Принцип временного разделения каналов. Временное разделение каналов (временное уплотнение линии связи)

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?

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.

Тема: Принцип кодового разделения каналов

Принцип кодового разделения каналовCDMA (англ. Code Division Multiple Access) - множественный доступ с кодовым разделением.Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются присвоением каждому пользователю отдельного числового кода, который распространяется по всей ширине полосы. Нет временного разделения, все абоненты постоянно используют всю ширину канала. Полоса частот одного канала очень широка, вещание абонентов накладываeтся друг на друга но, поскольку их коды отличаются, они могут быть дифференцированы.

Технология множественного доступа с кодовым разделением каналов известна давно. В СССР первая работа, посвященная этой теме, была опубликована еще в 1935 году ее автором Д.В. Агеевым.

После войны в течение долгого времени технология CDMA использовалась в военных системах связи, как в СССР, так и в США. Во второй половине 80-х годов военное ведомство США рассекретило данную технологию и началось ее использование в гражданских средствах связи. Способ применяется в сотовой связи (в России, например, оператором Skylink) и в спутниковой навигации (GPS).

Технология кодового разделения каналов CDMA, благодаря высокой спектральной эффективности, является радикальным решением дальнейшей эволюции сотовых систем связи.

Рисунок 42 Технология множественного доступа

с кодовым разделением каналов

CDMA2000 является стандартом 3G в эволюционном развитии сетей cdmaOne (основанных на IS-95). При сохранении основных принципов, заложенных версией IS-95A, технология стандарта CDMA непрерывно развивается и совершенствуется.

Последующее развитие технологии CDMA происходит в рамках технологии CDMA2000. При построении системы мобильной связи на основе технологии CDMA2000 1Х первая фаза обеспечивает передачу данных со скоростью до 153 кбит/с, что позволяет предоставлять услуги голосовой связи, передачу коротких сообщений, работу с электронной почтой, интернетом, базами данных, передачу данных и неподвижных изображений.

Рисунок 43 Построение системы мобильной связи

на основе технологии CDMA2000

Переход к следующей фазе CDMA2000 1xEV-DO происходит при использовании той же полосы частот 1,23 МГц, скорость передачи - до 2.4 Мбит/с в прямом канале и до 153 кбит/с в обратном, что делает эту систему связи отвечающей требованиям 3G и дает возможность предоставлять самый широкий спектр услуг, вплоть до передачи видео в режиме реального времени. Следующей фазой развития стандарта является 1ХEV-DO Rev A, что позволяет увеличить сетевую емкость и скорость передачи данных. На данном этапе обеспечивается передача данных со скоростью до 3.1 Мбит/с по направлению к абоненту и до 1.8 Мбит/с по направлению от абонента. Операторы смогут предоставлять те же услуги, что и на базе Rev. 0, а, кроме того, передавать голос, данные и осуществлять широковещание по IP сетям. В мире уже есть несколько таких дейсвующих сетей. Поскольку прогресс не стоит на месте, разработчики оборудования уже работают над реализацией следующей фазы - 1ХEV-DO Rev B, - что позволит достигнуть следующих скоростей на одном частотном канале: 4.9 Мбит/с к абоненту и 2.4 Мбит/с от абонента. К тому же будет обеспечиваться возможность объединения нескольких частотных каналов для увеличения скорости. Например, объединение 15-ти частотных каналов (максимально возможное количество) позволит достигать скоростей 73,5 Мбит/с к абоненту и 27 Мбит/с от абонента. Применение таких сетей - улучшенная работа чувствительных к временным задержкам приложений типа VoIP, Push to Talk, видеотелефония, параллельное использование голоса и мультимедиа, мультисессионные сетевые игры и др.

Основными компонентами коммерческого успеха системы CDMA2000 являются более широкая зона обслуживания, высокое качество речи (практически эквивалентное проводным системам), гибкость и дешевизна внедрения новых услуг. Данная технология обеспечивает высокую помехозащищенность, устойчивость канала связи от перехвата и прослушивания, что делает его привлекательным в использовании для всех категорий абонентов.

Также немаловажную роль играет низкая излучаемая мощность радиопередатчиков абонентских устройств. Так, для систем CDMA2000 максимальная излучаемая мощность составляет 250 мВт, в то время как для систем GSM-900 этот показатель равен 2 Вт (в импульсе), а для GSM-1800 1 Вт (в импульсе). Справедливости ради отметим, что мнение о вредном влиянии излучения мобильных телефонов на организм человека учеными так и не доказано, но и не опровергнуто.

