Телемеханика и связь

дение напряжения, а на параллельно включениях – малое, т.е.

âобласти частот, близких к 0, колебания задерживаются, фильтр становится прозрачным при большой расстройке конту-

ров, когда c1 % + % c2. В этой области частот контуры L2, C2 почти не шунтируют линию фильтра, а контуры L1, C1 не создают

âíåé сколько-нибудь значительного падения напряжения. Заграждающий фильтр, как и полосовой, можно представить состо-

ящим из двух элементарных фильтров: нижних частот L1, C2

с частотой среза c1 и верхних частот L2, C1 с частотой среза c2, которая больше, чем c1. В итоге получается уже известная нам частотная характеристика, левая ветвь которой соответствует первому, а правая ветвь – второму элементарному фильтру.

Как и в других фильтрах типа K, точное согласование сопротивления нагрузки Rí характеристическим сопротивлением фильтра происходит на одной частоте полосы прозрачности. В данном слу- чае это имеет место при частотах = 0 и , если

Rí		L	.
		C

3.6. Фильтры типа Ì

Рассмотренные однозвенные фильтры типа K имеют два недостатка: малую крутизну частотной характеристики при переходе че- рез граничную частоту и большое изменение характеристического сопротивления в полосе прозрачности. Первый недостаток частич- но устраняется увеличением числа звеньев, так как с ростом числа звеньев существенно увеличивается затухание фильтра в области задерживания, а это приводит к увеличению крутизны частотной характеристики около граничных частот. Чем больше звеньев в фильтре, тем больше его размеры и вес. В силу этого часто отдают предпочтение фильтрам, в которых согласование с нагрузкой и частотная характеристика улучшаются не за счет увеличения числа звеньев, а за счет усложнения их схемы. К таким относятся фильтры типа Ì, отличающиеся от фильтров типа K перераспределением реактивных сопротивлений между последовательным и параллельным плечами каждого звена. В фильтре низших частот типа

71

ELIB.PSTU.RU

Стр. 71

ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru)

K вместо одной индуктивности L (ðèñ. 3.14, à) включают две, из которых одна остается в последовательном плече звена , а другая вводится в параллельное плечо звена (рис. 3.14, á). Между сопротивлениями Z1m è Z2m фильтра M и сопротивлениями Z1 è Z2 входного фильтра K должны соблюдаться соотношения

Z1m mZ1 , Z2m	Z	2		1 m2
					Z1.
	m
				4m

Первое соотношение реализуется тем, что в последовательное плечо П-образного звена включают индуктивность òL, а для реализации второго соотношения в параллельное плечо включают две

емкости величиной m C2 каждая и две индуктивности величиной

L(1 m2 ) каждая. Значит, параметр Ì показывает, какую часть от 2m

общей индуктивности исходного фильтра составляет индуктивность последовательного плеча. Если принять Ì = 1, òî Z1m = Z1, Z2m = Z2, т.е. получим обычный фильтр низших частот.

В общем случае, когда 0 < Ì < 1, элементы параллельного плеча образуют в нем последовательный контур, собственная частота которого равна

	0			1						2				c		, (3.12)
				(1 m2 )L		mC				LC (1 m2 )				(1 m2 )
				2m		2

ãäå ñ – частота среза фильтра низших частот.

Ïðè Ì 0 пренебрегаем последовательно включенной индуктивностью òL как бесконечно малой величиной, но контуры в параллельных ветвях сохраняются, и их собственная частота согласно формуле (3.12) становится равной частоте ñ (ñì. ðèñ. 3.14, à). Характеристическое сопротивление этого фильтра изменяется с частотой так же, как и при Т-образной схеме типа K. В частности, для постоянного тока ( = 0) обе ветви благодаря емкостям представляют бесконечно большое сопротивление, и потому характеристическое сопротивление равно сопротивлению нагрузки

72

ELIB.PSTU.RU

Стр. 72

ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru)

Rí L .

C

Когда же частота достигает частоты среза ñ, в последовательных контурах наступает резонанс, они замыкают накоротко нагрузку и характеристическое сопротивление уменьшается до нуля (рис. 3.15).

Рис. 3.14. Переход от фильтров типа K к фильтрам типа Ì

Зависимость характеристического сопротивления Zîï от частоты при Ì = 1 известна: с ростом от 0 до ñ сопротивление Zîï возрастает от Rí до . Таким образом, при m = 0 è m = 1 наблюдается обратный характер изменения Zîï c частотой, и это наводит на мысль, что существует промежуточное значение M, при котором характеристическое сопротивление наиболее равномерно в полосе прозрачности. Этот оптимальный параметр Ì = 0,6.

