Многократное преобразование частоты

Необходимость многократного преобразования вытекает из сле­дующих простых рассуждений. Пусть требуется разработать СП с ЧРК на число каналов тональной частоты N = 60, линейный спектр которой занимает полосу частот от 12 до 252 кГц.

Наиболее просто сформировать линейный спектр одной ступе­нью преобразования, подавая на каждый канальный модулятор (КМ) первичный телефонный сигнала с полосой частот 0,3...3,4 кГц

и свою несущую частоту: на первый канал = 12 кГц, на второй ка­нал =16 кГц и так далее через 4 кГц, на шестидесятый канал по­дается несущая f₆₀ = 248 кГц, и выделяя верхнюю боковую полосу частот. Для первого канала это будет 12,3... 15,4 кГц, для второго -16,3... 19,4 кГц и так далее, для шестидесятого 248,3...251,4 кГц. Канальные полосовые фильтры (КПФ) для каналов, занимающих полосу частот до 30 кГц, могут быть реализованы на LC-элементах; от 30 до 60 кГц нет соответствующей элементной базы, реализую­щей КПФ отвечающих требованиям к величине крутизны характери­стики затухания в ПЭЗ; в полосе частот от 60 до 110 кГц КПФ могут быть реализованы на основе кварцевых или магнитострикционных резонаторов; в полосе частот от 130 до 200 кГц возможно примене­ние электромеханических или пьезокерамических фильтров. Сле­довательно, такой способ формирования линейного спектра приво­дит к значительной разнотипности КПФ, реализованных на раз­личной элементной базе, т.е. требуются 60 различных фильтров с разной элементной базой. Это усложняет производство и эксплуа­тацию каналообразующего оборудования СП с ЧРК.

Возможно и другое формирование линейного спектра. Для реа­лизации канальных полосовых фильтров выбирается диапазон час­тот, являющийся оптимальным для конкретной элементной базы и в пределах которого формируется канальных сигналов ОБП, зани­мающих неперекрывающие полосы частот. Ступень формирования группового сигнала на канальных сигналов называется ступенью индивидуального преобразования. Отметим, что число каналов на ступени индивидуального преобразования кратно числу каналов N СП с ЧРК. Следующие ступени преобразования являются группо­выми и предназначаются для создания из одинаковых по спектру - канальных групповых сигналов общего группового q-канального сигнала (где q = ), затем для создания из одинаковых по спек­тру q-канальных групповых сигналов общего группового N -канального сигнала (где N = qn₃ = ) и т.д. Последняя ступень группового преобразования предназначается для преобразования спектров полученных многоканальных групповых сигналов, содер­жащих необходимое число канальных сигналов, в линейный спектр СП с ЧРК, предназначенный для передачи по линии. Структурная схема, поясняющая принцип многократного преобразования часто­ты, показана на рис. 16.

Рис. 16. К пояснению принципа многократного преобразования частоты

Используем многократное преобразование частоты для рас­сматриваемого ниже примера формирования линейного спектра СП с ЧРК на N = 60 каналов тональной частоты (КТЧ).

Для формирования канальных сигналов с ОБП применим каналь­ные полосовые фильтры (КПФ) на LC-элементах, требуемая крутизна характеристик которых обеспечивается в диапазоне частот 10...30 кГц. Пусть на первой ступени преобразования объединяется n₁ = 3 КТЧ в трехканальную предварительную группу (предгруппу), занимаю­щую полосу частот 12,3...23,4 кГц (округленно 12...24 кГц). Схема формирования трехканальной предгруппы приведена на рис. 17.

Как следует из рис. 17, на первый канал с эффективно-передаваемой полосой частот 0,3...3,4 кГц подается несущая частота f₁₁ = 12 кГц и с помощью LC-канального полосового фильтра (КПФ-1) выделяется верхняя боковая полоса частот 12,3... 15,4 кГц; на второй канал подается несущая f₁₂= 16 кГц и с помощью LC-канального поло­сового фильтра (КПФ-2) выделяется верхняя боковая полоса частот 16,3... 19,4 кГц и на третий канал подается несущая f₁₃=20 кГц и с по­мощью КПФ-3 выделяется верхняя боковая полоса частот 20,3.. .23,4 кГц. Таким образом сформирован спектр трехканальной предгруппы, занимающей полосу частот 12,3...23,4 кГц (округленно 12...24 кГц).

