Частотное разделение сигналов

Балтийский федеральный университет имени И. Канта

Физико-технический факультет

Л Е К Ц И Я № 16

Тема: «Частотное, временное и фазовое разделение сигналов»

Текст лекции по дисциплине: «Теория электрической связи»

Г. Калининград 2013 г.

Текст лекции № 27

по дисциплине: «Теория электрической связи»

«Частотное, временное и фазовое разделение сигналов»

Введение

Самым дорогим элементом системы связи является линия связи. В системах передачи общей средой могут быть коаксиальные, симметричные или оптические кабели, воздушные кабели связи или радиолинии. Возникает необходимость уплотнять физической цепи, передавая по ним одновременно информацию от нескольких оконечных средств связи. Уплотнение линии связи осуществляется посредством аппаратуры уплотнения, которая совместно со средой передачи образует многоканальную систему передачи.

Многоканальной системой передачи (МСП) называется совокупность технических средств, обеспечивающих одновременную и независимую передачу двух и более сигналов по одной физической цепи или линии связи.

В многоканальной электросвязи применяются МСП с частотным разделением каналов (ЧРК) и МСП с временным разделением каналов (ВРК). Кодовое разделение каналов находит применение в подвижных системах радиосвязи.

При ЧРК за каждым каналом связи закрепляется определенный спектр (полоса) частот. При ВРК в линию связи передаются импульсные последовательности очень коротких импульсов, содержащие информацию о первичных сигналах и сдвинутые относительно друг друга по времени.

МСП с ЧРК являются аналоговыми, а МСП с ВРК – цифровыми системами.

Для этих целей создаются системы с множественным доступом и уплотнением. Именно такие системы лежат в основе современной связи.

Частотное разделение сигналов

Функциональная схема простейшей системы многоканальной связи с разделением каналов по частоте представлена на Рис. 1

Рис. 1. Функциональная схема системы многоканальной связи 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 , ,..., модулируют поднесущие частоты каждого канала. Эту операцию выполняют модуляторы , ,..., канальных передатчиков. Полученные на выходе частотных фильтров , ,..., спектры канальных сигналов занимают соответственно полосы частот , ,..., , которые в общем случае могут отличаться по ширине от спектров сообщений , ,..., . При широкополосных видах модуляции, например, ЧМ ширина спектра , т.е. в общем случае . Для упрощения будем считать, что используется АМ-ОБП (как это принято в аналоговых СП с ЧРК), т.е. и .

Проследим основные этапы образования сигналов, а также изменение этих сигналов в процессе передачи (Рис. 2).

Будем полагать, что спектры индивидуальных сигналов конечны. Тогда можно подобрать поднесущие частоты w_K так, что полосы ,..., попарно не перекрываются. При этом условии сигналы ; взаимно ортогональны.

Затем спектры , ,..., суммируются и их совокупность поступает на групповой модулятор (). Здесь спектр с помощью колебания несущей частоты переносится в область частот, отведенную для передачи данной группы каналов, т.е. групповой сигнал преобразуется в линейный сигнал . При этом может использоваться любой вид модуляции.

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

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

Рис. 2. Преобразование спектров в системе с частотным разделением каналов

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

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

Для снижения переходных помех до допустимого уровня приходится вводить защитные частотные интервалы (Рис. 3).

Рис.3. Спектр группового сигнала с защитными интервалами

Так, например, в современных системах многоканальной телефонной связи каждому телефонному каналу выделяется полоса частот кГц, хотя частотный спектр передаваемых звуковых сигналов ограничивается полосой от до Гц, т.е. ширина спектра составляет кГц. Между полосами частот соседних каналов предусмотрены интервалы шириной по кГц, предназначенные для снижения уровня взаимных помех при расфильтровке сигналов. Это означает, что в многоканальных системах связи с частотным разделением сигналов эффективно используется лишь около полосы пропускания линии связи. Кроме того, необходимо обеспечить высокую степень линейности всего тракта группового сигнала.

Выводы

1. Для идеального выделения сигналов при ЧРК необходимо вводить защитные частотные интервалы, кроме того, необходимо обеспечить высокую степень линейности всего тракта группового сигнала.