Временно кодовое разделение каналов связи. На передающей стороне. Тема: Принцип кодового разделения каналов

Многоканальные системы с ВРК широко используются для передачи аналоговой и дискретной информации.

Принцип временного объединения каналов удобно пояснить с помощью синхронно вращающихся распределителей на передающей и приемной стороне (рис. 8.9).

Основные этапы образования группового сигнала показаны на рис.8.10.

Информация от источников аналоговых сигналов поступает на входы соответствующих индивидуальных импульсных модуляторов АИМ (ШИМ, ФИМ). Формируемые отсчеты сигналов на выходе первого импульсного модулятора () (рис. 8.10,в), на выходе второго импульсного модулятора () (рис. 8.10,г) берутся через одинаковый интервал , но с таким сдвигом во времени, чтобы они не перекрывались.

Затем передающий распределитель считывает импульсы от всех источников, формируя сигнал (рис. 8.10,д), спектр которого с помощью группового модулятора (ГМ) переносится в область частот, отведенных для данной линии связи. Групповой сигнал , передаваемый по линии связи, несет информацию как от первого, так и о второго источника одновременно. На приемной стороне с выхода группового демодулятора (ГД) импульсы группового сигнала поступают на вращающиеся контакты приемного распределителя для формирования канальных последовательностей , и т.д. из которых на выходе импульсных детекторов формируются непрерывные сигналы поступающие к получателям сообщений .

Следует подчеркнуть, что рис. 8.9 служит лишь для иллюстрации идеи временного уплотнения и не отражает современных технических методов коммутации. В действительности аппаратура временного уплотнения обходится без механических распределителей, которые заменены электронными распределителями, выполняющими те же функции (рис. 8.11).

Рис.8.11. Схема многоканальной связи с ВРК.

Выходы всех импульсных модуляторов подключены к «своим» электронным ключам, работой которых управляет распределитель коммутирующих импульсов. В свою очередь, распределитель запускается от генератора тактовых импульсов.

Временное разделение сигналов осуществляется устройством, упрощенная структурная схема которого представлена на рис. 8.11. Принятый групповой радиосигнал в групповом демодуляторе преобразуется в групповую импульсную видеопоследовательность и поступает одновременно на входы выделителя синхросигнала и канальные электронные коммутаторы.

Процесс временного разделения производится в два этапа. На первом – этапе вхождения системы в синхронизм происходят поиск, обнаружение и выделение сигналов синхронизации, после чего запускается распределитель канальных коммутирующих импульсов. Распределитель формирует на своих выходах импульсы требуемой длительности и такой очередности, при которой в каждый канальный интервал открывается лишь один электронный коммутатор соответствующего канала.

На втором этапе производится демодуляция каждого канального импульса, после чего сигналы принимаемых каналов подаются к получателям аналоговой информации.

При временном разделении каналов важнейшую роль играет система синхронизации, алгоритм работы которой каждый раз выбирается индивидуально для принятого способа импульсной модуляции, способа временного объединения каналов, структуры сигналов синхронизации и т.д.

Частотное разделение каналов, Мультиплексирование с разделением по частоте (англ. Frequency-Division Multiplexing, FDM)

Разделение каналов осуществляется по частотам. Так как радиоканал обладает определённым спектром, то в сумме всех передающих устройств и получается современная радио связь. Например: спектр сигнала для мобильного телефона 8 МГц. Если мобильный оператор даёт абоненту частоту 880 МГц, то следующий абонент может занимать частоту 880+8=888 МГц. Таким образом, если оператор мобильной связи имеет лицензионную частоту 800-900 МГц, то он способен обеспечить около 12 каналов, с частотным разделением.

Частотное разделение каналов применяется в технологии X-DSL. По телефонным проводам передаются сигналы различной частоты: телефонный разговор-0,3-3,4 кГц а для передачи данных используется полоса от 28 до 1300 кГц.

