Фильтры в аппаратуре МСП Фильтры предназначены для формирования

Фильтры в аппаратуре МСП Фильтры предназначены для формирования электрических сигналов с заданными свойствами и выделения определенной области частот спектра интересующего нас электрического сигнала. Большое разнообразие фильтров определяет необходимость предварительной их классификации по ряду признаков.

1. По виду АЧХ фильтры нижних частот Кф-коэффициент передачи; αф =-20 lg. Кф- коэффициент затухания; α 0 - область пропускания; Δα ≈3 д. Б; Азmin- величина минимально допустимого затухания - фильтры верхних частот

полосовые фильтры Заграждающие фильтры

2 по назначению канальные предназначены для выделения одной боковой полосы частот: на стороне передачи – из спектра амплитудно-модулированного канального сигнала, на стороне приемы – из спектра группового сигнала. Групповые фильтры предназначены для выделения определенной области частот, принадлежащей стандартной группе в процессе группового преобразования на стороне передачи и приема, а также на переприемных пунктах транзита по ВЧ. Групповые и канальные фильтры обычно являются полосовыми. ПФ получаем последовательно включив фильтры НЧ и ВЧ. При этом затухание будет равно сумме затуханий ФНЧ и ФВЧ апф(f)= анч(f)+авч(f)

Заграждающий (или режекторный) фильтр можно получить, например, параллельным соединением ФНЧ и ФВЧ Коэффициент передачи будет равен сумме коэффициентов передачи НЧ и ВЧ Кзф(f)= Кнч(f)+Квч(f) направляющие фильтры разделяют различные области частот, которые используются в двухполосных системах передачи для передачи сигналов в противоположных направлениях А-Б и Б-А Их используют на всех промемежуточных и оконечных станциях.

Например при построении двухполосного двухпроводного линейного тракта используется одна двухпроводная цепь, по которой одновременная передача линейных сигналов двух направлений осуществляется в двух непересекающихся полосах частот, например f 1– f 2 для А-Б и f 3 -f 4 для Б-А. Разделение этих полос осуществляется я с помощью направляющих фильтров. НФ для направления А-Б (НФ 1) имеет малое затухание для полосы частот f 1–f 2 и большое для f 3 -f 4, НФ 2 для направления Б-А, наоборот имеет большое затухание для полосы частот f 1–f 2 и малое для f 3 -f 4.

линейные фильтры (ЛФ) предназначены для разделения областей частот, принадлежащих разным системам передачи, которые работают на одной и той же линии связи. В этом случае ЛФ подобны НФ и выполняются как правило, по схеме ФНЧ или ФВЧ. На рис. указаны характеристики ЛФ для разделения АСП.

вспомогательные фильтры используются для выделения одной частоты или узкой полосы частот. К таким фильтрам относятся -фильтры несущих, контрольных и вызывных частот; - режекторные фильтры для подавления остатков несущих и контрольных частот; -ФНЧ, включаемые на выходе индивидуальных демодуляторов; -Фильтры для выделения на промежуточных пунктах сигналов служебной связи и тока дистанционного питания. -Например ток дистанционного питания можно отделить от информационного сигнала с помощью «вилки» фильтров. -СФ – сигнальный фильтр; -ФДП – фильтр дистанционного - питания; -ПДП – плата дистанционного питания;

3. По типу элементов. фильтры на LC элементах. В них используются катушки индуктивности, получаемые путем однослойной или многослойной намотки тонкого изолированного провода на некоторый каркас или непосредственно на магнитный сердечник катушки. Достоинства: дешевизна и простота изготовления. Недостатки: громоздкие, не могут обеспечить хороших качественных показателей , поскольку добротность катушек индуктивности мала. Применяются в качестве групповых, направляющих, линейных, вспомогательных. - пьезоэлектрические фильтры При приложении к пластине из пьезоэлектрика (кристалл кварца) металлических обкладок и подачи на них переменного напряжения в пьезоэлектрике возникают механические колебания, частота и амплитуда которых зависят от амплитуды и частоты электрических колебаний. И наоборот, при изменении геометрических размеров элемента (механических колебаний в элементе ) в цепи будет возникать переменное напряжение.

