Wzmacniacz. Telekomunikacja

Wzmacniacz. Telekomunikacja

Telekomunikacja jest bardzo potrzebna gospodarce i społeczeństwu.

Przewodami elektrycznymi sygnałami analogowymi i cyfrowymi przesyłana jest informacja lub energia w systemie energoelektrycznym.

Sygnał podany do linii długiej ulega osłabienie i zniekształceniu.

Poważne problemy z tłumieniem linii zaistniały przy przesyle sygnałów telegraficznych kablem transatlantyckim. Proste równania różniczkowe cząstkowe opisujące stan napięć i prądów w linii w funkcji stanów na jej końcach zawdzięczamy Heaviside-owi, który temat badał już w latach sześćdziesiątych XIX wieku. Impedancja falowa linii jest rezystancją gdy R/L=G/C gdzie L,C to jednostkowe indukcyjności i pojemności linii a R to jednostkowa oporność przewodu a G jednostkowa stratność dielektryka.

Przewód współosiowy odkryto trzykrotnie i dwukrotnie o nim zapomniano. Genialny Sergiey Shelkunoff z Bell Laboratories dokładnie zbadał temat. Skutkiem zjawiska naskórkowości rośnie w funkcji częstotliwości oporność przewodu ale wzrasta też stratność dielektryka. Powyżej częstotliwości parudziesięciu MHz do kilku GHz impedancja przewodu współosiowego 50 lub 75 Ohm jest praktycznie rezystancją z małą częścią urojoną.

Odbicia w linii są szkodliwe bowiem degradują sygnał analogowy i cyfrowy. Linia może być dopasowana jedno lub dwustronnie.

W szerokopasmowych wzmacniaczach do sieci telewizji kablowej CATV stopnie wzmacniaczy pracują w konfiguracji z szeregowym i równoległym sprzężeniem zwrotnym z pożądaną aktywną ( ze względu na szumy i poziom sygnału wyjściowego ) impedancja falową wejściową i wyjściową. Impedancje w miarę wzrostu częstotliwości odbiegają od rezystancji falowej 50/75 Ohm co powoduje powiększanie odbić sygnału na wejściu i wyjściu ale szybko rośnie tłumienie odcinków linii tłumiących sygnał i dwukrotnie sygnał odbity.

Tłumienie linii rośnie z częstotliwością sygnału. W pojemnych systemach telefonii nośnej i systemach CATV stosuje się bierne equalizer - y mające tłumienie odwrotne do tłumienia odcina linii. Utrzymanie płaskiej charakterystyki toru przy wielu wzmacniakach jest jednak bardzo trudne.

Pasmo i szybkość narastania sygnału na końcu linii ogranicza też pojemność wejściowa odbiornika. Największą, ekstremalną szybkość uzyskamy sterując linie z nadajnika o małej oporności i dopasowując ją na końcu odbiorczym rezystancją falową z najlepiej niewielką szeregową indukcyjnością kompensującą pojemność odbiornika, na przykład centymetr „zwiniętej” cienkiej ścieżki płyty drukowanej w zakresie GHz. Takie rozwiązanie stosowane jest w najszybszych systemach z układami logicznymi ECL. Linia sterowana jest wtórnikiem emiterowym na wyjściu układu i zakończona falowym rezystorem odbiorczym dołączonym ze względu na oszczędność energii do napięcia -2V. Rozwiązanie to jest energożerne. Energooszczędne ale wolniejsze jest szeregowe dopasowanie falowe po stronie nadajnika.

Im niższa jest częstotliwość tym impedancja linii jest coraz bardziej urojona a nie rzeczywista dlatego że w odróżnieniu od oporności dielektryk jest praktycznie bezstratny. Przy małych częstotliwościach tłumienie linii można zmniejszyć stosując co odcinek szeregową indukcyjność w linii. Odkrył to już Heavyside. Włączanie co odcinek w linie symetryczne indukcyjności na jednym rdzeniu ( linia telefoniczna jest przecież symetryczna) nazwano pupinizacją od nazwiska Pupin, który na początku wieku opatentował wynalazek Heavyside i bardzo się na tym wzbogacił w przeciwieństwie do odkrywcy który nic nie dostał. Koncern AT&T co milę w linię telefoniczne włączał indukcyjności circa 170 mH wykonane na rdzeniu toroidalnym. Cewki dla wszystkich linii na słupie były umocowane na jednym trzpieniu w obudowie ochronnej przed wpływem zjawisk atmosferycznych. Pupinizacja pozwalała praktycznie podwoić długość linii telefonicznych i miała ogromne znaczenie. Ale bardzo silnie zwiększa ona tłumienie linii poza pasmem akustycznym. Toteż przesłanie sygnału PCM linią telefoniczną wymaga usunięcia pupinizacji.

