Лекция 9. Физические цепи

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
РТФ
Радиотехнический институт УГТУ – УПИ
Инновационная образовательная
программа
Основы построения
телекоммуникационных
систем и сетей:
краткий курс лекций
Автор курса лекций:
Удинцев Владимир Николаевич, канд. техн. наук, доцент кафедры
ТСС УГТУ-УПИ
Екатеринбург
2008
2
Основы построения
телекоммуникационных
систем и сетей:
краткий курс лекций
лекция 9
Физические цепи проводных
систем электросвязи
Цели лекции:




Знакомство с основными видами физических цепей;
Знакомство с основными видами систем передачи
сообщений, их оборудованием и физическими
цепями;
Изучение основных свойств физических цепей;
Знакомство с основными понятиями и терминами.
4
Основные термины





Сообщение – форма представления информации, удобная для передачи на
расстояние.
Сигнал – физический процесс, отображающий передаваемое сообщение.
Электрический сигнал – сигнал, носителем которого является любая
электрическая величина.
Абсолютный уровень передачи – отношение выходной мощности канала
к входной полной мощности равной 1 мВА или активной мощности 1 мВт
на активном сопротивлении 600 Ом, либо значению тока или напряжения,
развивающую мощность в 1 мВт на сопротивлении 600 Ом
(соответственно 1,29 мА и 0,775 В). В телефонии для измерения абсолютных уровней используется синусоидальный сигнал частотой 1020 Гц.
Амплитудная характеристика (АХ) канала – зависимость коэффициента
передачи или величины его остаточного затухания от величины уровня
сигналов на входе.
5
Основные термины






Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) канала – зависимость
коэффициента передачи или величины его остаточного затухания от
частоты сигналов на входе.
Балансный контур – схема эквивалента полного (комплексного)
сопротивления линии в дифференциальных системах.
Ближний конец линии связи – часть линии связи, к которой подключен
источник сигнала (генератор).
Время группового замедления распространения электромагнитных
волн (ГВЗ) – первая производная от фазы сигнала по частоте:
τгр = d φ(ω )/ dω .
Видеосигнал – сигнал, передаваемый в виде мгновенных значений
постоянного тока или напряжения.
Вторичные сигналы – сигналы в системах связи, получаемые в результате
преобразования первичных и способные проходить по данной среде
распространения.
6
Основные термины






Данные – сообщение, представленное в алфавитно-цифровой форме.
Дальний конец линии связи – часть линии связи, к которой подключается
приемник (нагрузка).
Динамический диапазон сигнала – отношение максимально возможной к
минимально возможной мощности или отношение максимально возможного к минимально возможному напряжению сигнала.
Затухание тракта передачи – отношение мощности на входе тракта
передачи к его выходной мощности.
Измерительный уровень – абсолютный уровень в данной точке тракта
передачи при условии, что на входе тракта абсолютный уровень передачи
равен нулю (0 дБ).
Линия связи – инженерное сооружение, включающее в себя систему
передачи, содержащую среду распространения сигналов (направляющую
систему) и комплекс электронного оборудования, обеспечивающий
прохождение сигналов с заданной достоверностью (отношением
сигнал/шум).
7
Физические цепи


Для передачи сигналов в проводных системах электросвязи в качестве
направляющей системы (среды их распространения ) используются
токопроводящие металлические провода, светопроводящие стеклянные
волокна или волноводы. Если используются проводные линии из
металлических проводов, называемые обычно цепями связи или
физическими цепями, то возможно создание однопроводных,
двухпроводных и четырехпроводных линий связи (ЛС).
В однопроводных физических цепях цепь протекания токов образуется
проводом и почвой, она несимметрична, и поэтому сильно подвержена
воздействию внешних электромагнитных полей, а ее параметры зависят от
свойств почвы. Поэтому однопроводные цепи применяются только для
связи на небольшие расстояния. В двухпроводных цепях информация
передается по двум, изолированным от земли, проводам. В
четырехпроводных цепях передача информации в одном направлении
идет по одной паре проводов, а в другом направлении – по другой паре.
8
Физические цепи


