УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОГЛАСОВАННОГО ПОДКЛЮЧЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2000 года по МПК H04B1/52 

Изобретение относится к электросвязи и может быть использовано для сопряжения четырехпроводной и двухпроводной схем двусторонней связи, например, при организации телефонного канала.

Известные дифференциальные системы [1, рис. 3.3], фиг. 1, выполняют функции развязывающего устройства, объединяя три направления передачи: двустороннее 1-1 и два односторонних 3-3 и 4-4. При этом затухания в направлениях пропускания 4-1 и 1-3 минимальны, а в направлении развязки 4-3 затухание должно быть максимальным.

Указанные требования к значениям затуханий выполняются, если в рабочей полосе частот канала связи полное (комплексное) входное сопротивление двухпроводной местной цепи в виде физической линии со стороны зажимов , будет равно полному сопротивлению подключенного к зажимам 2-2 двухполюсника (балансного контура, БК). В этом случае затухание дифференциальной системы в направлении развязки a_4-3 теоретически бесконечно, а полное входное сопротивление дифференциальной системы определяется только полными сопротивлениями нагрузок, подключенных к зажимам 3-3 и 4-4
Обычно значения нагрузок и параметры трансформатора выбирают таким образом, чтобы входное сопротивление дифференциальной системы со стороны направления 1-1 R_вх являлось практически активным и составляло около 600 Ом.

В реальных условиях, как правило, , и затухание в направлении 4-3 относительно невелико, около 12 дБ [1].

Известна также стойка аналого-цифрового оборудования (САЦО) [2] аппаратуры ИКМ-30, в которой входное сопротивление дифференциальной системы со стороны физической линии определяется активными входным и выходным сопротивлениями удлинителей в цепях приема и передачи, пересчитанными через трансформатор.

Устройства сопряжения физической линии связи с каналами одностороннего действия [1] и [2] могут рассматриваться в качестве прототипа.

В известных работах отсутствуют практические рекомендации по построению устройств для согласования по полному сопротивлению в рабочей полосе частот дифференциальной системы с ее нагрузками, в том числе с физической линией.

На фиг. 2 приведен пример годографа на комплексной плоскости волнового сопротивления физической линии кабеля ТП-0,4 в полосе частот 0,3-3,4 кГц (кривая 1), имеющего выраженный комплексный характер. Как видно из фиг. 2, при R_вх ≈ 600 Ом имеет место существенная несогласованность сопротивлений линии и дифференциальной системы, приводящая, в частности, к отражению сигнала. Несогласованное подключение дифференциальной системы к линии связи приводит также к ухудшению отношения сигнал/шум и является причиной таких нежелательных явлений, как местный эффект при телефонной связи и ближнее эхо при модемной связи.

В настоящее время борьбу с указанными последствиями рассогласования сопротивлений линии и дифференциальной системы осуществляют введением остаточного затухания, номинально равного 7 дБ.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанного недостатка, а именно существенной несогласованности сопротивлений при нагрузке двухпроводной местной цепи на дифференциальную систему.

Поставленная задача решается тем, что устройство для согласованного подключения дифференциальной системы с обеих сторон физической линии связи, которая включена в одно плечо симметричного дифференциального трансформатора, а другие плечи содержат согласующие и балансное сопротивления, согласно изобретению в дифференциальную систему дополнительно включены два четырехполюсника, которые установлены в приемной и передающей цепях между дифференциальным трансформатором и согласующими сопротивлениями, а балансное сопротивление реализовано двухполюсником, при этом частотные зависимости полных входных сопротивлений упомянутых четырехполюсников и двухполюсника соответствуют волновому сопротивлению физической двухпроводной линии в рабочем диапазоне частот канала, и они также содержат элементы регулировки их полных входных сопротивлений.

В другом варианте предложенного устройства, согласно изобретению номинальные полные входные сопротивления дополнительных четырехполюсников и балансного двухполюсника устанавливают равными между собой и равными волновому сопротивлению физической двухпроводной линии связи, при этом используют идеальный симметричный дифференциальный трансформатор, коэффициент трансформации n которого определяют из равенства n² = 0,5, а системы регулировки полных входных сопротивлений четырехполюсников и двухполюсника объединены.

