ТЕМА 1.2 ОСНОВНЫЕ ВИДЫСИГНАЛОВ. МОДУЛИРОВАННЫЕ СИГНАЛЫ
ВОПРОС 7 ЧАСТОТНЫЙ, ВРЕМЕННОЙ И КОДОВЫЙ МЕТОД РАЗДЕЛЕНИЯ КАНАЛОВ В МНОГОКАНАЛЬНОЙ СИСТЕМЕ СВЯЗИ (ЧРК, ВРК, КРК)
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. 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 1 приведена структурная схема наиболее распространенных систем многоканальной связи.
Рисунок 1 - Структурная схема систем многоканальной связи
Реализация сообщений каждого источника а1(t), а2(t),...,аN(t) с помощью индивидуальных передатчиков (модуляторов) М1, М2,..., МN преобразуются в соответствующие канальные сигналы s1(t), s2(t),...,sN(t). Совокупность канальных сигналов на выходе суммирующего устройства Σ образует групповой сигнал s(t). Наконец, в групповом передатчике М сигнал s(t) преобразуется в линейный сигнал sЛ(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 sЛ(t) с помощью группового приемника П может быть вновь преобразован в групповой сигнал s(t). Канальными или индивидуальными приемниками П1, П2,..., ПN из группового сигнала s(t) выделяются соответствующие канальные сигналы s1(t), s2(t),...,sN(t) и затем преобразуются в предназначенные получателям сообщения а1(t), a2(t),..., aN(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 ПK наряду с выполнением обычной операции преобразования сигналов sK(t) в соответствующие сообщения аK(t) должны обеспечить выделение сигналов sK(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.
В общем случае групповой сигнал может формироваться не только простейшим суммированием канальных сигналов, но также и определенной логической обработкой, в результате которой каждый элемент группового сигнала несет информацию о сообщениях источников. Это так называемые системы с комбинационным разделением.
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, напримерамплитуда, 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 др.
Частотное разделение сигналов
Функциональная схема простейшей системы многоканальной связи с разделением каналов по частоте представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Функциональная схема системы многоканальной связи
с частотным разделением каналов
В зарубежных источниках для обозначения принципа частотного разделения каналов (ЧРК) используется термин FrequencyDivisionMultiplyAccess(FDMA).
Сначала в соответствии с передаваемыми сообщениями первичные (индивидуальные) сигналы, имеющие энергетические спектры G1(w), G2(w),..., GN(w) модулируют поднесущие частоты wK каждого канала. Эту операцию выполняют модуляторы М1, М2,..., МN канальных передатчиков. Полученные на выходе частотных фильтров Ф1, Ф2,..., ФN спектры gK(w) канальных сигналов занимают соответственно полосы частот Dw1, Dw2,..., DwN, которые в общем случае могут отличаться по ширине от спектров сообщений W1, W2,..., WN. При широкополосных видах модуляции, например, ЧМ ширина спектра DwK» 2(b +1) WK, т.е. в общем случае Dw³WK. Для упрощения будем считать, что используется АМ-ОБП (как это принято в аналоговых СП с ЧРК), т.е. DwК =W и Dw =NW.
Будем полагать, что спектры индивидуальных сигналов конечны. Тогда можно подобрать поднесущие частоты wK так, что полосы Dw1,..., Dw K попарно не перекрываются. При этом условии сигналы sК(t) (k=1,...,N) взаимноортогональны.
Затем спектры g1(w), g2(w),..., gN(w) суммируются (S) и их совокупность g(w) поступает на групповой модулятор (М). Здесь спектр g(w) с помощью колебания несущей частоты w0 переносится в область частот, отведенную для передачи данной группы каналов, т.е. групповой сигнал s(t) преобразуется в линейный сигнал sЛ(t). 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 g¢ (w). Спектр группового сигнала затем с помощью частотных фильтров Ф1, Ф2,...,ФN вновь разделяется на отдельные полосы DwK, соответствующие отдельным каналам. Наконец, канальные демодуляторы Д преобразуют спектры сигналов gK(w) в спектры сообщений G¢K(w), предназначенные получателям.
Из приведенных пояснений легко понять смысл частотного способа разделения каналов. Поскольку всякая реальная линия связи обладает ограниченной полосой пропускания, то при многоканальной передаче каждому отдельному каналу отводится определенная часть общей полосы пропускания.
На приемной стороне одновременно действуют сигналы всех каналов, различающиеся положением их частотных спектров на шкале частот. Чтобы без взаимных помех разделить такие сигналы, приемные устройства должны содержать частотные фильтры. Каждый из фильтров ФK должен пропустить без ослабления лишь те частоты wÎDwK, которые принадлежат сигналу данного канала; частоты сигналов всех других каналов wÏ DwK 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 DwK, 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 DwЗАЩ (рисунок 3).
Рисунок 3 - Спектр группового сигнала с защитными интервалами
Так, например, в современных системах многоканальной телефонной связи каждому телефонному каналу выделяется полоса частот 4 кГц, хотя частотный спектр передаваемых звуковых сигналов ограничивается полосой от 300 до 3400 Гц, т.е. ширина спектра составляет 3,1 кГц. Между полосами частот соседних каналов предусмотрены интервалы шириной по 0,9 кГц, предназначенные для снижения уровня взаимных помех при расфильтровке сигналов. Это означает, что в многоканальных системах связи с частотным разделением сигналов эффективно используется лишь около 80% полосы пропускания линии связи. Кроме того, необходимо обеспечить высокую степень линейности всего тракта группового сигнала.