Общие принципы многоканальной передачи сообщений и многостанционного доспупа

Принципы многоканальной передачи и распределения сообщений

Основу транспортной сети единой сети электросвязи РФ составляют многоканальные системы и системы распределения сообщений (станции коммутации). Рассмотрим основы теории построения этих систем.

Как известно из предыдущего курса ТЭС многоканальной называется система связи, обеспе­чивающая одновременную и независи­мую передачу нескольких сооб­щений по одной общей линии связи. Реализация этой функции возможна путём так называемогоуплотнения (или разделения) ресурса связи.

С проблемой совместного использования ресурса связи, наряду с термином уплотнение (мультиплексирование – multiplex), связан также термин множественный доступ (многостанционный доступ – multiple access).

Ресурс связи (communications resource – CR) представляет время и ширину полосы, доступные для передачи сигнала в определенной системе. Графически ресурс связи можно изобразить на двухмерном графике, где ось абсцисс представляет время, а ось ординат – частоту. Для создания эффективной системы связи необходимо спланировать распределе­ние ресурса между пользователями системы, чтобы время/частота использовались макси­мально эффективно. Результатом такого планирования должен быть равноправный доступ пользователей к ресурсу.

Оба понятия связаны с организацией совместного использования ограниченного участка спектра многими пользователями. Термины «мультиплексирование» и «множественный доступ» (МД) в некотором смысле тождественны: они предполагают распределение ресурса канала между пользователями. В то же время между ними есть и существенные различия. Так при мультиплексировании ресурс канала (частотный, временной) распределяется через общее око­нечное оборудование (каналообразующая система), которое формирует групповой сигнал U (t) (групповой канал). При МД U (t) образуется в результате сложения сигналов поль­зователей непосредственно в канале. Можно сказать, что мультиплексирование осно­вано на общем аппаратурном обеспечении, в то время как МД использует определенные процедуры (протоколы), контролируе­мые программным обеспечением, хранящимся в памяти каждого терминала.

5.1.1. Многоканальные системы связи

Многоканальной системой связи (МКС) называется совокупность техни­ческих средств, обеспечивающих одновременную и независимую передачу сигналов (сообщений) между N источниками и N получателями по одной линии связи.

Структурная схема МКС приведена на рис. 5.1. Исходные сигналы с ₁(t), c ₂(t), …, c_к (t), …, c_N (t) от N источ­ников сообщений перед передачей по каналу должны быть преобразованы с целью согласова­ния их параметров с характеристиками каналов. В частности, необходимо осуществить согласование спектров сигналов с полосой пропускания каналов. В связи с этим оконечная аппаратуру пункта А, на вход которой подаются первичные сигналы с_k (t), k =, состоит из преобразователей M₁, M₂ ,..., M _к,…, М _N, объединяющего (суммирующего) устройства ∑ и групповых устройств ГУ.

Рис. 5.1. Структурная схема многоканальной системы связи

С по­мощью преобразователей М _k, k= из исходных сигналов с_k (t), k= формируются канальные сигналы, которые объединяются (уплотняются) в групповой сигнал U (t)

. (5.1)

Такие системы называются аддитивными. Системы, в которых для формирования группового сигнала применяются другие опе­рации (не суммирование), называются комбинационны­ми. В настоящее время в основном используются аддитивные МКС.

В процессе преобразования сигналов в преобразователях M _k, k= решаются две за­дачи:

– во-первых, каждый канальный сигнал должен содержать передаваемое сообщение с_k (t), k=;

– во-вторых, каждый канальный сигнал наделяется совокупностью физических признаков λ _mk (первый индекс – номер признака, второй – номер канала), отличающих его от остальных канальных сигналов; эти признаки (или параметры) называются разделительными.

Групповые устройства (ГУ) предназначены для усиление группового сигнала и для согласования оконечной аппаратуры с линией (проводной или радиолинией). В результате преобразования в пункте А в линию поступают канальные сигналы, отличающиеся друг от друга.

