Для разделения сигналов могут использоваться не только частота (ЧРК) и время (ВРК), но и форма сигналов. Разделение каналов по форме пока не нашло такого широкого использования, как частотное и временное. Его настоящее применение и перспективы в наибольшей степени связаны с множественным доступом в мобильных и спутниковых системах. В мобильной связи кодовое разделение рассматривается как один из основных видов обеспечения множественного доступа в плане реализации концепции развития систем мобильной связи IМТ-2000.

Технология разделения каналов по форме предполагает возможность одновременной работы группы разнообразных радиосредств (мобильные терминалы, отдельные радиостанции, земные станции спутниковой связи и т. д.) в общей полосе частот . Сигналы радиосредств образуют суммарный (групповой) сигнал , который поступает на приемные устройства пользователей. Взаимная ортогональность сигналов обеспечивает корреляционному приемнику выделение необходимого сигнала из .

Асинхронно-адресные системы связи

В ряде случаев осуществить точную синхронизацию затруднительно. С этим приходится сталкиваться, например, при организации оперативной связи между подвижными объектами (автомобилями, самолетами) или при организации оперативной связи с использованием искусственных спутников Земли в качестве ретрансляторов. В этих случаях могут быть использованы системы асинхронной многоканальной связи, когда сигналы всех абонентов передаются в общей полосе частот, а каналы не синхронизированы между собой во времени. В системах со свободным доступом каждому каналу (абоненту) присваивается определенная форма сигнала, которая и является отличительным признаком, "адресом" данного абонента, отсюда и название асинхронно адресные системы связи (ААСС).

Адрес абонента может кодироваться в виде псевдослучайных (шумоподобных) сигналов или в виде последовательности нескольких радиоимпульсов с одинаковым или различным частотным заполнением. Если радоимпульсы имеют различное частотное заполнение, то говорят, что адрес кодируется в виде частотно-временной матрицы (ЧВМ). Адреса различаются как интервалами времени между радиоимпульсами, так и частотами их заполнения.

Рассмотрим принцип работы ААСС на основе обобщенной структурной схемы (рис. 8.15).

Передаваемые сообщения, полученные от источников , подвергаются импульсной модуляции. В одних системах используется ФИМ, в других - некоторые разновидности дельта-модуляции. Затем каждый импульс, полученный в результате первичной импульсной модуляции, преобразуется в адресную последовательность из импульсов, разделенных паузами .

Формирование адресных последовательностей осуществляется с помощью линии задержки (ЛЗ), имеющую отводов, как показано на рис. 8.15.

Для формирования адреса используется только отводов из , причем для другого адреса применяется другое сочетание отводов. Эти импульсов различаются частотой своего заполнения (всего таких частот в системе уплотнения ) и могут занимать различных положений во времени. Для примера, на рис. 8.16 представлен вариант построения таких адресных последовательностей для системы с и .

Таким образом, импульс, полученный в результате первичной импульсной модуляции сообщением, разделяется в линии задержки на импульсов. Каждый из этих импульсов может занимать одно из положений во времени и передается на своей частоте.

Варьируя положения импульсов во времени относительно первого импульса, а также частоты заполнения импульсов, можно получить большое число адресных кодовых комбинаций (большую кратность уплотнения).

Каждый индивидуальный приемник представляет собой нелинейное устройство, содержащее линии задержки и схему совпадения (СС), и реагирует только на определенную последовательность радиоимпульсов (рис. 8.17). Приемник имеет полосовых фильтров , настроенных на соответствующие частоты. Выходные импульсы каждого фильтра детектируются и поступают на линии задержки, спроектированные в соответствии с присвоенным данному приемнику адресом так, чтобы все импульсов на выходах совпали по времени. На нелинейной схеме совпадений (СС) появляется импульс только при том условии, что задержанные входные импульсы во всех ветвях совпали. Если же с выходов линий задержек на вход схемы совпадения хотя бы один из импульсов поступает неодновременно с остальными, то сигнал на выходе СС не появится. Благодаря этому приемник реагирует лишь на присвоенную ему адресную кодовую комбинацию.

Описанный процесс разделения сообщений (т.е. выделения только присвоенной приемнику адресной кодовой комбинации) поясняет рис. 8.17. На вход приемника поступает групповой сигнал, содержащий, в частности, два сообщения (заштрихованные и незаштрихованные радиоимпульсы). Приемное устройство реагирует лишь на присвоенную ему адресную частотно-временную комбинацию, отображенную заштрихованными импульсами, т.е. выделяет сообщение. Импульсы с выхода схемы совпадения преобразуются в принятое сообщение в импульсном демодуляторе (ИД) в соответствии с примененной импульсной модуляцией.

Для того чтобы установить связь с определенным абонентом, достаточно выбрать соответствующие положений индивидуальной линии задержки на передатчике согласно адресной кодовой комбинации. Никаких частотных перестроек в этих системах не требуется, что очень удешевляет аппаратуру и обеспечивает ее надежность.

Фазовое разделение сигналов

Фазовое разделение сигналов строится с использованием различия сигналов по фазе.

Пусть информация в N каналах передается изменением амплитуды непрерывных косинусоидальных сигналов с одинаковой несущей частотой щ 0 . Требуется разделить эти сигналы с использованием только различия в их начальных фазах.

Сигналы равны:

……………………………….

Как показывает анализ, различение сигналов возможно, если система содержит только два канала, по которым передаются косинусная и синусная составляющие:

а выделение первичных сигналов производится с использованием синхронного детектирования.

