3. Разделение сигналов по фазе
Рассмотрим множество сигналов:
(9.12)
где
– коэффициенты,
отображающие передаваемые сообщения;
–
разность фаз между сигналами соседних
каналов.
Сигналы
(9.12) различаются по фазе и, казалось бы,
могут
быть использованы для построения
многоканальной передачи
на одной несущей частоте ω0
нескольких
сообщений. Однако
из множества различающихся по фазе
сигналов (9.12) линейно независимы только
любые два сигнала. Поэтому на одной
несущей частоте ω0,
при произвольных
значениях
амплитуд
и
и фаз
и
,можно обеспечить
лишь двухканальную передачу, причём
разность фаз переносчиков -
9.3. Разделение сигналов по форме. Системы передачи с шумоподобными сигналами
1. Разделение линейно независимых сигналов
Для разделения сигналов могут использоваться не только такие очевидные признаки, как частота и время. Наиболее общим признаком может служить форма сигналов. Различающиеся по форме сигналы могут передаваться одновременно, иметь перекрывающиеся частотные спектры, и тем не менее такие сигналы можно разделить, если выполняется условие их линейной независимости или условие ортогональности.
Сущность
селекции сигналов по форме заключается
в следующем.
Определяют взаимную энергию принятого
сигнала
и передаваемых
сигналов
i=1,2,…,N.
Для случайных
переносчиков взаимная энергия
пропорциональна взаимокорреляционной
функции.) Принимают решение, что
передавался
тот сигнал, взаимная энергия которого
с принятым максимальна.
Например, если:
(9.13)
принимается решение о том, что передавался сигнал si(t). На практике используют слабокоррелированные сигналы, взаимная энергия которых намного меньше энергии каждого сигнала. В качестве переносчиков при формировании различающихся по форме сигналов находят применение различные ортогональные функции, полученные на основе ортогонализации степенного ряда либо на основе дискретных ортогональных последовательностей в виде функций Уолша.
2. Системы передачи с шумоподобными сигналами
Рассмотренные выше системы многоканальной передачи с ортогональными и линейно независимыми сигналами требуют для нормальной работы той или иной синхронизации: точного совпадения спектра сигнала с полосой пропускания при частотном разделении каналов; точного совпадения временных интервалов передачи сигналов отдельных каналов при временном разделении каналов; точного определения моментов начала и конца тактового интервала в системах с разделением сигналов по форме активными фильтрами; точной установки момента отсчета в системах с согласованными фильтрами.
В ряде случаев осуществить точную синхронизацию затруднительно. С подобными ситуациями приходится сталкиваться, например, при организации оперативной связи между подвижными объектами (автомобилями, самолетами). Такая задача возникает при организации оперативной связи с использованием искусственных спутников Земли в качестве ретрансляторов. Во всех этих случаях могут быть использованы системы асинхронной многоканальной связи, когда сигналы всех абонентов передаются в общей полосе частот, а каналы не синхронизированы между собой во времени. Поскольку в таких системах за каналами не закреплены ни частотные полосы, ни временные интервалы и время работы каждого канала произвольно, то такие системы называют системами со свободным доступом к линии связи или системами с незакрепленными каналами.
В системах со свободным доступом каждому каналу (абоненту) присваивается определенная форма сигнала, которая и является отличительным признаком, "адресом" данного абонента. В отличие от обычного разделения по форме, где условие ортогональности сигналов выполняется лишь тогда, когда тактовые интервалы всех каналов жестко синхронизированы, для возможности полного линейного разделения сигналов в системах со свободным доступом ортогональность или линейная независимость должны сохраняться при любых временных сдвигах сигналов. Это значит, что для любой пары сигналов si(t) и sk(t) должно выполняться условие (волнистая черта означает усреднение во времени):
(9.14)
при 0 < τ ≤ Т, где Т — длительность элементарного сигнала, а интегрирование производится на любом интервале от t до t + T. Строго говоря, условие (9.14) выполняется только в том случае, когда сигналы sk(t) представляют собой белый шум, т. е. имеют неограниченную ширину спектра и бесконечную дисперсию; для реальных сигналов оно невыполнимо. Вместе с тем можно сформировать такие сигналы, для которых (9.14) выполняется приближенно в том смысле, что
при
(9.14а)
т. е. скалярные произведения сигналов при любом сдвиге по времени много меньше энергии элементарного сигнала. Такие сигналы можно назвать почти ортогональными. По своим свойствам почти ортогональные сигналы приближаются к белому шуму, поэтому их часто называют шумоподобными: их корреляционные функции и спектры плотности мощности близки к аналогичным характеристикам квазибелого шума. Шумоподобные сигналы не являются случайными, они относятся к классу сложных сигналов, база которых В = 2FT>>1.