Решение поставленной задачи достигается тем, что включение элементов регулировки полных входных сопротивлений нагрузок дифференциальной системы со стороны каналов позволяет осуществить ее согласование дифференциального трансформатора с любым типом кабеля связи в рабочей полосе частот.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 3. На фиг. 4 приведены примеры реализации балансного контура (а) и упомянутых четырехполюсников в направлениях передачи (б) и приема (в) в виде RC-схем. Равенство полных сопротивлений в плечах дифференциального трансформатора волновому сопротивлению физической линии и единая система регулировки позволяют в полном объеме реализовать заявленные преимущества при практическом воплощении в условиях стандартизации производства.

Изобретение поясняется фигурами.

Фиг. 1 содержит схему включения дифференциальной системы на трансформаторе [1, рис. 3.3].

Фиг. 2 содержит расчетные значения частотных зависимостей:
1 - волнового сопротивления двухпроводной местной цепи;
2 - полных входных сопротивлений двухполюсника (балансного контура) и введенных в схему четырехполюсников.

Фиг. 3 содержит структурную схему предлагаемого устройства, где обозначено:
1 - трансформаторное вычитающее устройство,
2 - двухполюсник (балансный контур);
3 - четырехполюсник, введенный между трансформаторным вычитающим устройством и направлением передачи;
4 - четырехполюсник, введенный между трансформаторным вычитающим устройством и направлением приема.

Фиг. 4 представляет примеры схемных реализаций:
а) - балансного контура;
б) - четырехполюсника, введенного между дифференциальным трансформатором и направлением приема;
в) - четырехполюсника, введенного между дифференциальным трансформатором и направлением передачи, где для случая кабеля ТП-0,4, иллюстрированного фиг. 2,
R₁ = 308 Ом; R₂ = 1460 Ом; R₃ = 3900 Ом; C₁ = 89 нФ; C₂ = 260 нФ.

Фиг. 5 иллюстрирует механизм возникновения отражений в абонентской линии.

Фиг. 6 содержит пример принципиальной схемы трансформаторного вычитающего устройства 1, представленного на фиг. 3.

Фиг. 7 содержит расчетную частотную зависимость затухания несогласованности на зажимах 1-1 при нагрузке кабельной линии на сопротивление 600 Ом и на согласованное сопротивление двухполюсника.

Дифференциальная система канала появилась почти сразу после изобретения А.Г.Беллом телефонного аппарата. Это - один из самых массовых и в то же время загадочных элементов в технике электросвязи, остающийся в аппаратуре без изменений несмотря на огромное количество попыток его усовершенствования.

Дифференциальная система выполняет в аппаратуре роль развязывающего устройства (фиг. 1), объединяя три направления передачи: двустороннее (1-1) и два односторонних (4-4 и 3-3). Затухания в направлениях пропускания 4-1 и 1-3 должны быть минимальными, а в направлении непропускания 4-3 затухание максимально.

Логично потребовать равенства затуханий в направлениях пропускания, тогда в пассивном линейном устройстве без потерь поступающая из направления 1-1 мощность должна разделяться между направлениями 3-3 и 4-4 поровну, то есть затухание идеальной трансформаторной дифференциальной системы для сигнала равно 3,0 дБ.

Функциональная схема дифференциальной системы состоит из вычитающего устройства и балансного контура. Имеется множество патентов, направленных на усовершенствование вычитающего устройства, однако повышение главного параметра качества - затухания a_4-3 в направлении 4-3 - может быть достигнуто только за счет приближения полного сопротивления балансного контура (БК на фиг. 1) к полному входному сопротивлению подключенной к зажимам 1-1 нагруженной физической линии.

По-видимому, со времен воздушных линий связи, имевших волновое сопротивление, равное 600 Ом, в качестве балансного контура в аппаратуре используют последовательное соединение резистора R_б номинальным сопротивлением 600 Ом (реально 604 Ом ± 0,5%) и конденсатора C_б с номинальной емкостью 1,0 мкФ (в аппаратуре 1,0 мкФ ± 5%).

В настоящее время в подавляющем большинстве случаев физическая линия - городского телефонного кабеля типа "Т" или "ТП" с диаметром жил 0,32...0,7 мм. Полное входное согласованно нагруженной линии равно ее вторичному параметру - волновому сопротивлению , выражаемому через первичные параметры кабеля R, L, C, tg δ_э - соответственно погонные сопротивление жил, индуктивность и емкость, а также тангенс угла потерь:

Значения первичных параметров кабелей ГТС и их волновых сопротивлении на крайних частотах канала ТЧ приведены в таблице, а годограф частотной зависимости на комплексной плоскости кабеля ТП-0,32 - на фиг. 1, кривая 1.

