Временное разделение каналов

Принцип временного разделения каналов (ВРК) состоит в том, что групповой тракт предоставляется поочередно для передачи сигналов каждого канала многоканальной системы (рисунок 6.5). В зарубежных источниках для обозначения принципа временного разделения каналов используется термин Time Division Multiply Access (TDMA).

Рисунок 6.5 – Принцип временного разделения каналов

При передаче используется дискретизация во времени (импульсная модуляция). Сначала передается импульс 1-го канала, затем следующего канала и т.д. до последнего канала за номером N, после чего опять передается импульс первого канала и процесс повторяется периодически. На приеме устанавливается аналогичный коммутатор, который поочередно подключает групповой тракт к соответствующим приемникам. В определенный короткий промежуток времени к групповой линии связи оказывается подключена только одна пара приемник/передатчик.

Это означает, что для нормальной работы многоканальной системы с ВРК необходима синхронная и синфазная работа коммутаторов на приемной и передающей сторонах. Для этого один из каналов занимают под передачу специальных импульсов синхронизации.

На рисунке 6.6, а, б, в приведены графики трех непрерывных аналоговых сигналов S 1 (t ), S 2 (t ) и S 3 (t ) и соответствующие им АИМ-сигналы. Импульсы разных АИМ-сигналов сдвинуты друг относительно друга по времени. При объединении индивидуальных каналов образуется групповой сигнал S г (t ) (рисунок 6.6, г) с частотой следования импульсов в N раз большей частоты следования индивидуальных импульсов. Интервал времени между ближайшими импульсами группового сигнала TK называется канальным интервалом или тайм-слотом (Time Slot ). Промежуток времени между соседними импульсами одного индивидуального сигнала называется циклом передачи ТЦ . От соотношения ТЦ и TK зависит число импульсов, которое можно разместить в цикле, т.е. число временных каналов.

Рисунок 6.6 – Временные диаграммы преобразования сигналов при ВРК

При временном разделении так же как и при ЧРК существуют взаимные помехи, в основном обусловленные двумя причинами. Первая состоит в том, что линейные искажения, возникающие за счет ограниченности полосы частот и неидеальности амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик всякой физически осуществимой системы связи, нарушают импульсный характер сигналов. При временном разделении сигналов это приведет к тому, что импульсы одного канала будут накладываться на импульсы других каналов. Иначе говоря, между каналами возникают взаимные переходные помехи или межсимвольная интерференция . Кроме того, взаимные помехи могут возникать за счет несовершенства синхронизации тактовых импульсов на передающей и приемной сторонах.

В силу данных причин временное разделение каналов на основе АИМ не получило практического применения. Временное разделение широко используют в цифровых системах передачи плезиохронной и синхронной иерархий.

В общем случае для снижения уровня взаимных помех приходится вводить "защитные" временные интервалы, что соответствует некоторому расширению спектра сигналов. Так, в системах передачи полоса эффективно передаваемых частот F =3100 Гц; в соответствии с теоремой Котельникова минимальное значение частоты дискретизации f 0 =1/Т Д =2F =6200 Гц. Однако в реальных системах частоту дискретизации выбирают с некоторым запасом: f 0 =8 кГц. При временном разделении каналов сигнал каждого канала занимает одинаковую полосу частот, определяемую в идеальных условиях согласно теореме Котельникова из соотношения (без учета канала синхронизации) Dt K =T 0 /N= 1/(2NF)= 1/(2F ОБЩ), где F ОБЩ =FN , что совпадает с общей полосой частот системы при частотном разделении.

Хотя теоретически временное и частотное разделения позволяют получить одинаковую эффективность использования частотного спектра, тем не менее, системы временного разделения уступают системам частотного разделения по этому показателю. Вместе с тем, системы с временным разделением имеют неоспоримое преимущество, связанное с тем, что благодаря разновременности передачи сигналов разных каналов отсутствуют переходные помехи нелинейного происхождения. Кроме того, аппаратура временного разделения значительно проще, чем при частотном разделении, где для каждого индивидуального канала требуются соответствующие полосовые фильтры.