Разделение сигналов по форме

Кроме сигналов с неперекрывающимися спектрами и сигналов, неперекрывающихся по времени, существует класс сигналов, которые могут передаваться одновременно и иметь перекрывающиеся частотные спектры.

Разделение этих сигналов принято называть разделением по форме .

К числу таких сигналов относятся последовательности Уолша, Радемахера и разнообразные шумоподобные последовательности.

Последовательности Уолша и Радемахера строятся на базе кодового алфавита 1, -1, а любые пары этих последовательностей удовлетворяют условию

E i , i = j ,

0, i ? j ,

где - сигналы i - го и j - го каналов системы с временным разделением, T - интервал времени, в котором располагаются канальные сигналы, причем T= где F В - верхняя граничная частота спектра передаваемого сообщения.

Применение кодов Уолша и Радемахера связано с передачей по каналу специальных синхросигналов для поддержания определенных временных соотношений между принимаемыми и опорными кодовыми словами.

В случае использования шумоподобных последовательностей необходимости в передаче специальных синхросигналов нет, так как эту роль могут выполнять последовательности-переносчики информации.

Шумоподобные сигналы должны удовлетворять следующим условиям:

E, ф = 0,

0, -ф и > ф > -T ,

T > ф > ф и , (9.5)

0, i ? j , (9.6)

для - длительность шумоподобного сигнала; E - энергия сигнала; ф и - длительность единичного интервала шумоподобного сигнала.

При выполнении условий (9.5) обеспечивается работа системы синхронизации без передачи специального синхросигнала, так как автокорреляционная функция любого канального сигнала имеет ярко выраженный пик при ф = 0 и нулевые значения при сдвиге При выполнении условий (9.6) обеспечивается разделение канальных сигналов, так как взаимокорреляционная функция для любой пары сигналов равняется нулю.

К сожалению, скалярные произведения (9.5) для и (9.6) для реальных сигналов не равны нулю. Это приводит к снижению достоверности разделения сигналов.

Структурная схема многоканальной системы связи с разделением сигналов по форме приведена на рис.9.2.

Рис.9.2 Структурная схема многоканальной системы связи с разделением сигналов по форме: 1- генератор тактовых импульсов; 2- генератор шумоподобного сигнала; 3-АЦП; 4- перемножитель;; 5,6 - модуляторы; 7 - сумматор; 8 - передатчик; 9 - линия связи; 10 - приемник; 11 - согласованный фильтр; 12 - решающее устройство; 13 - ЦАП; 14,15 - демодуляторы

Передающая часть системы содержит N идентичных модуляторов, сумматор и передатчик. В модуляторах в качестве несущих колебаний используются шумоподобные сигналы, а в качестве модулирующих - сфазированные с этими сигналами двоичные кодовые последовательности с выхода АЦП. Период шумоподобных сигналов выбирается равным длительности единичного элемента кодового слова с выхода АЦП. В процессе модуляции символу «1» двоичного кодового слова (диаграмма а на рис.9.3) соответствует полный период шумоподобного сигнала (диаграмма б ), а символу «0» - отсутствие этого сигнала. Если F с - верхняя граничная частота спектра первичного сигнала, а L - число уровней квантования, то ширина спектра сигнала на выходе перемножителя (см. схему на рис. 9.2)

Где - длина (период) шумоподобной последовательности.

Как видно из формулы (9.7) ширина спектра каждого канального сигнала в раз больше ширины спектра ИКМ сигнала.

Рис.9.3. Временные диаграммы, поясняющие работу схемы, приведенной на рис.9.2

Отметим, что каждый канальный сигнал имеет свою форму, а временные процессы, протекающие в каналах, могут быть независимы. Групповой сигнал на выходе сумматора, равный сумме канальных сигналов, представляет собой случайный процесс, среднее значение и дисперсия которого зависит от загрузки отдельных каналов.

Приемная часть системы содержит приемник и N идентичных канальных приемников (демодуляторов). В структуру каждого демодулятора входит сргласованный фильтр, решающее устройство и ЦАП.

Каждый из согласованных фильтров откликается только на тот сигнал, с которым он согласован. Например, согласованный фильтр 11 первого канала откликается на сигнал, который формируется в первом модуляторе (рис.9.3, б ). Отклик фильтра показан на рис.9.3, в . Сигналы других каналов и их отклики на рис 9.3 для простоты не показаны. В решающем устройстве отклик согласованного фильтра 11 огибающая радиосигнала сравнивается с заданным пороговым уровнем U пор. Если происходит пересечение порога, то формируется оценка, передаваемого символа, равная 1, а если пересечения не происходит, то формируется оценка,равная нулевому символу.Кодовые слова с выхода решающего устройства 12 поступают на ЦАП 13 и преобразуются в сообщение a 1 * (t ).

Демодуляция сигнала происходит в присутствии помехи, которая состоит из двух составляющих. Первая является известной по предыдущим

главам суммой внутренней и внешней флуктуационных помех, а вторая - специфичной для систем с шумоподобными сигналами помехой. Эта помеха является суммой шумоподобных сигналовдругих каналов и называется структурной или взаимной помехой. Структурная помеха обусловлена тем, что системы используемых реальных сигналов являются «почти» ортогональными, т.е. для них не выполняется условие (9.6). Ее уровень определяется значениями взаимнокорреляционных функций между опорным канальным шумоподобным сигналом и присутствующими шумоподобными сигналами других каналов. С целью обеспечения заданного качества передаваемой информации, должны предусматриваться меры по уменьшению уровня этой структурной помехи. Рассмотренные принципы разделения сигналов по форме и построения многоканальной системы связи используется в многоканальных асинхронных адресных системах связи (ААСС) . В ААСС (рис.9.4) каждому абоненту присваивается один из «почти ортоганальных» шумоподобных сигналов, который является адресом канала.

