Временное разделение каналов

Принцип временного разделения каналов (ВРК) состоит в том, что групповой тракт предоставляется поочередно для передачи сигналов каждого канала многоканальной системы (рисунок 6.5). В зарубежных источниках для обозначения принципа временного разделения каналов используется термин Time Division Multiply Access (TDMA).

Рисунок 6.5 – Принцип временного разделения каналов

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 первого 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.

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.

На рисунке 6.6, а, б, в приведены графики трех непрерывных аналоговых сигналов S 1 (t ), S 2 (t ) и S 3 (t ) и соответствующие им АИМ-сигналы. Импульсы разных АИМ-сигналов сдвинуты друг относительно друга по времени. При объединении индивидуальных каналов образуется групповой сигнал S г (t ) (рисунок 6.6, г) с частотой следования импульсов в N раз большей частоты следования индивидуальных импульсов. 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.

Рисунок 6.6 – Временные диаграммы преобразования сигналов при ВРК

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.

В общем случае для снижения уровня взаимных помех приходится вводить "защитные" временные интервалы, что соответствует некоторому расширению спектра сигналов. Так, в системах передачи полоса эффективно передаваемых частот F =3100 Гц; в соответствии с теоремой Котельникова минимальное значение частоты дискретизации f 0 =1/Т Д =2F =6200 Гц. Однако в реальных системах частоту дискретизации выбирают с некоторым запасом: f 0 =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) Dt K =T 0 /N= 1/(2NF)= 1/(2F ОБЩ), где F ОБЩ =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, 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.

Для разделения сигналов могут использоваться не только такие очевидные признаки, как частота, время и фаза. Общим признаком сигналов является форма. 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. В зарубежных источниках для обозначения данного принципа применяется понятие кодового разделения каналов Code Division Multiply Access (CDMA ). 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).

4. Принципы многоканальной передачи. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей

4. Принципы многоканальной передачи

4.1. Основы теории многоканальной передачи сообщений

Используемые методы разделения каналов (РК) можно классифицировать на линейные и нелинейные (комбинационные).

В большинстве случаев разделения каналов каждому источнику сообщения выделяется специальный сигнал, называемый канальным. Промодулированные сообщениями канальные сигналы объединяются, в результате чего образуется групповой сигнал (ГС). Если операция объединения линейна, то получившийся сигнал называют линейным групповым сигналом .

Для унификации многоканальных систем связи за основной или стандартный канал принимают канал тональной частоты (канал ТЧ), обеспечивающий передачу сообщений с эффективно передаваемой полосой частот 300…3400 Гц, соответствующей основному спектру телефонного сигнала.

Многоканальные системы образуются путем объединения каналов ТЧ в группы, обычно кратные 12 каналам. В свою очередь, часто используют "вторичное уплотнение" каналов ТЧ телеграфными каналами и каналами передачи данных .

На рисунке 4.1 приведена обобщённая структурная схема системы многоканальной связи.

Рисунок 4.1. Обобщённая структурная схема системы многоканальной связи

Реализация сообщений каждого источника а 1 (t), а 2 (t),…,а N (t) с помощью индивидуальных передатчиков (модуляторов) М 1 , М 2 , …, М N преобразуются в соответствующие канальные сигналы s 1 (t), s 2 (t),…,s N (t). Совокупность канальных сигналов на выходе аппаратуры объединения каналов (АОК) образует групповой сигнал s(t). Наконец, в групповом передатчике М сигнал s(t) преобразуется в линейный сигнал s Л (t), который и поступает в линию связи ЛС. Допустим, что линия пропускает сигнал практически без искажений и не вносит шумов. Тогда на приемном конце линии связи линейный сигнал s Л (t) с помощью аппаратуры разделения каналов (АРК) может быть вновь преобразован в групповой сигнал s(t). Канальными или индивидуальными приемниками П 1 , П 2 , …, П N из группового сигнала s(t) выделяются соответствующие канальные сигналы s 1 (t), s 2 (t), …,s N (t) и затем преобразуются в предназначенные получателям сообщения а 1 (t), a 2 (t), …, a N (t) .

Канальные передатчики вместе с суммирующим устройством образуют аппаратуру объединения . Групповой передатчик М, линия связи ЛС и групповой приемник П составляют групповой канал связи (тракт передачи), который вместе с аппаратурой объединения и индивидуальными приемниками составляет систему многоканальной связи .

Индивидуальные приемники системы многоканальной связи П K наряду с выполнением обычной операции преобразования сигналов s K (t) в соответствующие сообщения а K (t) должны обеспечить выделение сигналов s K (t) из группового сигнала s(t). Иначе говоря, в составе технических устройств на передающей стороне многоканальной системы должна быть предусмотрена аппаратура объединения , а на приемной стороне – аппаратура разделения .

Чтобы разделяющие устройства были в состоянии различать сигналы отдельных каналов, должны существовать определенные признаки, присущие только данному сигналу. Такими признаками в общем случае могут быть параметры переносчика, например амплитуда, частота или фаза в случае непрерывной модуляции гармонического переносчика. При дискретных видах модуляции различающим признаком может служить и форма сигналов. Соответственно различаются и способы разделения сигналов: частотный, временной, фазовый и другие .

