книги / Методы борьбы с помехами в каналах проводной связи

голосовых связок, психологии говорящего и слушающего, а также техническими возможностями средств коммутации. Длительность звуков человеческой речи колеблется в пределах от 25 до 250 мс. Не менее существенным фактором является и постоянная слуха, характеризующая свойство наших органов слуха воспринимать слитно звуки, интервал между которыми не превышает 30—50 мс. Эти два фактора определяют нижнюю границу длительности крат­ ковременных перерывов, ухудшающих качество передачи речевых сигналов. Эта длительность, как следует из сказанного, составляем 25—30 мс.

Однако кратковременные перерывы указанной длительности,, снижая коэффициент артикуляции, мало влияют на качество пере­ дачи речи, обладающей большой внутренней избыточностью. Рез­ кое ухудшение качества телефонных переговоров наблюдается только при появлении перерывов свыше 300 мс. Это обстоятельст­ во объясняется тем, что, во-первых, при перерывах связи на вре­ мя, превышающее 300 мс, нарушается коммутация связи из-за по­ явления ложного сигнала «отбой», а во-вторых, при перерывах связи на время, большее чем 300 мс, абоненты «теряют» друг дру­ га, начинают задавать встречные вопросы и качество связи резко ухудшается.

Рассмотрим основные принципы передачи по каналам связи не­ подвижных и движущихся изображений. При передаче неподвиж­ ных изображений площадь изображения разбивается на ряд эле­ ментов. Особыми метод*ами эти элементы последовательно преобра­ зуются в электрические сигналы, передаваемые по каналам связи на приемную станцию. На приемкой станции электрические сиг­ налы с помощью специальных электрооптических устройств вновь преобразуются в элементарные световые сигналы, из которых и со­ ставляется изображение. Для получения точного воспроизведения передаваемого изображения необходимо непрерывно поддержи­ вать строго одинаковыми скорость разложения изображения на элементы при передаче (эту операцию называют разверткой) и скорость воссоединения элементарных световых сигналов в одно целое на приеме. Это выполняется особыми синхронными система­ ми, поддерживающими одинаковую скорость перемещения всех движущихся частей приемного и передающего аппаратов, участ­ вующих в разложении и воссоединении элементов изображения.

Четкость изображения, т. е. число различаемых наиболее мел­ ких деталей изображения, определяется количеством элементов,, на которые разделена вся площадь изображения. Количество этих элементов выбирают в соответствии с разрешающей способностью глаза (остротой зрения). Последняя характеризуется тем мини­ мальным расстоянием, при котором два видимых объекта (напри­ мер, две точки) воспринимаются глазом как раздельные. За нор­ мальную остроту зрения можно принять способность глаза разли­ чать два раздельных элемента изображения в том случае, если угол между ними равен одной минуте. Это означает, что глаз спо­

2t

собен на расстоянии 25 см увидеть раздельно две светящиеся точки, удаленные друг от друга примерно на 0,1 мм. Установлено, что деление площади изображения на элементы диаметром 0,2 мм обеспечивает достаточную четкость обыкновенных полутоновых и черно-белых изображений, передаваемых по фототелеграфу. По­ этому указанный размер элемента и принят за основной в боль­ шинстве типов фототелеграфных аппаратов. Так как развертка изображения производится по линиям, параллельным друг другу, то четкость можно определять числом линий, проходимых развер­ тывающей точкой по поверхности изображения и приходящихся на 1 мм его высоты. При элементах диаметром 0,2 мм число таких линий будет равно пяти. Систему линий, проходимых разверты­ вающей точкой, называют растром развертки.

Передача движущихся изображений основывается по существу на тех же принципах. Движущееся изображение последовательно разлагается на ряд элементов, которые преобразуются в световые сигналы. Последние, в свою очередь, преобразуются в электричес­ кие сигналы, передаваемые на приемную станцию по каналам свя­ зи. На приемной станции электрические сигналы преобразуются в элементарные световые сигналы, из которых и составляется види­ мое изображение. Скорость разложения движущегося изображения на элементы должна быть значительно больше, чем скорость пе­ редачи неподвижных изображений.