Частотная характеристика фильтра типа Ì приведена на рис. 3.16. Поскольку параметр M < 1, собственная частота одной ветви фильтра типа M 0 % c , и при росте частоты от нуля к об- ычному увеличению затухания прибавляется затухание за счет приближения к резонансу в последовательных контурах ветвей. Когда наступает резонанс ( 0 c ), контуры замыкают накоротко

73

ELIB.PSTU.RU

Стр. 73 ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru)

Рис. 3.15. Зависимость	Рис. 3.16. Частотные характеристики
характеристического сопротивления	фильтра типа Ì
фильтра типа M от частоты
при разных m

ветви и затухание достигает бесконечно большой (конечной в фильтрах с потерями) величины. Очевидно, что чем меньше Ì, тем ближе 0 ê ñ и тем больше крутизна частотной характеристики при подходе к частоте среза. Чтобы устранить уменьшение затухания при частотах % 0, фильтр типа Ì дополняют промежуточными звеньями типа K. Существуют фильтры типа Ì, которые составляются путем перераспределения емкости между параллельными и последовательными плечами, как показано на рис. 3.14, ã.

ELIB.PSTU.RU

Стр. 74

ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru)

Преобразование сообщения в сигнал должно быть обратимым. В этом случае по выходному сигналу можно, в принципе, восстановить входной первичный сигнал, т.е. получить всю информацию, содержащуюся в переданном сообщении. В противном случае часть информации будет потеряна при передаче, даже если сигнал доходит до приемного устройства без искажений.

От передатчика к приемнику высокочастотный сигнал u(t) передается по линии связи. В системах электрической связи – это кабель или волновод, в системах радиосвязи – область пространства, в котором распространяются электромагнитные волны от передат- чика к приемнику. При передаче сигнал может искажаться и на него могут накладываться помехи n(t).

В одной линии связи может быть организован один канал связи (одноканальная линия связи) или несколько каналов связи (многока-

нальная линия связи).

Если сигналы, поступающие на вход канала и снимающиеся с его выхода, являются дискретными (по состояниям), то канал называется дискретным.

Если входные и выходные сигналы канала являются непрерывными, то и канал называется непрерывным.

Встречаются также дискретно-непрерывные è непрерывно-дис- кретные каналы, на вход которых поступают дискретные сигналы, а с выхода снимаются непрерывные, или наоборот. Из сказанного видно, что канал может быть дискретным или непрерывным независимо от характера передаваемых сообщений. Более того, в одной и той же системе связи можно выделить как дискретный, так и непрерывный каналы.

Непрерывный канал связи можно характеризовать так же, как и сигнал, тремя параметрами: временем Tê, в течение которого по каналу ведется передача, динамическим диапазоном Dê и полосой пропускания канала Fê. Ïîä динамическим диапазоном канала понимают отношение допустимой мощности передаваемого сигнала к мощности, неизбежно присутствующей в канале помехи, выраженное в децибелах. Типы каналов, по которым передаются сообщения, многочисленны и разнообразны. Широко применяются каналы проводной связи, коротковолновой радиосвязи с использованием отражения от ионосферы,

76

ELIB.PSTU.RU

Стр. 76

ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru)

ультракоротковолновой связи ионосферного и тропосферного рассеяния, метеорной связи, космической связи и т.п. Характеристики этих каналов значительно отличаются друг от друга.

Общими признаками непрерывных каналов являются следующие. Во-первых, большинство каналов можно считать линейными. В таких каналах выходной сигнал является суммой входных сигналов и помех (применим принцип суперпозиции), а продукты нелинейных преобразований в канале малы по сравнению с выходными сигналами. Во-вторых, на выходе канала даже в отсутствие полезного сигнала всегда имеются помехи. В-третьих, сигнал при переда- че по каналу претерпевает задержку по времени и затухание по уровню. И, наконец, в реальных каналах всегда имеют место искажения сигнала, обусловленные несовершенством характеристик канала и, нередко, изменениями параметров канала во времени.

Обобщенной характеристикой непрерывного канала является его емкость (объем):

Vê = Tê Fê Dê.

(4.1)

Необходимым условием неискаженной передачи по каналу сигналов, имеющих объем Vc, очевидно, должно быть

Vê & Vñ.

