Коррекция частотных искажений сигналов

5

Реферат:

« Коррекция частотных искажений сигналов»

План

Вступление

1. Сущность частотных искажений сигналов

2. Задача амплитудного корректирования и схемы амплитудных корректоров

3. Общие сведения о фазовом корректировании, схемы и характеристики фазовых звеньев

Заключение

Вступление

Настоящая лекция посвящена уяснению сущности искажения сигналов, постановке и идеям решения задач амплитудного и фазового корректирования.

1. Сущность частотных искажений сигналов

В соответствии с положением о безискаженной передаче сигналов АЧХ (или рабочее затухание ) должна быть постоянной величенной на интервале частот от 0 до , а ФЧХ ( или рабочая фаза ) - линейной функции частоты .

Это требование эквивалентно тому, что функция группового времени задержки должна быть частотно независимой (постоянной) величиной.

Графически, соответствующие неискажающей электрической цепи, характеристики показаны на рисунке 1.

5

a) а() б) b() в) t_г ()

Если спектр полезного сигнала ограничен, то достаточно, чтобы указанные требования выполнялись в рабочем диапазоне частот.

Физические свойства устройств, образующих тракт передачи сигнала(усилителей, фильтров, участков проводных линий и т.д. ) таковы, что в пределах рабочего диапазона частот их рабочие характеристики не отвечают требованиям безискаженной передаче сигналов (привести примеры).

В результате отклонения реальных частотных характеристик каналов связи от идеальных возникают искажения, которые можно разделить на два вида:

а)Амплитудно-частотные искажения (АЧИ), обусловленные неравномерностью затухания в рабочем диапазоне частот;

б)Фазо-частотные искажения (ФЧИ), возникающие из-за нелинейной зависимости рабочей фазы от частоты.

Вредное действие АЧИ проявляется в изменении амплитудного спектра передаваемого сигнала, что приводит к изменению его формы и другим негативным последствиям. ФЧИ практически не оказывают влияния на качество передачи речевых сигналов, но их влияние приходится учитывать при передаче импульсных и телевизионных сигналов.

Устранение частотных искажений сигналов в каналах связи достигается лишь путем амплитудного и фазового корректирования, при этом оно осуществляется в определенных пределах, установленных соответствующими нормативными документами (основу составляют требования международного союза электросвязи ).

Обычно первым этапом осуществляется амплитудное корректирование, а затем, если это необходимо, производится фазовое корректирование.

2. Задача амплитудного корректирования

Амплитудное корректирование применяется с целью уменьшения АЧИ в каналах связи, т. е. для выравнивания в них затухания (усиления) в рабочем диапазоне частот таким образом, чтобы неравномерность затухания не превышала бы некоторой заданной величены

а() а_max

Поскольку все устройства, образующие канал связи, обычно соединяются между собой каскадно-согласовано или каскадно-развязано, то результирующие затухание определяется следующей суммой:

а_общ ()= а_кан ()+ а_кор()

где а_кан()-затухание канала, а_кор()-затухание амплитудного корректора

Очевидно, что при некоторой заданной точности можно получить:

а_общ () const

Решить данную задачу можно как с помощью пассивного корректора, так и с помощью усилителя с частотной зависимостью рабочего усиления, отличающегося на постоянную величину от а_кан ().

На рисунке 2 показаны графики а_общ (), полученные в результате применения этих способов

Рисунок 2

В настоящей лекции рассмотрим только пассивные корректоры.

Задача синтеза амплитудных корректоров включает в себя на первом этапе задачу аппроксимации. Действительно, функция затухания корректора должна аппроксимировать разность.

а()=а_общ ()-а_кан (),

где а_общ() - выбранное постоянное значение затухания канала связи после корректирования.

По зависимости а() легко находится частотная зависимость, т,к.

^,

которая затем аппроксимируется функцией

Стремление при заданной сложности корректора получить наивысшую точность приводит к необходимости применять методы оптимального синтеза. При этом в качестве критерия близости исходной и аппроксимирующей характеристик используется только критерий близости Чебышева. Таким образом, задачу конструирования оптимальной передаточной функции амплитудного корректора можно записать в форме оптимальной задачи нелинейного программирования: найти фиксированные n и m коэффициенты А_i и B_i функции F() такие, чтобы в рабочем диапазоне частот

и функция Т(j)² удовлетворяла при этом УФР.

По найденной в результате решения задачи функцииТ(j)² , затем известным методом определяется соответствующая ей ОПФ Т(р). Эта функция на следующем этапе и реализуется одной из возможных схем.

Схемы амплитудных корректоров.

Отыскание схемы и определение параметров амплитудного корректора составляет содержание следующего этапа синтеза - этапа реализации. Чаще всего последние строятся по мостовым или Т-образным перекрытым схемам постоянного входного сопротивления. На практике будет более предподчительней Т-образная перекрытая схема, поскольку в ней меньшее число элементов, а также имеется общий проводник между входом и выходом корректора.

Общая схема такого корректора показана на рисунке 3.

Рисунок 3.

для указанной схемы:

,

из этих соотношений следует, что с изменением Z₁ или Z₂ ,будут одновременно изменяется как рабочее затухание, так и рабочая фаза.

Чаще всего двухполюсник Z₁ представляет собой параллельное соединение активного и реактивного проводимостей

Т. е. Z₂ представляет собой последовательное соединение активного и реактивного сопротивлений. Так, например, если в качестве Z₁ будет параллельное соединение емкости и активного сопротивлений, то вместо Z₂ будет последовательное соединение R₂ и L_2. Схема такого корректора и график его рабочего затухания показаны на рисунке 4.

