Цифровые системы многоканальной передачи информации

Многоканальные системы передачи информации. Уплотнение информации в аналоговых системах связи. Частотное разделение сигналов. Временное разделение сигналов. Разделение сигналов по форме. Комбинационное разделение сигналов. Цифровые системы многоканальной передачи информации

Практика построения современных систем передачи информации показывает, что наиболее дорогостоящими звеньями каналов связи являются линии связи: кабельные, волноводные и световодные, радиорелейные и спутниковые и др. Поскольку экономически нецелесообразно использовать дорогостоящую линию связи для передачи информации между единственной парой абонентов, то возникает проблема построения многоканальных систем передачи, в которых одна общая линия связи уплотнятся большим числом индивидуальных каналов. Этим обеспечивается повышение эффективности использования пропускной способности линии связи. Структура линейной многоканальной системы связи показана на рисунке 1.25.

Рис.1.25.

Сообщения А₁(t), …, А_N(t) от N источников ИС₁, …, ИС_N с помощью индивидуальных модуляторов М₁, …, М_N преобразуются в канальные сигналы U₁(t), …, U_N(t). Сумма этих сигналов образует групповой канальный сигнал U_Л(t), который передается по линии связи (ЛС). Групповой приемник П преобразует полученный сигнал Z_Л(t) в исходный групповой сигнал Z(t)=U(t). Индивидуальные приемники П₁, …, П_N выделяют из группового сигнала Z(t) соответствующие канальные сигналы Z₁(t), …, Z_N(t) и преобразуют их в сообщения . Блоки М₁, …, М_N и сумматор образуют аппаратуру уплотнения, блоки М, ЛС и П – групповой канал. Аппаратура уплотнения, групповой канал и индивидуальные приемники образуют систему многоканальной связи.

Чтобы разделяющие устройства могли различать сигналы отдельных каналов, должны быть определены соответствующие признаки, присущие только данному сигналу. Такими признаками в случае непрерывной модуляции могут быть частота, амплитуда, фаза, в случае дискретной модуляции еще и форма сигнала. В соответствии с используемыми для разделения признаками различаются и способы разделения: частотные, временные, фазовые и др.

Рассмотрим некоторые из них более подробно.

Уплотнение с частотным разделением сигналов.

Структура системы с частотным разделением сигналов показана на рисунке 1.26.

Рис. 1.26.

Первичные индивидуальные сообщения А₁(t), …, А_N(t) модулируют поднесущие частоты w₁, …, w_N в модуляторах М₁, …, М_N. Эти модулированные сигналы поступают на входы частотных фильтров Ф₁, …, Ф_N. На выходах Ф₁, …, Ф_N формируются спектры канальных сигналов, которые занимают соответствующие полосы частот Dw₁, …, Dw_N. Эти спектры суммируются и поступают в групповой модулятора М, который переносит суммарный спектр группового канального сигнала в область частот, отведенных для передачи данной группы каналов.

На приемном конце в демодуляторе П спектр полученного сигнала преобразуется в спектр переданного сигнала, который затем в фильтрах Ф₁, …, Ф_N делится на полосы Dw₁, …, Dw_N соответствующие отдельным каналам. Демодуляторы Д₁, …, Д_N преобразуют выделенные сигналы в исходные сообщения ₁(t), …,(t).

Для приемлемой работы такой схемы необходимо иметь частотные фильтры, каждый из которых должен пропускать без ослабления только соответствующие им полосы частот Dw₁, …, Dw_N, в которых сосредоточена основная часть энергии передаваемых сигналов. Так как спектры реальных сигналов содержат 80-90% энергии, то происходит взаимное наложение энергетических спектров, приводящее к переходным помехам. На практике это обстоятельство учитывается за счет введения защитных частотных интервалов между полосами частот соседних каналов. Это приводит к тому, что лишь около 80% полосы пропускания линии связи используется для передачи информации.

Например, телефонный канал связи или канал тональной частоты (ТЧ) занимает диапазон 300-3400 Гц. С учетом защитных частотных интервалов для канала ТЧ выбирается полоса частот 4 кГц. Исторически первой была реализована 12 канальная система в полосе частот от 60 до 108 Кгц (108 – 60 = 48 / 4 = 12). Если необходимо организовать систему с большим числом каналов, то в основу берется эта 12 канальная система и с ней обращаются как с одним телефонным каналом. Так, если надо организовать систему с 60 каналами методом частотного разделения, то укладывают 5 двенадцатиканальных систем в полосе частот от 312 до 552 Кгц (552 – 312 = 240 Кгц, 240 / 4 = 60). Если теперь взять 5 частотных диапазонов по 240 Кгц и уложить их рядом, получим систему на 300 каналов с частотным разделением. При этом каждый блок каналов можно для разных служб использовать либо целиком как один канал, либо как множество каналов. Так, блок 240 Кгц (60 телефонных каналов) можно целиком использовать для факсимильной передачи газетных сообщений, для которой требуется полоса 170 Кгц. Если взять 5 блоков по 1200 Кгц и два по 240 Кгц и уложить их рядом, то получим полосу частот около 6,5 МГц, пригодную для передачи телевизионных сигналов. Правда, при этом мы должны будем исключить 5 × 300 + 2 × 60 = 1620 телефонных каналов.

