Многоканальная электрическая связь

На приемном конце линейный сигнал поступает  на групповой демодулятор (приемник П), который преобразует спектр линейного  сигнала в спектр группового сигнала  g¢ (w). Спектр группового сигнала затем с помощью частотных фильтров Ф1, Ф2,...,ФN вновь разделяется на отдельные полосы DwK, соответствующие отдельным каналам. Наконец, канальные демодуляторы Д преобразуют спектры сигналов gK(w) в спектры сообщений G¢ K(w), предназначенные получателям.

Из приведенных  пояснений легко понять смысл  частотного способа разделения каналов. Поскольку всякая реальная линия  связи обладает ограниченной полосой  пропускания, то при многоканальной передаче каждому отдельному каналу отводится определенная часть общей  полосы пропускания.

На приемной стороне одновременно действуют  сигналы всех каналов, различающиеся  положением их частотных спектров на шкале частот. Чтобы без взаимных помех разделить такие сигналы, приемные устройства должны содержать  частотные фильтры. Каждый из фильтров ФK должен пропустить без ослабления лишь те частоты wÎDwK, которые принадлежат сигналу данного канала; частоты сигналов всех других каналов wÏ DwK фильтр должен подавить.

На практике это невыполнимо. Результатом являются взаимные помехи между каналами. Они  возникают как за счет неполного  сосредоточения энергии сигнала k-го канала в пределах заданной полосы частот DwK, так и за счет неидеальности реальных полосовых фильтров. В реальных условиях приходится учитывать также взаимные помехи нелинейного происхождения, например за счет нелинейности характеристик группового канала.

 

2.2 Временное  разделение сигналов

 

Принцип временного разделения каналов (ВРК) состоит  в том, что групповой тракт  предоставляется поочередно для  передачи сигналов каждого канала многоканальной системы (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 - Принцип временного разделения каналов

 

В зарубежных источниках для обозначения принципа временного разделения каналов используется термин Time Division Multiply Access (TDMA).

 

При передаче используется дискретизация во времени (импульсная модуляция). Сначала передается импульс 1-го канала, затем следующего канала и т.д. до последнего канала за номером N, после чего опять передается импульс 1-го канала и процесс повторяется  периодически. На приеме устанавливается  аналогичный коммутатор, который  поочередно подключает групповой тракт  к соответствующим приемникам. В  определенный короткий промежуток времени  к групповой линии связи оказывается подключена только одна пара приемник/передатчик.

На рисунке 2.4 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип ВРК. На рисунке 2.4, а-в приведены графики трех непрерывных аналоговых сигналов u1(t), u2(t) и u3(t) и соответствующие им АИМ-сигналы. Импульсы разных АИМ-сигналов сдвинуты друг относительно друга по времени. При объединении индивидуальных каналов в канале (линии) связи образуется групповой сигнал с частотой следования импульсов в N раз большей частоты следования индивидуальных импульсов. Это означает, что для нормальной работы многоканальной системы с ВРК необходима синхронная и синфазная работа коммутаторов на приемной и передающей сторонах. Для этого один из каналов занимают под передачу специальных импульсов синхронизации.

Рисунок 2.4 - Преобразование сигналов при ВРК.

Интервал  времени между ближайшими импульсами группового сигнала TK называется канальным  интервалом или тайм-слотом (Time Slot). Промежуток времени между соседними импульсами одного индивидуального сигнала называется циклом передачи ТЦ. От соотношения ТЦ и TK зависит число импульсов, которое можно разместить в цикле, т.е. число временных каналов.

При временном  разделении так же как и при ЧРК существуют взаимные помехи, в основном обусловленные двумя причинами.

Первая  состоит в том, что линейные искажения, возникающие за счет ограниченности полосы частот и неидеальности амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик всякой физически осуществимой системы связи, нарушают импульсный характер сигналов. При временном разделении сигналов это приведет к тому, что импульсы одного канала будут накладываться на импульсы других каналов. Иначе говоря, между каналами возникают взаимные переходные помехи или межсимвольная интерференция.

Кроме того, взаимные помехи могут возникать  за счет несовершенства синхронизации  тактовых импульсов на передающей и  приемной сторонах.

В силу данных причин временное разделение каналов  на основе АИМ не получило практического  применения. Временное разделение широко используют в цифровых системах передачи плезиохронной и синхронной иерархий, которые будут подробно рассмотрены ниже.