Передача движущихся изображений в телевидении осуществля­ ется теми же методами, что и в кино.

Как известно, в этих методах использована способность нашего глаза сохранять зрительное впечатление в течение некоторого про­ межутка времени после того, как зрительное раздражение уже прекратилось. Если с непрерывно движущегося объекта делать в течение каждой секунды по 16—20 фотоснимков и с той же ско­ ростью проецировать эти снимки на экран, то для зрителя создает­ ся полная иллюзия движения.

В телевидении развертывающее приспособление также разде­ ляет движущееся изображение на отдельные фазы или кадры, ко­ торые одновременно подразделяются на элементы тем же развер­ тывающим приспособлением [9].

Воздействие различных мешающих факторов на электрические сигналы, отображающие неподвижные и подвижные изображения, проявляется в виде помех на изображении (зерно, муар и т. д.) или в нарушении синхронизации. Однако мешающее воздействие помех при передаче телевизионных сигналов несколько сглаживается вследствие неодинакового характера частотной зависимости чув­ ствительности глаза и воспроизводящих приборов. Чтобы учесть это различие при оценке мешающего воздействия, помехи пропус­ кают через взвешивающий фильтр для черно-белого телевидения (Рекомендации МККТТ, J61). В результате взвешивания уровень белого шума с полосой частот 5 МГц понижается примерно на 8,5 дБ, а уровень помех с треугольным распределением, имеющим место после частотной демодуляции, — на 16,3 дБ.

22

Для телевидения соотношение сигнал/помеха определяется как отношение напряжения видеосигнала при передаче белого поля к действующему значению напряжения помех, измеренному с по­ мощью взвешивающего фильтра. Разность уровней сигнала и по­ мехи в конце гипотетической цени длиной 2500 км должна быть не менее 52 дБ.

В точке поступления видеосигнала напряжением 0,7 В в аппа­ ратуру междугородного канала уровень действующего значения напряжения невзвешенных помех в полосе частот шириной 5 МГц должен быть ниже уровня, соответствующего напряжению 0,7 В, на 52—8,5=43,5 дБ, где 8,5 дБ — поправка для перехода к взве­ шенным значениям. Этой защищенности соответствует напряжение помех 4,7 мВ на сопротивлении 75 Ом или мощность помех 0,3 мкВт [39].

Рассмотрим случай передачи информации, отображаемой дис­ кретными электрическими сигналами. Пусть сообщение представ­ ляет собой некоторую последовательность символов. При прохож­ дении по каналу связи электрический сигнал, отображающий дан­ ную последовательность символов, подвергается воздействию раз­ личного рода мешающих факторов. В результате вместо фактиче­ ски переданного символа принимается какой-либо другой. Такое событие называется ошибкой. Так как воздействие мешающих факторов является случайным событием, то и вызываемая им ошиб­ ка — случайное событие. Поэтому верность можно характеризовать вероятностью отсутствия ошибки или вероятностью правильного приема.

Обозначим вероятность ошибочного приема символа рош Так как ошибка и правильный прием образуют полную группу собы­ тий, то вероятность правильного приема рпр=1—/?0ш За количест­ венную меру верности принятого сообщения можно принять или вероятность рпр (достоверность принятой информации), или вели­ чину вероятности ошибки р0ш, называемую потерей достоверности. Обычно качество передачи характеризуется величиной потерь до­ стоверности рош Величина потерь достоверности определяется как предел отношения числа зарегистрированных ошибок к числу эле­ ментов дискретной информации, переданных за время измерений, когда последнее неограниченно возрастает, т. е. при Т-*-оо: рош — —Пот!{ВТ), где Лош — число зарегистрированных ошибок; В — скорость передачи, Т — время измерений. В реальных условиях время измерений ограниченно, поэтому пользуются понятием час­ тости ошибок.