Временное разделение каналов

Временное разделение каналов используется для передачи аналоговых и дискретных сообщений, однако при этом требуется использовать методы импульсной модуляции.

Схема системы передачи сообщений с временным разделением сигналов показана на рисунке 1.27.

Рис.1.27.

Коммутатор передатчика К₁ поочередно в каждом такте времени подключает сигналы ИC₁, …, ИC_N к линии связи. На приемном конце коммутатор приемника К₂ синхронно с К₁ подключает соответствующие импульсные детекторы ИD₁, …, ИD_N. Пример временного разделения двух сигналов показан на рисунке 1.28.

Рис.1.28.

Системы с временным разделением просты, надежны, имеют малые габариты и массу, позволяют использовать стандартную элементную базу (БИС) для реализации. Недостаток – требуется синхронная работа К₁ и К₂, и если они разнесены на большое расстояние, то это трудно обеспечить.

В этих системах из-за не идеальности характеристик аппаратуры также могут возникать взаимные помехи (наложения импульсов). Для их устранения вводят защитные временные интервалы между импульсами.

Поясним смысл принципа временного разделения каналов на примере телефонного канала. Этот канал занимает полосу частот 4000 Гц. Если преобразовать непрерывный речевой сигнал в дискретный методом импульсно-кодовой модуляции с учетом теоремы Котельникова, получим что такой речевой сигнал можно представить последовательностью импульсов с периодом мкс. Тогда количество вырезанных из аналогового сигнала импульсов в секунду равно . Для передачи речи амплитуда одного импульса может быть представлена 1 байтом, т.е.

8-разрядным кодом. То есть каждые 125 мкс в линию связи поступает 8 бит информации, характеризующие амплитуду импульсов, вырезанных из исходного непрерывного речевого сигнала.

Иными словами общая скорость передачи речи в виде двоичных сигналов "0" и "1" будет равна 8 × 8 × 10³ = 64 килобита. Таким образом, человеческая речь может быть передана по каналу связи в виде последовательности байтов, поступающих 8000 раз в секунду, т.е. через 125 мкс. Если теперь уменьшить интервал передачи одного байта до 5 мкс, то за время 125 мкс можно передать еще 24 других байта, соответствующих разговорам других абонентов. Таким образом, по одному каналу связи, не нарушая условий теоремы Котельникова, можно передать 25 разговоров разных абонентов.

Разделение сигналов по форме

Для разделения сигналов могут использоваться не только такие признаки как частота или время, но также и форма сигнала. Различающиеся по форме сигналы могут передаваться одновременно и иметь перекрывающиеся частотные спектры. Такие сигналы можно одновременно передавать в одной и той же полосе частот и в одни и те же интервалы времени, но при этом должно выполняться условие линейной независимости или условие ортогональности сигналов. При этом естественно существенно возрастает эффективность использования линии связи.

Для построения систем многоканальной связи с разделением сигналов по их форме применяется операция ортогонализации, т.е. преобразование линейно-зависимых сигналов в ортогональные. Для этого могут быть использованы известные методы представления функций в виде полиномов Чебышева, Эрмита, Легера и др. Однако реализация такого преобразования может стать весьма сложной. Поэтому этот метод разделения каналов не получил широкого распространения на практике.

Комбинационное разделение сигналов

Комбинационный способ разделения используется при групповой передаче дискретных сообщений. Суть этого способа состоит в следующем.

Пусть необходимо организовать передачу N независимых дискретных сообщений по одному групповому каналу связи. Если каждый элемент сообщения может принимать m состояний (например, m=2, а число каналов N=2), то оказываются возможными 4 разных комбинации элементарных сигналов 0 и 1 в обоих каналах. Задача теперь сводится к передаче некоторых чисел, определяющих номер комбинации. Эти числа могут передаваться посредством любого кода. При такой передаче групповой сигнал является отображением определенной комбинации сигналов различных каналов. Поэтому разделение сигналов, основанное на различии в комбинациях сигналов разных каналов, называется комбинационным разделением.

Типичным примером комбинационного разделения каналов является система двукратной частотной модуляции (ДЧМ). Для передачи четырех комбинаций сигналов двух каналов используются четыре разные частоты f₁, f₂, f₃, f₄.

Канал 1 0 1 0 1

Канал 2 0 0 1 1

ДЧМ f₁ f₂ f₃ f₄

Сравнение ДЧМ с обычной двухканальной ЧМ системой с частотным разделением показывает, что обе системы занимают одинаковую полосу частот, однако мощность сигнала, обеспечивающая заданную верность передачи при ДЧМ почти вдвое меньше, чем при частотном разделении. Поэтому комбинационное разделение широко применяется в системах с ограниченной энергетикой.