4.2. Частотное разделение каналов

Функциональная схема простейшей системы многоканальной связи с разделением каналов по частоте представлена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2. Функциональная схема многоканальной системы с частотным разделением каналов

В зарубежных источниках для обозначения принципа частотного разделения каналов (ЧРК) используется термин Frequency Division Multiply Access (FDMA).

Сначала в соответствии с передаваемыми сообщениями первичные (индивидуальные) сигналы, имеющие энергетические спектры G 1 (ω), G 2 (ω), …, G N (ω) μодулируют поднесущие частоты ω K каждого канала соответственно. Эту операцию выполняют модуляторы М 1 , М 2 , …, М N канальных передатчиков..

Модуляторы – это четырёхполюсники с нелинейной амплитудной характеристикой, которая в общем случае аппроксимируется полиномом n-ой степени.

где а 1 , … а n – коэффициенты аппроксимации

Для простоты возьмём полином 2-й степени, то есть:

, (4.2)

Подадим на такой четырёхполюсник сигналы двух частот, то есть

где ω > Ω. Тогда

, (4.4)

После соответствующих преобразований получим:

, (4.5)

Спектр сигнала на выходе четырехполюсника будет иметь вид (рисунок 4.3):

Рисунок 4.3. Спектр сигнала на выходе четырехполюсника

Таким образом, на выходе четырёхполюсника наряду с частотами входных сигналов (ω,Ω) οоявились: постоянная составляющая ; вторые гармоники входных сигналов (2ω,2Ω); ρоставляющие суммарной (ω + Ω) θ разностной (ω – Ω) частот.

Если предположить, что в сигнале с частотой Ω содержится информация, то она будет иметь место и в сигналах с частотами (ω н + Ω) θ (ω н – Ω), которые расположены зеркально по отношению к ω и называются верхней (ω + Ω) θ нижней (ω – Ω) токовыми частотами.

Если на четырёхполюсник подать сигнал несущей частоты U 1 (t) = U m ∙Cosω н t и сигнал тональной частоты в полосе Ω н … Ω в (где Ω н = 0.3 кГц, Ω в = 3.4 кГц), то спектр сигнала на выходе четырёхполюсника будет иметь вид (рисунок 4.4)

Рисунок 4.4. Спектр сигнала на выходе четырехполюсника

Полезными продуктами преобразования (модуляции) являются верхняя и нижняя боковые полосы. Для восстановления сигнала на приёме на вход демодулятора достаточно подать несущую частоту (ω н) и одну из боковых полос.

В многоканальных системах передачи с частотным разделением каналов (МСП-ЧРК) по каналу передаётся только сигнал одной боковой полосы, а несущая частота берётся от местного генератора. Таким образом, на выходе каждого канального модулятора включается полосовой фильтр с полосой пропускания ∆ω = Ω в – Ω н = 3.1 кГц. Спектры G 1 (ω), G 2 (ω) … G N (ω) οосле транспонирования (переноса) на различные частотные интервалы и инвертирования (эта операция в принципе необязательна, но обычно выполняется для упрощения оборудования) складываются и образуют групповой спектр G гр (ω).

С целью уменьшения влияния соседних каналов (уменьшения переходных помех) обусловленного неидеальностью АЧХ фильтров, между спектрами сигнальных сообщений вводятся защитные интервалы . Для каналов ТЧ они равны 0.9 кГц. Таким образом, ширина полосы канала ТЧ с учётом защитного интервала равна 4 кГц (рисунок 4.5)

4.3. Принципы построения аппаратуры ЧРК

В системах ЧРК с числом каналов 12 и более реализуется принцип многократного преобразования частоты . В основу построения многоканальной системы положен стандартный канал тональной (ТЧ). В соответствии с рекомендациями МККТТ оконечное оборудование (включающее АОК и АРК) строится с таким расчётом, чтобы на каждом этапе преобразования частоты с помощью унифицированных блоков формировались всё более и более укрупнённые группы каналов ТЧ. Причём в любой группе число каналов кратно 12.

Вначале каждый из каналов ТЧ "привязывается" к той или иной 12-канальной группе, называемой первичной группой (ПГ). Разнесение сигналов 12 различных телефонных сообщений по спектру (формирование ПГ) осуществляется с помощью индивидуального преобразования частоты в стандартном 12-канальном блоке. Эти блоки обеспечивают как прямую, так и обратную связь в каждом из 12 дуплексных каналов (рисунок 4.6, а).

Каждый канал содержит следующие индивидуальные устройства: на передаче ограничитель амплитуд ОА, модулятор М и полосовой фильтр ПФ; на приёме полосовой фильтр ПФ, демодулятор ДМ, фильтр нижних частот ФНЧ и усилитель низкой частоты УНЧ.

Для преобразования исходного сигнала на модуляторы и демодуляторы каждого канала подаются несущие частоты, кратные 4 кГц.

Рисунок 4.6. Структурная схема блока индивидуального преобразования (а) и схема формирования первичной группы (б)

Спектр группового сигнала ПГ представлен на рисунке 4.6, б.