В общем  случае для снижения уровня взаимных помех приходится вводить "защитные" временные интервалы, что соответствует  некоторому расширению спектра сигналов. Так, в СП полоса эффективно передаваемых частот F=3100 Гц; в соответствии с теоремой Котельникова (см. подраздел 8.2) минимальное  значение частоты дискретизации f0=1/ТД=2F=6200 Гц. Однако в реальных системах частоту  дискретизации выбирают с некоторым  запасом: f0=8 кГц. При временном разделении каналов сигнал каждого канала занимает одинаковую полосу частот, определяемую в идеальных условиях согласно теореме  Котельникова из соотношения (без учета  канала синхронизации) DtK=T0/N=1/(2NF)= 1/(2FОБЩ), где FОБЩ=FN, что совпадает с общей полосой частот системы при частотном разделении. Хотя теоретически временное и частотное разделения позволяют получить одинаковую эффективность использования частотного спектра, тем не менее пока что системы временного разделения уступают системам частотного разделения по этому показателю.

Вместе  с тем, системы с временным  разделением имеют неоспоримое  преимущество, связанное с тем, что  благодаря разновременности передачи сигналов разных каналов отсутствуют  переходные помехи нелинейного происхождения.

Кроме того, аппаратура временного разделения значительно  проще, чем при частотном разделении, где для каждого индивидуального  канала требуются соответствующие  полосовые фильтры, которые достаточно трудно реализовать средствами микроэлектроники.

 

2.3Разделение сигналов по форме

 

Для разделения сигналов могут использоваться не только такие очевидные признаки, как  частота, время и фаза. Наиболее общим  признаком является форма сигналов. Различающиеся по форме сигналы  могут передаваться одновременно и  иметь перекрывающиеся частотные  спектры, и тем не менее такие сигналы можно разделить, если выполняется условие их ортогональности. Пусть в качестве переносчиков выбраны импульсы, последовательность которых образует, например, степенной ряд.

В предположении, что информация содержится в коэффициентах  с1,с2, ..., для группового сигнала запишем s(t)=c11+c2t+...+cNtN-1.

Члены ряда линейно независимы, и, следовательно, ни один из канальных сигналов cKtK-1 не может быть образован линейной суммой всех других сигналов. Это легко  понять, обратив внимание на то, что  многочлен от t может быть тождественно равен нулю только в том случае, когда все его коэффициенты равны нулю.

В последние  годы успешно развиваются цифровые методы разделения сигналов по их форме, в частности, в качестве переносчиков различных каналов используются дискретные ортогональные последовательности в виде функций Уолша, Радемахера и другие. Широкое развитие методов разделения по форме сигналов привело к созданию систем связи с разделением "почти ортогональных" сигналов, представляющих собой псевдослучайные последовательности, корреляционные функции и энергетические спектры которых близки к аналогичным характеристикам "ограниченного" белого шума. Такие сигналы называют шумоподобными (ШПС). Основной характеристикой ШПС является база сигнала В, определяемая как произведение ширины его спектра F на его длительность Т.

База  ШПС характеризует расширение его  спектра по сравнению со спектром исходного сигнала. Расширение спектра  частот может осуществляться умножением исходного сигнала (например, двухчастотной  ЧМ) на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом повторения Т (равным длительности интервала модуляции исходного ЧМ-сигнала), включающую N бит ПСП длительностью t 0 каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП В=Т/t 0=N.

Поскольку параметры сигнала ШПС (значения бит ПСП - два набора значений в  случае двухчастотной ЧМ) известны, то прием ШПС может производится приемниками, рассчитанными на прием сигналов с известными параметрами. В результате отношение сигнал/шум на выходе приемника улучшается в В раз по отношению ко входу.

В зарубежных источниках для обозначения данного  принципа применяется понятие кодового разделения каналов Code Division Multiply Access (CDMA).

 

3  Принципы  построения аналоговых систем

Отличительным признаком канальных сигналов в  аналоговых системах

передачи  с частотным разделением каналов (АСП с ЧРК) является частотный

диапазон, занимаемый спектром сигналов Ui (t). С помощью системы несущих колебаний  fн1, … , fнN (рис. 1.7) модуляторы М1, … , МN формируют канальные сигналы, спектры которых занимают взаимно непересекающиеся диапазоны частот (рисунок 3.1). Спектры первичных сигналов идентичны и занимают диапазон 0,3 … 3,4 кГц. Здесь используется стандартное обозначение спектра первичного сигнала в виде прямоугольного треугольника. В результате модуляции формируются канальные сигналы со спектрами S1(ω), … , SN(ω). На приёмном конце разделение канальных сигналов осуществляется  системой канальных фильтров КФ1, … , КФN.