Минимальное значение относительной полосы расфильтровки

будет равно (57) , следовательно, возможна реализация КПФ на основе LC - элементов с добротностью не хуже

(59). Такое значение добротности катушек индуктивности легко реализуется при произ­водстве LC-фильтров, работающих в диапазоне частот 12...24 кГц трехканальной предгруппы.

Рис. 17. К формированию трехканальной предгруппы с применением LC-канальных полосовых фильтров

Если формировать линейный спектр СП с ЧРК на основе 20-ти трехканальных предгрупп, то опять возникают проблемы разнотип­ности фильтров, формирующих сигналы с ОБП шириной полосы частот равной 23,4 - 12,3 = 11,1 кГц (округленно 12 кГц), и элемент­ной базы их реализации. Поэтому для устранения вышеназванных проблем применим вторую ступень группового преобразования. Для этого на основе n₂ = 4 трехканальных предгрупп с полосой частот 12,3...23,4 кГц сформируем двенадцатиканальную первичную группу, занимающую полосу частот 60,6... 107,7 кГц (округленно 60... 108 кГц) (рис. 18).

Как следует из рис.18 на первую трехканальную предгруппу, за­нимающую полосу частот 12,3... 15,4 кГц, подается несущая второй ступени преобразования f₂₁ = 120 кГц и полосовым фильтром пред­группы (ПФПрГ-1) выделяется нижняя боковая полоса частот 92,6... 107,7 кГц (верхняя боковая полоса частот при этом равна 132,3... 143,4, следовательно, полоса расфильтровки между боко­выми равна = 132,3 - 107,7 = 24,6 кГц); на вторую предгруппу подается несущая f₂₂ = 108 кГц и полосовым фильтром второй пред­группы (ПФПрГ-2) выделяется нижняя боковая полоса частот 84,6...91,7 кГц (полоса расфильтровки в этом случае так же равна 24,6 кГц); на третью предгруппу подается несущая f₂₃ = 96 кГц и фильтром ПФПрГ-3 выделяется нижняя боковая полоса частот 72,6...83,7 кГц и на четвертую предгруппу подается несущая f₂₄ = = 84 кГц и фильтром ПФПрГ-4 выдается нижняя боковая полоса частот 60,6...71,7 кГц.

Рис. 18. К формированию первичной группы с применением LC-полосовых фильтров предгрупп - ПФПрГ

Минимальное значение относительной полосы расфильтровки при таком способе формирования первичной группы будет равно

(57) следовательно, реализация ПФПрГ возможна на основе LC-элементов с добротностью кату­шек не хуже (59) . Такие значения добротности катушек индуктивности легко реализуются при производстве LC-фильтров предгрупп, работающих в диапазоне час­тот 60,6..107,7 (округленно 60. ..108) кГц первичной группы (ПГ).

Теперь сформировать линейный спектр СП с ЧРК на число кана­лов N = 60 можно путем переноса спектра пяти первичных групп 60... 108 кГц в линейный спектр 12...252 кГц т.е. применить третью ступень группового преобразования частоты для n₃ = 5 (рис. 19).

Как следует из рис.19, на первую первичную группу (ПГ) подает­ся несущая частота (третьей ступени преобразования) f₃₁= 120 кГц и полосовым фильтром первичной группы (ПФПГ-1 на рис. 19 не показан) выделяется нижняя боковая полоса частот 12...60 кГц, а верхняя боковая полоса частот 180...228 кГц подавляется ПФПГ-1 (полоса расфильтровки между боковыми при этом равна = =180 - 60 = 120 кГц, следовательно, относительная широкополосность равна = 120/120 =1). Вторая ПГ без преобразования поме­щается в линейный спектр СП с ЧРК в полосу частот 60... 108 кГц, которая выделяется полосовым фильтром первичной группы ПФПГ-2 (на рис. 19 не показан). На третью ПГ подается несущая