В приведённом варианте формирования ПГ использован принцип однократного преобразования спектра канала ТЧ (рисунок 4.7, а)

Поскольку индивидуальное оборудование во всех 12 каналах однотипно, на данном рисунке приведены лишь устройства, относящиеся к одному каналу (первому). Как отмечалось ранее, при организации телефонной связи можно использовать либо двухполосную двухпроводную, либо однополосную четырёхпроводную систему передачи. Схема, изображённая на рисунке 4.6, относится ко второму варианту. Здесь каждый канал имеет отдельные тракт передачи и тракт приёма (действующие в одной и той же полосе частот), то есть каждый канал является четырёхпроводным. Если канал используется для телефонной связи, то двухпроводный участок цепи от абонента соединяется с четырёхпроводным каналом через дифференциальную систему (ДС). В случае передачи других сигналов (телеграфных, данных, звукового вещания и тому подобное), для которых необходим один или несколько односторонних канала, ДС отключается .

В режиме передачи сообщение от абонента (Аб) через ДС и амплитудный ограничитель (ОА) поступает на один из входов индивидуального преобразователя частоты (модулятор М 11). На другой вход М 11 подаётся сигнал поднесущей с частотой F 12 . В результате перемножения этих сигналов образуется сигнал, спектр которого состоит из двух боковых (относительно F 12) полос. Сигнал нижней из этих полос выделяется фильтром ПФ 12 и подаётся на один из входов сумматора. На другие входы сумматора поступают сигналы с выхода аналогичных трактов передачи 11 других каналов.

Амплитудные ограничители предотвращают перегрузку групповых усилителей (а, следовательно, уменьшают вероятность возникновения нелинейных помех) в моменты появления пиковых значений напряжений нескольких речевых сигналов.

В режиме приёма канальный сигнал выделяется с помощью полосового фильтра ПФ 12 из спектра первичной группы (с полосой 60 … 108 кГц) и подаётся на индивидуальный преобразователь ДМ 12 . На другой вход ДМ 12 поступает тот же сигнал поднесущей частоты F 12 , который питает и М 11 . Спектр выходного сигнала ДМ 12 состоит из двух боковых (относительно F 12) полос. Сигнал нижней из этих полос выделяется ФНЧ, усиливается и через ДС поступает к абоненту. Приёмные тракты 11 других каналов построены аналогично. В аппаратуре с числом каналов 60 и более индивидуальное оборудование размещается в специальных стойках индивидуальных преобразователей СИП-60 или СИП-300 .

На практике используется и другой вариант: формирование первичной группы из четырёх предварительных групп (рисунок 4.8), каждая из которых объединяет по три канала ТЧ. Здесь реализуется двухкратный принцип преобразования (рисунок 4.7, б)

Рисунок 4.7. Структурные схемы и диаграммы однократного (а) и двухкратного (б) преобразования спектра канала ТЧ

Рисунок 4.8. Структурная схема формирования ПГ с использованием двухкратного преобразования

Дальнейший процесс укрупнения групп каналов происходит в групповом оборудовании и поясняет рисунок 4.3.4. Одинаковые полосы частот пяти ПГ с помощью первичного группового преобразования разносятся по частоте в полосе 312 … 552 кГц и образуют 60-канальную (вторичную) группу (ВГ). На рисунке 4.9 изображена упрощённая структурная схема группового оборудования ВГ. Сообщения пяти первичных групп ПГ 1 – ПГ 5 подаются на пять групповых преобразователей ГП 1 – ГП 5 , на вторые входы которых из генераторного оборудования поступают сигналы поднесущих частот.

Рисунок 4.9. Структурная схема группового оборудования ВГ

С помощью полосовых фильтров ПФ 1 – ПФ 5 , подключенных к выходам групповых преобразователей, образуются сигналы вида ОБП с полосой частот 48 кГц каждый. В результате сложения этих неперекрывающихся по спектру пяти сигналов образуется спектр ВГ с полосой частот 240 кГц (312 … 552 кГц).

Для снижения переходных влияний между сигналами ВГ, передаваемыми по смежным трактам, в спектре ВГ могут использоваться как прямые, так и инверсные спектры ПГ 2 – ПГ 5 . В первом случае на ГП 2 – ГП 5 подаются несущие частоты 468, 516, 564, 612 кГц, а соответствующие полосовые фильтры выделяют нижние боковые полосы (как показано на рисунке 4.9). Во втором случае на ГП 2 – ГП 5 подаются несущие частоты 300, 348, 396, 444 кГц, а полосовыми фильтрами ПФ 2 – ПФ 5 выделяются верхние боковые полосы. Несущая частота для ПГ 1 в обоих случаях одинаковая (420 кГц), и спектр ПГ 1 не инвертируется. Оборудование первичного группового преобразования размещается в специальных стойках первичных преобразователей УСПП или СПП. Следующие ступени группового преобразования выполняются аналогично.

