9.2. Частотное, временное и фазовое разделение сигналов (каналов)

Частотное разделение сигналов (каналов)

Проследим основные этапы формирования многоканального сигнала при частотном разделении каналов (ЧРК). Сначала в соответствии с передаваемыми сообщениями первичные сигналы a_i(t), имеющие энергетические спектры ,,…,модулируют поднесущие частотыкаждого канала. Эту операцию выполняют модуляторы,, … ,канальных передатчиков. Полученные на выходе частотных фильтров,, … ,спектрыканальных сигналов занимают соответственно полосы частот,,…,(рис.9.2).

Рис. 9.2. Схема частотного уплотнения и разделения каналов

Будем считать, что каждое из подлежащих передаче сообщений a_i(t) занимает полосу частот стандартного ТЧ-канала . В процессе формирования группового сигнала каждому канальному сигналуS_i(t) отводится неперекрывающаяся со спектрами других сигналов полоса частот (рис. 9.3). Тогда общая полоса частотN-канальной группы будет равна

. (9.8)

Рис.9.3 Преобразование спектров в системе с ЧРК

Считая, что применяется однополосная модуляция, а каждый канальный сигнал занимает полосу частот

, (9.9)

для спектра группового сигнала получим

. (9.10)

Групповой сигнал преобразуется в линейный сигнал, передается по линии связи (тракту передачи). На приемной стороне после преобразования линейного сигнала в групповой, последний с помощью полосовых канальных фильтровФ_k с полосой пропускания и демодуляторов преобразуется в канальные сообщения, которые направляются получателю.

Короче говоря, в многоканальных системах с ЧРК каждому каналу отводится определенная часть общей полосы частот группового сигнала. На вход приемного устройства i-го канала одновременно действуют сигналы S_i всех N каналов. С помощью частотных фильтров Ф_i выделяются лишь те частоты , которые принадлежат данномуi-му каналу.

За счет неидеальности характеристик полосовых канальных фильтров возникают взаимные переходные помехи между каналами. Для снижения этих помех приходится вводить защитные частотные интервалы между каналами .

Таким образом

(9.11)

Это означает, что в системах с ЧРК эффективно используется лишь около 80% полосы пропускания тракта передачи. Кроме того, необходимо обеспечить очень высокую степень линейности всего группового тракта.

Временное разделение сигналов (каналов)

При временном способе разделения каналов (ВРК) групповой тракт с помощью синхронных коммутаторов передатчика (К_пер) и приемника (К_пр) поочередно предоставляется для передачи сигналов каждого канала многоканальной системы. (В современной аппаратуре механические коммутаторы практически не используют. Вместо них применяют электронные коммутаторы, выполненные, например, на регистрах сдвига.) При ВРК сначала передается сигнал 1-го канала, затем следующего и т.д. до последнего канала за номером N, после чего опять подключается 1-й канал, и процесс повторяется с частотой дискретизации (рис.9.4).

В качестве канальных сигналов в системах ВРК используются неперекрывающиеся во времени последовательности модулированных импульсов S_i(t); совокупность канальных импульсов – групповой сигнал S_г(t) передается по линии связи. Действие коммутатора на приемной стороне К_пр можно отождествить с ключом, соединяющим линию с приемником i-го канала только на время прохождения импульсов i-го канала (“временной фильтр” Ф_i). После демодуляции сообщения a_i(t) поступают к i-му получателю.

Для нормальной работы многоканальной системы с ВРК необходима синхронная работа коммутаторов на передающей и приемной сторонах. Часто для этого один из каналов занимают под передачу специальных импульсов синхронизации для согласованной во времени работы К_пер и К_пр.

Рис. 9.5. Временное разделение

двух сигналов с АИМ

На рис. 9.5 представлены временные диаграммы двухканальной системы с АИМ. Переносчиком сообщений здесь являются последовательности импульсов с периодом

, (9.12)

поступа­ющих на импульсный модулятор (ИМ) от генератора тактовых импульсов (ГТИ). Групповой сигнал (рис. 9.5,а) поступает на коммутатор . Последний выполняет роль «временных» пара­метрических фильтров или ключей, передаточная функция которых. (рис. 9.5,б) изменяется синхронно (с периодом ) и синфазно с изменениями передаточной функции:

(9.13)

Это означает, что к тракту передачи в пределах каждого времен­ного интервала подключен только-й импульсный детектор ИД-. Полученные в результате детектированиясообщения поступают к получателю сообщений ПС-.

Оператор , описывающий работу ключевого фильтра, выре­зает из сигнала интервалы, следующие с периодоми отбрасывает остальную часть сигнала.

Здесь, как и ранее, обозначает интервал, в течение которого передаются сигналы-го источника.

При временном разделении взаимные помехи в основном обус­ловлены 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. Действительно, если при переда­че модулированных импульсов конечной длительности ограничить спектр, то импульсы «расплывутся» и вместо импульсов конеч­ной длительности получим процессы, бесконечно протяженные во времени. 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.

Для снижения уровня взаимных помех приходится вводить «защитные» временные интервалы, что соответствует некоторому расширению спектра сигналов. Так, в многоканальных системах телефонии полоса эффективно передаваемых частот = 3100 Гц; в соответствии с теоремой Котельникова минимальное значение= 2= 6200 Гц. Однако в реальных системах частоту следова­ния импульсов выбирают с некоторым запасом:= 8 кГц. Для передачи таких импульсов в одноканальном режиме потребуется полоса частот не менее 4 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)

, (9.14)

где , что совпадает с общей полосой частот системы при частотном разделении.

Хотя теоретически ВРК и ЧРК эквивалентны по эффективности использования частотного спектра, однако в реальных условиях системы ВРК заметно уступают ЧРК по этому показателю из-за трудностей снижения уровня взаимных помех при разделении сигналов. Вместе с тем, неоспоримым преимуществом ВРК является снижение уровня помех нелинейного происхождения за счет разновременности действия импульсов различных каналов, в системах ВРК ниже пик-фактор. Существенно также, что аппаратура ВРК значительно проще аппаратуры ЧРК. Наиболее широкое применение ВРК находит в цифровых системах с ИКМ.

Фазовое разделение сигналов

Рассмотрим теперь множество синусоидальных сигналов:

(9.15)

Здесь подлежащая передаче информация содержится в, изме­нениях амплитуды (амплитудная модуляция), несущая часто­та сигналов— одна и та же, а сигналы различаются начальны­ми фазами.

Среди множества N сигналов (9.15) лишь любые два сигнала являются линейно-независимыми; любые сигналов линейно-зависимы это означает, что на одной несущей частотепри произвольных значениях амплитудии фазиможно обеспечить лишь двухканальную передачу.

На практике преимущественно используют значение -:

, . (9.16)

При этом сигналы иортогональны, что облегчает реализацию системы и улучшает ее энергетические показатели.