Двух- и четырехпроводные цепи являются
симметричными цепями, оба провода
имеют примерно одинаковые наведенные
потенциалы от внешних электромагнитных
полей. Для повышения электромагнитной
симметрии линии, провода свивают между
собой либо перекрещивают их в пространстве по длине линии связи, увеличивая
тем самым степень ее симметрии.
Дуплексная связь может быть осуществлена
по четырех- или двухпроводной схеме. При
четырехпроводной схеме передача ведется
по одной паре, а прием – по другой паре
проводов. При двухпроводной схеме разделение каналов передачи и приема производится с помощью специального устройства
– дифференциальной системы.
9
Дифференциальная
система

Передатчик (микрофон) подключается к средней точке первичной обмотки,
приемник (телефон) ко вторичной, к зажимам 1 – 1 подключается соединительная
двухпроводная линия c комплексным сопротивлением Zл, а к зажимам 2 – 2 –
эквивалент комплексного сопротивления линии Zб, называемый обычно
балансным контуром. Поскольку ток передатчика протекает по двум встречно
включенным обмоткам дифференциального трансформатора TV1, то, при условии
равенства Zл = Zб, на вторичной обмотке не возникает напряжения передатчика,
так как магнитные потоки обмоток вычитаются. Для напряжения сигнала второго
передатчика (на зажимах 1 – 1) обмотки TV1 включены согласно, и оно передается
к приемнику.
10
Дифференциальная
система

Громкость телефонного сигнала падает с увеличением сопротивления шлейфа
(увеличением длины линии связи). В то же время, говорящий слышит в телефонном аппарате свой собственный голос и "автоматически" снижает громкость разговора, что приводит к малому уровню громкости на приемной стороне. Установка
в телефонном аппарате устройства, снижающего громкость "собственного" голоса
в телефоне, приводит к увеличению уровня громкости на приемной стороне. Это
явление получило название "местного эффекта" (англ. sidetone), поэтому в
телефонных аппаратах дифференциальная система носит название "противоместной схемы" и выполняется в виде мостовой или компенсационной схемы
11
Фантомные цепи

Кроме физических цепей для передачи сообщений возможно также
использование искусственных (фантомных или пикаровских) цепей, образованных, например, использованием средних точек дифференциальных
трансформаторов.
12
Частотная зависимость
погонного затухания

При передаче телефонных сигналов по линии связи также происходит и потеря
мощности сигналов на сопротивлении проводов физической цепи. Это принято
характеризовать погонным затуханием (километрическим затуханием), т.е. затуханием сигнала при прохождении одного километра линии связи (дБ/км). Путь
прохождения токов по физическим двухпроводным цепям напоминает петлю –
сначала от передатчика к приемнику, затем назад. Поэтому принято говорить о
"сопротивлении петли" или " сопротивлении шлейфа", которое в зависимости
от длины линии может лежать в пределах 100 – 20000 Ом и зависит от частоты
сигнала.
13
Частотная зависимость
сдвига фаз

Стандартные кабельные проводные линии связи имеют погонное затухание
примерно около 5 – 6 дБ/км на частоте 800 Гц и около 8 – 10 дБ/км на частоте
1600 Гц. От частоты зависят также значения начальных фаз спектральных
составляющих принимаемого сигнала (из расчета на километр длины) и полное
сопротивление (импеданс) витой пары кабеля.
14
Коррекция частотной
зависимости затухания

Чтобы избежать недопустимого падения уровня сигнала при большой
длине линии связи, приходится его компенсировать путем установки
усилителей через определенные участки длины линии связи,
определяемые ее погонным затуханием. Для устранения амплитудночастотных и фазовых искажений приходится применять коррекцию фазочастотной характеристики линии. При пассивной коррекции вида фазочастотной характеристики это называется пупинизацией линии передачи,
при активной – предыскажениями передатчика.
15
Четырехпроводный
тракт передачи

Абонентские терминалы А1 и А2 содержат источники ИС и приемники
ПС сообщений, подключенные соответственно через передатчики "Пер" и
приемники "Пр" к прямому и обратному тракту передачи. В состав тракта
передачи входят обслуживаемые "ОУП" и необслуживаемые "НУП"
усилительные пункты, расположенные вдоль длины физической линии.
Часть линии связи между соседними промежуточными усилителями
получила название усилительного участка.
16
Четырехпроводный
тракт передачи

