Системы многоканальной связи с частотным, временным и фазовым разделением

Функциональная схема простейшей системы многоканальной связи с разделением каналов по частоте представлена на рис. 7.3.

Проследим основные этапы образования сигналов, а также их изменение в процессе передачи. Сначала в соответствии с передаваемыми сообщениями, имеющими спектры ,

Рис.7.3Функциональная схема системы многоканальной передачи с частотяым разделением сигналов:

ИС—источники сообщений, — канальные модуляторы, — канальные фильтры, М — групповой модулятор; П—групповой приемник; —канальные демодуляторы, ПС — получатели

модулируются поднесущие частоты каждого канала. Эта операция выполняется модуляторами канальных передатчиков. .Полученные на выходе частотных фильтров спектры канальных сигналов занимают соответственно полосы частот (рис. 3.4), .которые в общем случае могут превышать ширину спектров сообщений , т.е. В частности, при широкополосных видах модуляции, например, при ЧМ, ширина спектра (см. п. 4.2), при ОБП . Для простоты бу­дем считать, что используется ОБП (как это принято в системах многоканальной связи с частотным разделением), т. е.

и . (7.18)

Затем спектры суммируются (СУ на рис.7.3):

(7.19)

и их совокупность поступает на групповой модулятор М. Здесь спектр переносится в область частот ,отведенную для передачи данной группы каналов, т. е. групповой сигнал преобразуется в линейный сигнал .

На приемном конце линейный сигнал поступает на групповой демодулятор (приемник П), который преобразует спектр линейного сигнала в спектр груп-

Рис. 7.4  Преобразование спектров в системе с частотным разделением сигналов

пового сигнала . Затем спектр группового сигнала частотными фильтрами с коэффициентами передачи вновь разделяется на полосы , соответствующие отдельным каналам. Наконец, канальные демодуляторы преобразуют спектры сигналов в cпектры сообщений , предназначенные получателям.

Из приведенных пояснений легко нанять 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 должен пропустить без ослабления лишь те частоты , которые принадлежат сигналу данного канала; частоты сигналов всех других каналов фильтр должен подавить. Такой способ разделения сигналов называется частотным.

Перейдем теперь к математической формулировке сущности частотного разделения сигналов.

Поскольку различимым признаком при образовании многоканального сигнала является частота , то операцию (7.14), выполняемую приемным устройством k-го канала при частотном разделении, можно записать в виде

(7.20)

или с учетом (6.19) имеем

. (7.21)

Последнее условие выполняется, поскольку спектры и ортогональны, т. е. занимают не перекрывающиеся области частот и :

. (7.22)

Из (7.20) следует, что действие частотного фильтра k-го канала можно рассматривать как выделение из более широкого спектра группового сигнала лишь той его части , которая принадлежит сигналу k-го канала. Используя геометрические представления, можно сказать, что частотная характеристика полосового фильтра определяет направление координатных осей оператора проектирования :пространство группового сигнала с шириной спектра проектируется на подпространство канального фильтра с полосой пропускания .

Итак, для полного разделения сигналов различных каналов необходимо иметь такие фильтры , полоса пропускания которых полностью соответствует спектру сигнала ;на гармонические составляющие за пределами полосы фильтр реагировать не должен. При этом имеется в виду, что энергия сигналов полностью сосредоточена в пределах ограниченной полосы , отведенной -му каналу. Если бы оба эти условия удовлетворялись, то посредством частотных фильтров можно было бы разделить сигналы различных каналов без взаимных помех. Однако ни одно из них практически невыполнимо. Результатом являются взаимные помехи между каналами. Они возникают как за счет неполного сосредоточения энергии сигнала -го канала в пределах заданной полосы частот , так и за счет неидеальности характеристик реальных полосовых фильтров. На практике приходится учитывать также взаимные помехи, возникающие за счет нелинейности амплитудных характеристик группового канала.

Д ля снижения взаимных помех до допустимого уровня приходится вводить защитные интервалы частот (рис. 7.5). Так, например, в современных системах многоканальной связи каждому телефонному каналу выделяется полоса частот 4 кГц, хотя спектр передаваемых звуковых сигналов ограничивается полосой от 300 до 3400 Гц, т. е. ширина его 3,1 кГц. Между полосами частот соседних каналов предусмотрены интервалы шириной 0,9 кГц, предназначенные для снижения уровня взаимных помех. Это означает, что в многоканальных системах связи с частотным разделением эффективно используется лишь около 80% полосы пропускания линии связи.