Эквивалентная схема кристалла: Ck , Lk, Rk- эквивалентные емкость, индуктивность и активное сопротивление кристалла, а С 0 – емкость кварцадержателя. С помощью кристаллов кварца можно строить различные схемы фильтров. Например на рисунке приведено Т звено такого фильтра. Достоинства: хорошие электрические свойства – малые потери, высокая добротность, крутизна склонов АЧХ и другие. Недостатки: громоздкость, сложность изготовления, трудность в перестройке, большая стоимость. Используя прямой и обратный пьезоэлектический эффект строят, пьезомеханические фильтры, фильтры на объемных акустических волнах, на поверхностных акустических волнах.

магнитострикционные фильтры. Ферритовый стержень 3, имеющий круглую, прямоугольную или переменную форму поперечного сечения, помещается в постоянное (за счет магнитов 4) и переменное магнитное поле (за счет катушки Lvx, на которую поступает входной сигнал Uvx(t)). В стержне возникают механические колебания, а в «приемной» части стержня образуется переменное магнитное поле, которое индуцирует в катушке Lвых переменное выходное напряжение Uвых(t). Более удобны в производстве и настройке электромеханические фильтры (ЭМФ).

Основные параметры электрических фильтров Рассмотрим на примере полосового фильтра (ПФ). граничные значения частот: (f 1; f 2) для области пропускания фильтра; (0; f 3) и (f 4; ∞) для области задерживания; (f 3; f 1) и (f 2; f 4) для переходных областей; Для области задерживания основным параметром является минимально допустимое значение затухания Aз. min. В полосе пропускания необходимо задать значение среднего затухания a 0 и максимально допустимое отклонение затухания от среднего значения Δa 0. Иногда задаются полем допуска отклонений, которое для каждой частоты в полосе пропускания имеет конкретное значение. Переходная область частот характеризуется крутизной характеристики фильтра:

Параметры канальных фильтров фильтр n-го канала первичной стандартной группы. Каждый из канальных ПФ выделяет боковую полосу частот, расположенную ниже соответствующей канальной несущей, причем fk. n-1=fk. n+1 fk. n=4 к. Гц. В пределах полосы пропускания затухание ПФ мало, а вне ее возрастает. (А 1 и А 2). При малом значении затухания A 1 верхняя боковая полоса спектра n-го сигнала Sn(f) будет попадать в полосу пропускания (n+1)-го канала. В этом канале появиться помеха в виде переходного инвертированного сигнала, т. е. невнятная помеха. Такое же действие будет оказывать и (n-1)-й канал на n-й канал. ПФ n-го канала должен подавлять также продукты преобразования , совпадающие по частоту с полосой (n-1) канала. Они образуются потому, что подводимый к канальному преобразователю передачи абонентский сигнал может содержать компоненты, частоты которых превышают 4 к. Гц. Мощность высокочастотных составляющих в исходном сигнале существенно меньше, чем мощность в основной полосе частот (0. 3 -3. 4 к. Гц). Соответственно и мощность продуктов n-го канала, намного меньше, чем мощность продуктов n-го канала в полосе частот (n+1)го канала. Отсюда следует, что при равных мощностях переходных помех от n -го канала в (n-1) и (n+1)-й каналы требуется обеспечить затухание А 2‹‹А 1.

