Глава 3 Многоканальная передача и уплотнение линий связи

Общая постановка задачи многоканальной передачи формулируется следующим образом. Есть физическая проводящая среда (электрический кабель, оптическое волокно и т.д.), по которой необходимо обеспечить передачу от нескольких источников информации к их абонентам с соблюдением следующих требований:

– абоненты не должны иметь ограничений в связи из-за наличия других абонентов (информационная прозрачность каналов);

– влияние каналов друг на друга (так называемые интерканальные помехи) должно быть сведено к минимуму;

– в любой момент времени каждый источник информации связан со своим приемником;

– желательно ограничить несанкционированный доступ к другим каналам (конфиденциальность связи).

В свете этих требований и анализируются методы разделения каналов. По способу соединения абонентов методы разделения каналов делят на асинхронные (случайные во времени) и синхронизируемые, а по принципу разделения выделяют временные, частотные, комбинированные, адресные и псевдошумовые. Рассмотрим их подробнее.

3.1. Сравнение и анализ основных методов разделения каналов

В [17] проводится анализ потенциальной плотности информационного канала. Введем следующие обозначения: энергетическая эффективность ; частотная эффективность . Здесь – поток информации; – отношение сигнал/шум ( – мощность сигнала, – шума); – полоса занимаемых частот. Величины и имеют смысл удельных потоков информации. Обобщенный показатель эффекта – коэффициент использования пропускной способности (информационная эффективность) , где – пропускная способность канала связи. Из формулы Шеннона для пропускной способности (выражение (1.116)) на основании принятых обозначений получим

.

(3.1)

Это общее выражение для информационной эффективности. В лучшем случае при полном использовании канала . Тогда из выражения (3.1) получим

.

(3.2)

Это предельное значение для ; график этой функции охватывает все возможные способы использования канала и все способы разделения (см. рис.3.1). Возможны системы с преимущественно -эффективностью (например, спутниковые сети связи), тогда их оценки информационной эффективности лежат вблизи точки А; для сетей с -эффективностью (проводные линии) этот же параметр – вблизи точки В.

Рис. 3.1. К оценке эффективности разделения каналов

Наиболее часто используются на практике временное и частотное разделение каналов. Оба метода могут быть синхронными и асинхронными.

Структура системы с временным разделением каналов приведена на рис.3.2, где обозначено: Р – распределитель; Г – генератор; ЛС – линия связи; КС – канал синхронизации.

Рис. 3.2. Структура системы с временным разделением каналов.

Распределители в передающей и приемной частях, переключаясь генераторами, коммутируют источники и приемники так, что в каждый момент времени соединены между собой один источник и соответствующий ему приемник. Соблюдение соответствующего соединения пар называется синфазностью работы системы; для ее обеспечения необходимо, чтобы распределители передатчика и приемника запускались одновременно с одной позиции. Чтобы соответствие в ходе работы не терялось, нужно, чтобы распределители переключались с одинаковой частотой, то есть обеспечить синхронность. Для этого иногда по специальному каналу подаются импульсы синхронизации и исходной установки, а в других случаях служебные сигналы перемежаются с информационными. Этот вариант показан на рис.3.3: вначале в линию связи посылается сигнал начала цикла (НЦ), потом передается информация первого канала (заштрихованная область), потом импульс синхронизации (СИ), который переключает распределители на второй канал, а далее все повторяется.

Рис. 3.3 Диаграмма временного разделения каналов

Эффективность метода можно оценить по времени:

,

(3.3)

где – общее время цикла, – время, в течение которого передается информация.

Практически значения для этого метода лежат в интервале . Можно повысить эффективность, если систему строить с автономными генераторами, а в линию связи подавать только импульс начала цикла; в этом случае .

Обязательное условие для временного разделения – выполнение теоремы Котельникова. Если информационные каналы имеют разные полосы частот, идет расчет по наибольшей частоте. В этом случае остальные каналы передаются с избыточностью, что снижает эффективность всей системы.

Можно не передавать сигналы синхронизации, а использовать самосинхронизирующие коды (например, корреляционный или один из манчестерских [35]), но это еще больше снизит эффективность системы.

При частотном разделении весь диапазон частот линии делится на поддиапазоны , в каждом из которых передается информация для одного канала. Структура системы имеет вид, представленный на рис.3.4, где М₁,М₂,…,М_n – модуляторы, ПФ₁,ПФ₂,..., ПФ_n – полосовые фильтры.

Рис. 3.4. Система с частотным разделением

Основным достоинством частотного разделения является абсолютная прозрачность каналов, что означает возможность связи между каналами в любой момент времени.

К недостаткам частотного разделения следует отнести, прежде всего, необходимость в защитных полосах частот между соседними каналами. Это нужно для надежной фильтрации каналов в приемнике (подавление интерканальных помех) и вследствие нестабильности опорных частот в передатчике.

Второй серьезный недостаток систем с частотным разделением – чувствительность их к нелинейным искажениям. Если в передающем тракте сигнал подвергается нелинейным искажениям (то есть искажается форма синусоидальной несущей), появляются высшие гармоники, которые будут помехой в соседних каналах.

Эффективность оценим по частоте:

,

(3.4)

где – общая полоса занимаемых частот; – полезная ее часть.

Строго говоря, (3.4) – верхняя оценка эффективности, поскольку, как и (3.3), не учитывает реального потока информации.

Возможно комбинированное разделение каналов. Это обычно осуществляется в синхронизируемых линиях связи с частотным разделением. Количество каналов при этом заметно возрастает, но возрастают и требования к качеству линии связи и оборудования.

Особо нужно отметить разновидность временного разделения для сетей ЭВМ [38]. В них, в отличие от систем связи, потоки информации занимают относительно малое время (подавляющую часть времени ЭВМ заняты обработкой собственной информации, а пересылка сообщений ведется или для первоначальной загрузки, или для выдачи результата), а поскольку линии связи скоростные (поток информации составляет 1 – 10 МБод и выше), вероятность одновременного занятия линии связи двумя или более абонентами необычайно мала. Здесь используется метод МДКН/ОК, или множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий. Это асинхронное занятие линии связи, при котором каждая рабочая станция (то есть подключенный к сети компьютер) постоянно контролирует линию на наличие в ней несущей. Наличие несущей означает, что какая-то из станций уже передает сообщения. Если несущей не обнаружено, станция может вести обмен информации. Если после начала обмена станция все же обнаружила несущую (эта ситуация называется коллизия или состязание), она прерывает сообщение, передает в линию шумоподобный сигнал (для гарантий от его неправильного приема), запускает таймер и через какое-то время опять делает попытку передачи информации. Несмотря на кажущуюся простоту, метод очень хорошо себя зарекомендовал и при количестве станций до 250 на одной линии связи дает очень малую вероятность ошибки (до ).

Второй случай асинхронного временного разделения используется в телемеханике [41]. В системах телемеханики потоки информации очень незначительны (сотые доли Бод), поэтому в них используются стартстопные методы обмена информацией. Метод назван в связи с тем, что сообщение обрамляется с обеих сторон признаком начала (стартом) и конца (стопом). Эффективность метода довольно низка, но он обеспечивает синфазность, поскольку распределители всегда запускаются с первой позиции.