Аппаратура образования групповых трактов может состоять из различных комбинаций стандартных блоков, в которых осуществляется тот или иной этап преобразования частоты. Например, в широко используемой в настоящее время аппаратуре системы К-1920 каналы ТЧ объединяются в две 60-канальные группы (ВГ) и шесть 300-канальных групп (ТГ). При этом общее число каналов N = 60 ∙ 2 + 300 ∙ 6 = 1920 .

После того как путём последовательного объединения достигается номинальное число каналов, обычно осуществляется ещё одно преобразование частоты: суммарный (групповой) спектр преобразуется в линейный спектр, то есть в ту полосу частот, в которой многоканальный сигнал этой системы передаётся по линии. При этом учитываются особенности каждой линии.

Если индивидуальное и групповое преобразование обычно осуществляется в типовых блоках и стойках, то сопряжение этой аппаратуры (в частности, формирование линейного спектра) с линейным трактом выполняется в оборудовании, специфичном для каждой данной проводной или радиосистемы.

Рассмотрим основные характеристики групповых сообщений .

При проектировании и разработке многоканальных систем передачи возникает необходимость количественной оценки параметров групповых сообщений на различных ступенях преобразования, в частности сигналов на входе линейного тракта. Эти параметры, как и для любых сигналов связи, определяются соответствующими частотными, информационными и энергетическими характеристиками.

По рекомендации МККТТ средняя мощность сообщения в активном канале в точке с нулевым относительным уровнем устанавливается равной 88 мкВт0 (– 10.6 дБм0). Однако при расчёте P ср МККТТ рекомендует принимать величину P 1 = 31.6 мкВт0 (– 15 дБм0) (при этом кроме активности каналов учитываются и другие факторы, например, организация в некоторых ТЧ каналах каналов ТТ, неидеальность индивидуального оборудования и тому подобное). Если N ≥ 240, то средняя мощность группового сообщения в точке нулевого относительного уровня P ср = 31.6N, мкВт, а соответствующий уровень средней мощности p ср = – 15 + 10 lg N , дБм0.

По нормам, принятым в РФ при N ≥ 240

Р 1 = 50 мкВт0 (– 13 дБм0); р ср = – 13 + 10 lg N, дБм0. (4.6)

Если N < 240, то приходится учитывать существенную зависимость коэффициента активности от N. В этом случае Р 1 представляют как функцию N, и уровень средней мощности группового сообщения определяют иначе:

Рср = – 1 + 4 lg N, дБм0. (4.7)

Некоторые параметры и область применения типовой аппаратуры кабельных систем передачи с ЧРК приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1. Параметры типовой аппаратуры кабельных систем передачи с ЧРК

4.4. Временное разделение каналов (ВРК), аналоговые методы передачи

Формирование сигнала линейного тракта систем передачи при ВРК и аналоговых методах передачи. При ВРК на передающей стороне непрерывные сигналы от абонентов передаются поочерёдно (рисунок 4.9)

Для этого эти сигналы преобразуются в ряд дискретных значений, периодически повторяющихся через определённые интервалы времени Т д, которые называются периодом дискретизации (смотри рисунок 4.10). Согласно теореме В.А. Котельникова период дискретизации непрерывного, ограниченного по спектру сигнала с верхней частотой F в >> F н должен быть равен

T д = 1/F д, F д ≥ 2F в, (4.8)

Интервал времени между ближайшими импульсами группового сигнала Т к называется канальным интервалом или тайм-слотом (Time Slot).

Из принципа временного объединения сигналов следует, что передача в таких системах осуществляется циклами, то есть периодически в виде групп из N гр = N + n импульсов, где N – количество информационных сигналов, n – количество служебных сигналов (импульсов синхронизации – ИС, служебной связи, управления и вызовов). Тогда величина канального интервала ∆t к = Т д /N гр.

Таким образом, при ВРК сообщения от N абонентов и дополнительных устройств передаются по общему каналу связи в виде последовательности импульсов, длительность каждого из которых τ и < ∆τ к (смотри рисунок 4.10 и 4.11) .

Рисунок 4.11. Групповой сигнал при ВРК с ФИМ

При временном разделении каналов возможны следующие виды импульсной модуляции (рисунок 4.12): АИМ – амплитудно-импульсная модуляция; ШИМ – широтно-импульсная модуляция; ФИМ – фазоимпульсная модуляция.

Рисунок 4.12. Модуляция канальных импульсов при ВРК: а) непрерывное сообщение; б) АИМ; в) ШИМ; г) ФИМ

Каждый из перечисленных методов импульсной модуляции имеет свои достоинства и недостатки. АИМ – проста в реализации, но плохая помехоустойчивость. Используется как промежуточный вид модуляции при преобразовании аналогового сигнала в цифровой , .

При ШИМ спектр сигнала меняется в зависимости от длительности импульса. Минимальному уровню сигнала соответствует минимальная длительность импульса и, соответственно, максимальный спектр сигнала. При ограниченной полосе канала такие импульсы сильно искажаются.

В аппаратуре с ВРК и аналоговыми методами модуляции наибольшее применение получила ФИМ, так как при её использовании можно уменьшить мешающее действие аддитивных шумов и помех путём двухстороннего ограничения импульсов по амплитуде, а также оптимальным образом согласовать неизменную длительность импульсов с полосой пропускания канала. Поэтому в системах передачи с ВРК используется, в основном, ФИМ.