Группа стандартов CDMA коренным образом отличается от своих собратьев по сотовой телефонии и эти стандарты по праву считаются стандартами 2.5 поколения. Если FDMA (NMT, AMPS, NAMPS) и его продолжение - TDMA (GSM, DAMPS) используют набор частотных диапазонов с разделением каждого канала на временные интервалы (для TDMA) для множественного доступа абонетов к услугам сотовой сети, то в CDMA всё по-другому.

CDMA использует технологию Direct Sequence (Pseudo Noise) Spread Spectrum (прямая последовательность (псевдошум) с широким спектром). Основа DSSS - использование шумоподобной несущей, и гораздо более широкой полосы, чем необходимо для обычных способов модуляции. Хотя DSSS была изобретена ещё в 1940-е, коммерческое применение началось только в 1995 году. Причиной тому - отсутствие технологий позволяющих создавать малогабаритные приёмопередатчики использующие DSSS.

Кратко о CDMA.

Представьте себе узкополосный сигнал промодулированный неким потоком данных со скоростью, например 9600 bps. Пусть есть уникальная, повторяющаяся, псевдослучайная цифровая последовательность со значительно большей скоростью, скажем 1.25 Mbps. Если менять фазу узкополосного сигнала в соответствии с псевдослучайной последовательностью, то мы получим шумоподобный сигнал с широким спектром, содержащий в себе информацию. Если рассмотреть, что происходит с точки зрения частоты - то получится что информационный сигнал "расплылся" (spread) по спектру шумоподобного сигнала (pseudonoise). Теперь осталось выдать этот широкополосный сигнал в эфир.

На пути от передатчика к приёмнику к сигналу добавятся помехи и сигналы других передатчиков. Принятый и демодулированный сигнал перемножим с точной копией шумоподобного сигнала, который использовался для модуляции (здесь необходима очень высокая степень синхронизации приёмника и передатчика) и получим узкополосную составляющую с высокой энергией на единицу частоты - переданный поток данных. Так как помехи и сигналы от других передатчиков не совпадают с использованным шумоподобным сигналом, то после перемножения они ещё больше расползутся по спектру и их энергия на единицу частоты уменьшится.

Таким образом, используя разные псевдослучайные последовательности (коды) можно организовать несколько независимых каналов передачи данных в одной и той же полосе частот.

Нужно сказать, что вышеприведенное описание технологии DSSS сильно упрощено, хотя, надеюсь, даёт представление о том, как это всё работает.

И чем CDMA лучше других?

В системах с частотным разделением каналов (как в FDMA, так и в TDMA) существует проблема так называемого "многократного использования" (reuse) частотных каналов. Чтобы не мешать друг другу, соседние базовые станции должны использовать разные каналы. Таким образом, если у БС 6 соседей (наиболее часто рассматриваемый случай, при этом зону каждой БС можно представить как шестиугольник, а всё вместе выглядит как пчелиные соты:)) то количество каналов, которые может использовать эта БС в семь раз меньше чем общее количество каналов в отведённом для сети диапазоне. Это приводит к уменьшению ёмкости сети и необходимости увеличивать плотность установки БС в густонаселённых районах. Для CDMA такой проблемы вообще нет. Все БС работают на одном и том же канале. Таким образом, частотный ресурс используется более полно. Ёмкость CDMA сети обычно в несколько раз выше, чем TDMA, и на порядок выше чем FDMA сетей.

Для того, чтобы телефоны находящиеся близко к БС не забивали своим сигналом более отдалённых абонентов, в CDMA предусмотрена плавная регулировка мощности, что приводит к значительному сокращению энергопотребления телефона вблизи БС и, соответственно, увеличению времени работы телефона без подзарядки.

Одной из приятных особенностей CDMA сетей является возможность "мягкого" перехода от одной БС к другой (soft handoff). При этом, возможна ситуация когда одного абонента "ведут" сразу несколько БС. Абонент просто не заметит, что его "передали" другой БС. Естественно, чтобы такое стало возможным, необходима прецизионная синхронизация БС. В коммерческих системах это достигается использованием сигналов времени от GPS (Global Positioning System) американской спутниковой системы определения координат.

CDMA это практически полностью цифровой стандарт. Обычно все преобразования информационного сигнала происходят в цифровой форме, и только радиочасть аппарата является аналоговой, причём гораздо более простой, чем для других групп стандартов. Это позволяет практически весь телефон выполнить в виде одной микросхемы с большой степенью интеграции, тем самым значительно снизив стоимость телефона.