Рис.9.4. Структурная схема многоканальной асинхронной адресной смстемы связи: 1,4,7,10 - абоненты 1,i,k,N; 2,5,8,11 - приемопередатчики; 3,6,9,12 - генераторы адресного сигнала; 13 - линия связи

Пусть, например, абоненту 1 нужно связаться с абонентом «k ». С этой целью набирается номер абонента «k » и таким образом вгенераторе адресного сигнала 1 устанавливается форма шумоподобного сигнала с номером «k ». Если число абонентов равно, то и число набираемых форм также равно

Шумоподобный сигнал с номером «k » посылается в линию связи и таким образом действует на входах приемников всех остальных абонентов. На шумоподобный сигнал «k » настроена приемная аппаратура только абонента «k », поэтому связь устанавливается между абонентами 1 и «k ». Приемники других абонентов на этот шумоподобный сигнал не откликаются. Ответная информация от абонента «k » передается с использованием шумоподобного сигнала с номером 1. Важной особенностью ААСС является отсутствие центральной коммутационной станции. Все абоненты имеют прямой доступ к друг другу, а если используется радиолиния, то частотная перестройка приемо-передатчиков для вхождения в связь не производится.

В заключение отметим, что в технической литературе имеется описание ААСС, в которых используется от 1000 до 1500 каналов с 50…100 активными абонентами.

Краткое описание CDMA

Примером внедрения технологии связи с шумоподобными сигналами является система с кодовым разделением каналов (CDMA - Code Division Multiple Access).

Замечательное свойство цифровой связи с шумоподобными сигналами- защищенность канала связи от перехвата, помех и подслушивания. Поэтому данная технология изначально разработана и использовалась для вооруженных сил США и лишь затем была передана для коммерческого использования.

Система CDMA фирмы Qualcom (стандарт IS-95) рассчитана на работу в диапазоне 800 МГц. Система CDMA построена по методу прямого расширения спектра частот на основе использования 64 видов последовательностей, сформированных по закону функций Уолша.

Каждому логическому каналу назначается свой код Уолша. Всего в одном физическом канале может быть 64 логических канала, так как последовательностей Уолша, которым в соответтвие ставятся логические каналы 64, каждая из которых имеет длину по 64 бита. При этом 9 каналов - служебные, а остальные 55 каналов используются для передачи данных.

При изменении знака бита информационного сообщения фаза используемой последовательности Уолша меняется на 180 градусов. Так как эти последовательности взаимно ортогональны, то взаимные помехи между каналами передачи одной базовой станции отсутствуют. Помехи по каналам передачи базовой станции создают лишь соседние базовые станции, которые работают в той же полосе частот и используют ту же самую ПСП, но с другим циклическим сдвигом.

В стандарте CDMA используется фазовая модуляция ФМ 4, ОФМ 4.

В системах телемеханики для передачи многих сигналов по одной линии связи применение обычного кодирования показывается недостаточным. Необходимо либо дополнительное разделение сигналов, либо специальное кодирование, которое включает в себя элементы разделения сигналов. Разделение сигналов - обеспечение независимой передачи и приема многих сигналов по одной линии связи или в одной полосе частот, при котором сигналы сохраняют свои свойства и не искажают друг друга.

Сейчас применяются следующие способы:

1. Временное разделение, при котором сигналы передаются последовательно во времени, поочередно используя одну и ту же полосу частот;

2. Кодово-адресное разделение, осуществляемое на базе временного (реже частотного) разделение сигналов с посылкой кода адреса;

3. Частотное разделение, при котором каждому из сигналов присваивается своя частота и сигналы передаются последовательно или параллельно во времени;

4. Частотно-временное разделение, позволяющее использовать преимущества как частотного, так и временного разделения сигналов;

5. Фазовое разделение, при котором сигналы отличаются друг от друга фазой.

Временное разделение (ВР). Каждому из n - сигналов линия предоставляется поочередно: сначала за промежуток времени t 1 передается сигнал 1, за t 2 - сигнал 2 и т.д. При этом каждый сигнал занимает свой временной интервал. Время, которое отводится для передачи всех сигналов, называется циклом. Полоса частот для передачи сигналов определяется самым коротким импульсом в кодовой комбинации. Между информационными временными интервалами необходимы защитные временные интервалы во избежание взаимного влияния канала на канал т.е. проходных искажений.

Для осуществления временного разделения используют распределители, один из которых устанавливают на пункте управления, а другой - на исполнительном пункте.

Кодово - адресное разделение сигналов (КАР). Используют временное кодово-адресное разделение сигналов (ВКАР), при этом сначала передается синхронизирующий импульс или кодовая комбинация (синхрокомбинация) для обеспечения согласованной работы распределителей на пункте управления и контролируемом пункте. Далее посылается кодовая комбинация, называемая кодом адреса. Первые символы кода адреса предназначены для выбора контролируемого пункта и объекта, последние образуют адрес функции, в котором указывается, какая ТМ - операция (функция) должна выполняться (ТУ, ТИ и т.п.). После этого следует кодовая комбинация самой операции, т.е. передается командная информация или принимается известительная информация.

