, которую отдал бы источник сигнала согласованной с ним нагрузке, W2 — кажущаяся мощность, выделяющаяся в нагрузке четырехполюсника в реальных условиях включения. При таком определении учитывается возможная несогласованность на входе и выходе четырехполюсника. Рабочее усиление определяется выражением: Sp=10lg(W2/Wг)= 10lg(Wвых/Wвх)
Очень важным является понятие измерительного уровня. По определению МККТТ измерительным уровнем называется абсолютный уровень в рассматриваемой точке системы (канала), если в начале этой системы (на входе канала) включен нормальный генератор. Нормальным называется генератор с ЭДС, равной 2?775 МВ, и внутренним активным сопротивлением, равным 600 Ом. Частота тока нормального генератора может быть любой, однако, на практике, если нет специальной оговорки, частоту считают равной 800 Гц. Если входное сопротивление канала активно и равно 600 Ом, то при подключении нормального генератора на
17 входе канала оказывается абсолютный нулевой уровень мощности, тока и напряжения.
При проектировании и эксплуатации систем связи необходимо знать величины уровней сигнала в различных точках тракта передачи. Чтобы охарактеризовать изменения энергии сигнала при его передаче, пользуются диаграммой уровней — графиком, показывающим распределение измерительных уровней вдоль тракта передачи.
Успер Ус1
Вх Ус2 l1 l2
А1 А2
Sпер S1 S2
Успр l3 Вых
А3
Sпр
р рпер рпер1 рпер l рвых рвх рпр1 рпр2
Аз2 рпр3 рпом2
Рис. 1.3 - Диаграмма уровней
На рис. 1.3 показана диаграмма уровней канала передачи, состоящего из усилителя передачи УСПЕР, трех участков линии связи l1, l2 и l3, двух промежуточных усилителей Ус1 и Ус2 и усилителя приема УСПР. На диаграмме отмечены характерные точки тракта: точка 1—вход; точка 2—выход канала; точки 3 — выходы оконечного усилителя передающей станции и промежуточных усилителей; точки 4 — входы промежуточных и оконечно-приемного усилителей. Уровни в точках 3 определяются
18 усилением усилителей; уровни в точках 4 зависят от затуханий участков линии.
Минимально допустимый уровень в точках 4 определяется требуемым превышением сигнала над помехой (защищенностью): Аз=10lg(WC/Wп)=рс- рп, где Wc и Wп — мощности сигнала и помехи, а рс и рп — соответствующие уровни.
Соотношение между уровнями на входе и выходе канала определяется его остаточным затуханием, которое представляет собой рабочее затухание, определенное в условиях замыкания входа и выхода канала на активные сопротивления нагрузки, соответствующие номинальным значениям входного и выходного сопротивлений канала. Остаточное затухание равно разности между суммой всех рабочих затуханий, имеющихся в канале, и суммой всех рабочих усилений: Ar= ?ap.i- ?Si
Для того чтобы обеспечить нормальную работу системы связи величины мощностей, напряжений и токов сигналов и соответствующих уровней нормируют; нормируют также допустимые уровни помехи. При этом приходится считаться с тем, что вследствие наличия затуханий и усилений, уровни сигналов и помех в различных точках канала будут различными. Чтобы избавиться от неопределенности, все нормируемые величины относят к точке тракта передачи с нулевым измерительным уровнем (ТНОУ). Уровни по мощности, отнесенные к точке с нулевым измерительным уровнем, обозначают через ДБМ0.
Вtrialно также использование натуральных логарифмов; при этом логарифмические единицы называются неперами (Нп); рм= 1/2 In(Wx/W0), рн=1n (Ux/Uy), It=1n (Ix/I0). Очевидно, при таких определениях 1 Нп =8,686 ДБ, а 1 ДБ=0,115 Нп. На практике применяются только децибелы.
И в заключение отметим, что приборы для измерения уровней передачи называются указателями уровней и представляют собой обычные вольтметры, измерительная шкала которых и входные регуляторы отградуированы в уровнях мощности и напряжения.
19
Вопросы и задания для самоконтроля
1. Что такое уровни по мощности, по напряжению и току и как они связаны между собой?
2. Что такое абсолютный, относительный и измерительный уровни по мощности, напряжению, току и как они связаны между собой?
3. Какой мощности, напряжению, току соответствует абсолютный уровень 0 ДБ?
4. Как по диаграмме уровней определить помехозащищенность?