Для разделения сигналов могут использоваться не только такие очевидные признаки, как частота, время и фаза. Общим признаком сигналов является форма. Различающиеся по форме сигналы могут передаваться одновременно и иметь перекрывающиеся частотные спектры, и тем не менее, такие сигналы можно разделить, если выполняется условие их ортогональности. В зарубежных источниках для обозначения данного принципа применяется понятие кодового разделения каналов Code Division Multiply Access (CDMA ). В последние годы успешно развиваются цифровые методы разделения сигналов по их форме, в частности, в качестве переносчиков различных каналов используются дискретные ортогональные последовательности в виде функций Уолша, Радемахера и другие. Широкое развитие методов разделения по форме сигналов привело к созданию систем связи с разделением "почти ортогональных" сигналов, представляющих собой псевдослучайные последовательности, корреляционные функции и энергетические спектры которых близки к аналогичным характеристикам "ограниченного" белого шума. Такие сигналы называют шумоподобными (ШПС).

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.

Итак рассмотрим как осуществляется звонок по мобильному телефону. Лишь только пользователь набирает номер, телефонная трубка (HS - Hand Set) начинает поиск ближайшей базовой станции (BS - Base Station) - приемопередающее, управляющее и коммуникационное оборудование, составляющее сеть. В ее состав входят контроллер базовой станции (BSC -Base Station Controller) и несколько ретрансляторов (BTS - Base Transceiver Station). Базовые станции управляются мобильным коммутирующим центром (MSC - Mobile Service Center). Благодаря сотовой структуре, ретрансляторы покрывают местность зоной уверенного приема в одном или нескольких радиоканалах с дополнительным служебным каналом, по которому происходит синхронизация. Точнее происходит согласование протокола обмена аппарата и базовой станции по аналогии с процедурой модемной синхронизации (handshacking), в процессе которого устройства договариваются о скорости передачи, канале и т.д. Когда мобильный аппарат находит базовую станцию и происходит синхронизация, контроллер базовой станции формирует полнодуплексный канал на мобильный коммутирующий центр через фиксированную сеть. Центр передает информацию о мобильном терминале в четыре регистра: посетительский регистр подвижных абонентов или "гостей" (VLR - Visitor Layer Register), "домашний" регистр местных подвижных абонентов (HRL - Home Register Layer), регистр подписчика или аутентификации (AUC - AUthentiCator) и регистр идентификации оборудования (EIR - Equipment Identification Register). Эта информация уникальна и находится в пластиковой абонентской микроэлектронной телекарточке или модуле (SIM - Subscriber Identity Module), по которому производятся проверка правомочности абонента и тарификация. В отличие от стационарных телефонов, за пользование которыми плата взимается в зависимости от нагрузки (числа занятых каналов), поступающей по фиксированной абонентской линии, плата за пользование подвижной связью взимается не с используемого телефонного аппарата, а с SIM-карты, которую можно вставить в любой аппарат.

Карточка представляет собой не что иное, как обычный флэш-чип, выполненный по смарт-технологии (SmartVoltage) и имеющий необходимый внешний интерфейс. Его можно использовать в любых аппаратах, и главное - чтобы совпадало рабочее напряжение: ранние версии использовали 5.5В интерфейс, а у современных карт обычно 3.3В. Информация хранится в стандарте уникального международного идентификатора абонента (IMSI -International Mobile Subscriber Identification), благодаря чему исключается возможность появления "двойников" - даже если код карты будет случайно подобран, система автоматически исключит фальшивый SIM, и не придется в последствии оплачивать чужие разговоры. При разработке стандарта протокола сотовой связи этот момент был изначально учтен, и теперь каждый абонент имеет свой уникальный и единственный в мире идентификационный номер, кодирующийся при передаче 64 бит ключом. Кроме этого, по аналогии со скремблерами, предназначенными для шифрования/дешифрования разговора в аналоговой телефонии, в сотовой связи применяется 56 бит кодирование.