Рисунок 4.

Такой корректор может использоваться только в том случае, если затухание канала с увеличением частоты возрастает.

Более сложная зависимость а(), показана на рисунке 5, получается, если в качестве Z₁, включается параллельный, а в качестве Z₂, последовательный колебательные контура

Рисунок 5.

Во многих случаях используется каскадное согласование включений перекрытых Т- образных корректоров, позволяющих максимально приблизится к требуемой характеристике.

Отметим, что в последние годы начинает отмечается распространение безиндуктивных АRC-корректоров, позволяющих использовать технологию микроэлектроники.

3. Общие сведения о фазовом корректировании

Фазовое корректирование при необходимости осуществляется лишь на втором этапе, Т.е. после амплитудного корректирования. В его задачу входит уменьшение криво линейности фазовой характеристики канала, что обычно достигается путем каскадно-согласованного или каскадно-развязанного включения в канал связи специальных устройств, которые называют фазовыми корректорами (ФК) или фазовыравнивающими четырехполюсниками.

ФК разделяют на индивидуальные, стандартные и переменные.

Индивидуальные ФК предназначены для корректирования некоммутируемых каналов тональной частоты стационарных магистральных линий связи. Они обеспечивают максимальную точность корректирования ФЧХ (3-6)⁰ .

Стандартные ФК применяются для корректирования характеристик различных каналов, коммутируемых в процессе эксплуатации, на одном переприемном участке. Они обычно обеспечивают точность корректирования(15-20)⁰ .

Переменные ФК используются для более точной коррекции ФЧХ на коммутируемых каналах связи.

ФК обычно реализуются на основе фазовых звеньев.

Под фазовым звеном принято понимать линейный четырех полюсник с частотно-независимым затуханием и частотно-зависимой фазовой характеристикой. ОПФ такого четырехполюсника имеет следующий вид:

где V_n(p)- полином Гурвица n^-й степени, V_n(-p)- полином, получаемый из V_n(p) путем замены оператора р-на (-р).

В зависимости от порядка V_n(p) фазовые звенья делятся на простые (п=1.2) и сложные (n 3).

После включения в канал связи ФК общую рабочую фазу можно определить суммой

b_общ(щ)=b_кан(щ)+b_кф (щ)

Изменяя b_кор(), можем добиться того, что суммарная ФЧХ в рабочем диапазоне частот будет с требуемой точностью линейной функций . На рис. 6 показаны примерные графики корректируемого канала связи

Рисунок 6.

Фазовые звенья ФК принято классифицировать в соответствии с порядком их ОПФ. Так ,фазовые звенья 1-го порядка имеют ОПФ

А 2-го порядка

Звенья 1-го и 2-го порядков имеют наибольшую практическую значимость , поскольку именно из них обычно и конструируется ФК .

При решении задачи аппроксимации по вполне очевидным причинам естественным будет выбор чебышевского критерия близости, котороый в данном случае имеет вид:

,

где a_i - коэффициенты полинома V_n(jщ) Гурвица, t₀- время, определяемое из условий допустимой задержки сигнала.

С алгоритмом и программой решения этой задачи можно ознакомиться в технической литературе.

Найденную Т(р) представляют в виде функции - сомножителей первого и второго порядка, необходимую для каскадной реализации ФК.

Схемы и характеристики фазовых звеньев.

Пассивные фазовые звенья обычно реализуются в виде мостовых или Т-образных перекрытых четырехполюсников. Если в результате аппроксимации определена Т(р) фазового корректора, то сопротивление двухполюсников и мостовой схемы весьма просто найти по ранее полученным формулам при .

Осуществим реализацию звена 1-го порядка, для которого

Нетрудно определить (путем замены Р= j), что Z_a(jщ) представляет собой индуктивность L_a=R₀/a₁ , а Z_b(jщ) - емкость C_b=1/R₀a₁ .

Затухание такого звена

,

а рабочая фаза

.

Мостовая схема и график b() показана на рисунке 7.

Рисунок 7.

В связи с известными недостатками мостовой реализации, на практике используют четырехполюсники эквивалентные мостовым. Одной из таких схем может быть схема с идеальным трансформатором (рисунок 8а.)

а) б)

Рисунок 8.

Таким образом, для фазового звена 1-го порядка получается схема, представленная на рис.8.б.

Действуя аналогичным образом, можно получить схемы фазовых звеньев 2-го порядка.

Для мостовой схемы:

Видно, что Z_a(p) представляет собой параллельное, а -последовательное соединение элементов L и C.

При этом

Соответствующая мостовая схема и график b() показаны на рисунке 9 а) и б).

а) б)

Рисунок 9.

На практике чаще используются неуравновешенные схемы, показанные на рисунке 10, соответствующие различным соотношениям между коэффициентами a₁ и a₂ полином Гурвица.

Рисунок 10.

Заключение

В последнее время в связи с широким внедрением микроэлектроники в технику связи предпринимаются попытки построения безиндуктивных корректоров. В частности , разработано большое количество схем звеньев 1-го и 2-го порядков на операционных усилителях , дающих возможность на основе каскадно-развязанного соединения реализовать сложные функции .

Следует также упомянуть, что в аппаратуре дальней связи помимо выше рассмотренных находят широкое применение настраиваемых вручную или автоматически , так называемые косинусные и гармонические корректоры , детальное ознакомление с которыми предлагается изучить курсантами самостоятельно.