Частотное разделение сигналов. Для каждого из n - сигналов выдается своя полоса в частотном диапазоне. На приемном пункте (КП) каждый из посланных сигналов выделяется сначала полосовым фильтром, затем подается на демодулятор, затем на исполнительные реле. Можно передавать сигналы последовательно или одновременно, т.е. параллельно.

Фазовое разделение сигналов. На одной частоте передается несколько сигналов в виде радиоимпульсов с различными начальными фазами. Для этого используется относительная или фазорастностная манипуляция.

Частотно-временное разделение сигналов. Заштрихованные квадраты с номерами - это сигналы, передаваемые в определенной полосе частот и в выделенном интервале времени. Между сигналами имеются защитные временные интервалы и полосы частот. Число образуемых сигналов при этом значительно увеличивается.

24. Основные виды помех в каналах и трактах проводных МСП(многоканальной системы передачи) с ЧРК(частотным разделением каналов).

Под помехой будем понимать всякое случайное воздействие на сигнал в канале связи, препятствующее правильному приему сигналов. При этом следует подчеркнуть случайный характер воздействия, так как борьба с регулярными помехами не представляет затруднений (во всяком случае, теоретически). Так например, фон переменного тока или помеха от определенной радиостанции могут быть устранены компенсацией или фильтрацией. В каналах связи действуют как аддитивные помехи, т. е. случайные процессы, налагающиеся на передаваемые сигналы, так и мультипликативные помехи, выражающиеся в случайных изменениях характеристик канала.

На выходе непрерывного канала всегда действуют гауссовские помехи. К таким помехам, в частности, относится тепловой шум. Эти помехи неустранимы. Модель непрерывного канала, вклю­чающая в себя закон композиции сигнала s(t), четырёхполюсник с импульсной характеристикой g(t, ) и источник аддитивных гауссовских помех (t).

Более полная модель должна учитывать другие типы аддитивных (аддитивные – суммарные) помех, нелинейные искажения сигнала, а также мультипликативные помехи.

Перейдем к краткой характеристике перечисленных выше помех.

Сосредоточенные по спектру, или гармонические, помехи представляют собой узкополосный модулированный сигнал. Причинами возникновения таких помех являются снижение переходного затухания между цепями кабеля, влияние радиостанций и т. п.

Импульсные помехи - это помехи, сосредоточенные по времени. Они представляют собой случайную последовательность импульсов, имеющих случайные амплитуды и следующих друг за другом через случайные интервалы времени, причем вызванные ими переходные процессы не перекрываются во времени. Причины появления этих помех: коммутационные шумы, наводки с высоковольтных линий, грозовые разряды и т. п. Нормирование импульсных помех в канале ТЧ производится путем ограничения времени превышения ими заданных порогов анализа.

Флуктуационная (случайная) помеха характеризуется широким спектром и максимальной энтропией, и поэтому с ней труднее всего бороться. Однако в проводных каналах связи уровень флуктуационных по­мех достаточно мал и они при малой удельной скорости передачи информации практически не влияют на коэффициент ошибок.

Мультипликативные (умножения на сигнал) помехи обусловлены случайными изменениями параметров канала связи. В частности, эти помехи проявляются в изменении уровня сигнала на выходе демодулятора. Различают плавные и скачкообразные изменения уровня. Плав­ные изменения происходят за время, которое намного больше, чем 0 – длительность единичного элемента; скачкообразные - за время, меньшее 0 . Причиной плавных изменений уровня могут быть колебания затухания линии связи, вызванные, например, изменением состояния погоды, а в радиоканалах - замирания. Причиной скачкообразных изменений уровня могут быть плохие контакты в аппаратуре, несовершенство эксплуатации аппаратуры связи, технологии измерений и др.

Снижение уровня более, чем 17,4 дБ ниже номинального, на­зывается перерывом. При перерыве уровень падает ниже порога чувствительности приемника и прием сигналов фактически прекращается. Перерывы длительностью меньше 300 мс принято называть кратковременными, больше 300 мс - длительными.

Импульсные помехи и перерывы являются основной причиной появления ошибок при передаче дискретных сообщений по про­водным каналам связи.

Аддитивные помехи содержат три составляющие: сосредоточенную по частоте (гармоническую), сосредоточенную во времени (импульсную) и флуктуационную. Помеха, сосредоточенная по частоте, имеет спектр значительно уже полосы пропускания канала. Импульсная помеха представляет собой последовательность кратковременных импульсов, разделенных интервалами, превышающими время переходных процессов в ка­нале. Флуктуационную помеху можно представить как последовательность непрерывно следующих один за другим импульсов, имеющую широкий спектр, выходящий за пределы полосы пропускания канала. Импульсную помеху можно рассматривать как крайний случай флуктуационной, когда её энергия сосредоточена в отдельных точках временной оси, а гармоническую помеху - как другой крайний случай, когда вся энергия сосредоточена в отдельных точках частотной оси.

