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.

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?

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

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

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

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

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

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

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

В системах телемеханики для передачи многих сигналов по одной линии связи применение обычного кодирования показывается недостаточным. Необходимо либо дополнительное разделение сигналов, либо специальное кодирование, которое включает в себя элементы разделения сигналов. Разделение сигналов - обеспечение независимой передачи и приема многих сигналов по одной линии связи или в одной полосе частот, при котором сигналы сохраняют свои свойства и не искажают друг друга.

Сейчас применяются следующие способы:

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

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

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

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

Фазовое разделение, при котором сигналы отличаются друг от друга фазой.

Временное разделение (ВР). Каждому из n - сигналов линия предоставляется поочередно: сначала за промежуток времени t 1 передается сигнал 1, за t 2 - сигнал 2 и т.д. При этом каждый сигнал занимает свой временной интервал. Время, которое отводится для передачи всех сигналов, называется циклом. Полоса частот для передачи сигналов определяется самым коротким импульсом в кодовой комбинации. Между информационными временными интервалами необходимы защитные временные интервалы во избежание взаимного влияния канала на канал т.е. проходных искажений.

Для осуществления временного разделения используют распределители, один из которых устанавливают на пункте управления, а другой - на исполнительном пункте.

Кодово - адресное разделение сигналов (КАР). Используют временное кодово-адресное разделение сигналов (ВКАР), при этом сначала передается синхронизирующий импульс или кодовая комбинация (синхрокомбинация) для обеспечения согласованной работы распределителей на пункте управления и контролируемом пункте. Далее посылается кодовая комбинация, называемая кодом адреса. Первые символы кода адреса предназначены для выбора контролируемого пункта и объекта, последние образуют адрес функции, в котором указывается, какая ТМ - операция (функция) должна выполняться (ТУ, ТИ и т.п.). После этого следует кодовая комбинация самой операции, т.е. передается командная информация или принимается известительная информация.

Частотное разделение сигналов. Для каждого из n - сигналов выдается своя полоса в частотном диапазоне. На приемном пункте (КП) каждый из посланных сигналов выделяется сначала полосовым фильтром, затем подается на демодулятор, затем на исполнительные реле. Можно передавать сигналы последовательно или одновременно, т.е. параллельно.

Фазовое разделение сигналов. На одной частоте передается несколько сигналов в виде радиоимпульсов с различными начальными фазами. Для этого используется относительная или фазорастностная манипуляция.

Частотно-временное разделение сигналов. Заштрихованные квадраты с номерами - это сигналы, передаваемые в определенной полосе частот и в выделенном интервале времени. Между сигналами имеются защитные временные интервалы и полосы частот. Число образуемых сигналов при этом значительно увеличивается.

Принципы разделения измерительных каналов

Из большого числа различных принципов разделения каналов в измерительных информационных системах следует выделить наиболее часто применяемые на практике разделение каналов: многоканальное (кабельное оптоволоконное), частотные, временное, кодовое и ортогональное (в связи).

Частотное разделение каналов отличается тем, что каждому сигналу вы­деляется своя отдельная частота так, чтобы полосы частот каждого сигнала размещались в не перекрывающихся по частоте участках диапазона частотам.

Максимальная информационная емкость частотных устройствдля электрических контуров и фильтров ограничивается сравнительно небольшим числом, частотных избирателей размещаемых в рабочем диапазоне частот (например, в телефонном канале), что вызвано трудностями реализации узкополосных избирателей. Поэтому в ча­стотные устройствахс относительно большой ин­формационной емкостью каждому сигналу выделяется не индивидуальная частота, а комбинация нескольких частот при этом, частоты могут передаваться одновременно или поочередно.

При одновременной передаче частот суммарное число сигналов N для n возможных частот и m частот, участвующих в образовании одной кодовой комбинации,

Если в каждой кодовой комбинации участвуют две одновременно передаваемые частоты, то формула упрощается и число сигналов

При последовательной посылке частот в любой момент времени передается не более одной частоты. Это позволяет уменьшить требования к нелинейным искажениям в канале и к аппаратуре до легко достижимого значения. Поэтому более широкое применение получили устройства разделения измерительных каналов с последовательной передачей частот.

