Двухсторонние каналы связи

ч. 1





ДВУХСТОРОННИЕ КАНАЛЫ СВЯЗИ

Принципы образования двухсторонних каналов связи

В любой системе связи (цифровой и аналоговой) должна обеспечиваться возможность передачи информации в двух встречных направлениях. В принципе это можно сделать по одной двухпроводной линии: часть времени отводится для передачи информации в одном направлении, часть - в обратном. Сигнал может занимать при этом одну и ту же полосу частот. Этот простейший способ нашел широкое применение в распределительной сети местных телефонных станций. Абонентские каналы, занимающие одну пару проводов, назвали двухпроводными. Для связи же АТС между собой, когда в каждом направлении могут передаваться сотни и тысячи разговорных сигналов, используются двухсторонние каналы, состоящие из двух односторонних. Это обусловлено односторонней направленностью аппаратуры МСП: усилителей, аппаратуры уплотнения, приемных и передающих устройств. Такие составные каналы называют четырехпроводными, так как в простейшем случае они реализуются двумя парами проводов.

Для соединения окончаний двухпроводных и четырехпроводных каналов при переходе с магистральной линии на абонентскую используются промежуточные устройства, которые называют развязывающими (РУ) (рис. 1, а). Они обеспечивают согласование уровней сигналов, входных и выходных сопротивлений каналов. Кроме того, они выполняют «развязку» цепи обратной связи (ОС), которая возникает у усилителей направления передачи через направление приема. Недостаточное ослабление ОС вызывает искажение частотных характеристик каждого направления, а в некоторых случаях и паразитную генерацию (самовозбуждение). Окончание РУ, к которому подключается абонентская линия, называется двухпроводным (2-пр) окончанием (рис. 1, б), а окончания РУ, к которым подключены односторонние каналы передачи и приема, - четырехпроводными (соответственно передачи - 4-пр. прд и приема - 4-пр. прм).

Рис. 1
Развязывающие устройства и их характеристики

К развязывающим устройствам предъявляют специальные требования: 1) минимальное, а в идеальном случае - нулевое затухание в направлениях передачи и приема сигналов 1-4 и 1-3 (см. рис. 1,6); 2) максимальное, а в идеале — бесконечное затухание в направлении развязки 3-4; 3) минимальные искажения, вносимые РУ в сигналы связи.

Этим требованиям в той или иной степени могут удовлетворять РУ, построенные по различным схемам и принципам, на различной элементной базе. Их можно обобщить по следующим признакам:

- линейные на пассивных элементах с постоянными параметрами;

- линейные на активных элементах с постоянными параметрами;

- параметрические с управляемыми элементами.

Если затухание между полюсами РУ в прямом и обратном направлениях одинаково (, и ) то РУ называется взаимным или обратимым. Этим свойством обладают линейные пассивные РУ, построенные по мостовой схеме, которые и будут рассматриваться в дальнейшем.

Мостовые РУ представляют собой сбалансированный электрический мост. В одно из его плеч включается двухпроводная линия, подбором сопротивления противоположного плеча мост вводится в состояние равновесия. Пары приемного и передающего направлений четырехпроводного канала включаются в разные диагонали моста. Мостовые РУ называют дифференциальными системами (ДС).

В аппаратуре МСП нашли применение в основном два типа мостовых РУ: трансформаторные (рис. 2, а) и резистивные (рис. 2, б).



Рис. 2
Трансформаторные РУ выполняются на основе дифференциального трансформатора (ДТ), имеющего две обмотки, причем одна из них - с отводом. Рассмотрим работу такого РУ, считая ДТ идеальным, т.е. полагая активные сопротивления его обмоток равными нулю, индуктивные - бесконечности, рассеяние - нулю.

Коэффициент (W1, W’’1 - число витков частей первичной обмотки) называется коэффициентом неравноплечности, а коэффициент - коэффициентом трансформации. Случаю т = 1 соответствует равноплечее РУ.

Найдем соотношение между сопротивлениями цепей, подключенных к РУ, при котором выполняется условие баланса моста, т.е. отсутствует передача мощности из одной диагонали в другую (бесконечное значение затухания а34). В сбалансированной мостовой схеме изменение сопротивлений, подключенных к противоположным диагоналям моста, не влияет на передачу мощности из диагонали в другие точки моста. Чтобы упростить вывод аналитических выражений, обычно полагают сопротивление нагрузки в противоположной диагонали моста равным нулю (режим КЗ) или бесконечности (режим XX). В частности, если рассматривается прохождение сигнала от источника, подключенного к диагонали 4-4, то внешнее сопротивление Z3 удобно принять равным нулю. К точкам 4-4 (рис. 3, а) подключим генератор с внутренним сопротивлением Zг, к точкам 1-1 - линию с волновым сопротивлением Z1 , а к точкам 2-2 - балансное сопротивление Zб .



Рис. 3
По отношению к точкам 4 - они включены параллельно, и к ним приложено напряжение U4, так как при Z3 =0 сопротивления обмоток W1 и W’’1 также будут равны нулю. Результирующий магнитный поток, пронизывающий витки вторичной обмотки ДТ, в случае баланса равен нулю - это следует из условия нулевой передачи в направлении 4-3. Но этот поток создается двумя противоположно направленными токами и и равен нулю в случае, когда или . Сокращая на U4 и W1', приходим к условию баланса моста



. (1)

При неидеальном ДТ и комплексном сопротивлении Z12 из (1) следует, что сопротивление Zб должно быть комплексным; оно представляет собой двухполюсник, называемый балансным контуром.