Характеристиками аддитивных помех в каналах ТЧ являются псофометрическая мощность шума и уровень не взвешенного шума. Первая величина измеряется прибором с квадратичным детектором и специальным контуром, учитывающим чувствительность человеческого уха, микрофона и телефона к напряжениям различных частот. Средняя величина псофометрической мощности составляет 2*10-15 Вт/м. Не взвешенный шум измеряют прибором с квадратичным детектором, имеющим время интегрирования 200 мс. Эта величина в точке с относительным нулевым уровнем не должна превышать -49 дБ на одном участке переприёма. Указанные характеристики не охватывают импульсные шумы, которые измеряют отдельно и специальными приборами. Мультипликативные помехи в каналах связи выражаются в основном в изменении остаточного затухания, приводящего к изменениям уровня сигнала. Изменения уровня сигнала в реальных каналах связи весьма разнообразны по своему характеру. Так, например, различают плавные и скачкообразные изменения уровня сигнала (иногда их называют изменениями остаточного затухания), кратковременные занижения уровня, кратковременные и длительные перерывы.

Плавными изменениями уровня называют такие, при которых отклонение уровня от своего номинального значения до максимального (минимального) происходит за время, несоизмеримо большее длительности единичных элементов передаваемого сигнала т0. К скачкообразным изменениям уровня относятся те, при которых изменение уровня от значения рН0М до рМАКС происходит за время, соизмеримое с временем единичного интервала 0.

Исследования показали, что за длительный промежуток времени отклонения уровня от номинального значения происходят как в сторону повышения, так и в сторону понижения, при этом оба направления изменения имеют примерно равную вероятность. Изменения такого рода могут быть отнесены к числу медленных изменений остаточного затухания. Наряду с ними имеют место быстрые, сравнительно кратковременные изменения остаточного затухания, в основном приводящие к уменьшению уровня приема. Значительные занижения уровня сигнала приводят к искажениям принимаемых сигналов и, как следствие, к ошибкам. Занижения уровня сигнала уменьшают его помехозащищенность, что также вызывает рост числа ошибок. И, наконец, в синхронных системах снижение уровня сигнала приводит к нарушению работы синхронизации и затрате определенного времени на вхождение, в режим синхронизации при восстановлении нормального уровня. Поэтому в современных системах ПДИ имеются специальные устройства, которые блокируют приемник и его систему синхронизации при уменьшении уровня сигнала ниже заданного значения - П. По этой причине занижение уровня на величину, большую или равную П, получило название перерыва. При передаче данных согласно рекомендациям ЕАСС перерывом считают П= 17,4 дБ. Перерывы делят на кратковременные и длительные

Для коммутируемых каналов ТЧ существует следующая нор­ма: t КР.ПЕР ЗОО мс. Это время выбрано из принятых в аппаратуре телефонной коммутации схемных решений, которые в случае перерыва длительностью более 300 мс обеспечивают разъединение ранее установленного соединения, т. е. приводят к отказу связи. Указанная величина рекомендуется МСЭ в качестве критерия отказа для передачи по коммутируемым каналам ТЧ. Рекомендуемая доля кратковременных перерывов на одном переприемном участке не должна превышать 1,5*10-5 за 90% часовых отрезков времени.

Плавные изменения уровня до некоторой степени характеризуются величиной стабильности остаточного затухания. Согласно рекомендациям МСЭ остаточное затухание для двухпроводного канала ТЧ должно составлять 7,0, для четырёхпроводного - 17,4 дБ, а его нестабильность во времени на одном участке переприёма - не превышать 1,75 дБ.

В каналах связи возникают также своеобразные мультипликативные помехи, связанные с нестабильностью генераторов поднесущих частот аппаратуры передачи. В результате затрудняется выделение на приёме когерентного колебания при ФМ или возникают искажения сигнала ЧМ. По существующим нормам расхождение поднесущих частот на участке переприёма ограничивается величиной 1 Гц. Кроме того, наряду со скачкообразными изменениями уровня сигнала в каналах связи имеют место скачки фазы, однако последние пока не нормированы.

25.Принципы построения СП (систем передачи) с временным разделением каналов (ВРК). Основные этапы преобразования аналоговых сигналов в цифровые (дискретизация по времени, квантование по уровню, кодирование).

В системах передачи с ВРК используются цифровые сигналы, представляющие собой ту или иную импульсную кодовую последовательность, т.е. это система для передачи цифровых данных. Напомним, что для преобразования аналогового сигнала в цифровой используются операции ДИСКРЕТИЗАЦИЯ, КВАНТОВАНИЕ, КОДИРОВАНИЕ. Дискретизация осуществляется на основе теоремы Котельникова. Для сигналов ТЧ с полосой 0,3 – 3,4 кГц + 0,9 кГц (защитный интервал), т.е. fв = 4 кГц. Тактовая частота дискретизации fт = 2fв = 8 кГц. Каждый отсчёт передаётся 8 битами, значит сигнал ТЧ можно передавать со скоростью fт × 8 бит = 8×103 ×8 = 64 кбит/с. Это и есть скорость передачи одного канала ТЧ. Отсчёты передаются в виде восьмиразрядных двоичных чисел, получаемых при квантовании отсчётов. Т.к. квантование имеет конечное число уровней, да ещё ограничения по max и min, то очевидно, что квантованный сигнал не является точным. Разница между истинным значением отсчёта и его квантованным значением – это шум квантования. Значение шума квантования зависит от количества уровней квантования, скорости изменения сигнала и от спосрба выбора шага квантования.