Переходное затухание симметричной трансформаторной дифференциальной системы в дБ может быть выражено формулой [1, с. 75]:
A_4-3 = A_3-4 = A_l + 6, (1)
(2)
балансное затухание.

Результаты расчетов A_l, на крайних частотах канала тональной частоты, приведенных в столбце 6 табл. 1, показывают низкую степень обеспечиваемой стандартной дифференциальной системой развязки.

Как следует из фиг. 2, согласование кабельной линии с входным сопротивлением дифференциальной системы, номинально равным 600 Ом, должно быть еще меньшим, чем с балансным контуром, что и подтверждается результатами расчетов, см. столбец 7 таблицы.

Фиг. 5 иллюстрирует ситуацию, когда часть мощности сигнала отражается в точках соединения линии с дифференциальной системой.

Вычитающее устройство дифференциальной системы в аппаратуре ИКМ-30 выполняют в виде трансформаторной мостовой схемы [2, рис. 2.2], фиг. 6. При этом достигается полная гальваническая развязка всех объединяемых направлений, что важно при введении в схему активных элементов.

Расчет коэффициента трансформации n производят из соображений согласования дифференциальной системы с нагрузками. В данном случае нагрузки составляют со всех четырех сторон 600 Ом. Как известно [1, с. 74], дифференциальная система является уравновешенной, если ее входные сопротивления со всех сторон равны характеристическим. Поэтому в силу симметрии схемы фиг. 6, требуется только доказать, что входные сопротивления со сторон 1-1 и 3-3 равны 600 Ом.

Со стороны зажимов 1-1 входное сопротивление равно сумме пересчитанных через коэффициент трансформации n сопротивлений нагрузок и :
(3)
откуда
(4)
Со стороны зажимов 3-3 или 4-4 входное сопротивление является параллельным соединением , пересчитанным через коэффициент трансформации n:

откуда
(6)
В рассматриваемом случае корни уравнений (4) и (6) равны, и значение коэффициента трансформации составляет
(7)
Из приведенного следует свойство схемы фиг. 6: она окружена одинаковыми нагрузками. Это означает, что обеспечение со стороны вычитающего устройства сопротивлений балансного контура и выхода/входа каналов одностороннего действия, равных волновому сопротивлению линии, приводит к согласованному включению дифференциальной системы. По существу, требуется разработать схему двухполюсника (балансного контура) под волновое сопротивление кабельной линии, с которой можно снять сигнал для связи с каналами одностороннего действия.

Примером реализации такой схемы служит фиг. 4, расчетное соответствие полных сопротивлений в полосе частот канала тональной частоты иллюстрируется фиг. 2, а затухание несогласованности (равное в данном случае балансному затуханию) показано на фиг. 7 в сравнении с существующим вариантом входного сопротивления 600 Ом.

Реальный трансформатор отличается от идеального наличием потерь, то есть ненулевыми активными сопротивлениями первичной обмотки r₁ и вторичной r_n, а также ненулевой индуктивной составляющей полного входного сопротивления X_L, обусловленной конкретными значениями индуктивности первичной обмотки L и индуктивностей рассеяния.

Согласно данным измерений трансформаторов дифференциальных РТ4738.013 платы приемопередатчика (ПП) САЦО аппаратуры ИКМ-30, перечисленные параметры имеют средние значения:
r₁ = 74,0 Ом; r_n = 58,3 Ом;
X_L = +30 Ом (в диапазоне частот канала тональной частоты).

Измеренный коэффициент трансформации составил n' = 0,61.

Из изложенного выше принципа действия дифференциальной системы следует, что неидеальность дифференциального симметричного трансформатора не влияет на требования к полному входному сопротивлению балансного контура: оно должно аппроксимировать волновое сопротивление линии, как описано в случае идеального трансформатора.

Полные входные сопротивления согласующих четырехполюсников с учетом указанных неидеальностей должны быть изменены исходя из решения уравнения:
(8)
Решение показывает, что точность аппроксимации за счет неидеальности трансформатора несколько снижается: минимальное расчетное значение составляет около 29 дБ. Схема согласующей части четырехполюсника приведена на фиг. 4; ее параметры для линии кабеля ТП-0,32:
R₁ = 30 Ом; R₂ - 1700 Ом; R₃ = 4150 Ом; C₁ = 50 нФ; C₂ = 180 нФ при минимальном (на частоте 300 Гц) расчетном затухании несогласованности, равном 30,5 дБ.

