Danas je nabavljen set instrumenata za mjerenje količine šuma i intermodulacije (preslušavanja) između telefonskih kanala u višekanalnim frekvencijsko multipleksiranim (FDM) telefonskim sistemima. Set se sastoji od generatora bijelog šuma NOISE GENERATOR TF 2091B i prijemnika NOISE RECEIVER TF 2092B koji zajedno čine mjerni set OA 2090B, proizvod britanske tvrtke Marconi s početka 1970-tih godina.
Tvrtka „Marconi Instruments Limited“ (MI) osnovana je 1936. godine i održala se do 1998. godine kada je prodana američkoj tvrtki IFR Systems (današnji Aeroflex). Tijekom svojeg postojanja tvrtka Marconi težišno je proizvodila elektroničke mjerne i testne uređaje. Bila je poznata širokom rasponu generatora signala, generatora funkcija i spektralnih analizatora za sve frekvencije od audio opsega do mikrovalnih područja. Također je proizvodila i ostale mjerne instrumente poput osciloskopa, brojača frekvencije, LCR i AVO mjerača, analizatora impedancije, mjerača izobličenja, logičkih analizatora i slično. Tvrtka je uz to vodila licencirani laboratorij za kalibraciju i mjerenje u elektroničkoj industriji.
Našim mjernim setom OA 2090Bmoguće je vršiti mjerenja u FDM telefonskim sustavima kapaciteta od 12 do 2700 kanala, sve ovisno o upotrijebljenim filtrima unutar samih uređaja. FDM (Frequency-DivisionMultiplex)je višestruki (multipleksirani) istodobni prijenos više telefonskih kanala po jednom prijenosnom mediju (žičana parica ili radio kanal) metodom frekvencijske raspodjele kanala. Naime, jedan govorni kanal u telefoniji zauzima frekvencijski opseg od svega 3,1 kHz (300 do 3400 Hz), a prijenosni mediji omogućuju prijenos puno većeg frekvencijskog opsega: obična simetrična parica do 120 kHz, koaksijalni žičani vod do 60 MHz, radio kanal do 3 GHz, optičko vlakno do 1000 GHz. Stoga, kako bi se prijenosni medij što više iskoristio po istome se paralelno odašilje više kanala, koji onda moraju biti prije slanja na neki način objedinjeni (multipleksirani), a zatim na kraju prijenosnog medija ponovno odvojeni (demultipleksirani). Jedan od sustava multipleksiranja kanala je spomenuti FDM, a druga dva najčešća su TDM(Time DivisionMultiplex) multipleks s vremenskom raspodjelom kanala za digitalnu telefoniju i DWDM (DenseWavelenghtDivisionMultiplexsing) multipleks sa raspodjelom kanala po valnim duljinama koji se koristi isključivo kod prijenosa optičkim vlaknima.
FDM je najjednostavniji multipleks i koristi se isključivo za analogni prijenos govornih kanala. Naveli smo kako jedan govorni kanal zauzima frekvencijski opseg širine 3,1 kHz, no u praksi se svakom kanalu dodjeljuje opseg širine 4 kHz kako bi se smanjila mogućnost intermodulacije (preslušavanja, preklapanja) susjednih kanala. Shema daje pojednostavljeni prikaz FDM-a za tri telefonska kanala. U praksi se najčešće multipleksirado 12 kanala u grupu širine 48 kHz, a ukoliko postoji potreba za više kanala, onda se 5 takvih multipleksiranihgrupa ponovno zajedno multipleksira u tzv. super-grupu sa 60 kanala koji zauzimaju širinu od 240 kHz, nadalje 10 takvih super-grupa može se multipleksirati u master-grupu sa 600 kanala širine 2,52 MHz i u konačnici se 6 master-grupa multipleksira u jumbo-grupu sa ukupno 3600 kanala koji zauzimaju širinu pojasa od 16,948 MHz. Ovo je samo jedan primjer kombiniranja kanala u grupe, no one mogu ovisno o sistemu sadržavati različite kombinacije kanala.