Цифровая сущность CDMA весьма располагает к использованию этой технологии для безпроводной передачи данных. В рассмотренном выше примере мы задали не очень высокую скорость, однако существующие реализации CDMA позволяют многократно увеличивать скорость передачи данных, правда, за счет сокращения ёмкости сети.

Стандарты CDMA используют более современный кодек для оцифровки речи, что субъективно повышает качество передачи аналогового сигнала по сравнению с действующими TDMA стандартами.

Из минусов CDMA можно отметить необходимость использования достаточно широкой и неразрывной полосы, что не всегда возможно в современной обстановке дефицита частотного ресурса и большую сложность реализации данной технологии в "железе"

Перспективы CDMA

В мире, развитие CDMA идет нарастающими темпами. Наибольшее распространение получили стандарты IS-95 (800 MHz) и CDMA PCS (1900 MHz). На май 2000г в 43 странах использующих CDMA насчитывалось более 57 миллионов абонентов, причём с мая 1999 количество пользователей удвоилось. Исторически сложилось так, что CDMA наиболее распространён в Северной и Южной Америке и Юго-Восточной Азии. С принятием Китаем CDMA как федерального стандарта сомнений в том, что этот стандарт станет основным на нашей планете, практически не осталось.

Cтандарты CDMA изначально включали в себя функцию передачи данных и на сегодня, почти все современные CDMA телефоны способны предоставлять пользователю 14.4 Kbps цифровой канал. А сама сеть использует IP протокол для передачи данных. Таким образом, CDMA уже сейчас полностью Internet-совместима. Нет проблем и с более высокими скоростями. Некоторые операторы CDMA в US уже предоставляют услуги передачи данных со скоростями до 144 Kbps. Кроме того, система используемая этими операторами позволяет динамически изменять пропускную способность канала в зависимости от активности клиента и загрузки сети, тем самым оптимизируя использование ресурсов сети. По заявлениям CDMA Development Group уже сейчас достижима скорость 300 Kbps, что вплотную приближает существующие CDMA стандарты к 3-му поколению.

У CDMA гораздо меньше проблем с переходом к 3-му поколению по сравнению с TDMA системами. TIA/EIA (Telecommunication Industry Association / Electronic Industries Alliance) предолжила группу стандартов cdma2000 (IS-2000) которые являются развитием ныне действующего IS-95. Основные отличия cdma2000 от своего предшественника - большее количество диапазонов для использования в организации мобильной связи и увеличение скорости передачи данных до 1Mbps на физическом уровне. Также добавлены новые протоколы для обеспечения всевозможных сервисов. Особо следует подчеркнуть требование стандарта об обратной совместимости с IS-95. Все мобильные станции cdma2000 должны работать в сетях IS-95, и соответственно все базовые станции cdma2000 должны обслуживать мобильные станции IS-95. Более того, имеется требование обеспечения handoff"а (перехода от одной соты к другой) между cdma2000 и IS-95. Таким образом, возможна незаметная для пользователя миграция сети от IS-95 к cdma2000. Также примечателен факт, что стандартом предусмотрено использование некоторых диапазонов используемых ныне старыми аналоговыми стандартами (например Band Class 5 (NMT-450)) что даёт возможность операторам этих стандартов перейти от 1-го поколения сразу к 3-ему, постепенно отдавая участки своего диапазона под cdma2000, по мере увеличения количества абонентов пользующихся новым оборудованием. Однако даже в cdma2000 сохранена возможность работы мобильных и базовых станций в аналоговом режиме. Этот режим практически идентичен стандарту AMPS c A-Key идентификацией и предназначен для обеспечения связи там, где использование цифрового режима по тем или иным причинам невозможно.

Сdma2000 был принят в группу IMT-2000, которая определяет глобальное виденье организацией ITU (International Telecommunication Union) систем 3-го поколения, в качестве одного из основных радиоинтерфейсов, что позволяет предполагать его дальнейшее распространение. Причём из-за преимуществ перед TDMA технологиями (стандарт UWC-136 также предлагается в качестве одного из возможных радиоинтерфейсов в IMT-2000) вполне возможно распространение CDMA и в Европе, которая на данный момент является вотчиной TDMA стандарта GSM.

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.

Системы передачи с временным разделением каналов.

Построение систем передачи с временным разделением каналов (ВРК).Сущность временного разделения каналов, структурная схема СП с ВРК. Теорема Котельникова. Виды импульсной модуляции. Сравнительный анализ видов импульсной модуляции и область их применения.