(4.2)

Преобразование низкочастотного сигнала в высокочастотный сигнал преследует цель согласования сигнала с каналом. В простейшем случае сигнал согласуют с каналом по всем трем параметрам, т.е. добиваются выполнения условий:

Vê & Vñ, Fê & Fñ, Dê & Dñ.

(4.3)

При этих условиях объем сигнала полностью «вписывается» в объем канала. Однако неравенство (4.2) может выполняться и тогда, когда одно или два из неравенств (4.3) не выполнены. Это озна- чает, что можно производить «обмен» длительности на ширину спектра или ширины спектра на динамический диапазон и т.д.

Например, записанный на пленку телефонный сигнал, имеющий ширину спектра 3 кГц, необходимо передать через канал, полоса пропускания которого 300 Гц. Это можно осуществить, воспроизводя сигнал со скоростью в 10 раз меньшей той, с которой он был

77

ELIB.PSTU.RU

Стр. 77

ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru)

мо, чтобы они различались между собой по некоторому признаку. В практике многоканальной связи преимущественно применяют частотный и временной способы разделения.

4.2. Многоканальные системы связи

При построении многоканальных систем связи, в которых передача сообщений осуществляется по одной линии связи, необходимо исключить влияние сигналов друг на друга. Во избежание такого влияния сигналы должны иметь какие-то отличительные признаки для того, чтобы на приеме их можно было разделить и каждый сигнал направить по своему адресу.

В теории связи использование одной линии связи для передачи многих сообщений (сигналов) называют уплотнением линии связи или образованием каналов связи, а вместо термина «разделение сигналов» применяют термины «разделение каналов или канальных сигналов».

Разделение сигналов – обеспечение независимой передачи и приема многих сигналов по одной линии связи или в одной полосе частот, при котором сигналы сохраняют свои свойства и не искажают друг друга.

Рассмотрим методы передачи сигналов, которые обеспечивают передачу многих сигналов по одной линии связи. Принципиально имеются следующие способы разделения сигналов:

1)схемное, или электрическое, разделение, при котором для передачи каждого сигнала отводится своя электрическая цепь;

2)амплитудное разделение по уровню, при котором каждому сигналу присваивается своя амплитуда;

3)полярное разделение, при котором передаются сигналы положительной или отрицательной полярности;

4)разделение по форме, при котором, например, сигналы в первом канале передаются импульсами прямоугольной формы, во втором – треугольной, в третьем – трапецеидальной и т.д.;

5)пространственное разделение, при котором сигналы различаются положением в пространстве относительно маркерного импульса;

6)временное разделение, при котором сигналы передаются последовательно во времени, поочередно используя одну и ту же полосу частот;

79

ELIB.PSTU.RU

Стр. 79

ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru)

7)кодово-адресное разделение, осуществляемое на базе временного (реже частотного) разделения сигналов с посылкой кода адреса;

8)частотное разделение, при котором каждому из сигналов присваивается своя частота и сигналы передаются последовательно или параллельно во времени;

9)частотно-временное разделение, позволяющее использовать преимущества как частотного, так и временного разделения сигналов;

10)фазовое разделение, при котором сигналы отличаются друг от друга фазой.

Первые пять способов разделения сигналов сейчас не применяются. Заметим, что схемный способ лишь условно может быть отнесен к способам разделения сигналов, так как он не соответствует приведенному определению разделения сигналов.

4.2.1. Многоканальные системы связи с временным разделением сигналов

Каждому из ï сигналов, которые должны быть переданы, линия связи предоставляется поочередно: сначала за промежуток времени t1 передается сигнал 1, за промежуток t2 – сигнал 2 и т.д. (на рис. 4.3, à для примера показана передача пяти сигналов). При временном разделении или временном уплотнении сигналов каждый сигнал занимает свой временной интервал, не занятый другим сигналом. Время, которое отводится для передачи всех сигналов, называется циклом. Если в пределах временного интервала сигнал состоит только из одного импульса, то полоса частот для его передачи определяется только длительностью. Если сигнал состоит из кодовой комбинации или в различных временных интервалах следуют импульсы разной длительности (например, при широтно-импульсной модуляции), то полоса частот будет определяться длительностью самого короткого импульса. Так как сигналы передаются поочередно во времени, то и все сигналы (каналы) поочередно используют одну и ту же полосу частот.

Между информационными временными интервалами, в которых передаются сообщения, во избежание взаимного влияния канала на канал необходимы защитные временные интервалы (см. рис. 4.3, à).

80

ELIB.PSTU.RU

Стр. 80

ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru)