Wzmacniacz. Telekomunikacja

Wzmacniacz. Telekomunikacja

W telefonii używanych jest mnóstwo wzmacniaczy.

Zastosowanie włączonych w szereg z linią telefoniczną indukcyjności czyli pupinizacja linii pozwoliło conajmniej dwukrotnie wydłużyć linie telefoniczną przy tym samym tłumieniu. Znacznie mniejszą tłumienność niż przewody - skrętki miały linie napowietrzne. W USA „zdesperowana” długość traktu napowietrznego przed erą wzmacniania sięgnęła 1500 km.

Pierwszy wzmacniacz z triodą w telefonii zastosowano już w 1912 roku. Za wynalazcę telefonu uchodzi Aleksander Bell. Natomiast pracownicy Bell Laboratories po wojnie opublikowali zasady kodowania / dekodowania i łączności PCM – Pulse Code Modulation czyli łączności cyfrowej. Pierwsze „koncentratory” systemu PCM T1 dołączone były jednak do telefonicznych centrali analogowych ponieważ nie było jeszcze w użytku central cyfrowych.

Połączenia międzymiastowe przechodzą przez analogowe systemy Telefonii Nośnej ze wzmacniakami i przez trakty cyfrowe PCM wysokiej krotności z regeneratorami. W publikacjach amerykańskich wzmacniak i regenerator nazywane są „repeater” czyli powtarzacz choć są to zupełnie różne urządzenia ale o identycznym przeznaczeniu systemowym w różnych systemach analogowym i cyfrowym.

Abonenci są dołączeni do Central Końcowych. CK są w ramach okręgu połączone ze sobą bezpośrednio i poprzez Centrale Strefowe. CS dołączone są też do Central Międzymiastowych. W systemie łączności międzymiastowej funkcjonują też Centrale Tranzytowe.

Centrale zajmują części budynków lub mają swoje budynki. Określony koszt zakupu mają centrale telefoniczne i inne urządzenia. Przewody umieszczone są pod ziemia a na ich trasie są studzienki umożliwiające położenie przewodów i naprawy. Telefoniczne przewody napowietrzne są anachronizmem. Na koszta funkcjonowania oprócz kosztów inwestycyjnych składają się też bieżące koszty płac pracowników obsługi całego systemu i zakupów części do napraw i modernizacji.

Koszt przewodów rośnie wraz z ich przekrojem. W Polsce dominują jeszcze przewody miedziane izolowane papierem nawoskowanym ale na Zachodzie popularna jest już izolacja polietylenowa.

Na pierwszym wykresie pokazano jednostkową tłumienność symetrycznego (skrętka ) toru kablowego z izolacją papierową o grubości miedzianego drutu 0.6 i 0.9 mm. Przerywaną linią pokazano tłumienność toru pupinizowanego.

Na drugim wykresie pokazano moduł impedancji falowej toru symetrycznego. Impedancja ta rośnie do bardzo dużych wartości przy małych częstotliwościach i staje się pojemnościowa. Przy wzroście częstotliwości impedancja połowicznie stabilizuje się na około 200 już rezystancyjnych Ohmach powyżej częstotliwości 30 KHz ale nadal powoli spada. W paśmie telefonicznym impedancja falowa linii jest mocno zmienna i pojemnościowa.

Maksymalna odległość między indukcyjnościami systemu pupinizacji włączonymi szeregowo w linie jest odwrotnie proporcjonalna do wymaganej górnej częstotliwości granicznej traktu. Przy częstotliwości 4 KHz powinna być ona mniejsza od 1.7 Km. Dla linii pupinizowanej charakterystyczne jest gwałtowne powiększenie tłumienia i opóźnienia grupowego przy wzroście częstotliwości. Chcąc linie używać dla częstotliwości wyższych od 4 kHz pupinizacje należy usunąć.

Na wykresie pokazano parametry pupinizowanej linii telefonicznej dla osiągnięcia rezystancji falowej w pasmie telefonicznym aż 1200 Ohm o długości 32 mil ( czyli 51.4 km, mila lądowa USA to 1609 metrów ) z indukcyjnościami umieszczonymi co 1.7 km

Na pupinizowanej linii – skrętce długości ponad 100 km wystarczy w połowie długości włączyć wzmacniak z „ujemną impedancją”

 Koszt przewodów telekomunikacyjnych jest jednym z kosztów inwestycyjnych. Sprawa ta jest złożona.

Huta zintegrowana nowe żelazo produkuje głównie w wielkich piecach z rudy, koksu i topników. Po okresie używania stal ze złomowanych przedmiotów ponownie się przetapia w piecach łukowych otrzymując dobrej jakości nową stal. W związku z nasyceniem rozwiniętej gospodarki Zachodu stalą potrzeba coraz mniej nowego żelaza i wielkich pieców a potrzeba więcej pieców łukowych do przetapiania złomu. Niedrogi piec łukowy w małej hucie stali wymaga jednak drogich mocy wytwórczych w energetyce.