Linie telefoniczne w postaci symetrycznej skrętki dla zmniejszenia przeniku sygnałów w kablu z wieloma skrętkami mają różny skok i są przeplecione różnymi grupami.

Sygnał telefoniczny jest przesyłany symetrycznie natomiast zakłócenia są w linii generowane głównie jako sygnał wspólny czyli w elektronice Common ale w telekomunikacji historycznie Longitudinal. Oczywiście użyteczna symetryczna różnicowa impedancja falowa skrętki jest inna niż asymetryczna do pozostałych linii i Ziemi.

Użyteczne aż przestarzałe informacje zawiera „Przewody telekomunikacyjne, T.Łapiński, Z.Perkowski, WKiŁ, 1972.

Aparat telefoniczny ma układ antylokalny, którego zadaniem jest aby sygnał z mikrofonu nie przechodził do słuchawki. W układzie antylokalnym stosowany jest dwójnik z dwóch rezystorów i kondensatora mający być ekwiwalentem impedancji linii abonenckiej w zakresie częstotliwości akustycznych. Wartości tych elementów RC zależą od rodzaju skrętki i jej długości. W świecie stosowanych jest przynajmniej kilka wersji wartości rezystorów i kondensatorów. Długość linii nie jest z góry określona i stąd wybór wartości elementów RC jest mocno kompromisowy.

Linia telefoniczna winna być dopasowana falowo zarówno od strony telefonu jak i centrali

O ile dopasowania i skuteczność układu antylokalnego nie są krytyczne przy połączeniach lokalnych to przy długich połączeniach międzynarodowych dają uciążliwe echo !

Telefoniczny mikrofon węglowy ma niską jakość. Nie był on wąskich gardłem w systemach z kiepskim stykiem sygnałowym w centrali. W nowoczesnych aparatach z wybieraniem cyfrowym – tonowym do nowoczesnych centrali stosowany jest mikron dynamiczny. W aparatach tych zadbano też o antylokalność i dobre dopasowanie do linii telefonicznych.

Obrazowo „fala” w linii od aparatu winna być pochłonięta bezodbiciowo w centrali a fala z centrali winna być pochłonięta bezodbiciowo w aparacie. Pojęcie fali jest umowne jako że długość fali elektrycznej sygnału częstotliwości akustycznych jest mniejsza niż długość linii abonenckiej.

Impedancja falowa linii mocno zmienia się w zakresie częstotliwości akustycznych i sprostanie dopasowaniu nie jest łatwe.

Pierwsze ( tylko lokalne ) automatyczne centrale telefoniczne w metropoliach USA pojawiły się już na początku wieku ! Wadą central elektromechanicznych jest trudność stworzenia dużego systemu, trudność współpracy z pojemnymi systemami telefonii nośnej, marny styk dla sygnałów wprowadzający duże zakłócenia i generowane zakłócenia przełączaniem przekaźników i wybieraków.

W Polsce pracują głównie licencyjny archaiczny system Strowger 32 AB i licencyjny system Pentaconta i pochodne.

Wybierak podnosząco - obrotowy Amerykanina Almona Strowgera powstał w wyniku rozbudowy jego prostego wybieraka obrotowego z 1889 roku. Wybierak charakterystycznie głośno terkocze zgodnie z impulsami wytwarzanymi przez tarcze telefoniczną aparatu w fazie jej powrotu. Dojrzały wybierak Strowgera jest skomplikowany. Wybierak Strowgera w ogromnej ilości był i jest stosowany w centralach telefonicznych na całym świecie. Jest powolny i tarcza wybierająca telefonu nie może emitować więcej impulsów niż 10 na sekundę. Tak jak każde urządzenia mechaniczne wybierak zużywa się w czasie pracy i staje się coraz bardziej zawodny. Trwały wybierak musi być zbudowany z wysokiej jakości materiałów co rzutuje na jego cenę. Centrala Strowgera składa się głównie z wybieraków i przekaźników telefonicznych, także zwłocznych. Produkcja wybieraka telefonicznego jest dość prosta.

