2.13.Разделение каналов связи

2.13.1.Основные понятия

Известные системы передачи информации (СПИ) обычно многоканальные. В многоканальной СПИ по одной ЛС путем ее уплотнения передается большое число независимых сообщений. Тем самым увеличивают пропускную способность ЛС. Это делают потому, что линия связи – дорогостоящее сооружение и ее нужно использовать наиболее эффективно.

Структура многоканальной СПИ представлена на рис.2.121, где x_k(t) – информационный сигнал k-го канала; U_k(t) – канальный сигнал; U(t) – групповой сигнал; r(t) – групповой линейный сигнал; _k(t) – носители или переносчики информации, k=1,2,...,N; n(t) – аддитивная помеха в ЛС; (t) – сигнал помехи на выходе ГУ; M_k – модуляторы;  – сумматор; ГУ – групповое устройство; Сел_k – селектор k-го канала; Дм_k – демодулятор; ПУ и ПРУ – передающее и приемное устройства.

Рис.2.121

Основные проблемы многоканальной СПИ:

1) разделение канальных сигналов;

2) повышение помехоустойчивости (в идеале селектор должен полностью отфильтровать помеху).

Даже когда нет помех разделение не бывает совершенным. На сигнал одного канала накладываются в той или иной мере сигналы других каналов. Это создает так называемые взаимные помехи. Аппаратура разделения позволяет уменьшить взаимные помехи до допустимой величины.

Наибольшее распространение имеют СПИ с линейным разделением сигналов. Среди них основными являются СПИ линейного разделения ортогональных сигналов. В этих системах переносчики информации представляют собой ортогональные функции. К этим системам относятся:

1) СПИ с частотным разделением каналов (ЧРК);

2) СПИ с временным разделением каналов (ВРК);

3) СПИ с корреляционным разделением каналов (КРК).

2.13.2.Частотное разделение каналов (чрк)

Для получения неперекрывающихся спектров используют свойство переноса спектра при модуляции. Это свойство лежит в основе ЧРК.

Обычно каждый носитель – это синусоидальный сигнал _k(t)=Asin_kt. Его модулируют информационным сигналом x_k(t). При модуляции спектр информационного сигнала переносится на частоту _k. В случае АМ спектр группового сигнала U(t)=U_k(t) будет иметь вид, показанный на рис.2.123, где _k  частота носителя (несущая частота) k-го канала; _k  практическая ширина спектра информационного сигнала x_k(t); _з  защитная полоса частот между каналами; _кан  полоса частот канала; _ЛС  полоса частот линии связи; N  число каналов в ЛС.

Рис.2.123

Структура системы с ЧРК представлена на рис.2.124, где КПФ  канальный полосовой фильтр.

Рис.2.124

Носители ₁(t)_N(t) обеспечивают первую ступень модуляции, например АМ или ФМ. Их частоты являются поднесущими. Носитель _N+1(t) обеспечивает вторую ступень модуляции, т.е. повторную модуляцию, например ЧМ. Частота этого носителя является несущей. В результате получают систему с ЧРК, например, типа АМ-ЧМ или ФМ-ЧМ.

Частотно-временное представление ЧРК (рис.2.125).

Рис.2.125

2.13.3.Временное разделение каналов (врк)

Рассмотрим частотно-временное представление ВРК (рис.2.126).

Рис.2.126

На рис.2.126: 13  номер канала; T_k – время подключения ЛС к каналу; t_k – время передачи информации канала; t_з – защитный временной интервал; T_ц – время цикла или время передачи информации N каналов (обычно T_ц=t_р); СИ  синхронизирующая информация по циклу (для передачи выделяется специальный канал).

При ВРК одна ЛС с полосой _ЛС поочередно используется для передачи информации от разных источников. Для правильной работы нужна синхронизация. В основе ВРК лежит идея временной дискретизации информационного сигнала x_k(t) и импульсной модуляции.

Носитель в каждом канале – это последовательность прямоугольных импульсов. Применяют следующие виды модуляций: АИМ, ШИМ, ФИМ, ЧИМ и КИМ. Для разделения сигналов в приемнике носители должны быть ортогональными. Применяют неперекрывающиеся во времени сигналы (рис.2.127). Такие сигналы ортогональны.