Величина потерь достоверности в каналах связи зависит от со­ отношения мощности сигнала и суммы мощностей флуктуационных и селективных помех. В проводных каналах связи величина этого соотношения достаточно велика, что обусловливает сравнительно небольшие потери достоверности за счет флуктуационных и селек­ тивных помех. Основные потери определяются наличием в каналах импульсных помех и кратковременных перерывов.

23

Г Л А В А 2

Ф Л У К Т У А Ц И О Н Н Ы Е И С Е Л Е К Т И В Н Ы Е

ПО М Е Х И

2.1.Ожидаемые значения флуктуационных помех в каналах связи различной протяженности

При оценке влияния флуктуационных помех на качество пере­ дачи информации по проводным каналам связи учитывают три основные составляющие 'помех: тепловые помехи от резисторов, электронных ламп и транзисторов (эти помехи иногда называют собственными), помехи от нелинейных переходов и помехи от ли­ нейных переходов.

Величина тепловых помех в каналах связи определяется уров­ нем помех, приведенных ко входу усилителя (см. разд. 1.3), ве­ личиной усиления усилителей, зависящей от протяженности пред­ шествующих участков, и числом усилителей, т. е. протяженностью ВЧ систем передачи. При расчете тепловых помех исходным яв­ ляется уровень этих помех по мощности, измеренный в полосе час­ тот канала на входе усилителя. В ламповых усилителях ВЧ систем передачи, работающих по симметричным кабелям связи, где уро­ вень тепловых помех постоянен во всей используемой полосе час­ тот, его величина задается одной цифрой ртп. В транзисторных уси­ лителях, а также в ламповых усилителях систем, работающих в большом диапазоне частот (например, системы К-1920), уровни тепловых помех различны в отдельных частях используемой поло­ сы и поэтому величины рта задаются рядом значений, в число ко­ торых входят значения для верхнего /?Тп(в) и нижнего рТп(н) ка­ налов данной системы. На выходе усилителя уровень по мощности тепловых помех в канале с данной средней частотой составляет

ртпъых(0=ртп(!)+8уэ(}), где S y3(f) — усиление усилительного элемента, численно равное усилению усилителя для данной часто­ ты только в случаях, когда на вход его не включены элементы, вносящие затухание. В более общем случае 5УэГО=5оГО+авхГО, тде So(f) — ожидаемая величина усиления усилителя; аВх(7) — общее затухание всех элементов, включенных на входе, для данной частоты.

Общая мощность тепловых помех, являющихся гладкими по •своей физической природе, равна сумме мощностей, вносимых все­ ми усилителями в определенную точку тракта. При расчетах удоб­ но суммировать мощности помех, вносимых в точку с нулевым из­ мерительным уровнем. Если известен уровень тепловых помех на выходе f-го усилителя p m m xi(f), то в точке с нулевым измери­

24

Мощность тепловых помех, вносимых /-м усилителем в точку с нулевым измерительным уровнем, составляет

Ртш' (0)

Ятп1(0, ( / ) = 10 10 .

Общая мощность, вносимая п усилителями, будет равна:

1=1

а уровень тепловых помех, вносимых в точку с нулевым измери­ тельным уровнем, соответствующий этой мощности, составит

Для перехода в точку с произвольным измерительным уров­ нем р используется соотношение Ртп(р)(1)=ртп(0)('})+р, а для опре­ деления напряжения, соответствующего полученному уровню, со-

напряжение в мВ измеряется на сопротивлении 600 Ом [3]. Величина помех за счет нелинейных переходов определяется в

элементов, в свою очередь, зависит от загрузки ВЧ систем пере­ дачи. На основании измерений и исследований, проведенных в раз­ личных странах, МККТТ рекомендует характеризовать загрузку ВЧ систем передачи следующими тремя величинами: средней мощ­ ностью сигнала в одном канале ТЧ, средней мощностью многока­ нального сигнала (образованного сигналами, исходящими из п каналов) и его эквивалентной пиковой мощностью (Рекомендации МККТТ, G223).