Очень важно фильтровать сигналы. Иначе будут происходить наложения сигналов, из-за чего связь может сильно ухудшиться.

Практика построения современных систем передачи информации показывает, что наиболее дорогостоящими звеньями каналов связи являются линии связи : кабельные, волноводные и световодные, радиорелейные и спутниковые и др. Поскольку экономически нецелесообразно использовать дорогостоящую линию связи для передачи информации между единственной парой абонентов, то возникает проблема построения многоканальных систем передачи, в которых одна общая линия связи уплотнятся большим числом индивидуальных каналов. Этим обеспечивается повышение эффективности использования пропускной способности линии связи. Сообщения А 1 (t), …, А N (t) от N источников ИС 1 , …, ИС N с помощью индивидуальных модуляторов М 1 , …, М N преобразуются в канальные сигналы U 1 (t), …, U N (t). Сумма этих сигналов образует групповой канальный сигнал U Л (t), который передается по линии связи (ЛС). Групповой приемник П преобразует полученный сигнал Z Л (t) в исходный групповой сигнал Z(t)=U(t). Индивидуальные приемники П 1 , …, П N выделяют из группового сигнала Z(t) соответствующие канальные сигналы Z 1 (t), …, Z N (t) и преобразуют их в сообщения . Блоки М 1 , …, М N и сумматор образуют аппаратуру уплотнения, блоки М, ЛС и П – групповой канал. Аппаратура уплотнения, групповой канал и индивидуальные приемники образуют систему многоканальной связи.

Чтобы разделяющие устройства могли различать сигналы отдельных каналов, должны быть определены соответствующие признаки, присущие только данному сигналу. Такими признаками в случае непрерывной модуляции могут быть частота, амплитуда, фаза, в случае дискретной модуляции еще и форма сигнала. В соответствии с используемыми для разделения признаками различаются и способы разделения: частотные, временные, фазовые и др.

23.Частотное разделение сигналов. Временное разделение сигналов. Разделение сигналов по форме (кодовое).

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:

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

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

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

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

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.

Линия связи - наиболее дорогостоящий элемент системы свя­зи. Поэтому целесообразно по ней вести многоканальную передачу информации, так как с ростом числа каналов N увеличивается ее пропускная способность С. Поичем. должно выполняться условие:

Н К - производительность к-го канала.

Основная проблема многоканальной передачи - разделение ка­нальных сигналов на приемной стороне. Сформулируем условия этого разделения.

Пусть необходимо организовать одновременную передачу несколь­ких сообщений по общему (групповому) каналу, каждое из которых описывается выражением

(7.1.1)

С учетом формулы (7.1.1.) получаем:

Иначе говоря, приемник обладает избирательными свойствами по от­ношению к сигналу Sk(t).

Рассматривая вопрос разделения сигналов различают частотное, фазовое, вре­менное разделение каналов, а также разделение сигналов по форме и другим признакам.

Второй учебный вопрос

Частотное разделение каналов

Структурная схема многоканальной системы связи (МКС) с час­тотным разделением каналов (ЧРК) приведена на рис.7.1.1, где обо­значено: ИС - источник сигнала, Мi - модулятор, Фi - фильтр i-го канала, Σ - сумматор сигналов, ГН - генератор несущей, ПРД- пе­редатчик, ЛС - линия связи, ИП - источник помех, ПРМ - прием­ник, Д - детектор, ПС - получатель сообщения.

Рис.7.1.1. Структурная схема многоканальной системы связи

При ЧРК сигналы-переносчики имеют различные частоты fi (поднесущие) и разнесены на интервал, больший или равный ширине спектра модулированного канального сигнала. Поэтому модулирован­ные канальные сигналы занимают неперекрывающиеся полосы час­тот и являются ортогональными между собой. Последние суммируют­ся (уплотняются по частоте) в блоке Σ образуя групповой сигнал, которым модулируется колебание основной несущей частоты fн в блоке М.