Цифровые системы многоканальной передачи сообщений основаны на широко развитых методах импульсно-кодовой модуляции и используют временной принцип разделения каналов. В многоканальной цифровой системе передачи сообщений с временным разделением каналов общий поток битов, передаваемый последовательно по линии связи, периодически ставится в соответствие отдельным каналам. Период этого процесса, т.е. цикл, показан на рисунке 1.29.

Рис.1.29.

Для синхронизации циклов отводится небольшая часть общего числа битов. Отдельные биты этого циклового синхросигнала могут располагаться либо все подряд в виде синхронизирующей комбинации (как на рисунке), либо распределяются внутри цикла. После того, как указанным способом обозначено начало цикла информационные биты путем простого их отсчета можно распределить между отдельными каналами по одному (посимвольный способ объединения цифровых потоков), либо по группам (групповой способ объединения цифровых потоков).

Структура цифровой системы передачи данных с временным разделением каналов показана на рисунке 1.30.

Рис.1.30.

М – мультиплексор;

ДМ – демультиплексор;

ТЦС – тактовый генератор и синхронизатор циклов.

Цифровые сигналы данных поступают на входные блоки Вх₁, …, Вх_N и хранятся там до тех пор, пока мультиплексор не объединит их в общий поток и не включит каждый из них на том месте цикла, которое соответствует номеру канала каждого из этих сигналов. Информация, необходимая для цикловой синхронизации, также направляется в отведенное ей место в общем потоке битов, например, в виде синхронизирующей битовой комбинации в начале цикла. Сформированный поток передается по каналу связи. На приемной стороне в устройстве ТЦС выделяется синхронизирующая цикловая комбинация и непрерывно контролируется. ТЦС устанавливает ДМ в состояние, отвечающее поступлению цикловой комбинации так, что информационные биты, соответствующие разным каналам 1, …, N, в надлежащие моменты времени считываются и распределяются по выходным блокам Вых₁, …, Вых_N. Система с временным разделением каналов требует строгой синхронизации с дискретным каналом. Если такты формируются приемопередающей аппаратурой (Пер, Пр), то они поступают в блоки системы от передатчика (Пер) и приемника (Пр) в противоположных направлениях (как показано на рисунке 1.30). В ряде случаев делается так, чтобы синхросигналы всегда совпадали с направлением передач группового сигнала. Для этого на передающей стороне тактовый сигнал, как и данные с выхода ТЦС, поступает на передатчик.

Важнейшими характеристиками цифровых систем многоканальной передачи (ЦСМП) с временным разделением каналов (ВРК) являются:

1. Способ объединения цифровых потоков.

2. Цикловая синхронизация.

3. Согласование скоростей передачи (стаффинг).

Выше мы уже говорили о двух способах объединения цифровых потоков: посимвольный и групповой. Первый из указанных способов позволяет особенно просто организовать ВРК. При этом (посимвольном) способе сигналы данных, передаваемых по отдельным каналам объединяются мультиплексором в групповой поток по отдельным битам (символам). Поэтому во входных блоках Вх₁, …, Вх_N только один бит подлежит промежуточному запоминанию на то время, пока он не будет помещен на соответствующее место (позицию) в цикле. Передаваемый сигнал данных таким образом может быть сдвинут относительно тактов запоминающего устройства максимум на один бит, поэтому наибольшее время задержки при переводе одного бита в групповой поток равно двум единичным тактам времени.

Посимвольный метод объединения является весьма гибким и допускает объединение каналов с различными скоростями в одной системе.

Групповой метод объединения предполагает разделение потока битов в каждом канале по группам битов определенной длины. При этом, входные блоки должны выявить начало этих групп и запомнить их. Затем мультиплексор вставляет эту группу битов в нужное место в цикле. Поэтому время задержки в ЦСМП с ВРК при таком способе объединения может достигать удвоенной длительности группы битов.

Для цикловой синхронизации выделяется небольшая часть битов из общего их числа в цикле. Они размещаются внутри цикла строго определенным образом (например, в начале цикла) и должны гарантировать на приемной стороне соответствие передаваемых информационных битов своим индивидуальным каналам. Для этого требуется полная синхронизация всех блоков ЦСМП с ВРК. Это достигается с помощью специальных методов согласования скоростей (стаффинга).

Суть этих методов в следующем: образуется цикл согласования, который часто соответствует основному циклу или сверхциклу, охватывающему несколько основных циклов системы с ВРК. Общее число битов в цикле согласования выбирается большим, чем число информационных битов, для того чтобы выполнить следующие условия:

· Вводится один или несколько битов заполнения, которые могут содержать или не содержать данные (т.е. используется постоянный цикл согласования).

· Вводится один или более битов пробела, которые для выравнивания скоростей могут при необходимости удаляться (т.е. используется переменный цикл согласования).

· Для обеспечения согласования на приемную сторону ЦСМП с ВРК направляется информация (закодированная несколькими битами) о том, содержит ли бит заполнения данные, либо о том, сохранен или нет бит пробела.

За определенное число шагов процесса согласования на приемной стороне системы с ВРК можно таким образом восстановить тактовые интервалы первоначального сигнала данных.

Дата добавления: 2014-01-11