На основании этих данных формируется представление системы о мобильном пользователе (его местоположение, статус в сети и т. д.) и происходит соединение. Если мобильный пользователь во время разговора перемещается из зоны действия одного ретранслятора в зону действия другого, или даже между зонами действия разных контроллеров, связь не обрывается и не ухудшается, поскольку система автоматически выбирает ту базовую станцию, с которой связь лучше. В зависимости от загруженности каналов телефон выбирает между сетью 900 и 1800 МГц, причем переключение возможно даже во время разговора абсолютно незаметно для говорящего.

Звонок из обычной телефонной сети мобильному пользователю осуществляется в обратной последовательности: сначала определяются местоположение и статус абонента на основании постоянно обновляющихся данных в регистрах, а затем происходят соединение и поддержание связи. Максимальная мощность излучения подвижного аппарата в зависимости от его назначения (автомобильный постоянный или переносный, носимый или карманный) может изменяться в пределах 0.8-20 Вт (соответственно 29-43 dBm). В качестве примера в таблице 4.9. приводятся классы станций и абонентских устройств по применяемой мощности, принятые в системе GSM-900.

Временное разделение каналов (временное уплотнение линии связи)

Метод временного уплотнения используется в многоканальных линиях связи с временным разделением каналов. По таким линиям связи передаются импульсные сигналы, в то время как непрерывные сигналы типичны для линий связи с частотным разделением. При медленно изменяющихся телеметрических данных сигнал будет узкополосным (например, данные о температуре можно передавать с малой скоростью; скажем, один раз в 10 с), и крайне неэкономно за­нимать таким сигналом всю линию радиосвязи. Для увеличения эф­фективности передачи эту же линию связи можно использовать для передачи других измерений в паузах между передачей значений температуры. Ясно, что эффективное использование линии связи может быть достигнуто за счет временного разделения канала связи между несколькими измеряемыми параметрами, каждый из которых передается с частотой, соответствующей скорости его изменения. При таком временном разделении каждой измеряемой величине отводится свой повторяющийся временной интервал. В нашем при­мере в течение 10 с должно быть передано некоторое число разнооб­разных групп данных. Значения различных измеряемых величин. передаются одна за другой через одну и ту же линию связи, каждая величина в свои промежутки времени. Приемное устройство должно быть в состоянии разделить поток значений по каналам так, чтобы в каждом из каналов образовались последовательности значений, соответствующие первичной измеряемой величине. Для этого необ­ходимо обеспечить временную синхронизацию или метить каждый временной промежуток для того, чтобы на приемном конце можно было распознать каждый источник данных. На рис. 16 показаны временное уплотнение каналов и функциональная схема типичной телеметрической системы с разделением каналов по времени.

Общим методом опознавания каждого временного промежутка является отсчет его положения по отношению к синхронизующим импульсам, которые имеются в начале цикла передаваемых значе­ний данных, -«тактовые импульсы». На рис. 17,а показаны более подробные функциональные схемы коммутатора и декоммутатора.

Рис. 16.

а-распределение временных интервалов (10 каналов); б-упрощенная функциональная схема системы.

Коммутатор собирает множество входных каналов от источников сигналов в одну линию передачи. Счетчик задает каждый временной промежуток и, следовательно, место в цикле для каждого источника данных. Например, пятый канал данных в приведенной схеме под­ключен к линии радиосвязи в то время, когда счетчик находится в положении 5, или при счете 5. На рис. 17,б показана упрощенная схема коммутации и декоммутации. Когда переключатель коммута­тора находится в положении 1, в том же положении находится и переключатель декоммутатора, роль которого играет коммутатор, работающий в обратном направлении. Следовательно, данные пер­вого канала передаются и принимаются.Оба переключателя работа­ют синхронно.