Для модуляции канальных переносчиков можно применять все известные способы. Но более экономично полоса частот линии связи используется при однополосной модуляции (ОБП AM), так как в этом случае ширина спектра модулированного сигнала минимальна и равна ширине спектра передаваемого сообщения. Во второй ступени моду­ляции (групповым сигналом) чаще также используется ОБП AM в проводных каналах связи.

Такой сигнал с двойной модуляцией, после усиления в блоке ПРД передается по линии связи в приемник ПРМ, где подвергается обратному процессу преобразования, т. е. демодуля­ции сигнала по несущей в блоке Д для получения группового сигнала, выделения из него канальных сигналов полосовыми фильтрами Фi и демодуляции последних в блоках Дi. Центральные частоты полосовых фильтров Фi равны частотам канальных переносчиков, а их полосы прозрачности - ширине спектра модулированных сигналов. Откло­нение реальных характеристик полосовых фильтров от идеальных не должно влиять на качество разделения сигналов, поэтому используют защитные интервалы частот между каналами. Каждый из фильтров Ф приема должен пропускать без ослабления лишь те частоты, которые принадлежат сигналу данного канала. Частоты сигналов всех других каналов фильтр должен подавить.

Частотное разделение сигналов идеальными полосовыми фильтра­ми математически можно представить так:

где g k - импульсная реакция идеального полосового фильтра, пропускаю­щего без искажений полосу частот к-го канала.

Основные достоинства ЧРК : простота технической реализации, высокая помехоустойчивость, возможность организации любого числа каналов. Недостатки: неизбежное расширение используемой полосы частот при увеличении числа каналов, относительно низкая эффек­тивность использования полосы частот линии связи из-за потерь на расфильтровку; громоздкость и высокая стоимость аппаратуры, обу­словленные в основном большим числом фильтров (стоимость фильт­ров достигает 40 % стоимости системы с ЧРК). На железнодорожном транспорте разработана МКС с ЧРК типа К-24Т, в которой исполь­зуются малогабаритные электромеханические фильтры.

Третий учебный вопрос

Тема № 7

Принципы построения многоканальных систем передачи

Тема занятие № 2

Временное разделение каналов

Первый учебный вопрос

Временное разделение каналов

Многоканальные системы передачи с временным разделением ка­налов (ВРК) широко применяются для передачи аналоговой и дис­кретной информации.

Временное разделение каналов возможно лишь в случае импульсной модуляции.

При большой скважности между импульсами одного кана­ла остается большой промежуток времени, в котором можно разместить импульсы других каналов. Все каналы занимают одну и ту же полосу частот, но линия связи используется поочередно для периодической пе­редачи канальных сигналов. Частоту повторения канальных сигналов выбирают согласно теореме Котельникова. Для синхронизации работы переключателей передатчика и приемника передают вспомогательные синхронизирующие импульсы, для которых отводят один или несколь­ко каналов. При ВРК используют различные виды импульсной моду­ляции в каналах: ФИМ, ШИМ, ИКМ, ДМ и др. Для радиолиний при­меняют двойную модуляцию: ИКМ-ОФМн, ФИМ-ЧМ и др.

На рис.7.2.1 приведена структурная схема многоканальной системы (МКС) с временнвым разделением каналов (ВРК), где обо­значено:

М- модулятор, ПБ - промежуточный блок, ГИ- генератор импульсов, СТ - счетчик, ДС - декодер, ГН - генератор несущей, ПРД - передатчик, ЛС - линия связи, ИП - источник помех, ПРМ - приемник, Д - детектор, ВСИ - выделитель синхроимпульса, И - схема совпадения.

Рис.7.2.1. Структурная схема многоканальной системы с временным разделением канала

Блоки ТИ, СТ, ДС образуют распределительную ли­нию РЛ, которая обведена штриховой пунктирной линией.