Modulacija telefonskih kanala može biti AM, SSB, FM ili PM. Najniža modulacijska frekvencija je 60 kHz, a razmak između istih je 4 kHz. Koja god modulacija se primijeni na kraju se filtrira i prenosi samo jedan bočni pojas (SSB) svakog kanala. Modulirani kanali dovode se na linearni mješač u kojem nastaje jedinstveni kompozitni FDM signal koji se dalje prenosi preko jedne telefonske parice. Linearni mješač nema sličnosti sa klasičnim mješačima kakve srećemo kod radio super-heteroida, odnosno u njemu ne nastaje zbroj i razlika dovedenih frekvencija.Gledano u vremenskoj domeni linearni mješač će poslagati signale sa različitim nosećim frekvencijama redno jedan iza drugoga, a na taj način onda zapravo dobivamo signal koji sadrži pojedine kanale poredane u frekvencijskoj domeni.
Demodulacija FDM signala vrši se grupom pojasnih filtara gdje je svaki podešen na noseću frekvenciju pojedinog kanala, kako bi propustio samo taj kanal, a ostale prigušio. Pri tome svaki kanalni filtar ima točnu propusnu širinu pojasa od 3,1 kHz kako bi propustio čitavu informaciju sadržanu u željenom govornom kanalu bez izobličenja, a s druge strane u potpunosti prigušio signale susjednih kanala. Nakon kanalnog filtriranja signali se demoduliraju kako bi se uklonila noseća frekvencija i rekonstruirao originalni analogni signal.
Sada kada shvaćamo osnove FDM prijenosa analognih telefonskih kanala, puno lakše možemo shvatiti namjenu i princip rada našeg mjernog seta OA 2090B. Generator šuma TF2091B služi za simulaciju zauzeća svih, osim pojedinih kanala u FDM sustavu kako bi se zatim mogla izvršiti mjerenja na tim pojedinim kanalima pomoću prijemnika TF 2092B. Karakteristično mjerenje u FDM sistemima je Noise Power Ratio (NPR). Ovo je zapravo mjerenje „tišine“ u pojedinom neaktivnom kanalu u slučaju kada su svi susjedni kanali aktivni. Time se mjeri preslušavanje, intermodulacija, curenje ili djelomično preklapanje susjednih kanala jedan u drugi. Druga mjerenja odnose se na mjerenja samog odnosa signal-šum (jačine smetnji) u pojedinim kanalima (AbsoluteNoise, ResidualNoise) gdje se koriste atenuatorske skale baždarene u pW (piko-watima).
Uočavamo da kod FDM telefonskog sustava, a također i mjernih uređaja za takve sisteme, veliku ulogu igraju precizni filtri kojima se kontrolira propusnost pojedinih kanala. Iako smo u našim objavama već nekoliko puta susretali i obrađivali sve vrste filtara signala, nije loše još jednom navesti četiri grupe filtara koji se razlikuju po svojoj frekvencijsko propusnoj karakteristici, posebice jer se sve ove četiri vrste filtara koriste i u našem mjernom setu:
- LOW PASS – nisko-propusni filtar ili filtar propusnik niskih frekvencija
- HIGH PASS – visoko-propusni filtar ili filtar propusnik visokih frekvencija
- BAND PASS – pojasno-propusni filtar ili filtarpropusnik pojasa frekvencija
- BAND STOP – pojasno-nepropusni filtar ili filtarnepropusnik pojasa frekvencija ili pojasna brana
Vidimo da ćemo u literaturi naći različite prijevode (i kratice) engleskih naziva za ove filtre no svaki prijevod jasno opisuje o kojoj od četiri vrste filtra se radi. Ono što je ovdje dobro uočiti to je da se pojasni filtri (BAND PASS i BAND STOP) zapravo sastoje od kombinacije HIGH PASS i LOW PASS filtra. U našem mjernom setu koriste se izmjenjivi moduli pasivnih LC filtara, no u stupnjevima pojačala također srećemo i aktivne frekvencijske filtre bazirane na operacijskim pojačalima. Teorija i praksa proračuna i dizajna frekvencijskih filtara je vrlo široka tako da mi nećemo ovdje previše ulaziti u to područje, no izvršiti ćemo praktična mjerenja frekvencijsko-amplitudnih karakteristika naših filtara na osnovu kojih možemo izvesti neke zaključke.