На приёме в пункте Б с по­мощью устройств П _k, k =, (каждое устройство состоит из последовательно включенных фильтра Ф _k и детектора Д _k) из группового сигнала выделяются канальные сигналы, которые затем преобразуются в исходные информационные сигналы, k =. В результате воздействия на линию связи помех n (t) сигналы, поступающие на вход преобразователей П _k, k = пункта Б, отличаются от исходных сигналов, что и отражается в их обозначении в виде волнистой линии.

МКС отличаются друг от друга как мето­дами построения преобразователей М _k и формирования группового сигнала (уплотнения) на передаче, так и методами разделения канальных сигналов и обратного их преобразования в информационные сигналы на приёме. По методам разделения сигналов на приёме системы многоканальной связи делятся на системы линейного и нелинейного разделения сигналов. Системы линей­ного разделения сигналов являются основными МКС, а теория линейного разделения достаточно подробно разработана. Общей теории нелинейного разделения сигналов пока нет, но эти методы находят практическое применение в некоторых системах передачи дискретных сигналов.

Системы линейного разделения сигналов, в свою очередь делятся на системы разделения взаимно ортогональных и неортогональных сигналов.

В отдельную группу выделяются статистические системы, в ко­торых при уплотнении и разделении сигналов используются их статистические свой­ства.

На проводных линиях связи при­меняются системы, в которых разделение сигналов осуществляется мостовыми методами. В отличие от перечисленных ранее систем, где разделение сигналов осуществляется чисто электрическим пу­тем, в мостовых системах разделение сигналов ведётся пространст­венно-электрическим методом, при котором увеличение числа пе­редаваемых сигналов требует увеличения числа проводов.

Численная оценка качества свя­зи (критерий верности передачи) представляет со­бой функционал от разности сигналов на входе и выходе канала

(5.2)

Этот критерий, т. е. вид функционала F, определяется тре­бова­ниями, предъявляемыми к передаче конкретного вида со­общений. При этом применяют как прямые способы оценки (СКО при передаче аналоговых сообщений и вероятность ошибки р _ош при передаче дискрет­ных сообще­ний), так и косвенные (по ха­рактеристикам и параметрам кана­лов: частотным, амплитудной, величине уровня помех и т. д.). Косвенные ме­тоды оценки более удобны в эксплуатации и поэтому широко применяются на практике. Прямые методы, как правило, более удобны в теоретических ис­следованиях.

В ка­честве основного стандартного канала в современных МКС принят канал с эффективно передаваемой полосой частот от 300 до 3400 Гц, соответствующей спектру теле­фонного сигнала. Характеристики этого канала нормируются с условием возможности его использования для передачи всех видов первичных сигналов, скорость передачи которых не превосхо­дит пропускной способности канала С. Канал такого типа назы­вается каналом тональной частоты (КТЧ).

МКС, в которых используются цифровые методы передачи, обеспечивают создание унифицированных цифровых трактов с несколькими градациями скоростей от 64 Кбит/с (основной цифровой канал – ОЦК) до нескольких десятков и сотен Мбит/с.

В основу построения аналоговых МКС положен метод группового преобразования частоты: первичная стандартная группа (ПСГ) содержит 12 КТЧ, вторичная стандартная группа (ВСГ) – 60 КТЧ (5 ПСГ), третичная стандартная группа (ТСГ) – 300 КТЧ (5 ВСГ). Групповой (линейный) сигнал формируется из различных стандартных групп.

Цифровые системы передачи (ЦСП), используемые в телекоммуникационных сетях, строятся по иерархическому принципу. Существует два основных класса иерархий построения ЦСП: плезиохронная (ПЦИ – PDH) и синхронная (СЦИ – SDH) цифровая иерархия. ПЦИ состоит из трёх видов иерархий: Северо-Американской, Японской (первичный цифровой поток обеих систем 1,544 Мбит/с, 24 ОЦК) и Европейской (первичный цифровой поток 2,048 Мбит/с, 30 + 2 ОЦК).

