4.1.2 Принципы построения аппаратуры группообразования.

Индивидуальное и групповое преобразование.

Материал по данному вопросу изложен в [1, стр. 25…28;  3, стр. 98…104; 4, стр. 120…123; 5, стр.187…194].

В системах передачи с ЧРК исходным сигналам различных каналов в линейном спектре отводятся определенные полосы частот.

Для более эффективного использования дорогостоящих линейных сооружений желательно в определенной полосе частот организовать как можно больше каналов, т.е. спектр канального сигнала должен быть как можно более узким. Поэтому в подавляющем большинстве АСП с ЧРК используется амплитудная модуляция (АМ) и передача в линию одной боковой полосы (ОБП) частот без несущей.

Основным способом получения ОБП является использование преобразователя частоты (рис. 4.5), включающего модулятор (смеситель) М, с помощью которого осуществляется амплитудная модуляция преобразуемого сигнала и подавляется несущая и полосового фильтра (ПФ), служащего для выделения верхней (или нижней) боковой полосы (ВБП или НБП) частот.

 

Рис. 4.5 Фильтровой преобразователь частоты.

 

В некоторых малоканальных АСП для получения ОБП используется фазоразностная схема, позволяющая существенно упростить преобразовательное оборудование. Однако из-за недостаточного подавления одной из боковых полос при использовании фазоразностного метода на канальный сигнал в линейном спектре отводится полоса в 2 раза больше, чем при фильтровом методе формирования ОБП. Так, при организации КТЧ с учетом защитных полос в линейном спектре на него отводится полоса 4 кГц при фильтровом и 8 кГц при фазоразностном методах формирования ОБП.

Преобразование частоты может осуществляться с инверсией или без инверсии боковых полос частот [3].

При преобразовании без инверсии из АМ-сигнала выделяется ВБП частот и порядок чередования частотных составляющих преобразованного сигнала совпадает с порядком чередования частотных составляющих исходного сигнала (рис. 4.6а).

При преобразовании с инверсией из АМ-сигнала выделяется НБП частот и порядок чередования частотных составляющих исходного сигнала меняется на обратный, т.е. инвертируется (рис. 4.6б).

В процессе преобразования частоты перенос спектра сигнала может осуществляться не только в сторону повышения частоты, но и в сторону понижения (рис. 4.7).

Если несущая частота при этом больше максимальной частоты исходного сигнала, то преобразование осуществляется с инверсией (рис.4.7а). В противном случае преобразованный сигнал имеет неинвертированный спектр (рис. 4.7б).

 

Рис. 4.6 Преобразование частоты без инверсии (а) и с инверсией (б).

 

 

 

Рис. 4.7 Преобразование частоты в сторону понижения с инверсией (а) и без инверсии (б).

 

Метод ОБП требует подавления неиспользуемой боковой полосы   с помощью полосовых фильтров. На месте неиспользуемой боковой полосы одного канала передается боковая полоса частот соседнего канала, причем спектры этих полос почти совпадают (рис. 4.8).

Если неиспользуемая боковая полоса будет подавлена недостаточно, то во втором канале появится переходная помеха, т.е. будет прослушиваться сигнал, передаваемый по первому каналу.

 

 

Рис. 4.8 Необходимость подавления неиспользуемой боковой полосы.

 

Переходные помехи практически не оказывают мешающего воздействия, если их уровень на 60…70 дБ ниже уровня полезного сигнала. Следовательно, затухание фильтра в полосе задерживания А _п.з. должно быть на 60…70 дБ выше затухания данного фильтра в полосе пропускания А _п.п. , т.е. А _п.з - А _п.п. ≥ 60…65 дБ.

Переходная область между полосами пропускания и задерживания (полоса расфильтровки)  ∆F_р невелика (см. рис. 4.8) и не изменяется с увеличением частоты несущего колебания fн. Для канала ТЧ, например, ∆F_р = 0,6 кГц.

Известно [1,3], что возможность реализации фильтров, обеспечивающих требуемую степень подавления неиспользуемой боковой полосы частот, определяется относительной шириной полосы расфильтровки (см. рис.4.5)

δ = ∆F_р/ f_н = 2F_min/ f_н ,

которая уменьшается  с ростом частоты несущего колебания.