Рис.2.127

Следовательно, ортогональные носители можно получить при помощи временного сдвига последовательности импульсов.

Рассмотрим принцип ВРК на примере АИМ (рис.2.128)

Рис.2.128

Рассмотрим структуры систем с ВРК.

а) Система с индивидуальными модуляторами (рис2.129).

Рис.2.129

Распределитель канальных импульсов (РКИ) формирует неперекрывающиеся во времени последовательности прямоугольных импульсов . Эти поднесущие сигналы используются в модуляторах M₁M_N для первичной модуляции  АИМ, ЧИМ, ВИМ, КИМ. Модулированные канальные сигналы U_k(t) суммируются. В конце каждого цикла к этой сумме добавляется синхронизирующая информация с выхода формирователя синхронизирующей информации ФСИ. В результате на выходе сумматора  получают групповой сигнал U(t) цикла. В групповом устройстве ГУ групповой сигнал может подвергаться повторной импульсной модуляции, например КИМ. Тогда имеем систему с комбинированной модуляцией типа АИМ-КИМ или ВИМ-КИМ.

На приемной стороне ГУ демодулирует сигнал повторной модуляции. Схема выделения синхронизирующей информации СВСИ обеспечивает фазную и синхронную работу распределителя селекторных импульсов (РСИ) по отношению к РКИ передатчика. Для правильной работы системы необходимо соблюдать следующие условия:

1) РКИ и РСИ должны быть в фазе  это значит, что импульс носителя _k(t) k-го канала должен появляться во времени одновременно как в передатчике, так и в приемнике;

2) РКИ и РСИ должны работать с одинаковой скоростью, т.е. синхронно, а именно импульсы носителя _k(t) k-го канала должны появляться с одинаковой частотой как в передатчике, так и в приемнике.

Временные селекторы ВС₁ВС_N обеспечивают селекцию (выбор) каналов во времени. Каждый селектор открывается импульсом соответствующего носителя на время его длительности. При этом на выход селектора проходит соответствующий канальный сигнал. Демодуляторы ДМ₁ДМ_N выполняют демодуляцию сигналов с первичной модуляцией.

б) Система с групповым модулятором (рис.2.130).

Рис.2.130

На рис.2.130: Д₁Д_N  датчики; ЭК₁ЭК_N  электронные ключи; ГТИ  генератор тактовых импульсов; РКИ  распределитель канальных импульсов; ФСИ  формирователь синхронизирующей информации; M  групповой модулятор;   сумматор; ГУ  групповое устройство; ЛС  линия связи; СВСИ  схема выделения синхронизирующей информации; РСИ  распределитель селекторных импульсов; ДМ₁ДМ_N  демодуляторы.

РКИ и РСИ управляют электронными ключами (ЭК). Ключи и распределитель составляют коммутатор. Коммутатор передающего устройства ПУ поочередно подключает датчики к модулятору. Время подключения определяется длительностью импульса на выходе РКИ. Модулятор выполняет модуляцию импульсного носителя. Носителем (t) является последовательность прямоугольных импульсов ГТИ. Промодулированные канальные сигналы поочередно отправляются через сумматор и ГУ в линию связи ЛС. В ГУ может осуществляться повторная модуляция носителя ₁(t). После опроса датчиков ФСИ формирует синхронизирующий импульс, который поступает в ЛС вслед за канальными сигналами. На этом цикл работы ПУ заканчивается.

На приемной стороне действуют в обратном порядке с учетом одной особенности. В ПРУ коммутатор работает под управлением ГТИ ПРУ. Для правильной работы системы (в ПУ и ПРУ включены одинаковые ключи) он синхронизируется с помощью СВСИ. Цель синхронизации: коммутаторы ПУ и ПРУ должны работать с одинаковой скоростью (т.е. синхронно) и быть в одной фазе, т.е. работать синфазно. Фазность обеспечивается цикловой синхронизацией, синхронность  тактовой синхронизацией, которая поддерживает равенство частот тактовых импульсов ГТИ в ПУ и ПРУ.

В случае АИМ функцию канальных модуляторов M₁M_N могут выполнять ключи ЭК₁ЭК_N. Тогда модулятор М не нужен и получим схему с индивидуальными модуляторами. В случае с КИМ имеем: М АЦП; ДМ ЦАП.