Рис. 19. К формированию линейного спектра СП с ЧРК на N = 60 каналов тональной частоты

f₃₃ =216 кГц и полосовым фильтром первичной группы ПФПГ-3 выделяется нижняя боковая полоса частот 108... 156 кГц, а верхняя боковая полоса частот 276...324 кГц подавляется ПФПГ-3 (как ви­дим, полоса расфильтровки между боковыми равна 120 кГц, а отно­сительная широкополосность ПФПГ-3 равна = 0,556). На четвер­тую ПГ подается несущая f₃₄ = 264 кГц и полосовым фильтром ПФПГ-4 выделяется нижняя боковая полоса частот 156...204 кГц и подавляется верхняя боковая полоса частот 324... 372 кГц. Относи­тельная широкополосность ПФПГ-4 при этом будет равна = 0,45. На пятую ПГ подается несущая частота f₃₅ =312 кГц и фильтром ПФПГ-5 выделяется нижняя боковая полоса частот 204...252 кГц и подавляется верхняя боковая полоса частот 372...420 кГц. Относи­тельная широкополосность ПФПГ-5 будет равна = 0,38.

Минимальное значение широкополосности ПФПГ позволяет применять для их реализации LC-элементы с добротностью катушек индуктивности 97...130.

Если число каналов СП с ЧРК более 60-ти и кратно этому числу, то применяется третья ступень группового преобразования, где на основе n₃= 5 первичных групп с полосой частот 60... 108 кГц форми­руется вторичная группа (ВГ) или 60-канальная группа, занимаю­щая полосу частот 312...552 кГц.

Один из вариантов формирования ВГ приведен на рис. 20.

Рис. 20. К формированию вторичной группы

Полосовые фильтры первичных групп (ПФПГ) имеют широкополос­ность не менее = 0,196 и требуемая для их реализации добротность LС-элементов должна быть не менее 260.

На основе вторичной 60-канальной группы возможно формиро­вание и линейного спектра СП с ЧРК на N=60 каналов тональной частоты (рис. 21).

Из рис. 21 следует, что с помощью групповой несущей f_гp = 564 кГц полоса частот вторичной 312...552 кГц переносится в линейный спектр 12...252 кГц, который легко выделяется фильтром нижних частот (ФНЧ) с частотой среза f_cp = 252 кГц. Можно убедиться, что общее число каналов при этом равно N = n₁ n₂ n₃ = 3x4x5= 60, как и для случая формирования линейного спектра на основе первичных групп (см. рис. 19).

Рис. 21. Формирование линейного спектра СП с ЧРК на N = 60 тональной частоты основе вторичной группы

Для СП с ЧРК на большое число каналов предусмотрено формирование на основе пяти вторичных групп третичных групп, на ос­нове третичных групп каналов тональной частоты возможно формирование четверичных групп.

Рассмотренный пример наглядно иллюстрирует достоинства многократного преобразования частоты при формировании линейных спектров: 1) возможность подобрать диапазон частот канальных сигналов, сигналов первичных, вторичных и т.д. групп так, чтобы они были оптимальными с точки зрения реализации фильтров, формирующих ОБП сигналы, с требуемыми характеристиками затухания в полосах эффективного задерживания (в рассмотренном примере на всех ступенях преобразования используется единая элементная ба­за); 2) уменьшается разнотипность фильтров, так как на первой сту­пени необходимо три типа фильтров, на второй ступени - четыре ти­па фильтров и на третьей ступени преобразования необходимо пять типов фильтров, т.е. всего необходимо 3 + 4 + 5 = 12 типов фильтров (при одноступенном формировании линейного спектра число типов фильтров равняется числу организуемых каналов тональной частоты N), хотя общее число фильтров при многократном преобразовании частоты будет больше (для нашего примера оно равно N + 5n₂ +n₃ = 60+ 5 x 4 + 5 = 85), но для массового производства оборудования преобразования лучше иметь минимально возможную разнотипность фильтрового оборудования, реализуемого на единой материальной базе.

Первая ступень преобразования называется индивидуальной, возможно совпадение индивидуальной ступени и ступени формирования первичной группы. Совокупность устройств, обеспечивающих формирование первичных групп каналов тональной частоты, называется аппаратурой канального преобразования (АКП).

Совокупность устройств, обеспечивающих формирование вторичных, третичных и более высокого порядка групп каналов, называется, соответственно, аппаратурой преобразования первичных групп (АППГ), аппаратурой преобразования вторичных групп (АПВГ) и т.д.