Характерной особенностью спектров сигналов при импульсной модуляции является наличие составляющих с частотами Ω н …Ω в передаваемого сообщения u к (t) (рисунок 4.3). Эта особенность спектра указывает на возможность демодуляции АИМ и ШИМ фильтром нижних частот (ФНЧ) с частотой среза, равной Ω в. Демодуляция не будет сопровождаться искажениями, если в полосу пропускания ФНЧ не попадут составляющие нижней боковой полосы (ω д – Ω в) … (ω д – Ω н), а это условие будет выполняться, если выбрать

F д > 2F в,

что соответствует условию (4.11). Обычно принимают ω д = (2.3 … 2.4)Ω в и при дискретизации телефонного сообщения с полосой частот 0.3 … 3.4 кГц частоту дискретизации F д = ω д /2π βыбирают равной 8 кГц, а период дискретизации Т д = 1/F д = 125 мкс.

При ФИМ составляющие спектра модулирующего сообщения (Ω н …Ω в) зависят от его частоты и имеют малую амплитуду, поэтому демодуляция ФИМ производится только путём преобразования в АИМ или ШИМ с последующей фильтрацией в ФНЧ.

4.5. Принципы построения аппаратуры с ВРК

На рисунке 4.13 приведена упрощённая структурная схема оконечной станции многоканальной системы с ВРК . Непрерывное сообщение от каждого из абонентов u 1 (t) … u N (t) через соответствующие дифференциальные системы ДС 1 … ДС N подаются на входы канальных модуляторов КМ 1 … КМ N . В канальных модуляторах в соответствии с передаваемым сообщением производятся модуляции импульсов, следующих через период дискретизации Т д, по одному из параметров, например, ФИМ. В соответствии со значением передаваемого непрерывного сообщения (рисунок 4.12, а) в момент отсчёта при ФИМ происходит изменение положения импульса постоянной амплитуды и длительности относительно середины канального интервала от +∆t m до – ∆t m (рисунок 4.12, г). Промодулированные импульсы с выхода КМ, импульсы синхронизации от генератора синхронизации (ГИС), а также импульсы датчика служебной связи (ДСС), датчика сигналов управления и вызовов (ДУВ) объединяются. В результате получается групповой сигнал u гр (t). Для обеспечения работы канальных модуляторов и дополнительных устройств последовательности импульсов с частотой дискретизации F д, сдвинутые относительно первого канала на i∆t к, где i – номер канала. Таким образом, моменты начала работы КМ определяются запускающими импульсами от РК, который определяет моменты подключения к общему широкополосному каналу соответствующего абонента или дополнительного устройства.

Полученный групповой сигнал u гр (t) подаётся на вход регенератора (Р), который придаёт дискретным сигналам различных каналов одинаковые характеристики, например одинаковую форму импульса. Все устройства, предназначенные для образования сигнала u гр (t): КМ 1 … КМ N , РК, ГИС, ДУВ, ДСС, Р – входят в аппаратуру объединения сигналов (АО), которая осуществляет объединение во времени всех сигналов и формирует групповой сигнал. Далее сигнал может передаваться на следующую станцию по проводным соединительным линиям или с помощью радиосвязи.

Рисунок 4.13. Упрощённая структурная схема оконечной станции системы связи с ВРК

На приёме выделенный сигнал u * гр (t) подаётся на входы всех канальных демодуляторов КД 1 … КД N и приемников служебной связи (ПСС), управления и вызова (ПУВ).

Канальные демодуляторы осуществляют разделение u * гр (t) на отдельные канальные сигналы, представляющие собой дискретные отсчёты, и восстановление по этим отсчётам непрерывных сообщений u * 1 (t) … u * N (t), соответствующих поданным на входы КМ в АО. Для обеспечения временного разделения канальных сигналов необходимо, чтобы каждый из КД открывался поочерёдно только (!) в соответствующие данному каналу интервалы времени ∆t к. Это обеспечивается импульсами, снимаемыми с выходов РК′ аппаратуры разделения сигналов (АР), работающего аналогично РК в АО на передающем конце линии связи. Для обеспечения правильного разделения каналов РК′, который находится в АР, должен работать синхронно и синфазно с РК АО, что осуществляется с помощью импульсов синхронизации (ИС), выделяемых соответствующими селекторами (СИС) и блоком синхронизации (БС). Сообщения с выходов КД поступают к соответствующим абонентам через дифференциальные системы.

Помехоустойчивость систем передачи с ВРК во многом определяется точностью и надёжностью работы системы синхронизации и распределителей каналов, установленных в аппаратуре объединения и разделения каналов . Для обеспечения точности работы системы синхронизации импульсы синхронизации (ИС) должны иметь параметры, позволяющие наиболее просто и надёжно выделять их из последовательности импульсов группового сигнала u * гр (t). Наиболее целесообразным при ФИМ оказалось применение сдвоенных ИС, для передачи которых выделяют один из канальных интервалов ∆t к в каждом периоде дискретизации Т д (смотри рисунок 4.11).

