Лекция 8. Многоканальная связь и распределение информации

Наиболее дорогостоящей частью системы передачи информации (СПИ) являются линии связи – кабельные, волноводные, световодные, радиорелейные и т.п. Естественно возникает задача совместного использования этого оборудования различными пользователями (абонентами), т.е. многоканальной связи или уплотнения. Тем самым повышается эффективность использования ресурсов линии.

Многоканальная связь возможна лишь тогда, когда пропускная способность совместно используемого оборудования больше суммарной информационной производительности всех источников. При этом ресурсы линии связи должны быть некоторым образом распределены между пользователями.

На рис. 8.1. изображена упрощенная схема передающей и приемной частей многоканальной СПИ, предназначенной для передачи в одном направлении.

На схеме обозначено: И1, ..., Иn – источники информации (сообщений); ГП – генераторы поднесущих; М1, ..., Мn – канальные модуляторы; УУК – устройство уплотнения каналов; УРК – устройство разделения каналов; Д1, ..., Дn – канальные демодуляторы; П1, ..., Пn – получатели сообщений.

Рис. 8.1. Упрощенная схема многоканальной СПИ

Генератор поднесущих выдает n периодических сигналов (гармонических, последовательностей импульсов и т.п.), имеющих разную форму в разных каналах. Вид поднесущих и, следовательно, возможные способы их модуляции определяются методом уплотнения

каналов. Модулированные поднесущие S1(t),...,Sn(t) называются

канальными сигналами. Операция уплотнения каналов – это обычное суммирование канальных сигналов

(8.1)

Для разделения каналов, как правило, применяются линейные устройства. Считают, что в приемнике происходит разделение канальных сигналов без возникновения междуканальных помех, если выполняется следующее условие: при любых значениях сообщений, передаваемых в каналах, напряжение на j-м выходе линейного устройства разделения каналов равно нулю тогда и только тогда, когда Sj(t) = 0.

Известно, что для выполнения этого условия необходимо и достаточно, чтобы система n функций, описывающих канальные сигналы, была линейно независимой при любых значениях передаваемых сообщений.

Если выполняется лишь это условие, устройство разделения каналов может оказаться достаточно сложным.

Поэтому обычно выдвигают еще одно, дополнительное требование: канальные сигналы должны быть к тому же попарно ортогональны

(8.2)

где Ej – энергия j-го канального сигнала.

Приведем примеры типичных СПИ, использующих ортогональные канальные сигналы.

1. Канальные сигналы не перекрываются во времени (рис. 8.2). Условие ортогональности (8.2) здесь выполняется, так как при любом t подынтегральное выражение равно нулю при j ≠ k. Это метод временного разделения каналов (ВРК). Используются также термины: временное мультиплексирование, многостанционный доступ с временным разделением каналов (МДВР), Time Division Multiple Access (TDMA).

Фактически линия связи поочередно подключается на короткое время к каждому из источников. Поэтому принципиальными элементами такой СПИ являются мультиплексор (устройство уплотнения каналов) и демультиплексор (устройство разделения каналов), всегда работающие синхронно (рис. 8.3). Поэтому неотъемлемой составной частью любой СПИ с ВРК является система синхронизации приемного устройства.

Важно отметить, что длительность канального интервала (слота) мала (в противном случае у пользователей исчезнет эффект «одновременности» передачи), поэтому за время одного подключения к линии удается передать лишь часть сообщения и неоднократно повторять этот процесс, все перечисленные элементы сигналов источников должны быть сжаты во

времени.

Рис. 8.2. Канальные сигналы, не перекрывающиеся во времени

Рис 8.3. Принципиальные элементы СПИ с ВРК

2. Спектры канальных сигналов не перекрываются на оси частот. Спектр группового сигнала (сумма спектров канальных сигналов) показан на рис. 8.4. Условие ортогональности (8.2) здесь выполняется для спектров, следовательно, и для функций времени. Это метод частотного разделения каналов (ЧРК). Используются также термины: частотное мультиплексирование, многостанционный доступ с частотным разделением каналов (МДЧР), Frequency Division Multiple Access (FDMA).

Рис. 8.4. Спектры канальных сигналов не перекрывающиеся на оси частот

Каждой паре «источник-получатель» выделена своя полоса частот. Поэтому принципиальными элементами такой СПИ являются блок n генераторов гармонических колебаний разных частот поднесущих в передатчике и набор полосовых фильтров для разделения канальных сигналов в приемнике.

3. Все канальные сигналы передаются одновременно (перекрываются во времени) в одной общей полосе частот (их спектры также перекрываются), но взаимная ортогональность сигналов обеспечена тем, что все они имеют разную форму. Тогда устройство разделения каналов – это набор n параллельно включенных корреляционных приемников или согласованных фильтров, на входы которых подается принимаемый групповой сигнал. В каждом приемнике весовая функция w(t) совпадает по форме с соответствующим канальным сигналом, поэтому он реагирует лишь на сигнал данного канала. Последнее требование удается выполнить лишь в цифровой СПИ.

Такой метод называется многоканальной передачей с разделением по форме сигналов. В качестве набора канальных сигналов можно использовать любую известную из курса математики систему ортогональных функций (функции Эрмита, Лагерра, Чебышева и т. п.), но все эти функции имеют довольно сложную форму. Поэтому для практического использования предложен более простой вариант метода, когда в качестве канальных сигналов применяются импульсы с внутриимпульсной фазовой модуляцией, причем закон модуляции каждого

канального сигнала задается индивидуальной двоичной кодовой комбинацией.

В таком виде метод получил название кодового разделения каналов (КРК). Используются также термины: кодовое мультиплексирование, многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (МДКР), Code Division Multiple Access (CDMA).

8.1. Частотное разделение каналов

Сообщения с выходов источников (рис. 8.1) 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, далее каждый канальный приемник (в полосовом фильтре) выделяет «свой» канальный сигнал, демодулирует его и выделяет сообщение.

Т.о. частотное разделение каналов основано на распределении полосы пропускания группового канала между индивидуальными каналами.

Недостатки частотного разделения каналов.

Во-первых, из-за неидеальности полосовых фильтров необходимы защитные интервалы, которые составляют около 20% полосы пропускания группового канала связи. Например, в многоканальных телефонных системах для передачи речевых сигналов установлена полоса частот 3100 Гц (считается, что 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, нелинейность канала приводит к появлению кратных и комбинационных составляющих, а т.к. ширина спектра канальных сигналов значительно больше защитного интервала, эти составляющие попадают в «чужие» каналы и разделить их путем фильтрации или каким- либо другим способом невозможно).

8.2. 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.