Рисунок 3.1-  Структурная схема системы передачи с ЧРК

Рисунок 3.2 - Схема преобразования спектров сигналов в АСП с ЧРК

3.1 Основные узлы аналоговых систем передачи

Каналообразующее  оборудование.

Современные системы передачи с ЧРК разработаны таким образом, что преобразовательное оборудование, с помощью которого формируются стандартные группы каналов, унифицировано и является типовым для всех систем.

Оборудование  индивидуального преобразования предназначено  для преобразования 12 каналов тональной  частоты в спектре  0,3…3,4 кГц  в полосу частот стандартной первичной  группы 60…108 кГц на передаче и обратного  преобразования на приёме. Размещается  на стойках индивидуального преобразования (СИП), которые выпускаются в различных  вариантах. Для систем передачи с  небольшим числом каналов можно  использовать СИП-60, на которой размещается оборудование для формирования пяти ПГ. Для систем с большим числом каналов может применяться СИП-300, которая содержит оборудование для образования 25 ПГ. Для достижения полной унификации независимо от типа СИП на входе и выходе трактов передачи и приёма устанавливаются определённые измерительные уровни.

Оборудование  группового преобразования предназначено  для преобразования стандартных  групп с меньшим числом каналов  в  стандартные группы с большим  числом каналов. В частности, был  разработан оконечный комплекс типового оборудования преобразования (ОКОП) систем передачи с ЧРК, предназначенный  для дальнейшей унификации преобразовательного  и генераторного оборудования. В  состав комплекса входит оборудование первичного преобразования пяти первичных  групп в спектре 60…108 кГц в полосу частот вторичной группы 312…552 кГц на передаче и обратного преобразования на приёме. Оборудование размещается в стойках первичного преобразования (СПП), рассчитанных на формирование 15 первичных групп. Измерительные уровни на входе и выходе СПП также стандартизированы. Оборудование вторичного преобразования размещается на стойке вторичного преобразования (СВП) и предназначено для преобразования пяти вторичных групп (312…552 кГц) в спектр стандартной третичной группы (812…2044 кГц) на передаче и обратного преобразования на приёме. При помощи СВП можно получить восемь третичных групп.

Применение  унифицированного оборудования СИП, СПП  и СВП позволяет организовывать тракты с любым числом каналов  при минимальной разнотипности  аппаратуры и, следовательно, максимальной  технико-экономической эффективности систем передачи с ЧРК. Кроме того, стандартизация параметров преобразовательного оборудования позволяет легко осуществлять соединение между собой одноимённых каналов или групповых трактов (транзитные соединения).

Оборудование  сопряжения и линейного тракта систем передачи.

Системы передачи с ЧРК отличаются друг от друга лишь оборудованием сопряжения и линейного тракта. Аппаратура сопряжения является специфической для каждой конкретной системы передачи и предназначена  для преобразования стандартных  групп, полученных в аппаратуре преобразования, в линейный спектр системы на передаче и обратного преобразования на приёме.

Линейный  спектр системы передачи с ЧРК сформирован оборудованием сопряжения в тракте передачи, должен быть передан в линию с определённым уровнем, который определяется типом линии, числом каналов в системе передачи. Необходимый уровень сигнала на входе линии передачи обеспечивается усилителем, расположенным на оконечной станции. В тракте приёма оконечной станции также устанавливается усилитель. Его назначение – усилить групповой сигнал, ослабленный при прохождении по линии. Усилители передачи и приёма входят в состав оконечной станции.

Генераторное  оборудование АСП с ЧРК предназначено  для получения 

колебаний индивидуальных и групповых несущих частот, а  также контрольных частот.

Основной  тип  преобразователя частоты, применяемый  в АСП с ЧРК,

представляет  собой амплитудный модулятор  с полосовым фильтром, включенным на его выходе (рис. 1.16). Фильтр выделяет одну из боковых полос частот в  спектре выходного сигнала модулятора и подавляет на 65…70 дБ неиспользуемую полосу частот.

Каждое  из этих колебаний должно удовлетворять ряду требований, важнейшими из которых являются стабильность частоты и амплитуды, помехозащищенность, надежность.

В современных  АСП все колебания несущих и контрольных частот вырабатываются в генераторном оборудовании (ГО), содержащем: задающий генератор (ЗГ), аналоговые перемножители частоты в виде генераторов гармоник (ГГ), делитель частоты (ДЧ), узкополосные фильтры,  выделяющие соответствующие гармоники kf0, pf0, gf0, усилители, обеспечивающие необходимую мощность несущих и контрольных частот.

Рисунок 3.3 - Структурная схема генераторного оборудования