Определим число каналов, которое можно получить в системе с ФИМ. На рисунке 4.11 показана последовательность импульсов при многоканальной передаче с ФИМ. Из рисунка следует, что

Т д = (2∆τ макс + τ з)N гр, (4.9)

где τ з – защитный интервал; ∆τ макс – максимальное смещение (девиация) импульсов. При этом полагаем, что длительность импульсов мала по сравнению с τ з и ∆τ макс.

Из формулы (4.9) получаем

; (4.10)

Максимальная девиация импульсов при заданном количестве каналов

, (4.11)

Принимаем , поэтому

. (4.11, а)

Учитывая, что при телефонной передаче Т д = 125 мкс, получим при N гр = 6 ∆τ макс = 8 мкс, при N гр = 12 ∆τ макс = 3 мкс и при N гр = 24 ∆τ макс = 1.5 мкс. Помехоустойчивость системы с ФИМ тем выше, чем больше ∆τ макс.

При передаче сигналов с ФИМ по радиоканалам на второй ступени (в радиопередатчике) может использоваться амплитудная (АМ) или частотная (ЧМ) модуляция. В системах с ФИМ – АМ обычно ограничиваются 24 каналами, а в более помехоустойчивой системе ФИМ – ЧМ – 48 каналами.

Контрольные вопросы:

1. Что включает в себя система многоканальной связи? Поясните её работу.
2. В чём состоит принцип частотного разделения каналов?
3. Дайте определение модулятору. Что является полезными продуктами модуляции?
4. Сколько составляет длительность цикла при передаче телефонных сообщений с ВРК, почему?
5. Для чего нужны амплитудные ограничители с системах передачи с ЧРК?
6. Для чего используются частотные фильтры в системах передачи с ВРК?
7. В чём состоит принцип временного разделения каналов?
8. Поясните назначение дифсистемы (упрощённая структурная схема оконечной станции системы связи с ВРК), каким требованиям должны удовлетворять такие устройства?
9. Какие виды импульсной модуляции возможны при временном разделении каналов?
10. Какой параметр сигнала является носителем информации в сигналах с АИМ, ФИМ, ШИМ?
11. Для чего передают импульсы синхронизации?
12. Перечислите виды синхронизаций по назначению.
13. Чем обусловлены взаимные помехи, возникающие при разделении каналов? Что делают для снижения уровня взаимных помех?

Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте (АТС) Многоканальная телефонная связь и методы разделения каналов

Многоканальная телефонная связь и методы разделения каналов

Многоканальная телефонная связь (МТС)

При обычной телефонной связи число одновременно действующих соединений должно быть меньше или равно числу предоставляемых каналов связи, а это удорожает строительство кабельных линий при большом числе абонентов. Выходом в этом случае является организация многоканальной связи на некоторых участках телефонной сети.

СПИ - система преобразования информации;

ТЛФ - телефон;

ГК - групповой канал;

Д - делитель;

ГС - групповой сигнал.

Каналы тональной частоты ТА имеют диапазон 0,4 - 3,1 кГц и объединяются в групповой сигнал, которые занимают полосу частот N (3,1 кГц + защитный интервал). Защитный интервал примерно равен 0,3 кГц.

Если изобразить сетку частот f, ты мы увидим, что каналы расположены следующим образом

1, 2, …, N - номера телефонных каналов.

Преимущество многоканальной телефонной связи состоит в уменьшении затрат на прокладку линий связи, поскольку по одной паре проводов удается передать одновременно несколько разговоров. Полоса пропускания воздушной линии связи со стальными проводниками составляет 30 кГц, с медными - 150 кГц, для кабельных линий связи - 10 МГц, для коаксиального кабеля примерно - 1000 МГц.

Реально используются следующие варианты по числу каналов:

1-й уровень - 12 телефонных каналов.

2-й уровень - 60 каналов.

3-й уровень - 300 каналов.

Методы разделения каналов

1. Частотное разделение каналов (ЧРК) - FDMA

Данный метод стоится с применением многоканальных фильтров и преобразователей частоты.

ПФ - полосовой фильтр;

ПЧ - преобразователь частоты;

ТЛФ - телефонный аппарат;

С - сумматор.

Преобразователь частоты с номером i производит амплитудную модуляцию с i-го телефонного аппарата, полосовым фильтром выделяется верхняя или нижняя боковые посолы амплитудно-модулированного сигнала. А в сумматоре происходит формирование группового сигнала. После передачи по общему каналу процесс обработки происходит в обратном направлении.

2. Временное разделение каналов (ВРК) - TDMA

При временном разделении каналов сигнал с каждого телефонного аппарата преобразуется в цифровую форму. При этом формируются пакеты данных, содержащие определенное число бит (бит - единица информации в цифровом виде). Сформированные пакеты для каждого телефонного канала передаются в специально отведенные временные слоты, которые делятся на временные каналы. Отдельные слоты разделены защитными временными интервалами.

Принцип временного разделения каналов широко используется в современных системах передачи информации, поскольку позволяет сократить избыточность информации при сжатии данных цифровыми методами. Временное разделение каналов используется не только в проводных сетях общего пользования, но и в сотовых системах связи.