Рис. 17.

а - функциональная схема; б - схема взаимодействия. Синхронизирующий сигнал в приемном устройстве может быть извлечен из передаваемых по линии связи синхроимпульсов или образован местным генератором.

Тактовый синхроимпульс обеспечивает точную синхронизацию начала цикла, гарантирующего согласованные переключения ком­мутатора и декоммутатора. Отметим, что в коммутаторе и декоммутаторе используется одинаковая аппаратура; различие заключается лишь в направлении движения данных.

Так как коммутация и декоммутация управляются фиксированной частотной синхронизацией, частота переключений также стабиль­на и длительность каждого временного промежутка одинакова. Однако это может быть невыгодным в случаях, когда для различных источников данных требуются существенно разные полосы частот. Для того чтобы понять связь между полосой частот и частотой пере­ключении, необходимо рассмотреть процесс выборки данных.

Как отмечалось ранее, синусоида может быть восстановлена из последовательности выборок ее мгновенных значений. Для воспроизведения синусоиды частоты 1 кГц с высокой верностью (искажения менее 1%) требуется по меньшей мере 5 выборок из каждого периода сигнала. Следовательно, сигнал с частотой 1 кГц должен быть подвергнут дискретизации со скоростью 5000 значений в секунду, т. е. 5 выборок на период измеряемой величины. Если мы предполагаем коммутировать сигналы от 10 источников данных (имеющих полосы частот по 1 кГц), для каждого из которых требует­ся скорость дискретизации 5000 выборок в секунду, то необходима скорость коммутации 10×5000 выборка/с = 50000 выборка/с. Ком­мутатор должен переключаться от источника к источнику с частотой 50 кГц (через 20 мс), так что каждый источник сигналов будет опро­шен один раз за каждые 10 переключений, т. е. один раз каждые 20 мс, но с частотой 5 кГц. Частота тактов, т. е. число тактов в секун­ду, будет равна 5000 такт/с. Частота переключений равна тактовой частоте, умноженной на число источников данных в системе, или тактовой частоте, умноженной на число импульсов в такте (5000×10=50000 имп./с). Линия связи должна быть в состоянии передавать импульсные данные с такой высокой частотой (50000 имп./с) без ощутимых искажений. Это означает, что необходима система связи. с шириной полосы пропускания гораздо больше 50000 Гц.

Выборки данных от различных источников в системе, показанной на рис. 16,б, непосредственно модулируют несущую. Наряду с такой непосредственной модуляцией часто бывает, что выборки данных используются для модуляции поднесущей, которая в свою ечередь модулирует несущую, как это показано штриховыми лини­ями на рис. 16,б. Выборки данных от группы источников переда­ются, таким образом, на одной из поднесущих в системе с частотным уплотнением каналов. Это позволяет применять оба метода уплот­нения каналов в одной линии связи. Сами по себе выборки данных это не что иное, как импульсные значения сигнала при амплитудно-импульсной модуляции (АИМ), т.е. информация является амплитудно-нмпульсно-модулированной. Так как такие АИМ-сигналы модулируют поднесущую (например, путем ЧМ), которая затем мо­дулирует несущую (к примеру, также путем ЧМ), то в результате получается АИМ/ЧМ/ЧМ-система.

Теперь рассмотрим пример, демонстрирующий влияние дискре­тизации сигнала на ширину полосы частот системы связи.