Структурная схема формирования линейного спектра СП с ЧРК на N = 60 каналов тональной частоты, с учетом вышеприведенных определений и технологии многократного преобразования частоты, приведена на рис. 22.

Рис. 22. Формирование линейного спектра на основе многократного

преобразования частоты с использованием различной

аппаратуры преобразования

Первичный телефонный сигнал поступает на канальный (инди­видуальный) модулятор (КМ), где с помощью несущих частот предгруппового преобразования 12, 16, 20 кГц формируется трехканальная предгруппа (n₁ = 3), занимающая полосу частот (округленно) 12...24 кГц. Выделение нужной боковой полосы частот осуществля­ется канальными полосовыми фильтрами (КПФ). Далее на основе четырех трехканальных предгрупп (n₂ = 4) с помощью преобразова­телей частоты первичных групп (ПЧПрГ), на которые подаются не­сущие 120, 108, 96, 84 кГц, формируется первичная группа, зани­мающая полосу частот 60... 108 кГц. Выделение нужной боковой по­лосы частот на этой ступени преобразования осуществляется поло­совыми фильтрами предгрупп (ПФПрГ). С помощью несущих частот 420, 468, 516, 564 и 612 кГц АППГ пять первичных переносятся в спектр вторичной группы. Выделение нужной боковой полосы частот осуществляется полосовыми фильтрами первичных групп (ПФПГ). Если число каналов СП с ЧРК более 300, то с помощью АПВГ фор­мируется третичная группа, если, как в нашем примере, число ка­налов не превышает 60, то АПВГ выполняет роль оборудования со­пряжения (ОС), формирующего линейный спектр СП с ЧРК. Для чего на преобразователь частоты вторичной группы (ПЧВГ) подается не­сущая частота 564 кГц и нужная полоса частот 12...252 кГц выделя­ется фильтром нижних частот (ФНЧ), Д-252.

Отметим, что формирование первичной группы (ПГ), занимаю­щей полосу частот 60... 108 кГц, возможно и с помощью одной сту­пени преобразования. Но как бы ни формировалась ПГ, местополо­жение каналов в спектре 60... 108 кГц всегда является постоянным.

При многократном преобразовании частоты расположение каж­дого канала в линейном спектре СП с ЧРК характеризуется так на­зываемой виртуальной несущей частотой данного канала. Вирту­альная несущая частота представляет собой частоту, с помощью которой можно было бы путем однократного преобразования ис­ходный спектр сигнала переместить в то положение, которое он занимает в линейном спектре и в которое он фактически пере­мещается путем многократного преобразования. Виртуальная несущая частота занимает в линейном спектре то положение, кото­рое занимала бы в нем нулевая частота, если она бы имелась в спектре исходного сигнала.

Для пояснения этого понятия вернемся к формированию линей­ного спектра СП с ЧРК на N = 60 каналов тональной частоты. При использовании многократного преобразования частоты было вы­полнено следующее: на ступени формирования трехканальной предгруппы на первый канал подали несущую частоту предгруппового преобразования f₁₁ = 12 кГц и с помощью канального полосово­го фильтра выделили полосу частот 12,3... 15,4 кГц. Первый канал находится в первой трехканальной предгруппы, на которую подает­ся несущая f₂₁ = 120 кГц при формировании первичной группы и пе­реносит этот канал в полосу частот 104,6... 107,7 кГц. Первый канал находится в первой первичной группе, на которую подается несу­щая частота f₃₁ = 420 кГц при формировании вторичной группы и переносится этот канал в полосу частот 312,3...315,4 кГц. Далее с помощью несущей f₄₁ = 564 кГц этот канал переносится в полосу частот 248,6...251,7 кГц (выделяется нижняя боковая полоса час­тот). Первый канал в полосу частот 248,6...251,7 кГц может быть перемещен одной ступенью преобразования с помощью вирту­альной несущей частоты f_1в = 252 кГц и выделением канальным по­лосовым фильтром нижней боковой полосы частот.

Спектры частот, получаемые на выходе аппаратуры канального преобразования, аппаратуры формирования первичных, вторичных, третичных и т.д. групп каналов, как правило, не совпадают с частот­ными диапазонами линейных трактов СП с ЧРК. Согласование спек­тров частот оборудования формирования групп каналов и линейных спектров осуществляется специальным оборудованием сопряжения (ОС).