При частотном разделении каналов (ЧРК) каждое из подлежащих передаче сообщений занимает полосу частот стандартного канала ТЧ. В процессе формирования группового сигнала каждому канальному сигналу отводится неперекрывающаяся со спектрами других сигналов полоса частот . Тогда общая полоса частот N -канальной группы будет равна . Считая, что применяется однополосная модуляция и каждый канальный сигнал занимает полосу частот , для спектра группового сигнала получим

Групповой сигнал преобразуется в линейный сигнал s л (t) и передается по линии связи (тракту передачи). На приемной стороне после преобразования линейного сигнала в групповой, последний с помощью полосовых канальных фильтров Ф К (см. рис. 11.1) с полосой пропускания и демодуляторов Д К преобразуется в канальное сообщение , которое направляется получателям сообщений.

На вход приемного устройства i –го канала одновременно действуют сигналы всех N каналов. Чтобы без взаимных помех разделить сигналы, каждый из фильтров Ф i должен пропускать без ослабления только те частоты, которые принадлежат данному i –му каналу; частоты сигналов всех других каналов фильтр Ф i должен подавлять. За счет неидеальности характеристик полосовых канальных фильтров возникают взаимные переходные помехи между каналами. Для снижения этих помех до допустимого уровня необходимо вводить защитные частотные интервалы между каналами . В современных системах многоканальной телефонной связи каждому каналу выделяется полоса частот 4 кГц, хотя частотный спектр передаваемых речевых сигналов ограничивается полосой 300…3400 Гц, т. е. ширина спектра сигнала составляет 3,1 кГц. Таким образом, в данном случае = 0,9 кГц. Это означает, что в многоканальных системах с ЧРК эффективно используется примерно 80% полосы пропускания тракта передачи. Кроме того, необходимо обеспечить очень высокую степень линейности всего группового тракта.

При временном разделении каналов (ВРК) групповой тракт с помощью синхронных коммутаторов передатчика и приемника поочередно предоставляется для передачи сигналов каждого канала многоканальной системы. Структурная схема многоканальной системы передачи с ВРК приведена на рис.11.2.

В качестве канальных сигналов в системах с ВРК используются неперекрывающиеся во времени последовательности модулированных импульсов (например, по амплитуде). Совокупность канальных сигналов образует групповой сигнал.

При временном разделении также возможны переходные помехи между каналами, которые в основном обусловлены двумя причинами. Первой причиной является неидеальность АЧХ и ФЧХ тракта передачи, а второй – неидеальность синхронизации коммутаторов на передающей и приемной стороне. Для снижения уровня взаимных помех при ВРК также приходится вводить защитные временные интервалы. Это требует уменьшения длительности импульса каждого канала и, как следствие, расширения спектра сигналов. Так, в многоканальных системах телефонной связи полоса эффективно используемых частот F В =3100 Гц. В соответствии с теоремой отсчетов Котельникова минимальное значение частоты дискретизации f Д = 2f В = 6200 Гц. Однако в реальных системах выбирают f Д =8 кГц (с запасом).

Теоретически ВРК и ЧРК эквивалентны по эффективности использования частотного спектра, однако в реальных условиях системы с ВРК несколько уступают системам с ЧРК по этому показателю из-за трудностей снижения уровня взаимных помех при разделении сигналов. Однако системы с ВРК имеют неоспоримое преимущество, связанное с тем, что благодаря разновременности передачи сигналов различных каналов в них отсутствуют переходные помехи нелинейного происхождения. В системах ВРК ниже пик-фактор. Кроме того, аппаратура ВРК значительно проще аппаратуры ЧРК. Наиболее широкое применение ВРК находит в цифровых системах передачи с ИКМ.

Частным случаем временного разделения является разделение сигналов по фазе , при котором можно обеспечить лишь двухканальную передачу .

В общем случае сигналы, занимающие общую полосу частот и передаваемые одновременно, могут быть разделены, если выполняется условие их линейной независимости или условие ортогональности .

Этим требованиям удовлетворяют сигналы, различающиеся по форме . В цифровых многоканальных системах с разделением по форме используют ортогональные последовательности в виде функций Уолша. Обобщением разделения по форме, являются асинхронно-адресные системы связи (ААСС). В таких системах легко реализуются резервы пропускной способности, возникающие за счет «мало активных» абонентов. Так, например, можно организовать 1000-канальную систему связи, в которой одновременно ведут передачу любые 50-100 абонентов из тысячи .

При комбинированном методе разделения групповой сигнал представляет собой отображение определенных комбинаций дискретных канальных сообщений посредством чисел, соответствующих номеру комбинации. Эти числа могут передаваться с помощью сигналов дискретной модуляции любого вида. Например, для двоичных кодов (m=2) и числе каналов N=2 групповое сообщение может принимать возможных значения, соответствующих различным комбинациям нулей и единиц:00, 01, 10, 11. Для N -канальных систем потребуется различных значений модулируемого параметра (частоты, фазы). В общем случае можно модулировать одновременно несколько параметров переносчика, например, амплитуду и фазу, частоту и фазу и т. д. Структурная схема многоканальной системы с комбинационным (кодовым) разделением (уплотнением) представлена на рис.11.3.

Рис.11.3. Структурная схема многоканальной системы с комбинационным уплотнением

В последнее время большой интерес проявляется к системам амплитудно-фазовой модуляции (АФМ), которые можно реализовать схемой квадратурной модуляции. В системах АФМ в течение интервала передачи одного элементарного сигнала его фаза и амплитуда принимают значения, выбранные из ряда возможных дискретных значений амплитуд и фаз. Каждая комбинация значений амплитуды и фазы отображает один из многопозиционных сигналов группового сигнала с основанием кода . Сигналы АФМ можно формировать также путем многоуровневой амплитудной и фазовой модуляции двух квадратурных (сдвинутых по фазе на ) колебаний несущей частоты .