Рассмотрим несущую с частотой 100 МГц, которая модулируется (ЧМ) поднесущей с центральной частотой 70 кГц. Информация пере­носится с помощью частотной модуляции поднесущей 70 кГц. Таким образом, имеем ЧМ/ЧМ-канал связи. Чтобы соответствовать стан­дартам, необходимо ограничить девиацию частоты поднесущей до ±15%. Это означает, что при индексе модуляции 5 ширина полосы информации ограничена до 2100 Гц, т. е. получается гораздо уже полосы 50000 Гц, необходимой для предложенной системы с уплот­нением каналов. Если число выборок в такте было бы сокращено до одной, что означает оставление одного из источников данных, то потребовалась бы частота переключений 5 кГц, т. е. по-прежнему шире полосы 2100 Гц, которой располагает поднесущая 70 кГц. Отметим, что в случае одного источника данных не требуется ника­кого уплотнения каналов и, следовательно, возможна прямая непре­рывная передача (без выборки). В этом случае ширина полосы 2100 Гц в два раза больше полосы, необходимой для сигнала от одного источника (1 кГц в предыдущем примере). Такое ухудшение эффективности использования полосы частот (при дискретизации требуется полоса 5 кГц, без дискретизации - только 1 кГц) обус­ловлено свойствами самой дискретизации сигнала. При форми­ровании пяти выборок мгновенных значений сигнала на каждый пе­риод непрерывного сигнала мы расширяем полосу частот сигнала более чем в пять раз, а следовательно, и требуемую полосу канала. Хотя при использовании одной поднесущей для передачи сигналов от большого числа источников полоса частот используется неэффек­тивно, но это имеет и свои достоинства, проявляющиеся при узкополосных сигналах от источников. Поэтому временное разделение, требующее дискретизации сигнала, в основном используется в при­ложениях с низкими требованиями к полосе частот. Однако широкополосные сигналы тоже.могут быть переданы с использованием дли­тельных выборок. Длительность каждой выборки в таком методе го­раздо больше, чем период ннформации, и составляет 5 и более ее периодов. Это просто означает, что выборка содержит не одно мгно­венное значение, а конечный отрезок значений сигнала, передавае­мый в данный тактовый интервал времени. При таком методе необ­ходимо быть уверенным в отсутствии потерь данных за время пере­рыва передачи ниформацин от определенного источника.

Выше предполагалось, что способом передачи является ЧМ/ЧМ. Следовательно, в каждый отдельный интервал времени изменяю­щаяся частота поднесущей представляет собой значение измеряе­мой величины, подвергнувшейся выборке в это время. В течение этого интервала времени отклонение частоты от центра поднесущей соответствует напряжению выборки, которое модулирует частоту поднесущей. Ширина этих временных интервалов фиксирована, а такт их последовательности задается синхроимпульсом. Синхроим­пульс вызывает максимальное отклонение частоты и имеет длитель­ность, равную удвоенному обычному временному промежутку. Уширение необходимо для выделения импульса синхронизации из им­пульсов выборок сигналов.

Установление стандартов и контроль характеристик линий пе­редачи осуществляются различными государственными или между­народными органами (в зависимости от характера линий: спутнико­вая телеметрия - международными соглашениями, промышленная телеметрия - органами государственного контроля и т.д.). На­пример, тактовая частота должна поддерживаться постоянной с точностью ±5% (долговременная стабильность); длина такта огра­ничена не более 128 временными интервалами и т.д. (IRIG , «Стан­дарты телеметрии»). Отметим еще, что при высоких частотах поднесущих полоса часто оказывается шире; значит, частота переключении может быть выше.

Для повышения эффективности иногда полезно иметь неодина­ковую частоту выборки для разных источников.

Источник широкополосной информации должен опрашиваться чаще, чем узкополосный. Это легко достигается простыми изменения­ми во внутренних соединениях коммутатора и декоммутатора. На­пример, если мы соединим положения 1 и 5 в десятиточечном комму­таторе (уплотнителе каналов), то источник данных, соединенный с положениями 1 и 5, будет опрошен дважды за один такт, т. е. с уд­военной частотой. Возможно также произвести подкоммутацию, т.е. выделить один или более временных интервалов, длительность которых разбивается на части для передачи данных от дополнитель­ного ряда источников. Длительность интервала основного такта становится при этом подтактом для подкоммутатора.

Эти методы позволяют легко приспособить систему к широкому диапазону требований к полосе частот.

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