20.1. Частотное разделение каналов
Сообщения с выходов источников (рис. 20.1) поступают на канальные модуляторы, где происходит модуляция гармонических колебаний с различными частотами, называемых поднесущими. Частоты поднесущих колебаний должны различаться настолько, чтобы спектры модулированных сигналов не накладывались друг на друга во избежание взаимных помех. После модуляции информационные сигналы занимают ограниченные полосы частот, которые могут отличаться по ширине от спектров исходных колебаний (например, при частотной или фазовой модуляции), или совпадать с ними (при ОБП-модуляции). Важно, чтобы полосы частот, занимаемые различными сигналами, не только не перекрывались, но и отстояли друг от друга на ширину некоторого защитного интервала, что облегчает их последующее разделение при помощи реальных фильтров, имеющих конечную крутизну АЧХ в переходной полосе.
Индивидуальные канальные (модулированные) сигналы суммируются и поступают на групповой передатчик, где происходит модуляция несущего колебания групповым сигналом, после чего модулированный линейный сигнал передается в линию связи. Групповой приемник производит демодуляцию линейного сигнала, после чего каждый канальный приемник выделяет при помощи полосового фильтра «свой» канальный сигнал, демодулирует его и выделяет сообщение.
Как видно, частотное разделение каналов основано на распределении одного из ресурсов – полосы пропускания группового канала – между различными индивидуальными каналами.
Частотному разделению каналов свойственны следующие недостатки.
Во-первых, из-за неидеальности полосовых фильтров необходимы защитные интервалы, которые суммарно составляют около 20% полосы пропускания группового канала связи. Например, в многоканальных телефонных системах для передачи речевых сигналов установлена полоса частот 3100 Гц (считается, что при передаче речи для обеспечения разборчивости с сохранением индивидуальных голосовых признаков достаточен диапазон от 300 до 3400 Гц), а ширина защитного интервала составляет 900 Гц; таким образом, при объединении N телефонных каналов общая ширина полосы частот группового канала составляет 4N кГц.
Во-вторых, предъявляются очень жесткие требования к линейности канала (нелинейность приводит к появлению кратных и комбинационных составляющих, а поскольку спектры канальных сигналов имеют ширину значительно больше защитного интервала, эти составляющие попадают в «чужие» каналы и разделить их путем фильтрации или каким-либо другим способом невозможно).
20.2. Временное разделение каналов
Временнóе уплотнение (временнóе разделение каналов, ВРК) основано на распределении временнóго ресурса группового канала между различными индивидуальными каналами. Каждый пользователь, передающий информацию, получает канал в свое пользование многократно на короткое время. Очевидно, таким образом можно передавать лишь отсчеты сигнала, взятые с шагом, равным периоду следования тактовых интервалов. Таким образом, в основе ВРК лежит использование теоремы отсчетов, и передавать можно лишь сигналы с финитным спектром.
Для формирования канальных сигналов используются различные виды импульсной модуляции (АИМ, ВИМ, ШИМ). Групповой сигнал может передаваться непосредственно по линии или модулировать гармоническую несущую.
Рис. 20.5. Упрощенная структурная схема СПИ с ВРК
Источники первичных сигналов ИС соединены с коммутатором передатчика Кпер. Коммутатор поочередно подключает источники к импульсному модулятору ИМ, который модулирует сигнал-переносчик – периодическую последовательность импульсов. В результате этого получается групповой сигнал, который поступает в канал связи КС, который может включать модулятор гармонической несущей, линию связи и общий демодулятор. После общей демодуляции групповой сигнал разделяется коммутатором приемника Кпр на канальные сигналы s1(t),...,sN(t), которые после демодуляции в импульсных демодуляторах ИД поступают к получателям сигналов ПС.
Следует отметить, что в системах связи с ВРК во избежание межканальных помех необходима синхронизация приемной и передающей станций, поэтому в линейный сигнал, кроме канальных сигналов, добавляется периодическая последовательность синхроимпульсов, которые должны достаточно сильно отличаться от канальных импульсов, чтобы их можно было легко выделить.
Для снижения уровня взаимных помех приходится вводить защитные временные интервалы между соседними импульсами, что приводит или к уменьшению числа каналов, или к укорочению канальных импульсов, что ведет к расширению требуемой полосы частот группового канала.
Например, при передаче речевых сигналов (ширина спектра 3100 Гц), минимальная частота дискретизации должна быть равна 6200 Гц. Однако в действительности частоту дискретизации принимают равной 8 кГц, что требует для передачи канальной импульсной последовательности полосы частот около 4 кГц.
В результате общая полоса частот группового канала практически совпадает с полосой, требуемой при ЧРК. Если учесть необходимость дополнительной передачи синхроимпульсов, то сравнение получается не в пользу ВРК.
Вместе с тем роль временного разделения возрастает в связи с широчайшим распространением цифровых систем связи.
Режим асинхронной передачи применяется только в цифровых СПИ. При подключении источника к линии передается пакет, то есть небольшая часть сообщения, например файла, содержащая обычно от сотен до нескольких тысяч бит. Порядок подключения источников к линии – произвольный, по мере возникновения необходимости, поэтому циклы, как таковые, здесь отсутствуют. В начальной части каждого пакета имеется заголовок, где, кроме прочего обязательно указан номер получателя.
Параметры цифровых СПИ с временным разделением каналов стандартизованы. Первый из наиболее важных стандартов носит название плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ) – Plesyochronous Digital Hierarchy (PDH) – и определяет способ мультиплексирования стандартных цифровых телефонных сигналов для их передачи по медному кабелю.
Так стандартный цифровой телефонный сигнал (DSO) получается в результате АЦП стандартного аналогового телефонного сигнала и характеризуется скоростью 64 кбит/с.
Первая ступень уплотнения PDH (аппаратура ИКМ-30) рассчитана на организацию 32 каналов методом временного побайтного мультиплексирования, в итоге на выходе формируется цифровой поток Е1 со скоростью 64 × 32 = 2048 кбит/с. Из них 2 канала являются служебными (передача сигналов цикловой синхронизации, передача команд для управления коммутирующими приборами на АТС и др.), а остальные 30 – пользовательскими.
Каждая из ступеней более высокого уровня (аппаратура ИКМ-120, ИКМ-480, ИКМ-1920) рассчитана на уплотнение четырех цифровых потоков низшего уровня методом временного побитного мультиплексирования, а пятый уровень пока не имеет аппаратурной реализации (и, по-видимому, не будет иметь из-за конкуренции с методами передачи по оптическому кабелю).
Другой важный стандарт носит название синхронной цифровой иерархии (СЦИ) – Synchronous Digital Hierarchy (SDH) – и определяет способ мультиплексирования цифровых потоков для их передачи по оптоволоконному кабелю. Аппаратура SDH не предназначена для мультиплексирования мелких цифровых потоков, поступающих от пользователей (для этого используется аппаратура PDH, например ИКМ-30), она применяется для транспортировки более крупных потоков между узлами сети. Синхронная цифровая иерархия создавалась для работы в синхронных сетях связи, где существует синхронизация всех узлов сети из единого центра. Благодаря этому скорости передачи всех однотипных потоков строго одинаковы. Передача цифровых сигналов на каждом уровне мультиплексирования осуществляется блоками длительностью 125 мкс.