В последние годы успешно развивается также теория сигнально-кодовых конструкций (СКК), направленная на повышение скорости передачи и помехоустойчивости при существенных ограничениях на энергетику и занимаемую полосу частот. Вопросы теории СКК рассмотрены в главе 11 .

Частотное разделение сигналов. Функциональная схема простейшей системы многоканальной связи с разделением каналов по частоте представлена на рис. 9.2.

Проследим основные этапы образования сигналов, а также изменение этих сигналов в процессе передачи. Сначала в соответствии с передаваемыми сообщениями первичные (индивидуальные) сигналы, имеющие энергетические спектры G 1 (ω), G 2 (ω),..., G N (ω) модулируют поднесущие частоты со& каждого канала. Эту операцию выполняют модуляторы М 1 , M 2 , ..... , M N канальных передатчиков. Полученные на выходе частотных фильтров Φ 1 , Φ 2 , ..., Φ N спектры g k (ω) канальных сигналов занимают соответственно полосы частот Δω 1 , Δω 2 ,..., Δω N (рис. 9.3), которые в общем случае могут отличаться по ширине от спектров сообщений Ω 1 , Ω 2 ,..., Ω N . При широкополосных видах модуляции, например ЧМ, ширина спектра Δω k ≈2(β + 1)Ω k , при ОМ Δω k = Ω k , т. е. в общем случае Δω k ≥ Ω k Для упрощения будем считать, что используется ОМ (как это принято в кабельных системах многоканальной связи с частотным разделением), т. е.

Δω k = Ω и Δω = NΩ. (9.11)

Будем полагать, что спектры индивидуальных сигналов финитны. Тогда можно подобрать поднесущие частоты ω k так, что полосы Δω 1 ,..., Δω 1 попарно не перекрываются. При этом условии сигналы s k (t) (k = 1,..., N) взаимно-ортогональны. Затем спектры g 1 (ω), g 2 (ω),... ,g N (ω) суммируются (СУ) и их совокупность g(ω) поступает на групповой модулятор (М). Здесь спектр g(ω) с помощью колебания несущей частоты ω 0 переносится в область частот, отведенную для передачи данной группы каналов, т. е. групповой сигнал s(t) преобразуется в линейный сигнал s Л (t) При этом может использоваться любой вид модуляции.

На приемном конце линейный сигнал поступает на групповой демодулятор (приемник Π), который преобразует спектр линейного сигнала в спектр группового сигнала g(ω). Спектр группового сигнала затем с помощью частотных фильтров Φ 1 , Φ 2 ,..., Φ N вновь разделяется на отдельные полосы Δω k , соответствующие отдельным каналам. Наконец, канальные демодуляторы Д преобразуют спектры сигналов g k (ω) в спектры сообщений G k (ω), 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 Φ л должен пропустить без ослабления лишь те частоты ω∈Δω k , которые принадлежат сигналу данного канала; частоты сигналов всех других каналов ω∉Δω k фильтр должен подавить.

Математически частотное разделение сигналов идеальными полосовыми фильтрами можно представить следующим образом:

где g k (t)-импульсная реакция идеального полосового фильтра, пропускающего без искажений полосу частот Δω k . Выражение (9.12) совпадает с (9.6) при весовой функции η k (t, τ) = g k (t-τ). В спектральной области преобразование (9.12) соответствует умножению спектра группового сигнала на Π-образную передаточную функцию (см. рис. 9.3).

Итак, с точки зрения возможности полного разделения сигналов различных каналов необходимо иметь такие фильтры Φ k , полоса пропускания которых полностью соответствует ширине спектра сигнала Δω k ; на гармонические составляющие за пределами полосы Δω k фильтр Φ k реагировать не должен. При этом имеется в виду, что энергия сигналов s k полностью сосредоточена в пределах ограниченной полосы Δω k , отведенной k-му каналу. Если бы оба эти условия удовлетворялись, то посредством частотных фильтров можно было бы разделить сигналы различных каналов без взаимных помех. Однако ни одно из этих условий принципиально невыполнимо. Результатом являются взаимные помехи между каналами. Они возникают как за счет неполного сосредоточения энергии сигнала k-го канала в пределах заданной полосы частот Δω k , 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.

Для снижения переходных помех до допустимого уровня приходится вводить защитные частотные интервалы Δω защ (рис. 9.4). Так, например, в современных системах многоканальной телефонной связи каждому телефонному каналу выделяется полоса частот 4 кГц, хотя частотный спектр передаваемых звуковых сигналов ограничивается полосой от 300 до 3400 Гц, т. е. ширина спектра составляет 3,1 кГц. Между полосами частот соседних каналов предусмотрены интервалы шириной по 0,9 кГц, предназначенные для снижения уровня взаимных помех при расфильтровке сигналов. Это означает, что в многоканальных системах связи с частотным разделением сигналов эффективно используется лишь около 80% полосы пропускания линии связи. Кроме того, необходимо обеспечить очень высокую степень линейности всего тракта группового сигнала.