Временной способ разделения сигналов. Принцип временного разделения весьма прост и давно применяется в телеграфии. Он состоит в том, что с помощью электромеханических или электронных коммутаторов групповой канал связи предоставляется поочередно для передачи сигналов каждого канала многоканальной системы. Сначала передается сигнал 1-го канала, затем следующего канала и так далее до последнего канала за номером N, после чего опять включается 1-й канал, и процесс периодически повторяется (рис.7.6).

На приемном конце устанавливается аналогичный переключатель , который подключает групповой канал поочередно к приемникам разных каналов. Приемник каждого k-го канала должен быть включен только на время передачи k-го сигнала и выключен все остальное время, пока 'передаются сигналы других каналов. Это означает, что для нормальной работы многоканальной системы

Рис.7.6Упрощенная блок-схема многоканальной связи с временным разделением сигналов

с временным разделением необходима синхронная и синфазная работа коммутаторов на приемной и передающей стороне. Часто для этого один из каналов занимается под передачу спе­циальных импульсов синхронизации, предназначенных для согласованной во времени работы и .

Рис.7.7Временные диаграммы

двухканальной системы

Таким образом, сущность временного способа организации многоканальной связи состоит в том, что сигналы различных каналов, например, 1-го и 2-го (на рис. 7.7), передаются по линии свя­зи поочередно и в той же последовательности подключаются к приемникам. Переносчиком сообщений здесь является последовательность импульсов (с периодом ), поступающая на импульсный модулятор ИМ от генератора тактовых импульсов ГТИ. Пусть для простоты передача ведется с помощью сигналов амплитудно-импульсной модуляции АИМ. Групповой сигнал (рис. 7.7,а) поступает на коммутатор . Последний выполняет роль «временных» фильтров или ключей, проводимость которых (рис. 7.7,б) изменяется синхронно (с периодом ) и синфазно с изменениями проводимости :

. (7.23)

Это означает, что в пределах каждого временного интервала линия связи соединена только с k-м импульсным детектором ИД-k. Полученные в результате детектирования сообщения поступают к получателю сообщений ПС-k. Таким образом, при временном разделении необходимо, чтобы изменения проводимости совпадали по времени с , а для этого, как следует из (7.16) необ-ходимо обеспечить

; (7.24)

(7.25)

и, следовательно, коммутатор сможет разделить сигналы при многоканальной передаче.

При временном разделении взаимные помехи в основном обусловлены двумя причинами.

Рис.7.8Форма импульсов l-го и

2-го каналов:

Первая из них состоит в том, что за счет ограниченности полосы частот

а) при неограниченном спектре,

б) при ограниченном спектре

всякой физически осуществимой системы связи нарушается импульсный характер сигналов. Действительно, если при передаче модулированных импульсов конечной длительности ограничить спектр, то импульсы «расплывутся» и вместо импульсов конечной длительности (рис. 7.8,а) мы получим процессы, бесконечно протяженные во времени (рис. 7.8,б). При временном разделении

сигналов это приведет к тому, что импульсы одного канала будут накладываться на импульсы других каналов (рис. 7.8,б). Иначе говоря, между каналами возникают взаимные переходные помехи (взаимная интерференция символов). Кроме того, взаимные помехи могут возникать из-за несовершенства синхронизации.

Для снижения уровня взаимных помех приходится вводить «защитные» временные интервалы, что соответствует некоторому расширению спектра сигналов. Так, в многоканальных системах коммерческой телефонии полоса эффективно передаваемых частот устанавливается F=3100 Гц; в соответствии с теоремой Котельникова минимальное значение периода следования тактовых импульсов можно было бы взять мкс.

Однако в реальных системах период следования импульсов выбирают с некоторым запасом и принимают равным мкс, что соответствует частоте =

8 кГц. Это, естественно, приводит к снижению эффективности использования спектра. При временном разделении сигнал каждого канала занимает одинаковую полосу частот, определяемую из соотношения (без учета канала синхронизации):

,

где , что совпадает с общей полосой частот системы при частотном разделении. Хотя теоретически временное и частотное разделения позволяют достигнуть одинаковой эффективности использования спектра, тем не менее пока что 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 поочередной передаче сигналов разных каналов отсутствуют взаимные помехи, обусловленные нелинейностью тракта передачи.