Измерения показали, что значения мощности разговорных то­ ков, усредненные на входе канала ТЧ за отрезок времени, в тече­ ние которого разговорные токи передаются в одном направлении (такой отрезок времени называют активным состоянием канала), распределены по логарифмическому нормальному закону. Уровни по мощности сигналов речи, усредненные за короткие промежутки времени (волюмы), распределены, таким образом, по закону, близ­ кому к нормальному.

Значение волюма, соответствующее средней мощности ЮОмкВт в точке с относительным нулевым уровнем, было определено экс­ периментально (39]. Опыт показывает, что в часы наибольшей на­

25

грузки сигналы речи передаются в одном направлении лишь в те­ чение 25% от общего времени наблюдения. Поэтому вероятность активного состояния канала принята равной 0,25. Остальные 75% времени занимают: передача речи от противоположного абонента (также 25%), паузы, во время которых не говорит ни один або­ нент, хотя канал считается занятым, и время (приблизительно 25%), в течение которого канал не занят.

Активность канала в течение 25% времени дает среднее за час значение мощности, равное 25 мкВт, что соответствует абсолютно­ му уровню по мощности — 16 дБ в точке с относительным нуле­ вым уровнем.

Международный консультативный комитет установил в качест­ ве номинального значения средней мощности сигналов, поступаю­ щих в канал в течение часа наибольшей нагрузки (включая мощ­ ность сигналов управления), величину, равную 32 мкВт. Эта вели­ чина соответствует среднему абсолютному уровню до мощности —15 дБ в точке с относительным нулевым уровнем и включает в себя 22 мкВт мощности разговорных токов (включая токи эха) и остатков несущих частот, а также 10 мкВт мощности сигналов управления.

Номинальную среднюю мощность, определенную таким обра­ зом, считают исходной при расчете мощности помех невнятных линейных переходов из других каналов и мощности помех нели­ нейных переходов. Для расчета помех,, вызываемых нелинейными переходами, МККТТ определил «условную шумовую загрузку». Условность этой загрузки определяется следующими допущениями.

Многоканальный сигнал, состоящий из разговорных токов и то­ ков управления, поступающих в линейный тракт из отдельных ка­ налов, представляется в виде мощности белого шума, распределен­ ной в пределах передаваемой полосы частот. Однако между мощ­ ностью многоканального сигнала и мощностью белого шума су­ ществуют определенные различия. Мощность многоканального сиг­ нала, усредненная по интервалам длительностью в несколько се­ кунд, колеблется во времени значительно больше, чем соответст­ вующая средняя мощность равномерного белого шума. Это разли­ чие проявляется тем отчетливее, чем меньше число каналов. Его причиной является большая дисперсия мощностей, поступающих в канал при отдельных разговорах, а также то, что число активных каналов в я-канальной системе в час наибольшей нагрузки непре­ рывно меняется. Кроме того, мгновенные значения напряжений ре­ чевого сигнала распределены во времени не по нормальному за­ кону. Высокие пики напряжения появляются в сигналах речи ча­ ще, чем в белом шуме. При сложении большого числа сигналов речи с одинаковым волюмом распределение результирующего на­ пряжения приближается к нормальному, и только при числе ак­ тивных каналов, превышающих 60, это распределение становится нормальным. При относительном времени активного действия, равном 0,25, достаточная вероятность того, что в час наибольшей нагрузки одновременно будут находиться в активном состоянии

26

более 60 каналов, имеет место лишь в системах с числом каналов более 240.