Ovisno o kapacitetu mjerenog FDM sistema za mjerni setOA 2090B na izbor su 3 visoko-propusna filtra i 15 nisko-propusnih filtara za ograničenje šumnog opsega, dok je za kanale na raspolaganju 19 parova pojasnih filtara (pojasne brane i pojasno-propusni filtri) sa pripadajućim lokalnim oscilatorima. Također je na izbor 8 različitih filtara predviđenih za mjerenja šumova i intermodulacija (zagađenja) koje FDM sistem stvara izvan svojeg radnog frekvencijskog opsega.
Za početak ćemo spektralnim analizatorom (SIGLENT SSA 3021X) snimiti frekvencijsko-amplitudne karakteristike svakog filtarskog modula:
- HIGH PASS 60 kHz (za ograničenje šumnog opsega generatora šuma)
- LOW PASS 552kHz (za ograničenje šumnog opsega generatora šuma)
- BAND STOP 70 kHz (kanalni filtar generatora šuma)
- BAND STOP 270 kHz (kanalni filtar generatora šuma)
- BAND STOP 534kHz (kanalni filtar generatora šuma)
- BAND PASS 70 kHz (kanalni filtar prijemnika šuma)
- BAND PASS 270 kHz (kanalni filtar prijemnika šuma)
- BAND PASS 534 kHz (kanalni filtar prijemnika šuma)
Na gornjim slikama vidimo simljene amplitudno-frekvencijske karakteristike svakog pojedinog kanalnog pojasnog filtra. Na donjoj slici su iste karasteristike snimljene sa nešto manjom širinom pojasa kako bi se bolje izmjerili njihovi propusni, odnodno nepropusni pojasevi. Vidimo da su centralne pojasne frekvencije kod svih filtara uglavnom točne (osim kod BAND PASS filtra za 534 kHz gdje imamo odstupanje od cca 2,5 kHz). Međutim, što se tiče pojasnih širina svi kanalni filtri izlaze iz granica idealnih 3,1 kHz na 80 dB gušenja i 8 kHz na 3 dB gušenja, odnosno gotovo trostruko premašuju te vrijednosti. Razlog ovome može biti promjena vrijednosti i električnih svojstava LC elemenata filtra uslijed starenja.
Na donjoj slici vidimo amplitudno-frekvencijeku karakteristiku pojasnog filtra za generator bijelog šuma. Lijepo se uočava eliptična prijenosna funkcija filtara. Na donjim slikama je pojasno filtriran bijeli šum. Vidimo da razina bijelog šuma nije jednaka u čitavom filtriranom opsegu i razlika iznosi oko 13 dB dok prema tehničkim podacima ne bi trebala prelaziti 1 dB. Na slijedećem snimku uključene su pojasne brane za sva tri kanala, a na posljednjem snimku vidimo pojasnu branu na 270 kHz snimljenu sa manjim BW spektralnog analizatora i gdje možemo izmjeriti širinu brane od gotovo 20 kHz, čime je prigušena širina za čak 5 kanala. Sva ova odstupanja zapravo su i očekivana na neodržavanom mjernom instrumentu starom 50 godina.