Wybieraki krzyżowe ( w Polsce licencyjna francuska Pentaconta i pochodne ) opracowane na przełomie lat trzydziestych i czterdziestych pozwalały później na wybieranie z szybkości 20 impulsów na sekundę. Przy zastosowaniu dekoderów wybierania tonowego praca jest jeszcze szybsza.

Wady chimerycznego, niehermetycznego styku wszystkich wybieraków telefonicznych są niemożliwe do usunięcia.

Bell Laboratories w Electronic Switching System No1 dla AT&T czyli w elektronicznej centrali telefonicznej do komutacji sygnałów telefonicznych zastosował kilkustykowe kontaktrony. Szklana bańka kontaktrona jest próżniowa lub wypełniona gazem szlachetnym a styki kontaktronów sygnałowych są złocone. Styk jest doskonały. Złocone styki nie są zdolne komutować prądów mocy i szybko się degradują przy przełączaniu mocy. Nazwa Electronic wprowadza w błąd. Centralą steruje i administruje tranzystorowy komputer. Tylko w tym sensie jest ona elektroniczna. Zastosowano bardzo pomysłowe rozwiązania. Przykładowo skanowany we wszystkich liniach abonentów stan prądów ( czyli podniesienie słuchawki i wybieranie ) jest detekowany na zasadzie matrycy pamięci ferrytowej gdzie przez każdy koralik ferrytowy przewleczono dodatkowo uzwojenie z prądem linii abonenta.

Od początka lat sześćdziesiątych starano się opracować systemy z elektroniczną komutacją sygnałów analogowych.

Bell pierwszy system PCM T-1 uruchomił już w 1962 roku. Ale nie było jeszcze centrali telefonicznych PCM 24 więc odgrywał on role koncentratora gdzie dołączono linie abonentów a sygnał PCM po przesłaniu podano do de - koncentratora odzyskującego z PCM 24 sygnały analogowe w analogowej centrali telefonicznej.

W Polsce produkowany jest system PCM E-10. Zawiera on koncentratory zdalne dla 512 linii ( rutynowo dołącza się 500 abonentów zachowując rezerwę 12 linii ) przyłączone do centrali E-10 dwoma traktami PCM 32. Uproszczony koncentrator lokalny umieszczony w centrali nie ma wyjściowych traktów PCM a tylko prosty interfejs cyfrowy co centrali.

Ponieważ z 512 linii obsługiwanych jest w danym momencie maksymalnie 60 linie to w koncentratorze Pole Komutacyjne PK zbudowane z matryc kontaktronowych składające się z trzech sekcji A,B,C z 512 linii dołącza do dalszej części koncentratora tylko maksymalnie 60 aktywowane przez abonentów linie. Pole komutacyjne nie jest w pełni wypełnione i ma oczywiście blokady połączeń ( występują one w każdej centrali telefonicznej ) ale w praktyce często użytych jest 59 a nawet 60 linii czyli ta blokada nie jest uciążliwa. Także algorytm przydziału punktów sekcji do zestawienia połączeń ma wpływ na blokadę. Mimo prostoty jest on całkiem dobry. Ilość kontaktronów w PK jest bardzo duża !

Każdy z prostych ( z uwagi na ich wielką ilość 512 ) Abonenckich Zespołów Liniowych przez które linie dołączone są do PK ma tylko dwa przekaźniki. Jeden podaje zasilanie do linii i wykrywa prąd w linii czyli podniesienie słuchawki przez abonenta a drugi podaje napięcie dzwonienia.

Wyjścia PK (czyli wybranych dwukierunkowych linii telefonicznych ) dołączone są do 64 rozgałęźników ( transhybrid zamienia sygnał z dwukierunkowej linii telefonicznej na dwa niezależne sygnały – nadawany i odbierany linią ) z których wychodzi sygnał nadawany przez abonenta, który przez filtr antyaliasingowy zostaje podany do przetwornika A/D systemu PCM i do którego dochodzi sygnał z przetwornika D/A PCM poprzez filtr rekonstrukcyjny.