Для нормальной работы линии передачи необходим определенный
уровень сигнала, который ограничен: снизу – требуемым превышением
уровня сигнала над помехами (отношением сигнал/шум); сверху –
нелинейными искажениями усилителей, уровнем переходных помех
между соседними линиями связи, устойчивостью работы усилителей и
энергетическими соображениями.
17
Относительный
уровень передачи




Различают относительные, абсолютные и измерительные уровни передачи.
В телефонии за стандартный дуплексный канал передачи принят
канал тональной частоты (ТЧ) с полосой 0,3 – 3,4 кГц и
двухпроводной схемой включения, поэтому за нулевой уровень (0 дБмо)
принимают уровень сигнала на его двухпроводном входе.
Эта точка измерения уровня называется точкой нулевого
относительного уровня (ТНОУ).
Относительный уровень передачи определяется как:
Ротн = 20 lg Uвых/ Uвх = 10 lg Pвых/Pвх дБмо.

Относительный уровень характеризует свойства самого тракта передачи и
не зависит от мощности на его входе, показывая разность уровней на
входе и в данной точке тракта передачи.
18
Абсолютный и
измерительный уровни

При определении абсолютного уровня за входную мощность принимают
активную мощность в 1мВт на активном сопротивлении 600 Ом, либо значение тока или напряжения, развивающие мощность в 1 мВт на сопротивлении 600 Ом (соответственно 1,29 мА и 0,775 В). В телефонии для измерения абсолютных уровней используется синусоидальный сигнал частотой 1020 Гц.
Рабс = 20 lg Uвых/ Uвх0 = 10 lg Pвых/Pвх0 дБм.



Абсолютный уровень позволяет судить о величине мощности в данной
точке тракта.
Измерительным уровнем называется абсолютный уровень в данной точке тракта при условии, что на входе тракта абсолютный уровень равен
нулю (0 дБ).
Величина
а = 20 lg Uвх/Uвых = 10 lg Рвх/Рвых называется
затуханием тракта передачи. ( Рвых= Рвх е–а/10 ). Общее затухание участка
линии длиной l (км) равно а = α l, где α – коэффициент затухания линии
(дБ/км).
19
Остаточное затухание

Разность между уровнями на входе и выходе линии связи называется
остаточным затуханием:
n
n
аост   ai   K i
i 1


i 1
Например, для двухпроводного тракта остаточное затухание должно быть
0 дБ, а для четырехпроводного не более – 17,4 дБ.
При определении уровней передачи за условную точку номинального
нулевого относительного уровня канала ТЧ (начало канала) принимают
его условный двухпроводный вход. Номинальное значение относитель-ного уровня передачи на частоте 1020 Гц в этой точке равно 0 дБ. В
четырехпроводной части простого канала ТЧ номинальный относительный уровень на входе должен быть равен минус 13 дБмо, а на выходе плюс 4 дБмо. В этих точках при использовании канала в четырехпроводном режиме осуществляется передача его потребителям по
соединительным линиям, а также постоянный транзит каналов.
Погрешность установки значения остаточного затухания канала относительно его номинального значения должна быть не более 0,5 дБ.
20
Электромагнитные
влияния




Физические цепи линий связи всегда находятся под влиянием различных
электромагнитных полей:
- внутренних – возникающих от протекания токов в соседних, близко
расположенных, физических или искусственных цепях линии связи;
- внешних – возникающих в энергетически и конструктивно не связанных с
линией связи устройствах или природных объектах (например, в грозовых
разрядах молний, в высоковольтных линиях передачи электрической энергии, на
электрофицированном транспорте, на промышленных предприятиях и т. п.).
Эти электромагнитные поля индуцируют в линиях связи различного рода помехи
(наводки), а иногда и возбуждают большие перенапряжения или токи, приводящие
к их повреждению или даже разрушению. Указанные воздействия называют
электромагнитными влияниями на физические цепи линий связи.
При оценке уровня взаимного влияния рассматриваются влияющая цепь (цепь,
создающая электромагнитное поле) и цепь подверженная влиянию (цепь, в
которой индуцируется помеха). При этом та часть линии связи, к которой
подключен источник сигнала (генератор) называется ближним концом, а другая
часть, к которой подключается приемник (нагрузка) – дальним концом линии
связи.
21
Электромагнитная
совместимость