5.1.2. Виды и основные характеристики многостанционного доступа

При МД групповой сигнал U (t) образуется в результате сложения сигналов поль­зователей непосредственно в канале (рис. 5.2).

ИС _N, ПРД _N, ПРМ _N, ПС _N – соответственно N – ый источник

сообщений, передатчик, приёмник и получатель сообщений

Рис. 5.2 – Структурная схема образования группового

сигнала при МД

Множественный доступ характерен для спутниковых каналов, радиоканалов (пакетная радиосвязь), а также для многоточечных телефонных линий (системы радиосвязи с подвижными объектами), систем с шиной, имеющей много отводов (ло­кальные сети). Можно сказать, что мультиплексирование осно­вано на общем аппаратурном обеспечении, в то время как МД использует определенные процедуры (протоколы), контролируе­мые программным обеспечением, хранящимся в памяти каждого терминала.

Существует три основных способа увеличения пропускной способности (общей скоро­сти передачи данных) ресурса связи:

– первый состоит в увеличении эффективной изо­тропно-излучаемой мощности (effective isotropic radiated power – EIRP) передатчика или в снижении потерь системы, что в любом случае приведет к увеличению отношения энергии бита к спектральной плотности мощности шума (E_b/N ₀ );

– второй способ – это увеличение ширины полосы канала;

– третий способ заключа­ется в повышении эффективности распределения ресурса связи.

Одна из возможных реализаций последнего способа – множественный доступ.

Основными способами распределения ресурса связи являются.

1. Частотное разделение (FDM/FDMA, FD – frequency division). Распределяются определенные поддиапазоны используемой полосы частоты.

2. Временное разделение (TDM/TDMA, TD – time division). Пользователям выделяются периоди­ческие временные интервалы.

3. Кодовое разделение (CDM/CDMA, CD – code division). Выделяются определенные элементы на­бора ортогонально (либо почти ортогонально) распределенных спектральных ко­дов, каждый из которых использует весь диапазон частот.

4. Пространственное разделение (SDMA, SD – space division), или многолучевое многократ­ное использование частоты. С помощью точечных лучевых антенн радиосигналы разделяются и направляются в разные стороны.

5. Поляризационное разделение ( PDMA, PD – polarization division), или двойное поляризационное многократное использование частоты. Для разделения сигналов применяется ортого­нальная поляризация, что позволяет использовать один частотный диапазон.

Ключевым моментом во всех системах уплотнения и МД является наличие, наряду с помеха­ми обычной природы, специфических для этих систем искажений, обусловленных взаимным влиянием сигналов пользователей. Избежать взаимных помех между разными пользователями позволяет использование в разных каналах ортогональных сигналов.

5.1.3. Основные положения линейной теории разделения сигналов

ВМКС исходные информационные сигналы с_k (t), поступающие на входы каналов, могут обладать одинаковы­ми характеристиками. Для формирования отличающихся друг от друга канальных сигналов первичные сигналы подвергают­ся преобразованию (рис. 5.1), которое в общем ви­де можно представить выражением

u_k (t) = M_k [ c_k (t)], (5.3)

где M_k – оператор преобразователя k -го кана­ла.

Как правило, преобразование М_k осуществляется путем моду­ляции сигналом c_k (t) переносчика. При аналоговых методах модуляции в качестве перенос­чиков используются гармонические колебания (поднесущие), которые модулируются по амплитуде (AM), частоте (ЧМ) или фазе (ФМ). При импульсных методах модуляции в качестве переносчиков ис­пользуются периодические последовательности импульсов, модулируемые по амплитуде (АИМ), длительности или ширине (ШИМ) или по фазе (ФИМ). В ЦСП используются ИКМ и её модификации.

Групповой сигнал в приёмнике должен быть разделён на отдельные ка­нальные сигналы, преобразуемые затем в исходные информационные сигналы. Операция разделения и преобразования сигналов на приёме может быть представлена выражением

(5.4)

где П _k – оператор, характеризующий устройство выделения k- го сигнала.