NOISE GENERATOR TF2091B
Generator šuma proizvodi tzv. bijeli šum, a to je šum koji jednakom snagom prekriva čitav određeni frekvencijski opseg. Maksimalni opseg koji može prekriti bijeli šum iz našeg generatora iznosi od 12 kHz do 12,36 MHz čime je pokriven frekvencijski opseg standardnog FDM sistema kapaciteta 2700 kanala. S obzirom da je prilikom mjerenja važno simulirati realne uvjete telefonskog prometa u određenom FDM sistemu frekvencijski pojas koji prekriva bijeli šum mora što više odgovarati širini pojasa koju podržava sam taj FDM sustav. Stoga se nakon širokopojasnog generatora šuma pojačani signal dovodi na pojasno propusni filtar, točnije na par koji čine visoko-propusni filtar (VPF) i zatim nisko-propusni filtar (NPF). U našem slučaju ugrađeni su VPF od 60 kHz i NPF od 552 kHz, čime smo ograničili šum na opseg 60-552 kHz što odgovara standardnom FDM sistemu od 120 kanala. Ovako filtrirani signal se još jednom pojačava i dovodi na kanalne pojasne brane (Band Stop Filter). One služe da priguše bijeli šum u onom frekvencijskom području (širine 4 kHz) koje odgovara određenom kanalu na kojem želimo vršiti mjerenje. U našem slučaju ugrađeni su filtri za 70 kHz (68-72 kHz ili 3. kanal), za 270 kHz (268-272 kHz ili 53. kanal) i za 534 kHz (532-536 kHz ili 119. kanal). Za mjerenje su dakle odabrani po jedan kanal na početku, sredini i kraju FDM opsega.
NOISE RECEIVER TF 2092B
Prijemnik (mjerač) šuma spaja se na drugi kraj FDM prijenosnog linka. Nakon preciznih mjernih atenuatora FDM signal dovodi se na pojasno-propusne kanalne filtre kojima se selektivno propuštaju samo frekvencije odabranog radnog kanala (širine 3,1 kHz). Frekvencijski opseg selektiranog kanala se prvo pojačava, a zatim se mora prebaciti u izvorni niži opseg kakav je kanal zauzimao prije multipleksiranja. To se postiže miješanjem sa frekvencijom lokalnog oscilatora podešenom točno na središnju frekvenciju kanala. U prijemniku je to izvedeno na način da svaki od maksimalno šest mjernih kanala ima vlastiti kanalni filtar i vlastiti lokalni oscilator čime je na terenu omogućeno brzo mjerenje do 6 kanala sa prethodno već podešenim lokalnim oscilatorima za svaki kanal. Signal iz mješača se još jednom pojačava u pojačalu za prikaz vrijednosti na mjernom instrumentu koje je u tu svrhu ograničeno na propusni opseg od 500-1000 Hz.
FDM telefonija danas vjerojatno nije više nigdje u komercijalnoj upotrebi, kao ni analogna telefonija općenito, no moguće da se još uvijek ponegdje čuvaju pričuvni telefonski FDM sistemi manjeg kapaciteta, pogodni za brzu uspostavu telefonskih kanala preko radio relejnih veza u nekim specifičnim kriznim situacijama. Uređaji poput našeg mjernog setaOA 2090B stoga također pripadaju prošlosti što se tiče njihove primarne namjene, no i dalje mogu odlično poslužiti u edukativne i eksperimentalne svrhe, posebice u području praktičnog dizajna frekvencijskih filtara koji i danas imaju ogromnu ulogu u funkciji velikog broja modernih elektroničkih uređaja. Naravno da se slični mjerni setovi sa širokopojasnim generatorima šuma u kombinaciji sa filtrima koriste u mjerenjima karakteristika i mnogih drugih elektroničkih sistema i sklopova, najviše kod mjerenja odnosa signal-šum u različitim prijenosnim medijima i pojačalima. Tako i set OA 2090B osim za FDM telefoniju (uz neke preinake ili filtarske nadogradnje) može poslužiti i za ispitivanje drugih signalnih vodova, no s obzirom na težinu i dimenzije ovih gotovo 50 godina starih uređaja vjerojatno ćemo za tu namjenu pribaviti kakvo praktično moderno rješenje. Pa ipak, ako smo u već u prilici nabaviti i ponešto od dobre stare tehnologije to će se nam se svakako isplatiti, ako ništa drugo, onda zbog proširenja našeg vlastitog znanja, iskustva i shvaćanja principa rada određenih elektroničkih sklopova. Dobra stara tehnologija može nas uvijek puno čemu naučiti, ili ako se svrstavamo u kategoriju onih koji već sve znaju 😉 onda barem da nas ponovno podsjetiti na neka naša već izblijedjela znanja 🙂