Временное разделение сигналов. Принцип временного разделения сигналов весьма прост и издавна применяется в телеграфии. Он состоит в том, что с помощью коммутатора K пер групповой тракт предоставляется поочередно для передачи сигналов каждого канала многоканальной системы * . При передаче непрерывных сообщений для временного разделения используется дискретизация по времени (импульсная модуляция). Сначала передается сигнал (импульс) 1-го канала, затем следующего канала и т. д. до последнего канала за номером N, после чего опять включается 1-й канал и процесс периодически повторяется (рис. 9.5).

* (В современной аппаратуре механические коммутаторы практически не используют. Вместо них применяют электронные коммутаторы, выполненные, например, на регистрах сдвига. )

На приемном конце устанавливается аналогичный коммутатор K пр, который подключает групповой тракт поочередно к приемникам соответствующих каналов. Приемник каждого k-ro канала должен быть подключен только на время передачи k-ro сигнала и выключен все остальное время, пока передаются сигналы в других каналах. Это означает, что для нормальной работы многоканальной системы с временным разделением необходима синхронная и синфазная работа коммутаторов на приемной и передающей сторонах. Часто для этого один из каналов занимают под передачу специальных импульсов синхронизации, предназначенных для согласованной во времени работы K пер и K пр.

На рис. 9.6 представлены временные диаграммы двухканальной системы с АИМ. Переносчиком сообщений здесь являются последовательности импульсов (с периодом T 0 = 1/2F max), поступающих на импульсный модулятор (ИМ) от генератора тактовых импульсов (ГТИ). Групповой сигнал (рис. 9.6,а) поступает на коммутатор K пр. Последний выполняет роль "временных" параметрических фильтров или ключей, передаточная функция которых K k (рис. 9.6,6) изменяется синхронно (с периодом Т 0) и синфазно с изменениями передаточной функции K пер:

Это означает, что к тракту передачи в пределах каждого временного интервала Δt k подключен только k-н импульсный детектор ИД-k. Полученные в результате детектирования s k (t) сообщения поступают к получателю сообщений ПС-k.

Оператор π k , описывающий работу ключевого фильтра, вырезает из сигнала s(t) интервалы Δt k следующие с периодом Т 0 и отбрасывает остальную часть сигнала. Легко убедиться, что его можно представить в форме (9.6), если

Здесь, как и ранее, Δt k обозначает интервал, в течение которого передаются сигналы k-го источника.

При временном разделении взаимные помехи в основном обусловлены 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. Действительно, если при передаче модулированных импульсов конечной длительности ограничить спектр, то импульсы "расплывутся" и вместо импульсов конечной длительности получим процессы, бесконечно протяженные во времени. При временном разделении сигналов это приведет к тому, что импульсы одного канала будут накладываться на импульсы других каналов (рис. 9.7). 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.

Для снижения уровня взаимных помех приходится вводить "защитные" временные интервалы, что соответствует некоторому расширению спектра сигналов. Так, в многоканальных системах телефонии полоса эффективно передаваемых частот F = 3100 Гц; в соответствии с теоремой Котельникова минимальное значение f 0 = 2F = 6200 Гц. Однако в реальных системах частоту следования импульсов выбирают с некоторым запасом: f 0 = 8 кГц. Для передачи таких импульсов в одноканальном режиме потребуется полоса частот не менее 4 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)

Δt k = T 0 /N = 1/(2F общ), (9.15)

где F общ = NF, 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 трудно реализовать средствами микроэлектроники. Немаловажным преимуществом систем временного разделения является значительно меньший пик-фактор. Временное разделение широко используют при передаче непрерывных сообщений с аналоговой импульсной модуляцией, и особенно в цифровых системах ИКМ.

Заметим также, что суммарная мощность Р oбщ принимаемого сигнала s(t) необходимая для обеспечения заданной верности в присутствии флуктуационных помех, как при частотном, так и при временном разделениях (а также при других, рассматриваемых ниже системах с линейным разделением) в идеальном случае в N раз больше, чем мощность Р при одноканальной передаче с тем же видом модуляции Р oбщ = NР. Это легко понять, поскольку при сложении независимых сигналов их мощности складываются. В действительности из-за переходных помех верность приема в многоканальной системе при выполнении этого условия несколько ниже, чем в одноканальной. Увеличивая мощность сигнала в многоканальной системе, нельзя снизить воздействие переходных помех, поскольку при этом и мощность последних также возрастает, а в случае помех нелинейного происхождения растет даже быстрее, чем мощность сигнала.

Фазовое разделение сигналов. Рассмотрим теперь множество синусоидальных сигналов:

Здесь подлежащая передаче информация содержится в изменениях амплитуды A k (амплитудная модуляция), несущая частота сигналов ω 0 - одна и та же, а сигналы различаются начальными фазами φ k .

Среди множества N сигналов (9.16) лишь любые два сигнала являются линейно-независимыми; любые n>2 сигналов линейно-зависимы. Это означает, что на одной несущей частоте ω 0 при произвольных значениях амплитуд A i и A k и фаз φ i и φ k можно обеспечить лишь двухканальную передачу * .

* (Разделение сигналов при фиксированных значениях амплитуд A i и фаз φ i обсуждается в § 9.5. )

На практике преимущественно используют значение φ 2 - φ 1 = π/2:

s 1 (t) = A 1 sin ω 0 t; s 2 (t) = A 2 sin (ω 0 t+π/t) = A 2 cos ω 0 t, (9.17)

При этом сигналы s 1 (t) и s 2 (t) ортогональны, что облегчает реализацию системы и улучшает ее энергетические показатели.