Первый импульс ГИ появляется на первом отводе ДС, второй - на втором и т. д., N-й импульс - на N-м (последнем). Следующий импульс N + 1 появится вновь на первом входе ДС и далее процесс повторяется. На отводах ДС образуются периодические последовательности импуль­сов, сдвинутые во времени друг относительно друга. Первая последовательность импульсов поступает на управляющий вход формиро­вателя синхроимпульсов ФСИ, остальные - на входы канальных модуляторов М (первая ступень модуляции). На их вторые входы по­ступают передаваемые информационные сигналы, которыми модули­руются высокочастотные импульсы с ДС по одному из их параметров (амплитуде, длительности и т. д.).

Принцип функционирования представленной схемы поясняется временными диаграммами (рис.7.2.2 а-г) для случая АИМ в канальных модуляторах Мi.

Рис.7.2.2. Временная диаграмма работы схемы МКС с ВРК

Последние представ­ляют собой дискретизаторы, выполненные на ключевых схемах или мультиплексорах. Рассмотрим сначала модуляторы АИМ на ключах, число которых N = 4. Причем первый канал отведен под синхроим­пульс, а три остальных - под информационные сигналы. Синхросиг­нал СС отличается от информационных импульсов каким-либо пара­метром, например длительностью или амплитудой. Первый импульс с ГИ (рис.7.2.2 д) открывает первый ключ, формируя СС на его вы­ходе, второй импульс - второй ключ и пропускает на свой выход со­ответствующую часть сигнала первого канала, третий импульс - часть сигнала второго канала и так до четвертого импульса. Пятый импульс вновь формирует СС и т. д. Поскольку выходы всех ключей соединены между собой параллельно, то суммарный (групповой) сигнал состоит из неперекрывающихся во времени импульсов. В этом случае говорят, что каналы уплотнены во времени. Далее групповой сигнал (рис.7.2.2 д) после усиления в блоке ПБ поступает в качестве модулирующего на вторую ступень модуляции М, после чего он усиливается в блоке ПРД и по линии связи поступает на приемную сторону.

На практике чаще всего используется не АИМ, а ИКМ, в состав которой входит и АИМ. Остальные же опе­рации ИКМ (квантование по уровню, кодирование) должны осуще­ствляться в блоке ПБ.

На приемной стороне сигнал с линии поступает в ПРМ, где он фильтруется, усиливается, а за­тем детектируется в блоке Д (см. рис. 12.5) для получения группо­вого сигнала (см. рис.7.2.2 е). Если в каналах использована АИМ, то групповой сигнал после усиления в блоке ПБ поступает сразу на одни входы всех схем сов­падения И, на другие входы кото­рых подаются импульсы синхро­сигнала СС (рис.7.2.2 ж) с выхода распределителя РЛ. Работа по­следнего такая же, как и на пере­дающей стороне, за исключением того, что ГИ синхронизирован им­пульсами СИ, выделенными из группового сигнала. Каждая схе­ма совпадения И открывается на время, определяемое длительно­стью импульса распределителя, и пропускает на свой выход сигнал своего канала. В схемах И и осу­ществляется ВРК (рис.7.2.2 з-к). На выходе каждой такой схемы имеется ФНЧ, который выполняет функции второй ступени демоду­ляции, преобразуя сигнал АИМ в передаваемый аналоговый сигнал. Если же канальные сигналы циф­ровые (с ИКМ), то в блоке ПБ приемника должно иметь место деко­дирование, преобразующее ИКМ в АИМ. Далее групповой сигнал с АИМ разделяется описанным выше способом.

Схемы И приемника выполняют роль временных параметрических фильтров или ключей.

При ВРК тоже имеют место взаимные помехи, которые обуслов­лены двумя причинами: линейными искажениями и несовершенст­вом синхронизации. Действительно, при ограничении спектра импуль­сов (линейные искажения) их фронты "заваливаются", и импульсы одного канала накладываются на импульсы другого, от чего и обра­зуются переходные помехи. Для снижения их уровня вводят защитные интервалы, что соответствует некоторому расширению спектра сиг­нала.