В этом случае

Для применяемого кода с избиранием каждого объекта двумя частотами формула упрощается:

Полоса частот, занимаемая в канале связи, ограничивается в основном селективными свойствами и стабиль­ностью частотных избирателей и генераторов. Широкое применение получили частотные избиратели с электриче­скими резонансными контурами и полосовыми фильтрами. Для увеличения добротности применяются катушки ин­дуктивности с ферромагнитными сердечниками. Сужение полосы частотных избирателей позволяет экономнее использовать полосу частот в канале связи и повысить помехоустойчивость ИИС. Поэтому для даль­нейшего развития частотных устройств, представляют интерес узкополосные электромеханические частотные изби­ратели и генераторы, а также RС – фильтры и генераторы с гибридной технологией производства.

Частотные методы разделения позволили создать простые частотные избиратели объектов не требующими местных источников питания, что очень важно, для массовых объектов управле­ния, рассредоточенных по каналу связи: на трубопроводах, в ирригации, на нефтепромыслах и т. п.

Временное разделение каналов отлича­ется тем, что каждому из N передаваемых сигналов, канал связи предоставляется поочеред­но (последовательно). В интервал времени T 1 передается первый сигнал, а в интервал времени T i I-й сигнал. Следовательно, каждый сигнал имеет присвоенный ему временной интервал, который недопустимо занимать другими сигналами. Разделение сигналов на передающей и приемной сторонах канала связи осуществляется синхронно и синфазно работающими коммутаторами (распределителями). Для всех систем с временным раз­делением сигналов обязательна синхронизация работы распределителей.

Бесконтактные элементы релейного действия с неограниченными или очень большими ресурсами срабатывания релейных элементов оказалось целесообразным воспользоваться циклическим режимом работы устройств со стабильной тактовой частотой и стабильным по частоте циклом работы коммутаторов, составляющим доли секунды. В качестве тактовой частоты во многих случаях использовалось общая на передающей и прямой сторонах силовая сеть 50 Гц. Это облегчало синхронизацию распределителей.

За время цикла распределителей в таких устройствах, еще применяемых в народном хозяйстве, передается только одна подготовительная команда для избирания выходных цепей объекта. В ответных импульсных сериях в каждом цикле многоканальным методом передается информация о всех ТИС. Оператор после подтверждения подготовительной команды передает исполнительную команду. Во всех устройствах с временным разделением используется ряд защит, резко повышающих достоверность передачи команд. Достоверность передачи сигналов ТИ и ТК возрастает при их циклическом повторении.

Кодовое разделение каналов устройства с временным кодовым разделением сигна­лов, называемые также цифровыми устройствами, обладают неоспоримыми преимуществами, такими, как более высокая помехоустойчивость, лучшее использование канала связи, большие возможности унификации массового производства и применения в самых разнообразных условиях, несмотря на несколько большее число компонентов (деталей) в системе на один сигнал.

Учитывая многообразие возможных и используемых принципов построения кодовых (цифровых) устройств, ог­раничимся изложением обобщенных, упрощенных принци­пов разделения и передачи кодовых сигналов в многофунк­циональных устройствах.

К кодовым (цифровым) устройствам относятся устройства с времен­ным разделением элементов сигнала, двухпозиционными кодами, адресными передачами сигналов или с преобладанием адресных передач над многоканальными.

Скорость передачи информации в устройст­вах может изменяться в широких пределах путем переклю­чения тактовой частоты и ограничивается главным образом полосой частот канала связи. Отметим, что возмож­ность изменения скорости передачи путем изменения такто­вой частоты характерна для широкого класса цифровых систем. Цифровые устройства ИИС могут работать по телеграфному и телефон­ному каналу со скоростью от 50 до 2000 – 3000 Бод и более.

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

Н К - производительность к-го канала.

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

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

(7.1.1)

С учетом формулы (7.1.1.) получаем:

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

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

Второй учебный вопрос

Частотное разделение каналов

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

Рис.7.1.1. Структурная схема многоканальной системы связи

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

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

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

Частотное разделение сигналов идеальными полосовыми фильтра­ми математически можно представить так:

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

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

Третий учебный вопрос