Способность технической системы к функционированию в заданных
техническими условиями режимах и уровнях электромагнитных влияний,
не создавая нежелательных влияний на другие технические системы и
устройства, называется электромагнитной совместимостью.
Эта способность обеспечивается защитой технической системы от
воздействия посторонних электромагнитных полей и ограничением
уровня излучаемых ей самой электромагнитных полей экранированием и
увеличением степени симметрии ее физических цепей.
22
Переходное затухание



Влияющая цепь наводит в цепи подверженной влиянию переходную
помеху, которая в случае телефонной связи при большой ее величине
называется внятной переходной помехой. Количественно
защищенность цепи от переходной помехи оценивается:
переходным затуханием на ближнем конце (NEXT – Near End
Cross Talk):
а0 = 10 lg P10/P20
и переходным затуханием на дальнем конце линии (FEXT – Far
End Cross Talk):
аL = 10 lg P1L/P2L ,
где P10 – мощность сигнала на ближнем конце влияющей линии: P1L –
мощность сигнала на дальнем конце влияющей линии; P20 – мощность
сигнала на ближнем конце цепи, подверженной влиянию; P2L – мощность
сигнала на дальнем конце цепи, подверженной влиянию.
23
Помехозащищенность


Оценка действия помех любого вида производится по помехозащищенности Аз, дБ, определяемой разностью уровней полезного сигнала и помехи:
Аз = Рс – Рпом = 10 lg (Pc/Pпом).
Если фазочастотная характеристика (ФЧХ) канала (зависимость сдвига
фаз от частоты) линейна во всем спектре частот передаваемых сигналов,
то они будут переданы без искажений и появятся на выходе канала через
промежуток времени τгр, называемым временем группового замедления
распространения электромагнитных волн (ГВЗ):
τгр = d φ(ω )/ dω .

Если ФЧХ нелинейна, то групповое время замедления будет зависеть от
частоты и различные спектральные компоненты сигнала поступят на
выход канала в разное время. Это приведет к искажению формы сигналов
и появлению дополнительных компонент (эхо – сигналов) располагающихся впереди и позади основного сигнала.
24
Контрольные вопросы










Как образуется однопроводная линия связи? Почему двухпроводные и
четырехпроводные линии связи являются симметричными цепями?
Что такое амплитудно-частотная характеристика линии связи? Какой вид
она имеет?
Какие меры принимаются для повышения степени симметрии линии
связи? Что такое «пупинизация» и «остаточное затухание» линии связи?
Зачем в выходных усилителях систем передачи производится коррекция
(увеличение) усиления в области высоких частот?
Как организуется дуплексный канал связи по двухпроводной линии связи?
Что такое «фантомные» цепи? Где они применяются?
Что такое «местный эффект» и как он устраняется?
Чем относительный уровень передачи отличается от абсолютного и
измерительного?
Поясните, что такое «внятная переходная помеха», как она проявляется?
Как измерить переходное затухание на дальнем конце?
25
Информационное обеспечение
лекции
Список литературы

Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. В 3
томах. Том 1 - Современные технологии / Б. И. Крук, В. Н.
Попантонопуло, В. П. Шувалов; под ред. профессора В. П.
Шувалова. – Изд. 3-е, испр. и доп. – М.: Горячая линия-Телеком,
2003. – 647 с.: ил.

Гаранин М.В. и др. Системы и сети передачи информации: Учеб.
пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 2001. – 336 с.:ил.

И.Г. Бакланов. Тестирование и диагностика систем связи. – М.: ЭкоТрендз, 2001.

Колинько Т. А. Измерения в цифровых системах связи.
Практическое руководство. – Киев: ВЕК НТИ, 2002. – 320 с.: ил.

Додд Аннабел 3. Мир телекоммуникаций. Обзор технологий и
отрасли. Пер. с англ. – М.: ЗАО «Олимп—Бизнес», 2002. – 400 с.:
ил.
26
Конец фильма
Спасибо за внимание!