Linia telefoniczna tradycyjnie zasilana jest typowo napięciem -48V ( buforowe zasilaniee z akumulatorów ) a prąd maksymalny ograniczony jest opornością przekaźnika ( lub układu elektronicznego w nowoczesnych centralach ) i linii oraz aparatu. Po podawaniu przez 2 sekundy na linie napięcia dzwonienia ca 70Vac częstotliwości 25Hz następuje 4 sekundowa przerwa. Te napięcia wygodne były dla systemów elektromechanicznych ale niezbyt wygodne są dla systemów elektronicznych.

Delikatne systemy elektroniczne muszą być chronione przed przepięciami atmosferycznymi o dużej energii warystorami i dodatkowo diodami Zenera i diodami.

Układ interfejsu do linii telefonicznej w centrali elektronicznej jest trudny ! Ogół realizowanych zadań nazywa się BORSCHT:

-Battery feed czyli zasilanie linii

-Overvoltage protection czyli zabezpieczenie przepięciowe

-Ringing czyli Dzwonienie

-Supervising czyli Nadzór

-Coding czyli Kodowanie

-Hybrid czyli Rozgałęźnik

-Testing czyli Testowanie

Najmocniejszym światowym badaczem w dziedzinie telekomunikacji jest Bell Laboratories. Opracowania jego produkuje silny koncern Western Electric i monopolistycznie używa monstrualny właściciel AT&T. Chociaż tranzystor Mosfet wynaleziono w BL to szefowie koncernów jednak nie docenili jego ogromnego potencjału. Rozwój technologi mikroelektronicznej spowodował że koncerny mikroelektroniczne dostarczają bardzo nowoczesne rozwiązania do telekomunikacji.

W dziedzinie radiokomunikacji od zawsze bardzo silnym graczem jest Motorola, która przed zmianą nazwy jako Galwin rozpoczęła od pionierskiej produkcji samochodowych odbiorników radiowych.

Co do budowy analogowego pola komutacyjnego proponuje Motorola ? Scaliła ona monolitycznie w układzie MC3416 w nowoczesnej ( i niestety jeszcze drogiej ) technologi z izolacją dielektryczną dawniej hybrydowy układ 4x4x2 Crosspoint Switch. Układ w obudowie DIL24 zawiera 32 tyrystorki jako przełączniki wraz z układem sterującym ich bramki. Mankamentem jest to że sygnał musi mieć składowa stałą ale w telefonii tak generalnie jest. Przy prądzie stałym 20mA oporność dynamiczna tyrystorka wynosi mniej niż 6 Ohm a więc tłumienie sygnału jest względnie małe. Konstrukcja Pola Komutacyjnego z tym układem jest raczej poza tematem „wzmacniacz” Tylko marginalnie kilka uwag.

Raz załączony tyrystor można wyłączyć tylko przerywając prąd przez niego płynący i taką rolę odgrywają w PK Motoroli sterowane tranzystory.

Układ logiczny do sterowania przez mikroprocesor układów MC3416 w PK jest całkiem prosty.

Wspomniano już że w telefonicznych systemach PCM trudna jest realizacja filtrów antyaliasingowych i rekonstrukcyjnych. Filtry LC wymagają użycia wysokiej jakości dużych rdzeni ferrytowych do wykonania indukcyjności. Filtr jest duży i drogi. BL opracował hybrydowe filtry aktywne RC z trymowani rezystorami.

Nowością są jeszcze „Switched Capacitor Filter” czyli filtry z przełączanymi kondensatorami. Ich projektowanie jest czymś pośrednim między projektowaniem filtru analogowego i cyfrowego. Układ CMOS takiego filtru ( pierwszy komercyjny jest z 1976 roku a więc jest to zupełnie nowa gałąź wiedzy i technologii ) zawiera wzmacniacze operacyjne i przełączane wokół nich maleńkimi przełącznikami CMOS scalone kondensatorki. Zawiera też układ logiczny sterujący przełączniki. Zaletą jest niewielka pojemność tych scalonych kondensatorków i precyzja ich wzajemnej powierzchni co pozwala wykonać selektywny filtr bez trymingu i małe zajęte miejsce na krzemowym chipie.