3. Кодовое разделение каналов (КРК) - CDMA

Принцип кодового разделения каналов заключается в разделении каналов по кодам.

4. Спектральное разделение каналов (СРК) - WDMA

Принцип спектрального разделения заключается в разделение каналов по длине волны.

Итак рассмотрим как осуществляется звонок по мобильному телефону. Лишь только пользователь набирает номер, телефонная трубка (HS - Hand Set) начинает поиск ближайшей базовой станции (BS - Base Station) - приемопередающее, управляющее и коммуникационное оборудование, составляющее сеть. В ее состав входят контроллер базовой станции (BSC -Base Station Controller) и несколько ретрансляторов (BTS - Base Transceiver Station). Базовые станции управляются мобильным коммутирующим центром (MSC - Mobile Service Center). Благодаря сотовой структуре, ретрансляторы покрывают местность зоной уверенного приема в одном или нескольких радиоканалах с дополнительным служебным каналом, по которому происходит синхронизация. Точнее происходит согласование протокола обмена аппарата и базовой станции по аналогии с процедурой модемной синхронизации (handshacking), в процессе которого устройства договариваются о скорости передачи, канале и т.д. Когда мобильный аппарат находит базовую станцию и происходит синхронизация, контроллер базовой станции формирует полнодуплексный канал на мобильный коммутирующий центр через фиксированную сеть. Центр передает информацию о мобильном терминале в четыре регистра: посетительский регистр подвижных абонентов или "гостей" (VLR - Visitor Layer Register), "домашний" регистр местных подвижных абонентов (HRL - Home Register Layer), регистр подписчика или аутентификации (AUC - AUthentiCator) и регистр идентификации оборудования (EIR - Equipment Identification Register). Эта информация уникальна и находится в пластиковой абонентской микроэлектронной телекарточке или модуле (SIM - Subscriber Identity Module), по которому производятся проверка правомочности абонента и тарификация. В отличие от стационарных телефонов, за пользование которыми плата взимается в зависимости от нагрузки (числа занятых каналов), поступающей по фиксированной абонентской линии, плата за пользование подвижной связью взимается не с используемого телефонного аппарата, а с SIM-карты, которую можно вставить в любой аппарат.

Карточка представляет собой не что иное, как обычный флэш-чип, выполненный по смарт-технологии (SmartVoltage) и имеющий необходимый внешний интерфейс. Его можно использовать в любых аппаратах, и главное - чтобы совпадало рабочее напряжение: ранние версии использовали 5.5В интерфейс, а у современных карт обычно 3.3В. Информация хранится в стандарте уникального международного идентификатора абонента (IMSI -International Mobile Subscriber Identification), благодаря чему исключается возможность появления "двойников" - даже если код карты будет случайно подобран, система автоматически исключит фальшивый SIM, и не придется в последствии оплачивать чужие разговоры. При разработке стандарта протокола сотовой связи этот момент был изначально учтен, и теперь каждый абонент имеет свой уникальный и единственный в мире идентификационный номер, кодирующийся при передаче 64 бит ключом. Кроме этого, по аналогии со скремблерами, предназначенными для шифрования/дешифрования разговора в аналоговой телефонии, в сотовой связи применяется 56 бит кодирование.

На основании этих данных формируется представление системы о мобильном пользователе (его местоположение, статус в сети и т. д.) и происходит соединение. Если мобильный пользователь во время разговора перемещается из зоны действия одного ретранслятора в зону действия другого, или даже между зонами действия разных контроллеров, связь не обрывается и не ухудшается, поскольку система автоматически выбирает ту базовую станцию, с которой связь лучше. В зависимости от загруженности каналов телефон выбирает между сетью 900 и 1800 МГц, причем переключение возможно даже во время разговора абсолютно незаметно для говорящего.

Звонок из обычной телефонной сети мобильному пользователю осуществляется в обратной последовательности: сначала определяются местоположение и статус абонента на основании постоянно обновляющихся данных в регистрах, а затем происходят соединение и поддержание связи. Максимальная мощность излучения подвижного аппарата в зависимости от его назначения (автомобильный постоянный или переносный, носимый или карманный) может изменяться в пределах 0.8-20 Вт (соответственно 29-43 dBm). В качестве примера в таблице 4.9. приводятся классы станций и абонентских устройств по применяемой мощности, принятые в системе GSM-900.

В основе временного разделения каналов лежит теорема В.А. Котельникова о том, что непрерывный сигнал, спектр которого ограничен максимальной частотой Fc макс полностью определяется его дискретными отсчетами, взятыми через интервалы времени

При этом в промежутках между отсчетами одного канала можно передать отсчеты сигналов других каналов. Таким образом, сигналы от разных источников подключаются к общей линии поочередно, не перекрываясь друг с другом (рисунок 3.4). Такие сигналы удовлетворяют условиям линейной независимости и ортогональности.

T Д - время дискретизации, Т к - канальное время, СИ - синхроимпульс

Рисунок 3.4 - Иллюстрация принципа временного разделения каналов

На рисунке 3.5 показана структурная схема многоканальной измерительной системы с временным разделением каналов и линией связи в виде радиолинии. Вместо радиолинии в ряде случаев может быть использована проводная линия связи.