Идея временного разделения каналов заключается в том, что элементы первичного сигнала принадлежащему i-му каналу, передаются в неперекрывающихся интервалах времени свободных от сигналов других каналов по общей линии.

В большинстве своем первичные сигналы являются аналоговыми (непрерывными) и идея ВРК определяет необходимость проведения операции дискретизации.

Эта операция выполняется в соответствии с теоремой Котельникова. Она формулируется так: всякий непрерывный во времени сигнал со спектром ограниченным по частоте может быть представлен последовательностью его отсчетов (мгновенных значений), в взятых через интервал времени:

Т Д = 1/F Д , F Д ≥ 2F B .

Каждому сигналу предоставляется свой канальный интервал.

Операция дискретизации осуществляется с помощью канальных электронных ключей

Рис. 8.1. Структурная схема системы передачи с временным разделением каналов

Интервал времени между ближайшими импульсами группового сигнала Т K 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 изN гр = N + n импульсов, гдеN – количество информационных сигналов,n – количество служебных сигналов (импульсов синхронизации – ИС, служебной связи, управления и вызовов). Тогда величина канального интервала:

Δt K = Т Д /N гр .

Рис.8.2. К пояснению метода временного разделения каналов.

При временном разделении каналов возможны следующие виды модуляции:

1.АИМ -амплитудно-импульсная модуляция;

2.ШИМ - широтно-импульсная модуляция;

3.ФИМ –фазоимпульсная модуляция;

4.ЧИМ – частотно-импульсная модуляция.

При АИМ периодическая последовательность импульсов изменяется в соответствии с изменением модулирующего сигнала.Различают (АИМ -1) амплитудно-импульсную модуляцию первого рода (при ней вершины импульсов изменяются в соответствии с модулирующим сигналом) При (АИМ -2) амплитудной модуляции второго рода вершина импульсов плоская и равна амплитуде импульса в момнент дискритизации. При скаважности импульсов больше десяти различия между АИМ-1 и АИМ-2 исчезают. АИМ модуляция проста в реализации, но имеет низкую помехоустойчивость, так как любая помеха изменяет амплитуду импульса и искажает форму восстанавливаемого сигнала.АИМ обычно используется как промежуточный вид модуляции при реобразовании аналогового сигнала в цифровой.

При ШИМ спектр сигнала меняется взависимости от длительности сигнала.Минимальному уровню сигнала соответствует минимальная длительность импульса и, соответственно, максимальный спектр сигнала.

При этом амплитуда импульсов остается неизменной. При односторонней ШИМ (ОШИМ) изменение длительности происходит только за счет перемещения

одного из фронтов заднего или переднего. При двухсторонней ШИМ изменения длительности происходит относительно тактовой точки. Более помехоустойчивый способ передачи в сравнении с АИМ. Для избавления от амплитудных искажений применяется ограничитель амплитуд. ШИМ используется в МСП импульсной радиосвязи, а так же в некоторых радиотелеметрических системах, системах телеконтроля и телемеханики.

ФИМ представляет собой разновидность временной импульсной модуляции.

Существует несколько разновидностей ФИМ

ФИМ 1-го рода ПРИ ней временной сдвиг импульсов пропорционален значению модулирующего сигнала в момент появления импульса. ФИМ-2 импульсная модуляция при которой временной сдвиг пропорционален значению модулирующего сигнала в тактовых точках. Обычно применяется ФИМ-2 .При отрицательных значениях модулирующего сигнала импульсы смещаются влево, а при положительных вправо.

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. Именно в системах передачи с ВРК используется, в основном, ФИМ.

При ЧИМ изменяется частота следования импульсов в зависимости от амплитуды модулирующего сигнала.

Вопросы для самоконтроля.

1.Как звучит теорема Котельникова?

2.Почемк теорема Котельникова применима только к непрерывным сигналам с ограниченным спектром?

3.Что такое АИМ-1 и АИМ-2, в чем их отличие?

4.ШИМ –модуляция,способы реализации преимущества и недостатки?

5.ФИМ- модуляция, способы реализации преимущества и недостатки?

6.Назначение фильтров нижних частот, включаемых на входе канальных амплитудно-импульсных модуляторов.

7.Назначение фильтров нижних частот, включаемых на выходе канальных селекторов.

8.Необходимость синхронной работы канальных амплитудно- импульсных модуляторов и канальных селекторов.