Например, простые и дешевые LC-фильтры можно применять, если                  δ ≥ (0,025…0,03). При меньшем значении  δ необходимо использовать кварцевые, магнитострикционные, электромеханические и другие фильтры с высоко- добротными элементами.

С другой стороны, сложность реализации полосовых фильтров определяется крутизной характеристики затухания в переходной области

S_ф =  А _{п.з min}/∆F_р.

Для каналов ТЧ ∆F_р = 600 Гц, А _{п.з min} = 60 дБ, следовательно

S_ф = 60/600 = 0,1 [дБ/Гц].

Если преобразованию подвергается спектр канала ТЧ, частота несущего колебания  в случае применения LC-фильтров не должна превышать 30 кГц. Линейные спектры современных АСП с ЧРК занимают значительно более широкую полосу частот. Очевидно, что при очень высоких значениях несущих частот δ оказывается настолько малой, что реализовать соответствующий фильтр оказывается невозможным. В этом случае, а также  при  экономической нецелесообразности  использования высокодобротных фильтров, применяют многократное преобразование частоты. Кроме того, многократное преобразование частоты позволяет устранить серьезный недостаток фильтрового метода формирования ОБП, заключающийся в том, что  при использовании схемы рис. 4.5 количество разнотипных канальных фильтров должно быть равно числу каналов. При большом числе каналов это удорожает и усложняет производство и эксплуатацию аппаратуры [4].

В качестве примера на рис. 4.9 показано преобразование спектра первичного сигнала 0,3…3,4 кГц в диапазон частот 104,3…107,4 кГц.

 

                  

 

Рис. 4.9 Формирование ОБП при двукратном преобразовании частоты.

 

При однократном преобразовании спектра сигнала по схеме рис. 4.5               (f_н = 104 кГц)  необходим специальный фильтр, т.к. δ = 0,006. При двукратном преобразовании спектра (рис. 4.9)  в первом модуляторе выбирается несущая до 30 кГц, например, f₁ = 12 кГц. При этом δ = 0,05 и фильтр легко реализуется на          LC-элементах. На второй модулятор сигнал подается уже в полосе частот   12,3…15,4 кГц, и для переноса этого сигнала в заданную полосу частот необходимо использовать несущую f₂ = 104 - f₁ = 92 кГц. Фильтр второго преобразователя частоты также легко реализуется на  LC-элементах, т.к. δ = 0,26 (рис. 4.9).

Таким образом, при многократном преобразовании частоты абсолютная ширина полосы расфильтровки на выходе каждого последующего ПЧ больше, чем на выходе предыдущего, что позволяет увеличивать значение несущих частот без уменьшения относительной ширины полосы расфильтровки δ, т.е. использовать, например, LC-фильтры на частотах выше 30 кГц.

При многократном ПЧ используется понятие виртуальной несущей частоты. Виртуальной несущей частотой называется воображаемая несущая частота, с помощью которой можно было бы исходный спектр переместить в линейную полосу частот путем однократного преобразования (минуя все промежуточные ступени преобразования).

В настоящее время при построении аппаратуры АСП с ЧРК, как правило, используется многократное преобразование частоты.

Методы построения многоканальной аппаратуры АСП с ЧРК отличаются способом формирования группового сигнала и особенностями передачи его в линейном тракте [1,5,6,7]. По способу формирования группового сигнала (первый признак) различают:

1.     метод с индивидуальным преобразованием сигналов;

2.     метод с групповым преобразованием сигналов.

По способу усиления группового (линейного) сигнала (второй признак) выделяют:

1.     метод с усилением каждого индивидуального сигнала;

2.     метод с усилением линейного сигнала в целом.

При индивидуальном преобразовании сигналов формирование группового (линейного) спектра частот производится путем отдельного независимого преобразования каждого из N сигналов. Другими словами, при индивидуальном методе преобразователи, фильтры, усилители и другие элементы для каждого канала являются отдельными и повторяются в составе оконечной промежуточной  аппаратуры столько раз, на сколько каналов рассчитана система передачи. Индивидуальные методы преобразования в оконечных и усиления в промежуточных станциях поясняются на рис.4.10.