Motorola produkuje w technologii CMOS do telefonii układ dwóch filtrów z przełączanymi pojemnościami nadawczego i odbiorczego MC14413 w obudowie DIL16. Układ ma też dwa pomocnicze wzmacniacze operacyjne aby bezpośrednio współpracować poprzez transformator-dławik zasilający linie telefoniczna z tą linią. Jeden ze wzmacniaczy jest inwerterem sygnału wyjściowego z filtru a drugi realizuje funkcje rozgałęźnika.

W rzeczywistości dla dobrego rozgałęzienia zamiast dwóch rezystorów trzeba dać dwójniki RC.

Charakterystyki częstotliwościowe filtrów spełniają stosowne normy. Filtr rekonstrukcyjny kompensuje także niepożądaną funkcje sin x / x tworzoną przez układ pamiętający próbki za przetwornikiem D/A.

W koncentratorach PCM lub w centralach PCM sygnały za filtrami antyaliasingowymi zwykle podaje się multiplexerem do jednego względnie szybkiego nieliniowego , kompresującego przetwornika A/D a sygnały wyjściowe z jednego względnie szybkiego ekspandującego przetwornika D/A do prostych kanałowych układów próbkująco pamiętających i dalej do filtrów rekonstrukcyjnych. Kompresja - ekspansja przetworników odbywa a się według krzywej A lub Mu zależnie czy w Ameryce czy w Europie.

Motorola proponuje jednak powolny scalony przetwornik A/D i D/A na każdy kanał typu MC14407. Budowa tego układu jest poza tematem wzmacniacz ale układ ten oczywiście zawiera też wzmacniacze operacyjne CMOS.

Do pozbycia się transformatora – dławika zasilającego linie abonenta i współpracującego z układem rozgałęźnika / transhybrid służy układ MC 3419 wraz z dwoma tranzystorami Darlingtona średniej mocy NPN i PNP. SLIC to Subsciber Line Interface Circuit czyli Układ Interfejsu Linii Abonenckiej. Wykonuje on głównie funkcje:

-Jest aktywnym układem zasilania linii

Jest rozgałęźnikiem

-Pewnie detekuje w obu przewodach linii abonenta brak prądu odpowiadający odłożeniu słuchawki

W przeciwieństwie do przekaźnika / dławika / transformatora stabilizuje prąd zasilania linii. W stanie biernym pobiera tylko 5 mW mocy. Podstawowym blokiem w budowie wszystkich układów liniowych (a w tym wzmacniaczy ) jest lustro prądowe. Często ma ono jedno wejście i jedno wyjście ale nie ma przeszkód aby zwierciadło (nie każde ! ) miało więcej wyjść. Na schemacie blokowym układu MC3419 prostokąty A3 i A4 to zwykle lustra prądowe a lustra A1 i A2 mają po 4 wyjścia. Wejście luster prądowych jest dodatkowo oznaczone. Budowa układu może być dość prosta. Układy są trymowane laserowo. Prawdopodobnie chodzi o dokładność powtarzania luster prądowych. Działanie układu z linią dla zapewnienia dopasowania falowego i dobrego rozgałęzienia jest dość skomplikowane.

Zestawienie wymienionych układów scalonych z jednej strony obsługuje linie abonenta za Polem Komutacyjnym PK współpracując już z drugiej strony z sygnałami PCM !

Produkowany w Polsce licencyjny system telekomunikacyjny E-10 już w momencie zakupu licencji był przestarzały. Logikę wykonano w nim tylko na prostych układach TTL i stąd tak duża ich ilość w centrali i taki pobór mocy.

Z wymienionych układów zdecydowanie najtrudniejszy do zaprojektowania jest filtr z przełączanymi pojemnościami. Nie mając programu komputerowego do projektowania filtrów trzeba go dopiero stworzyć co może zabrać kupę czasu. Poza tym Cemi jeszcze cyfrowej technologi CMOS nie używa w produkcji a liniowa technologia CMOS jest trochę trudniejsza.

Układy do telefonii PCM produkuje też angielska firma Plessey a Anglia nie jest tak agresywnie i wojowniczo nastawiona do krajów RWPG jak USA.

Telekomunikacja ma ogromne znaczenie dla gospodarki i społeczeństwa !