Для расчета мощности помех нелинейных переходов реальную загрузку заменяют эквивалентной мощностью шума, равномерно распределенной по спектру. Эту эквивалентную шумовую загруз­ ку выбирают такой, чтобы мощность вызванных ею нелинейных помех была равна мощности нелинейных помех, вызванных реаль­ ной загрузкой в ЧНН.

С учетом нелинейной зависимости мощности продуктов нели­ нейности второго и третьего порядков от мощности полезных сиг­ налов уровень равномерной эквивалентной загрузки должен быть больше, чем средний уровень изменяющейся в больших пределах реальной загрузки ЧНН.

Исходя из этого, МККТТ определил «условную шумовую за­ грузку» для расчета нелинейных шумов при работе системы на линейном участке характеристики усилителя, средний абсолютный

малым числом каналов ТЧ, сильно отличаются от статистических характеристик белого шума [39].

В качестве эквивалентной пиковой мощности в Рекомендации МККТТ G223 принята мощность синусоидального колебания с амплитудой, значение которой может превышаться пиковыми зна­ чениями многоканального сигнала с вероятностью, равной Ю-5.

Уровни пиковой эквивалентной мощности для ВЧ систем пере­ дачи с различным числом каналов определялись при условии, что средняя мощность сигналов в одном канале ТЧ равна 32 мкВт (—15 дБ) и 1,5 — 2% каналов ТЧ заняты под вторичное уплотне­ ние. Величины пиковых эквивалентных мощностей для ВЧ систем передачи с различным числом каналов приведены в табл. 2.1.

Т а б л и ц а 2.1

В отечественных ВЧ системах передачи под вторичное уплот­ нение используется значительно большее количество каналов ТЧ,

27

чем по Рекомендациям МККТТ. Возможные варианты загрузки отечественных ВЧ систем передачи приведены в [55]. Для прове­ дения ориентировочных расчетов как средней, так и пиковой мощ­ ностей многоканального сигнала были использованы эксперимен­ тальные данные, полученные в ЦИИИС [55]. Следует отметить, что исследования многоканального сигнала продолжаются и поэтому возможно дальнейшее уточнение приведенных данных.

Зная параметры многоканального сигнала, можно, исходя из

нейных переходов. Допустимый уровень передачи на выходе линей­ ных усилителей определяется по формуле [55] /?пер= 10 lgr) Р— —'Лрду—Арт, где Р — максимальная неискаженная мощность вы­ ходной ступени усилителя; г\ — коэффициент, показывающий, ка­ кая часть выходной мощности лампы или транзистора сохраняется к концу срока службы; Д/?ду — величина требуемого запаса по ам­ плитудной характеристике, которая позволяет учитывать неточ­ ность установки диаграммы уровней и ее отклонение во времени; Лрпэ — уровень пиковой эквивалентной мощности многоканального сигнала.

Мощность помех от нелинейных переходов,ч образующихся на выходе одного усилителя в полосе частот канала связи, равной Л/, определяется следующим выражением [55]:

сти соответствующей гармоники, дБ; уг — коэффициент, определяе­ мый по кривым распределения продуктов нелинейности в зависи­ мости от <т=(7—f\)!(fz—ft), где / — частота, на которой определя­ ются помехи; fit / 2 — крайние частоты линейного спектра.

Продукты нелинейности четвертого и высших порядков, а так­ же продукты второго рода третьего порядка составляют незначи­ тельную величину мощности помех относительно продуктов нели­ нейности второго и третьего порядков. С учетом этого мощность нелинейных помех на выходе усилителя в полосе частот канала

Исходными данными для расчетов по этой формуле являются до­ пустимые значения затухания нелинейности для второй и третьей гармоник, указанные в ТУ на изготовление усилителей данного типа. В общем случае затухание нелинейности по любой гармони­

28

ке зависит от частоты этой гармоники, уровня измерительного то­

формулируются обычно следующим образом: затухание нелиней­ ности второй гармоники с частотой /, измеренное при уровне изме­ рительного тока на выходе усилителя, равном р, при усилении (установленном регуляторами цепи отрицательной обратной свя­

