7.5 Многоканальные системы

Как уже отмечалось, параметры канала связи определяются параметрами составляющих его устройств, и прежде всего линии связи. Это относится и к стоимости канала.

Если для каждого канала, соединяющего свою пару ПУ и КП, использовать отдельную линию связи, то стоимость всей телемеханической системы окажется недопустимо высокой. Поэтому одна линия связи используется для передачи сигналов по многим каналам, т. е. производится уплотнение линии связи многими каналами. Соответственно системы с такими линиями связи называют многоканальными. Естественно, что при обмене информацией в многоканальных системах возникает задача разделения каналов между соответствующими источниками и получателями информации. Все способы уплотнения линии связи можно свести к двум основным: частотному и временному.

Частотное уплотнение. Этот способ заключается в том, что полоса пропускания линии связи ΔF делится на n частей (необязательно одинаковых) и каждому каналу выделяется свой диапазон частот Δ f_i (рис. 7.8, а). Передача информации в канале осуществляется путем непрерывной модуляции (АМ, ЧМ или ФМ) соответствующей поднесущей частоты f_i, вырабатываемой специальным генератором поднесущей. При этом спектр частот, занимаемый сигналом каждого канала после модуляции, должен быть меньше диапазона частот Δ f_i, выделенного этому каналу. Сигналы отдельных каналов u_i(t) суммируются, и групповой сигнал поступает в линию связи (рис. 7.8, 6).

На приемной стороне разделение сигналов по каналам происходит при помощи полосовых фильтров, каждый из которых настроен на диапазон частот соответствующего канала. После разделения сигналы демодулируют, выделяя исходное сообщение. При импульсных сигналах диапазоны частот, занимаемые отдельными каналами после модуляции, перекрываются, что приводит к возникновению перекрестных помех за счет попадания при приеме частотных составляющих одного канала в полосу пропускания фильтров соседних каналов. Для предотвращения этого явления частотный спектр сигналов каждого канала после модуляции ограничивают дополнительными полосовыми фильтрами.

Таким образом, при частотном уплотнении по линии связи одновременно передаются сигналы всех каналов. При использовании высокочастотных проводных линий и радиолиний связи этот суммарный сигнал в передатчике подвергается вторичному преобразованию (обычно частотной модуляции). Такой дважды преобразованный сигнал обозначают, например, АМ-ЧМ или ЧМ-ЧМ. Первичное преобразование (АМ или ЧМ) служит для уплотнения линии связи многими каналами, а вторичное преобразование (ЧМ) – для согласования спектра суммарного сигнала с полосой пропускания линии связи.

Временнёе уплотнение. При этом способе сигналы отдельных каналов передаются через линию связи последовательно во времени. Каждому каналу выделяется короткий канальный промежуток времени Δt_i, в течение которого канал занимает линию связи целиком, т. е. всю ее полосу пропускания. За время цикла Т_ц происходит последовательный опрос всех каналов, после чего цикл повторяется.

Время цикла выбирается в соответствии с теоремой Котельникова в зависимости от максимальной частоты f_max передаваемых сигналов:

Т_ц <1/(2 f_max).

Для последовательного подключения к линии связи соответствующей пары источника и получателя информации используют специальные устройства, называемые коммутаторами (К) (рис. 7.9). Один коммутатор на передающей стороне осуществляет подключение к линии связи источников информации, а другой на приемном конце – получателей информации. В результате каждая пара источника и получателя информации оказывается связанной между собой лишь на короткое время, т. е. происходит коммутация каналов.

Коммутация каналов приводит к тому, что сигналы в каждом из них подвергаются квантованию по времени, поэтому при временном уплотнении используются импульсные методы модуляции: АИМ, ВИМ, ШИМ, а чаще всего – цифровая модуляция.

В зависимости от способа коммутации каналов различают синхронные и асинхронные методы временного уплотнения.

Синхронный метод заключается в том, что переключение каналов происходит строго по порядку, последовательно. Поэтому для правильной адресации сообщений коммутаторы передатчика и приемника должны работать синхронно и синфазно во времени. Согласование их работы чаще всего достигается путем передачи в начале каждого цикла специального синхроимпульса (СИ) от генератора синхроимпульсов (ГСИ).

Синхроимпульс резко отличается по форме от несущих информацию канальных импульсов, что позволяет легко выделить его на приемной стороне при помощи синхронизатора (С) (метод циклической синхронизации). Как и при частотном разделении, сформированный групповой сигнал для согласования с параметрами линии связи подвергают вторичному преобразованию, как правило, методом ЧМ. При этом получают сигналы, например, типа ШИМ-ЧМ или КИМ-ЧМ.

Синхронный метод временного уплотнения позволяет эффективно использовать линию связи, если частота сигналов в различных каналах примерно одинакова. Это условие выполняется далеко не всегда. К тому же во многих случаях (например, в системах с большим числом подвижных объектов) оказывается затруднительно обеспечить точную синхронизацию коммутирующих устройств.

В системах ТУ, в многофункциональных системах с разветвленной сетью ПУ и КП, использующих не отдельные линии, а общую сеть связи, более эффективным оказывается асинхронный метод временного уплотнения. При этом методе перед сигналом каждого канала передается адрес данного канала. Адрес, вырабатываемый шифратором, представляет собой определенную последовательность импульсов, закрепленную за данным каналом и позволяющую идентифицировать следующий за ней информационный сигнал (на рис. 7.10 информация передается методом ШИМ). Разделение каналов производится при помощи дешифраторов адреса, распознающих адрес данного канала и выделяющих следующие за ним информационные сигналы. В системах телеуправления при передаче двухпозиционных команд информационные сигналы могут отсутствовать, так как наличие самого адреса уже является командой.

При асинхронном методе каждый источник информации имеет практически свободный доступ к сети связи, передает информацию с необходимой данному источнику скоростью и какая-либо синхронизация работы отдельных каналов не требуется.

В больших сетях связи, кроме коммутации каналов, используют метод коммутации сообщений, при котором не происходит непосредственного соединения ПУ и КП между собой. Переданные сообщения накапливаются в узле связи и по мере освобождения линии связи передаются дальше, к следующему узлу связи и т. д. В качестве узлов связи для накопления сообщений и управления дальнейшей передачей используют ЭВМ. Конечно, время передачи при этом способе увеличивается, но зато значительно полнее используются возможности сетей связи.

Кроме рассмотренных, возможны различные довольно сложные комбинации способов коммутации каналов и коммутации сообщений, учитывающие также выбранный способ повышения верности передачи (корректирующие коды, обратная связь). При этом методы решения задач правильной адресации переданных сообщений и идентификации принятых сообщений (т. е. установление связи между необходимой парой ПУ и КП) становятся во многом аналогичными используемым в вычислительных системах для связи процессоров ЭВМ с периферийными устройствами. Для управления этими – процессами применяют вычислительные устройства различной степени сложности от простейших концентраторов каналов и мультиплексоров до микропроцессоров и даже больших ЭВМ

При передаче сигналов на большое расстояние для образования большого числа каналов (тысячи и десятки тысяч) используют многократное уплотнение линий связи. Первичные каналы объединяют в группы (обычно от 12 до 120 каналов), которые затем подвергают вторичному объединению. При этом первичное уплотнение может производиться, например, временным методом, а вторичное – частотным.

Все рассмотренные меры призваны увеличить скорость передачи информации, чтобы в максимально возможной степени приблизить ее к пропускной способности линии связи. Но даже в наиболее совершенных системах степень использования пропускной способности линии связи не превышает 10 % от рассчитанной по формуле Шеннона (7.1).