На практике все же используют ПФ с симметричными характеристиками(так как ПФ с нессиметричными характеристиками затухания не имеют преимуществ по количеству элементов, хотя и более трудоемки в расчете и настройке) при этом берут А 2=А 1. Для обоснования допустимой величины А 1 примем, что для (n+1)-го канала уровень мощности полезного сигнала равен pc. n+1. Уровень мощности переходной помехи pп. n+1 в этом канале определяется уровнем мощности сигнала в n-м канале pc. n , уменьшенным на величину А 1: pп. n+1 = pc. n –А 1. Если принять, что pc. n = pc. n+1 = pc , то тогда защищенность в (n+1)-м канале от переходной помехи соседнего n-го канала будет равна Аз. пер =рс – рп =А 1 Полагают, что доля мощности рассматриваемой переходной помехи индивидуального преобразования относительно полной мощности помех в канале равна αи (αи ‹‹ 1 ). Учитывая, что переходная помеха возникает и на стороне приема, а также в каждом транзитном пункте по тональной частоте, число которых может быть ηТ. В результате получаем Аз. пер =А 1≥ Аз. ∑ -10 lg αи +10 lg 2(1+ηT) Для типовой гипотетической линии, которая имеет длину 2500 км и содержит 2 переприемных пункта по ТЧ, допускается Аз. ∑ ≥ 50 д. Б, а относительная доля помех от канальных фильтров αи ≤ 0. 25 , подставляем в полученную формулу и получаем А 1 ≥ 64 д. Б- нормативная величина при расчете фильтра.

Допустимая неравномерность затухания фильтра в полосе пропускания ∆α 0. Именно она определяет частотную характеристику сквозного канала ТЧ, которая нормируется величиной ∆αдоп. ∑. При хорошей повторяемости частотных характеристик канальных ПФ их неравномерности суммируются, и тогда При случайном суммировании частотных искажений (плохой повторяемости частотных характеристик в полосе пропускания) получим Обычно ∆αдоп. ∑. ≤(1 -1. 5)д. Б, тогда величина ∆α 0 составляет десятые доли децибела. Обеспечение такого значения требует точного электрического расчета, тщательного подбора элементов и хорошо отработанной методики настройки. Фазо-частотные искажения в каналах ТЧ в основном определяются канальными фильтрами. Эти искажения мало влияют на качество передачи разговорных сигналов.

Групповое время задержки φ(f)фазо-частотная характеристика канала (фильтра). Полосовые канальные фильтры изготавливаются такими, чтобы вносимое ими отклонение ГВЗ по отношению к ГВЗ на частоте 1. 9 к. Гц было: на частоте 0. 4 к. Гц-менее 2 мс; 3. 3 к. Гц-менее 1. 3 мс и в полосе частот 0. 8… 3 к. Гц – менее 0. 6 мс. характеристика ГВЗ для сквозного канала ТЧ

Параметры направляющих и линейных фильтров. НФ в двухполосных двухпроводных системах связи разделяют групповые тракты противоположных направлений передачи. Они выполняются обычно в виде пары фильтров нижних и верхних частот. На рис. приведена типовая характеристика затуханий таких фильтров. Затухание в полосе пропускания а 1 и а 2 для НФ должно быть минимально возможным (обычно не более 0. 5 -1 д. Б), поскольку каждый такой фильтр, будучи размещенным на приемной стороне усилительного пункта, уменьшает помехозащищенность системы по отношению к собственным шумам на величину а 1(2). Допустимое отклонение частотной характеристики должно быть не более 0. 05 -0. 1 д. Б. Необходимую величину рабочего затухания в полосе задерживания А 1 и А 2 направляющего фильтра можно определить, рассмотрев работу промежуточной усилительной станции.

НФ должен быть построен так, чтобы не было заметно влияние параметров одного направления на другое. Это влияние проявляется за счет того, что тракт передачи в направлении А-Б является одновременно частичнозависимой цепью обратной связи, которая приводит к деформации ЧХ линейного тракта для направления передачи Б-А, и наоборот. Проделав небольшой анализ получаем: Усиление S 1(2)(f) усилителей равно затуханию прилегающего участка, которое растет с повышением частоты. Что показано на следующем рисунке.

На более низкой частоте полусумма усилений всегда меньше, чем на более высокой частоте. Требуемое затухание А 2 на частоте fср. 1 всегда меньше, чем А 1 на частоте fср. 2. Это значит что требования к направляющим ФНЧ более высокие, чем для направляющих ФВЧ.