Miedź jest handlowalnym międzynarodowo dość drogim metalem przemysłowym. Jej procentowy odzysk ze złomowanych przedmiotów a w tym z kabli jest tym większy im więcej % miedzi jest w tych przedmiotach. Zatem odzysk miedzi z kabli gdzie jest jej więcej będzie większy. Zatem używając obecnie grubszych przewodów miedzianych czynimy inwestycje długoterminową. Przewody o większym przekroju są też mniej awaryjne. Instalacja przewodu o większym przekroju nie zawsze musi być droższa.

Kraje bloku wschodniego nie mają nowoczesnej konkurencyjnej produkcji przemysłowej i sprzedają głównie surowce naturalne i mało przetworzone prymitywne towary. Polska eksportuje na zachód węgiel i miedź ( ale też surówkę żelaza i stal ) a ZSRR ropę naftową i metale przemysłowe. Ponieważ miedź jest zbywalne za bardzo potrzebne dolary usiłowano ją zastępować w budowie transformatorów i silników przez aluminium. „Aluminiowe” transformatory i silniki są mocno awaryjne. Awaryjne są instalacje w domach wykonane oszczędnościowym przewodem aluminiowym co skutkuje także kosztownymi pożarami.

Stalinowski ZSRR technologie czyli fabryki kupował w USA za złoto, brylanty, dzieła sztuki a nawet za zboże i żywność konfiskowane chłopom co doprowadziło do masowej śmierci głodowej. Była to więc industrializacja przez ludobójstwo.

Wyzysk krajów III Świata przez Zachód znajduje odbicie w cenach w ich handlu międzynarodowym. Nowoczesne produkty przemysłowe zachodu są drogie a nawet bardzo drogie a surowce III Świata na tym tle tanie. Eksportując tanie surowce stawiamy się sami w roli III Świata i to bez użycia w stosunku do nas siły militarnej. Używane jest przemoc ekonomiczna.

Na wykresie pokazano mocno przybliżony koszt kilometra różnych traktów w przeliczeniu na jeden kanał telefoniczny. Trakt PCM30/32 jest tańszy od traktu naturalnego przy długości większej od 11 km. Trakt telefonii nośnej TN960 jest tańszy od PCM30/32 powyżej 40 km a TN300 powyżej 60km. Zwraca uwagę brak na wykresie traktów PCM dużej przepływności. Dane są bardzo przybliżone jako że w krajowych systemach PCM użyto dużego importu dolarowego co przy fikcyjnym kursie dolara do złotówki może dawać zupełnie absurdalne rezultaty.

Koszt systemów PCM można mocno obniżyć stosując w budowie koncentratorów PCM i cyfrowych central telefonicznych układy scalone LSI i VLSI w miejsce dużej – wielkiej ilości układów TTL, układów analogowych i elementów dyskretnych. Prawdopodobnie repeater do systemu Bella PCM24 jest wykonany na jednym monolitycznym układzie scalonym !

Masowa produkcja przemysłowa światłowodów telekomunikacyjnych dopiero się rozpocznie i trudno jest przewidzieć jaki będzie jednostkowy koszt produkcji światłowodów. W każdej produkcji występuje zjawisko uczenia się skutkujące doskonaleniem produkcji i spadkiem kosztów jednostkowych. Nadajniki i odbiorniki Hewlett Packard do światłowodów już są niedrogie. Można założyć że światłowody wywrócą cyfrową ( produkujemy licencyjne centrale systemu E 10 i już jesteśmy aktywni w temacie ) kablową telekomunikacje do góry nogami !

Kraje opóźnione w rozwoju w takiej rewolucyjnej sytuacji mogą przy sporej determinacji i mądrym przywództwie przeskoczyć jeden etap rozwoju. Nasza niedorozwinięta sieć telefonii nośnej ma poziom krotności Bella z końca lat czterdziestych. Warto rozważyć czy nie lepiej mocno wskoczyć w temat światłowodów.

W zależności od medium (przewód, nośnik magnetyczny, światłowód ) optymalne są różne kody kanałowe.

W systemie PCM24 T1 Bella stosowany jest prosty trójwartościowy kod kanałowy AMI. Jedynki z kodu NRZ zamieniane są na kolejne symbole +1 i -1 co całkowicie eliminuje składową stałą i od strony małych częstotliwości zmniejsza gęstość widmową sygnału co bardzo ułatwia przesył skrętką. Łatwe jest wytworzenie sygnału synchronizującego ( prostownik dwupołówkowy ze strefą nieczułości czyli zwykły diodowy ) do wstrzyknięcia do generatora LC podstawy czasu regeneratora. Ponieważ wykorzystywane są tylko cztery z dziewięciu kombinacji symboli istnieje prosta możliwość wykrywania przekłamań w torze przesyłowym. Aby uniknąć problemu z długą sekwencja Zer w sygnale psującą w regeneratorze odtwarzanie sygnału podstawy czasu zastosowano w T1 negacje wszystkich bitów na wyjściu z przetwornika A/D próbek sygnału głosu. W systemie E1 CCITT stosuje się do transmisji negacje tylko parzystych bitów przetwornika A/D ! Zanegowano tą grupę bity które częściej statystycznie są zerami. Z badań wynika że w traktach T1 AMI nie ma problemu z odtwarzaniem podstawy czasu w regeneratorach spowodowanego za długą sekwencją zer.