Эффективность использования частотного спектра при ВРК практически (не теоретически) хуже, чем при ЧРК: с увеличением числа каналов растет полоса частот. Зато при ВРК отсутствуют помехи нелинейного происхождения и аппаратура значительно проще, а пик-фактор сигнала меньше, чем при ЧРК. Существенным преимущест­вом ВРК является высокая помехоустойчивость импульсных методов передачи (ИКМ, ФИМ и др.).

При ВРК просто выделить каналы на приемной стороне без какого-либо ограничения их качества. Аппара­тура имеет малые размеры, массу, что обусловлено широким исполь­зованием интегральных микросхем, элементов цифровой вычисли­тельной техники, микропроцессоров.

Основной недостаток ВРК - необходимость обеспечения синхронизации передающей и приемной сторон системы передачи.

Отметим, что при ВРК канальные сигналы ортогональны между собой, поскольку они не перекрываются во времени. Это значит, что при их передаче может быть использовано и фазовое разделение ка­налов (ВФРК). Примером тому может являться однополосная пере­дача цифровых сигналов, минимальная частотная манипуляция и др.

В предыдущих разделах мы рассмотрели основные способы разделения элементов сложных сигналов, а также возможные варианты схем построения систем управления и контроля, использующих тот или иной метод.

В тех случаях, когда имеются ограничения на время передачи сообщений при временном разделении элементов сигналов или ограничено количество частотных каналов при частотном разделении можно использовать комбинированную систему с частотно-временным разделением сигналов (рис. 2.21).

В каждой временной позиции распределителя происходит одновременная передача сигналов по всем частотным каналам. Если число каналов – j, одновременно передается j бит информации. Общее число элементарных двоичных сообщений, передаваемое за один цикл (с момента выявления новизны в состоянии контролируемых объектов или окончания ввода команды до окончания передачи) в системе, работающей по такому принципу, равно произведению количества позиций распределителя на количество частотных каналов.

В приведенной на рис. 2.21 схеме организовано два частотных канала с несущими частотами f1 и f2 для передачи контрольной информации.

Рисунок 2.21 Частотно-временное разделение сигналов

При изменении состояния какого либо контролируемого объекта схема выявления новизны, подключенная к регистру состояний, растормаживает распределитель пункта А и включает оба модулятора М1 и М2, начиная очередной цикл передачи информации. Появление в линии связи активных или пассивных частот по каждому из частотных каналов приводит к запуску распределителя пункта Б (элемент ИЛИ открывает ключ &.к). Распределители, переключаясь синхронно и синфазно по позициям, обеспечивают выбор режима работы генераторов (М1, М2) в зависимости от состояния элементов памяти регистра состояний в пункте передачи и выбор соответствующих ячеек памяти приемного регистра для записи информации в пункте приема. После окончания информационной части сигнала и переключения обоих распределителей в n+1-ю позицию в пункте А сбрасывается признак наличия новизны (в схеме выявления новизны), что приводит к закрытию ключа &.к, сбросу и остановке распределителя, выключению модуляторов. В пункте Б в это же время формируется сигнал разрешения дешифрации. После выключения модуляторов М1 и М2 на передающей стороне на всех выходах демодуляторов в пункте приема устанавливаются сигналы «нулевого» уровня, закрывающие элемент ИЛИ, ключ &.к и блокирующие распределитель.

Кодовое разделение сигналов

Под кодовым разделением сигналов понимают способ разделения сообщений при котором каждому исходному сообщению N ставится в соответствие определенная n-разрядная двоичная комбинация, передаваемая устройствами с частотным, временным или частотно-временным разделением элементов этой комбинации. Приведенные на рис. 2.19 и 2.20 схемы устройств ТУ как раз и реализуют кодовый принцип разделения команд, адресованных различным объектам управления. По такому же принципу могут быть построены и системы, предназначенные для передачи контрольной информации.