Определим входное сопротивление РУ Z4 со стороны зажимов 4 - 4. Как уже отмечалось, в идеальной ДС сечения 3 - 3 и 4 - 4 «развязаны», т.е. изменение сопротивления Z3 в сечении 3 - 3 не должно изменять входное сопротивление в сечении 4—4. Положим, что Z3 = 0, тогда эквивалентное сопротивление полуобмоток W1 и W’’1 будет также равно нулю

.

В результате приходим к простой схеме рис. 3, 6, где сопротивления Z1 и Zб включены параллельно. Учитывая (3.1), получим



(2)

Найдем затухание в направлении 4—1, используя рис. 3.3,6:



(3)

Из свойства взаимности следует, что . Аналогично находится затухание для направления 4—2:



(4)

Рассмотрим теперь случай подключения генератора со стороны зажимов 3-3 (рис. 4, а). Здесь удобно положить сопротивление нагрузки в противоположной диагонали (в сечении 4-4) равным бесконечности, т.е. Z4 =∞. Тогда сопротивления Z1 и Zб оказываются включенными в цепь первичной обмотки последовательно, их суммарное сопротивление, приведенное к зажимам вторичной обмотки, будет равно



(5)

Это и будет входное сопротивление РУ со стороны зажимов 3—3.




Рис. 4

Найдем теперь выражение для затухания в направлениях 3-1 и 3-2 (см. рис. 4,6). Если генератор создает между точками 3-3 напряжение U3 то между выводами 1 и 2 первичной обмотки оно будет в n раз больше. При этом на сопротивлениях Z1, Z3 и Zб выделится мощность, равная соответственно , , где - ток в первичной обмотке ДТ. Таким образом, с учетом (5) выражение для затухания будет иметь вид:



(6)

(7)

Определим затухание а12 в направлении 1-2. Для этого подключим генератор с внутренним сопротивлением Z1 со стороны зажимов 1-1 РУ. На входе 1-1 поглощается мощность Р1 равная сумме мощностей на всех зажимах РУ, т.е. . Но [см. (3-6)], а . Нетрудно заметить, что , следовательно, , т.е. в направлении 1-2 мощность не передается. Тогда



. (8)

Таким образом, в трансформаторном РУ есть два направления развязки: 3-4 и 1-2. Входное сопротивление Z1 определяется из условия баланса (1).

До сих пор рассматривалось сбалансированное РУ, идеально согласованное по всём входам и выходам. На практике это зачастую не выполняется, и сопротивление балансного контура Zб может отличаться от волнового сопротивления двухпроводной линии Zл, для т = 1. В результате нарушается условие баланса моста, затухание в направлении развязки становится конечным и недостаточно большим. Действительно, при нарушается согласование двухпроводной линии и РУ со стороны 1-1. Если к зажимам 4-4 будет подключен генератор, то часть его мощности, передаваемой в направлении 4-1, неизбежно отразится и, испытав затухание на участке 1-3, попадет на зажимы , 3-3 (см. рис. 5).

Рис. 5
Полное затухание а43 равно сумме затуханий по участкам:



(9)

. (10)

Величину аотр называют также балансным затуханием Ае. Оно обычно не превосходит 25-30 дБ, если сопротивление балансного контура достаточно точно имитирует комплексное сопротивление линии в сечении 1-1, и падает до 5-8 дБ, если Zб представлено резистором в 600 Ом. Подставляя в (9) величины а41 а13 из (3) и (6), получаем:



(11)

В случае равноплечего РУ = 1) затухание равно



(11)

Для увеличения затухания между направлениями развязки 4-3 и 1-2 необходимо обеспечить точное согласование входных сопротивлений РУ со стороны внешних нагрузок. Наиболее трудно выполнить это требование со стороны подключения абонентской линии (сечение 11), поскольку входное сопротивление этой линии Zл имеет значительный разброс и к тому же частотно зависимо (см. рис. 6).



Рис. 6
Сложная зависимость не позволяет подобрать достаточно простой балансный контур Zб , который имел бы сопротивление (см. условие 1). Поэтому обычно ограничиваются выполнением условия , где Z.лcp(f) - усредненная частотная зависимость (см. штриховую кривую на рис. 6). Однако даже это условие трудно выполнить для всех частот. В частности, если в качестве Zб используется од-нозвенный контур (см. рис. 7, а), то согласование можно обеспечить только на двух частотах f1 и f2, рассчитывая элементы R1 и С1 из системы уравнений:



; (13)

Рис. 7
При использовании двухзвенного балансного контура (см. рис. 7, б, в) можно обеспечить согласование на четырех частотах f1 - f4. Для этого решается система из четырех уравнений , относительно элементов R1 C1 R2, C2. На остальных частотах согласование не обеспечивается, что ведет к уменьшению балансного затухания Ае(f) и соответственно затухания развязки и .

Наряду с классическим вариантом ДС, выполненным на основе двухобмоточного трансформатора с отводом (см. рис. 2, а), применяются ДС и на основе трехобмоточного трансформатора. Наличие трех разделенных обмоток и возможность различного подключения концов этих обмоток позволяет получить другие варианты построения ДС.

Резистивные РУ нашли применение в аппаратуре MCIJ благодаря своей простоте и низкой стоимости. Мост, образованный сопротивлением линии и резисторами R14, R42, Rб балансируется резистором Rб (см. рис. 2, 6) из условия (1), где . Если выполняется условие , то согласованное включение на всех зажимах резистивного РУ будет при . По сравнению с трансформаторными РУ резистивные характеризуются вдвое большими затуханиями в направлениях передачи (6 дБ), более узкой полосой рабочих частот и меньшим затуханием в направлении развязки. Однако в силу простоты и дешевизны они находят применение в менее ответственных цепях: для ввода сигналов контроля исправности, набора номера АТС, служебной связи и т.п. .





2010_ Каналообразующие устройства телекоммуникаций. Лекция 12

ч. 1