Полагая потери при реализации 3...5 дБ, получим затухание несогласованности A_нс около 26 дБ, то есть значение коэффициента отражения
P_отр = dec(-A_нс/20) = dec(-26/20) = 0,05. (9)
Таким образом, при реализации данного изобретения можно ожидать снижения доли отраженной мощности сигнала от 50% до 5%, то есть приблизительно на порядок.

Особенности реализации предложенного устройства:
оно представляет собой ARC-схему, реализуемую, например, в виде дискретно-аналоговой специализированной КМДП-БИС на технологии переключаемых конденсаторов [3] (таким же образом реализованы ARC-схемы ФНЧ и кодеков для САЦК аппаратуры ИКМ-30-4 серии "Фурия");
количество существующих дифференциальных систем позволяет рассчитывать на экономическую эффективность их модернизации с применением специализированных микросхем;
поскольку в предлагаемом варианте реализации подстройка происходит под входное сопротивление кабельной линии, равное волновому, а последнее зависит только от типа кабеля, но не от длины линии, достаточно иметь всего несколько вариантов (по числу типов используемых на сети городских кабелей) параметров всех элементов схемы; таким образом регулировка сводится к установке одного из немногих вариантов.

Устройство может найти применение на абонентском участке взаимоувязанной сети связи Российской Федерации, например, в абонентских терминалах (телефонных и факсимильных аппаратах, модемах ЭВМ и т.п.), в абонентских комплектах электронных АТС, в индивидуальном оборудовании многоканальных систем передачи, в двусторонних усилителях тональной частоты и др.

Существенное улучшение условий согласования позволит получить следующие положительные результаты:
снизить затухание и частотные искажения сигнала при прохождении им абонентских и соединительных линий, что позволит выполнить нормы за эквивалент затухания на линиях с большей длиной или менее дорогим кабелем; на действующих линиях это повлечет повышение качества передачи речевых (снижение эквивалента затухания) и скорости передачи модемных сигналов;
улучшить развязку направлений за счет повышения балансного и переходного затухания, поскольку в направление передачи не будет поступать отраженный сигнал;
существенно повысить отношение сигнал/шум в приемнике терминала за счет роста затухания местного эффекта при речевой и ближнего эха при модемной связи;
уменьшить переходы на другие пары симметричного кабеля благодаря снижению общей мощности сигнала (без мощности отраженного).

Большое внимание, уделяемое в настоящее время в связи с распространением компьютерных сетей проблеме "последней мили", то есть абонентскому участку ГТС, позволяет надеяться на внедрение предложенного технического решения.

Литература
1. Баева Н.Н. Многоканальная электросвязь и РРЛ: Учебник для вузов. - М. : Радио и связь, 1988. - 312 с.

2. Аппаратура ИКМ-30/Под ред. А.Н.Иванова и Ю.П.Левина. - М.: Радио и связь, 1983. - 184 с.

3. Стыцько В. П. Дискретно-аналоговые специализированные КМДП-БИС для аппаратуры связи: Учебное пособие / МТУСИ. - М., 1992. - 44 с.

Устройство для согласованного подключения дифференциальной системы предназначено для организации телефонных каналов связи. Предложена дифференциальная система, в которую дополнительно введены RC-четырехполюсники, обеспечивающие согласование полных сопротивлений в точке соединения дифференциальной системы и физической линии. Параметры КС-четырехполюсников - регулируемые и определяются только типом кабеля, что позволяет унифицировать оборудование. Отсутствие отражений в согласованно нагруженной с обеих сторон линии связи существенно улучшает развязку между каналами передачи, повышает устойчивость и затухание электрического эха при телефонной связи и затухание ближнего эха - при модемной, что и является достигаемым техническим результатом. 7 ил.

Устройство для согласованного подключения дифференциальной системы с обеих сторон физической линии связи, причем дифференциальная система включает в себя вычитающее устройство в виде трансформаторной мостовой схемы с нагрузками в виде балансного контура и сопротивлений в каналах одностороннего действия, отличающееся тем, что между трансформаторной мостовой схемой и сопротивлениями в каналах одностороннего действия дополнительно включены два четырехполюсника, а балансный контур выполнен в виде двухполюсника, при этом упомянутые четырехполюсники и двухполюсник имеют полное входное сопротивление, которое соответствует волновому сопротивлению физической линии связи в пределах крайних частот тональной частоты, и также содержат элементы регулировки их полных входных сопротивлений.