В системах линейного разделения сигналов оператор П _k является линейным и вследствие этого последнее выражение можно представить в виде

(5.5)

С учётом этого выражения условие разделимости сигналов на приёме можно окончательно записать следующим образом:

(5.6)

Это выражение показывает, что с помощью линейного опера­тора k -го канала из группового сигнала выделяется только k- й ин­формационный сигнал и что на выходе k -го канала сигналов, пе­редающихся по другим каналам, нет.

Чтобы канальные сигналы удовлетворяли этому условию разделимости, они должны быть линейно независимыми, т.е. нельзя было бы подобрать такие числовые коэффициенты а_k,, не равные нулю, при которых

(5.7)

В общем случае необходимым и достаточным условием линейной независимости ансамбля сигналов является отличие от нуля определителя Грама

(5.8)

где – скалярное произведение сигналов и.

Определитель Грама равен нулю, если функции,, …, линейно зависимы, и положителен для линейно независимых функций. Он равен произведению квадратов норм функций и, если они попарно ортогональны. Свойство ортогональности функций и

(5.9)

С геометрической точки зрения это условие означает, что переносчики и, а, следовательно, и сигналы и должны занимать неперекрывающиеся области в пространстве сигналов.

Для получения линейно независимых канальных сигналов, представляющих собой модулированные переносчи­ки, необ­ходимо использовать линейно независимые переносчики. Линейно независимые переносчики могут представлять собой си­стему взаимно ортогональных или неортогональных функций. По­этому и системы линейного разделения сигналов делятся на систе­мы разделения ортогональных и неортогональных канальных сиг­налов.

Свойства ортогональных функций используются при построении МКС с линейно независимыми ортогональными канальными сигналами. Канальные сигналы u_k (t) формиру­ются путем перемножения информационного сигнала c_k (t) с соот­ветствующим переносчиком,

(5.10)

Групповой сигнал, равный сумме канальных сигналов, пройдя по линейному тракту, поступает на входы приёмников отдельных ка­налов.

Для ортогональных сигналов действие оператора разделения (выделе­ние информационного сигнала) сводится к перемножению принимаемого группового сигнала на опорную функцию переносчика и интегрирования полу­ченного произведения в интервале ортогональности

(5.11)

Частным случаем ортогональных сигналов являются сигналы, неперекрывающиеся во времени. На основе таких переносчиков строятся все МКС с ВРК, ос­нованные на различных методах импульсной модуляции.

К системам с ортогональными сигналами относятся также си­стемы, в которых используются канальные сигналы с неперекрыва­ющимися частотными спектрами. В этих системах канальные сиг­налы являются ортогональными в частотной области, т. е. они удов­летворяют соотношению

(5.12)

На основе таких канальных сигналов строятся все многоканаль­ные системы с ЧРК.

Системой с ортогональными сигналами является также двухканальная система с фазовым разделением каналов, в которой в ка­честве переносчиков используются два ортогональных гармониче­ских колебания с одинаковыми частотами и с начальными фазами, отличающимися друг от друга на π/2. Эти переносчики модули­руются по амплитуде информационными сигналами.

Возможны и другие многоканальные системы с ортогональны­ми переносчиками, применяющиеся в основном для передачи дис­кретных сигналов: например, система, в которой используются в качестве переносчиков функции вида cos n ω_н t, где n = 1, 2, … (кратные несущие), или система, в которой в качестве переносчиков используются ортогональные полиномы Лежандра или другие ортогональные полиномы. В этих системах канальные сиг­налы могут совпадать во времени и иметь перекрывающиеся спект­ры, поэтому такие системы могут быть названы системами с раз­делением сигналов по форме (это, самое общее, определение мож­но применить и к системам с ЧРК и ВРК).

Кроме систем с ортогональными сигналами, могут быть построе­ны многоканальные системы с не ортогональными линейно независимыми сигналами. Для разделения сигналов в таких системах требуется усложнение оборудования, и, кроме того, взаимная защищенность между каналами в таких системах ниже, чем в систе­мах с ортогональными сигналами. Поэтому эти системы не находят практического применения.

Дата добавления: 2014-01-07