 

 

Рис. 4.10 Индивидуальный метод преобразования и усиления.

При построении оконечной станции по индивидуальному методу с многократным преобразованием частоты (рис.4.10) общее число разнотипных фильтров оказывается очень большим. В N-канальной системе количество фильтров  и их типов равно N_n, где  n – число ступеней преобразования. На промежуточных станциях (НУП, ОУП) для каждого из N каналов реализуется N индивидуальных усилительных устройств.

Достоинствами индивидуального метода являются:

- простота выделения (ответвления) любого сигнала в любом промежуточном пункте;

- к индивидуальному усилителю не предъявляются высокие требования к показателям качества: каждый усилитель сравнительно узкополосен и может работать с большими нелинейными искажениями, т.к. на выходе они подавляются полосовым фильтром;

- минимум преобразований сигнала на оконечных пунктах;

- высокая надежность связи (отказ одного из усилителей в промежуточном пункте не влияет на работу остальных).

Недостатками  индивидуального метода можно считать:

- громоздкость и большое потребление энергии оборудованием промежуточных станций (канальными усилителями);

- большое количество канальных полосовых фильтров, а значит увеличение объема и стоимости оборудования;

- плохое использование пропускной способности линейного тракта, т.к. из-за недостаточной избирательности канальных полосовых фильтров увеличивают разнос частот между соседними  каналами, что ухудшает «плотность упаковки» линейного сигнала. В итоге увеличивается верхняя частота линейного спектра и уменьшается допустимая длина участка линии между соседними усилительными пунктами.

- малоканальность, обусловленная сложностью создания полосовых канальных фильтров с идентичными характеристиками в широком диапазоне частот.

В настоящее время индивидуальный метод построения систем передачи  из-за перечисленных недостатков не применяется.

Современные АСП с ЧРК строятся на основе группового метода.

В основу метода группового преобразования сигналов положен принцип формирования линейного спектра в оконечном пункте АСП с помощью нескольких ступеней преобразования. На каждой ступени объединяются несколько канальных сигналов, т.е. линейный сигнал представляет собой сумму нескольких промежуточных групповых сигналов. При этом, в отличие от индивидуального метода, отдельной для каждого канала является только часть аппаратуры, а остальное оборудование – общее для всех каналов.

Принципы многократного группового преобразования  поясняются с помощью рис. 4.11.

Рис. 4.11 Групповой метод преобразования.

Совокупность N каналов разбивается на m групп по k каналов, т.е. km = N. Данная процедура называется группообразованием. В каждой группе сигнал каждого канала подвергается индивидуальному преобразованию  с помощью несущих частот f_н1…f_нk. Во всех группах это преобразование однотипно, поэтому на выходе каждой группы образуется один и тот же спектр частот. Групповые спектры подвергаются затем групповому преобразованию с несущими f_гр1…f_грm, таким образом, что после объединения преобразованных групповых сигналов образуется спектр частот N каналов. ( Для определенности полагается, что индивидуальное преобразование осуществляется без инверсии, а групповое – с инверсией боковых полос). Образованные после индивидуального преобразования группы могут подвергаться многократному преобразованию. В рассматриваемом случае общее количество фильтров  равно     (N + n_гр), а число типов фильтров сокращается до     (k = mn_гр), где n_гр – число групповых ступеней преобразования [1].

Например, для того чтобы преобразовать спектры 12 каналов в полосу частот  выше 60 кГц, используя LC-фильтры, требуется минимум двукратное преобразование. Количество типов фильтров при использовании только индивидуальных ПЧ равно 2х12 = 24, а при четырех группах по три канала в каждой 3 + 4х1 = 7. Общее число фильтров в первом случае равно 24, а во втором – 16.

Усиление линейного сигнала при реализации группового метода предполагает  наличие в промежуточном пункте лишь одного усилителя (для всей полосы частот линейного спектра), что упрощает оборудование и снижает его стоимость и габариты. Это является несомненным достоинством. С другой стороны, к недостаткам группового метода усиления можно отнести высокие требования к показателям качества линейного усилителя промежуточной станции (в частности, к амплитудно-частотной характеристике и величине нелинейных искажений) и трудность выделения канальных сигналов.