быть не менее Ого®- Поскольку зависимость затухания нелинейности от частоты

гармоники и величины усиления определяется схемой усилителя и не может быть выражена общим законом, то для данного типа усилителя допустимые величины затухания нелинейности задают­ ся рядом значений. В число их входят допустимые значения для верхнего по частоте канала и для канала, возможно более близ­ кого к нижнему, при различной величине усиления (чаще всего при максимальной, средней и минимальной). Аналогичным рядом зна­ чений задаются допустимые величины затухания нелинейности по третьей гармонике.

Для расчета ожидаемых значений продуктов нелинейности вто­ рого и третьего родов из указанных допустимых значений выби­ рают значения, относящиеся к данной частоте гармоники и к ве­ личине усиления на этой частоте SOJ. В общем случае затухание не­ линейности для усиления Soi приходится уточнять по значениям для двух близких величин усиления (имеющимся в технических условиях) путем линейной интерполяции.

При расчетах нелинейных помех предполагается, что продукты нелинейности второго порядка суммируются по мощности. Что ка­ сается продуктов нелинейности третьего порядка, то внутри секции ОУП—ОУП они суммируются по напряжению, а в разных секци­ ях — по мощности (39]. Выражение для расчета мощности продук­ тов нелинейности, вносимых в спектр канала N усилителями, мож­ но записать в следующем виде:

будут соответственно равны: pH= 101gP„ и UH= V P HR.

Изложенная методика расчета мощности помех за счет нели­ нейных переходов удобна для определения неисправности усили­ телей вновь настраиваемых систем или при проведении ремоигно-

29

восстановительных работ. При разработке усилителей исходной ве­ личиной для расчета их параметров является допустимая величи­ на помех за счет нелинейных переходов, по величине которых не­ обходимо определить требуемые величины затухания нелинейности по второй и третьей гармоникам.

Пусть мощность нелинейных помех на магистрали длиной Ь км , состоящей из п секций ОУП—ОУП, не должна превышать Ри пкВт в точке с нулевым относительным уровнем. Ориентировочно мож­ но допустить, что мощности нелинейных помех от каждого из про­ дуктов второго и третьего порядков равны между собой и состав­ ляют Ян/2 пВт для всей магистрали. Отсюда мощность нелиней­ ных помех в точке нулевого относительного уровня на секции ОУП—ОУП, состоящей из N усилительных участков, составит Рв1(2п) пВт. Тогда допустимое затухание нелинейности по второй гармонике должно быть не менее величины, определяемой выра­ жением

а затухание нелинейности по третьей гармонике не менее вели­ чины

Ли = ЗРср + 2рлер + 101g (24 ^ </,ЛР g .) ,

где рСр — уровень средней мощности многоканального сигнала в точке нулевого относительного уровня; рпер — номинальный уро­ вень передачи-на выходе усилителя.

Полученные значения а2о и а30 можно использовать также для расчетов ожидаемых помех за счет нелинейных переходов. Практи­ ка показывает, что при достаточно большом числе усилителей (40 и более) измеренные значения результирующего уровня, мощности или напряжения продуктов нелинейности второго и третьего по­ рядков лишь незначительно отличаются от расчетных. Следует, однако, иметь в виду, что при малом числе усилителей расхожде­ ния между измеренными и расчетными величинами могут быть зна­ чительными.

связи, где они обусловлены конечной величиной защищенности между парами кабелей. В процессе эксплуатации уровень линей­ ных переходных влияний зависит от защищенности между всеми влияющими цепями и цепью, подверженной влиянию, а также от загрузки влияющих цепей. На двухкабельных магистралях, где переходное затухание между кабелями достаточно велико, опре­ деляющими являются величины защищенности на дальнем конце всех усилительных участков. Величины эти нормируются и путем симметрирования доводятся до требуемых значений в процессе строительства.

30