Для образования разделяемых измерительных каналов работа устройств управления (УУ) ключевыми элементами (КУ) на передающей и приемной стороне должно быть синхронная и синфазная. Поэтому один из каналов отводится для передачи синхроимпульса, существенно отличающийся по одному из параметров от информационных импульсов (отсчетов сигналов) (СИ на рисунке 3.4 имеет амплитуду, большую, чем максимальное значение отсчета измерительного сигнала). СИ выделяется на приемной стороне селектором синхроимпульса (СС), и устанавливает счетчик каналов на приемной стороне в начальное состояние, с которого начинается счет каналов, т.е. обеспечивает синфазность УУ.

Селектор канальных импульсов (СКИ) формирует из принимаемого группового сигнала синхронный канальный импульс, который поступает на счетный вход УУ и осуществляет переключение счетчика каналов в темпе поступления отсчетов соседних каналов.

Как видно из схемы, первичное преобразование измерительных сигналов в СВРК всегда есть преобразование непрерывных сигналов в дискретные, то есть дискретизация. Соответственно, в первой ступени модуляции осуществляется, как правило, АИМ-1.

D - датчик, КУ - ключевое устройство, УУ - устройство управления,

М - модулятор, Г - генератор, ПР - приемник, ДМ - демодулятор,

УВ - устройство восстановления, РУ - регистрирующее устройство,

СС - селектор синхроимпульсов,

СКИ - селектор канальных имульсов

Рисунок 3.5 - Структурная схема измерительной системы с временным разделением каналов

Групповой сигнал с выхода коммутатора каналов может подвергаться вторичному преобразованию. Если пропорционально модулирующему сигналу (сигналу датчика) изменяется ширина канального импульса ф К, то получаем широтно-импульсную модуляцию (ШИМ).

Если по закону изменения сигнала датчика меняется положение переднего фронта импульса относительно начала отсчета (обычно начало канального интервала), то получим время-импульсную модуляцию (ВИМ).

Сигнал с выхода коммутатора каналов может также преобразовываться в цифровой сигнал, т. е. в код. В телеметрии такой вид преобразования называют кодо-импульсной модуляцией (КИМ).

Во второй ступени модуляции последовательности импульсов, образующих сигналы с АИМ, ШИМ или ВИМ, может модулировать несущую по амплитуде (АМ), частоте (ЧМ) или фазе (ФМ).

Лекция 4. Достоинства и недостатки многоканальных измерительных систем с частотным и временным разделением каналов

Измерительные системы с частотным разделением каналов

Достоинства

• 1) Одновременная (параллельная) передача сигналов от каждого датчика, независимо друг от друга. Благодаря этому практически отсутствует задержка получения измерительных сигналов на приемной стороне (если не учитывать время распространения сигнала в линии связи, которое увеличивается при увеличении дальности передачи).
• 2) «Живучесть» системы, которая обеспечивается опять же независимой передачей сигналов по каждому измерительному каналу.

Недостатки

1) Ограниченное число измерительных каналов.

Нелинейностью характеристик общего тракта передачи сигналов в СЧРК вызывает ограничение максимального количества каналов, которое может быть реализовано.

Пусть нелинейность характеристики общего тракта СЧРК описывается нелинейным уравнением:

U ВЫХ - сигнал с выхода группового тракта, U - сигнал на выходе сумматора. (Нелинейным элементом, в частности может являться модулятор несущей).

Сигнал U (t ) образуется суммированием сигналов всех поднесущих в сумматоре:

Пусть для всех поднесущих амплитуды Е к =1.

Подставляя (4.2) в (4.1) получим в выходном сигнале следующие составляющие:

Проведем замену.

Таким образом, сигнал на выходе группового тракта, а соответственно на входах всех разделительных полосовых фильтров на приемной стороне, содержит не только составляющие входного сигнала, но и большой набор комбинационных частот типа. Чем больше число каналов N , тем больше комбинационных частот появляется в спектре сигнала.

При малом числе каналов (N 6) еще можно подобрать поднесущие частоты F 1 , F 2 ,…, F N так, чтобы комбинационные частоты не попадали в полосы пропускания разделительных фильтров. С увеличением числа каналов этого сделать уже не удается.

Если ограничиться тремя слагаемыми в выражении (4.1), то число комбинационных частот вида щ 1 ±щ 2 ±щ 3 равно 480 при числе каналов N =10 и 1820 при N =15. Эти комбинационные частоты попадают в полосу пропускания канальных полосовых фильтров и создают помехи, которые называют перекрестными помехами. При большом числе каналов перекрестные помехи по своему характеру приближаются к флуктуационным шумам. Поэтому и бороться с этими помехами надо теми же способами, как и при борьбе с шумами. Один их путей - применение широкополосных видов модуляции, т. е. в поднесущих надо применять не АМ, а ЧМ. Применение ЧМ позволяет снизить требования к линейности характеристик общего тракта, поэтому в СЧРК наиболее широко применяется ЧМ поднесущих.