Наиболее распространенным примером технической реализации почти ортогональных шумоподобных сигналов могут служить определенным образом сформированные псевдослучайные последовательности дискретных, в частности, двоичных радиоимпульсов. База сигналов при этом определяется числом импульсов в последовательности. Каждому каналу присваивается одна из множества почти ортогональных двоичных последовательностей, которая служит "адресом" канала. Это приводит к названию "асинхронные адресные системы связи" (ААСС).
Важным достоинством ААСС является то, что нет необходимости в центральной коммутационной станции; все абоненты имеют прямой доступ друг к другу без частотной перестройки приемных и передающих устройств (рис. 9.8). Здесь достаточно набрать "адрес" вызываемого абонента, т. е. изменить "форму" импульсной адресной последовательности.
В системах с закрепленными каналами (частотное и временное разделение каналов) добавление хотя бы одного нового абонента оказывается возможным лишь при исключении одного из имевшихся в системе. Значительно проще эта задача решается в системах ААСС. Здесь вследствие свободного доступа к линии связи могут вести передачу любые Na активных абонентов из общего числа N абонентов системы передачи информации. При определении числа Na нужно учитывать, что вследствие неполной ортогональности сигналов в ААСС неизбежны переходные помехи ("шумы неортогональности"), уровень которых растет по мере увеличения Na. Поэтому число одновременно работающих абонентов должно быть ограничено. Допустимое значение Na возрастает по мере увеличения базы сигнала.
Рис. 9.8. Структурная схема многоканальной асинхронно-адресной системы связи
В зависимости от времени активности абонентов (т. е. от доли времени, занимаемого k-м каналом для передачи сообщений) можно организовать, например 1000-канальную систему связи, в которой одновременно ведут передачу любые 50 абонентов из тысячи. В таких системах легко реализуются резервы пропускной способности, возникающие за счет малоактивных абонентов. Изучив статистику сообщений, передаваемых по каждому каналу, можно установить допустимое число каналов в системе N, при котором обеспечивается нормальная работа Na активных каналов.
В настоящее время усиленно разрабатываются методы синтеза сигналов с заданными автокорреляционными и взаимно корреляционными свойствами. В качестве адресных сигналов используются последовательности Баркера, линейные рекуррентные М-последовательности и т. д. Один из способов формирования шумоподобных сигналов для асинхронно-адресных систем связи состоит в использовании частотно-временной матрицы. Уже отмечалось, что в системах с ортогональными сигналами энергия каждого сигнала отделяется от энергии других сигналов. Это положение становится наиболее отчетливым, если обратиться к частотно-временным диаграммам системы связи при частотном разделении (рис. 9.9а) и при временном разделении каналов (рис. 9.96).
Здесь каждому каналу отводится определенная область частотно-временного пространства; положение площадки можно рассматривать как "адрес" абонента. Однако частотно-временную область F x T можно разделить на площадки иным способом: адрес каждого канала можно сформировать из набора "элементарных площадок" частотно-временной плоскости (рис. 9.10а). Каждый двоичный информационный символ (рис. 9.10а) передается за время Т и отображается определенной последовательностью импульсов, имеющих разные частоты (рис. 9.106) в общей полосе F.
Двоичную информацию в последовательность можно заложить, меняя один из параметров элементарного радиоимпульса. Эти адресные наборы импульсов составляются на основе их представления в виде частотно-временной матрицы (рис. 9.10в); к ним предъявляются обычные требования хороших автокорреляционных функций и малых значений взаимной корреляции. Изменение временного положения импульсов и различие в их частотах позволяют сравнительно простыми техническими средствами получить несколько тысяч частотно-временных колебаний (адресов). Разумеется, не все комбинации частотно-временной матрицы используют в качестве адресных сигналов; среди них встречаются и такие, которые не обладают необходимыми корреляционными свойствами.
Рис. 9.10. К образованию многоканального широкополосного сигнала с помощью частотно-временной матрицы: а — последовательность двоичных информационных сигналов; б — представление одного двоичного импульса посредством последовательного набора радиоимпульсов различных частот; в — представление сигнала в виде частотно-временной матрицы.
Максимальное количество адресов приближается к FT. Сигналы частотно-временной матрицы являются разновидностью сигналов, различающихся по форме, их м ожно разделить согласованными фильтрами или корреляторами.
Отметим в заключение, что в технической литературе имеются описание большого числа различных систем связи со свободным доступом. Наиболее характерными из них являются системы на1000 – 1500 каналов с 50 – 100 активными абонентами.