Таким образом, применение многократного и группового преобразования позволяет унифицировать фильтровое оборудование АСП, т.е. уменьшить его разнотипность. Однородность фильтров позволяет практически неограниченно увеличивать количество каналов.

Недостатком АСП с ЧРК, построенных по групповому методу, является необходимость установки всего оборудования вне зависимости  от потребного количества каналов на данный момент времени, а также необходимость применения  специальной аппаратуры выделения в промежуточных пунктах.

 Существенные достоинства группового метода преобразования и усиления сделали его монопольным при построении АСП с ЧРК.

Многократное преобразование частоты и группообразование позволяют подобрать диапазон частот канальных сигналов так, чтобы они были оптимальными с точки зрения реализации канальных фильтров с требуемыми характеристиками.

Совокупность устройств в составе АСП с ЧРК, обеспечивающих образование групп каналов ТЧ и широкополосных каналов, называется каналообразующим оборудованием (аппаратурой - КОА).

Принцип построения каналообразующей аппаратуры АСП с ЧРК на основе многократного преобразования частоты и группообразования иллюстрируется с помощью рис. 4.12.[6,7]

 

Рис. 4.12 Построение КОА при многократном преобразовании и группообразовании.

В первой ступени преобразования общее число каналов системы N разбивается на n₂ групп по n₁ каналов в каждой. В результате формирования группы одинаковые исходные частотные полосы от n₁ различных источников преобразуются в  n₁- канальный групповой сигнал. Эта ступень преобразования называется индивидуальной, а группа из n₁ каналов – первичной (ПГ).

Совокупность устройств, формирующих первичные группы КТЧ, называется аппаратурой канального преобразования (АКП, см. рис.4.2).

Вторая и последующие ступени преобразования являются групповыми. На второй  ступени n₂ одинаковые частотные полосы первичных групп преобразуются в общий групповой сигнал, содержащий сигналы n₁n₂ каналов. Эта группа каналов называется вторичной (ВГ).

В третьей ступени преобразования  образуется n₁n₂n₃-канальный сигнал путем переноса n₃ одинаковых частотных полос группового n₁n₂-канального сигнала в неперекрывающиеся полосы частот. Данная группа каналов называется третичной (ТГ).

При построении оконечной аппаратуры с очень большим числом каналов возможно использование четверичных (ЧГ) и пятиричных (ПтГ) групп, формируемых объединением, соответственно, нескольких ТГ и ЧГ. Оборудование, обеспечивающее формирование ВГ, ТГ и групп более высокого порядка, называется, соответственно, аппаратурой преобразования ПГ (АППГ), аппаратурой преобразования ВГ (АПВГ) и т.д. В целом совокупность АППГ, АПВГ, АПТГ и т.д. именуется аппаратурой преобразования групп каналов (АПГК, см. рис. 4.2).

Международными нормами определены значения n_i, используемые на разных ступенях группообразования. На первой ступени объединяется 12 сигналов (n₁ = 12), причем формирование ПГ может производиться с помощью предварительной группы (ПрГ), включающей 3 канала ТЧ (n₁' = 3). На второй и третьей ступенях группообразования объединяется 5 сигналов (n₂ =  n₃ = 5), а на четвертой и пятой ступенях – 3 сигнала (n₄ =  n₅ = 3).

Каналообразующая аппаратура различных систем передачи не обязательно содержит все перечисленные выше группы. В зависимости от общего числа каналов она может состоять только из ПГ, ПГ и ВГ и т.д.

Использование КОА позволяет  строить оконечную аппаратуру любых АСП на основе использования стандартного преобразовательного оборудования и, следовательно, создать единое унифицированное каналообразующее оборудование для различных систем передачи.

Основные параметры стандартных групп каналов приведены в таблице 4.1.

 

 

 

 

Таб. 4.1                                  Основные параметры стандартных групп

 

 

Таким образом, многократное  и групповое преобразование частоты позволяет снизить требования к канальным фильтрам, уменьшить разнотипность фильтрового и генераторного оборудования АСП и в значительной степени унифицировать аппаратуру разнотипных систем, что резко повышает их экономичность.