W znacznie późniejszym europejskim systemie PCM30/32 E1 CCITT zastosowano kod kanałowy HDB3. Jest to ulepszony kod AMI eliminujący w sygnale sekwencje zer dłuższą od 3.

Zatem cyfrowymi nadajnikami / odbiornikami i światłowodem bez problemu można przesłać sygnał NRZ PCM T1 oraz szybszych w hierarchii systemu pod warunkiem ze nie ma długich sekwencji zer i jedynek .

Natomiast gdyby w torze światłowodowym konieczna była regeneracja z podstawa czasu dla zmniejszenia jitteru (drgania fazy ) sygnału NRZ E1 konieczne jest ustalenie jak często w transkoderze HDB3 wstawiany jest dodatkowy element V i jak długie są przed koderem sekwencje zer i jedynek. Gdyby sekwencje były długie to konieczne jest zastosowanie skramblera czyli prostego rejestru liniowego wprowadzającego pseudolosowość w ciągu binarnym. Skrambler niestety powiela błędy transmisji tym mocniej im więcej jest jedynek w jego wielomianie rejestru liniowego.

W regeneratorach sygnału PCM AMI/HDB3 stosowany jest generator podstawy czasu z obwodem LC z wstrzykiwaniem sygnału synchronizującego. Bez synchronizujących jedynek w sygnale generator powoli odpływa do częstotliwości rezonansowej obwodu LC. Dobre musi być zestrojenie początkowe obwodu LC. Stabilność długoczasową i termiczna tego obwodu LC musi być bardzo dobra a najdłuższa sekwencja zer w sygnale musi być krótka. Niemniej jest to tylko obwód LC. Bell w regeneratorze sygnału PCM przepływności 224 Mbit/s zastosował jako obwód LC stabilną długoczasowo wnękę rezonansową.

W regeneratorze nie jesteśmy skazani na obwód LC ani na wstrzykiwanie sygnału synchronizującego do generatora. Dużo lepsza jest pętla fazowa PLL. W telewizyjnych dekoderach kolorów NTSC i PAL do wytwarzania podnośnej do demodulacji kwadraturowej stosowany jest dostrajany pętlą PLL generator kwarcowy. Masowo produkowane „kwarce” do dekoderów NTSC i PAL są najtańszymi rezonatorami na rynku poza rezonatorami 32768 Hz do zegarków. Kiedyś kwarce produkowane w mikroskopijnych ilościach były drogie ale zastosowanie fotolitografii ( znów fotolitografia ! ) do ich produkcji bardzo mocno obniżyło ceny. Czymś pośrednim w cenie i jakości między „kwarcem” a obwodem LC jest rezonator ceramiczny.

Do szerokopasmowego wzmocnienia sygnału z sensora o charakterze pojemnościowym ( jak fotodioda ) niezastąpiony jest wzmacniacz transkonduktancyjny. W szybkim transoptorze czy odbiorniku do światłowodu monolityczny wzmacniacz transkonduktancyjny może być bardzo prosty.

Autor w przerwany tor sygnału Video w telewizyjnym odbiorniku czarno białym wtrącił nadajnik z diodą LED i odbiornik z fotodiodą ze wzmacniaczem transkonduktancyjnym ale bez światłowodu bowiem taki był niedostępny. Wejście wzmacniacza transkonduktancyjnego musi być ekranowane bowiem jako mora na ekranie widoczna jest lokalna stacja średniofalowa. Obraz wydaje się znośny mimo iż dioda LED jest nieliniowa. Dla liniowości prąd w niej nie spada do zera. Przesłanie sygnału Video razem z sygnałem fonii FM – 6.5 MHz jest niemożliwe bowiem fonia jest już zakłócona skutkiem nieliniowości nadawczej diody LED.

Także dość szybki transoptor 6N136 można zaaranżować z zewnętrznymi elementami w układ ze wzmacniaczem transkonduktancyjnym.

Pytania.

1.W systemie E1 PCM 30/32 CCITT podano:

„poziom przeciążenia kanału rozmównego + 3 dBm0”

Jakiemu napięciu sygnału to odpowiada na linii abonenta przyłączonej do systemu ?

2. W modemie CCITT V.29 9600 bit/s stosuje się wielomian skramblera 1+x-18+x-23. Jaka jest długość randomizowanej sekwencji ?