Принципы формирования групповых сигналов в многоканальных системах передачи

В телекоммуникационных сетях широкое применение нашли многоканальные системы с частотным и временным разделением каналов.

5.2.1. Принципы формирования групповых сигналов в многоканальных системах с частотным разделением каналов

Во всех многоканальных системакх с частотным разделением каналов (МКС с ЧРК) применяется АМ сигналов с выделением одной боковой полосы (АМ-ОБП). Методы построения МКС с ЧРК отличаются способом формирования группового сигнала и особенностями передачи его в линейном тракте. По первому признаку различают вариан­ты:

– с индивидуальным преобразованием сигналов;

– с групповым пре­образованием сигналов.

По способу усиления группового (линейного) сиг­нала в промежуточных пунктах (второй признак) выделяют варианты с усиле­нием каждого индивидуального сигнала или линейного сигнала в целом.

При индивидуальном преобразовании сигналов формирование группового (линейного) спектра частот производится путем отдельного независимого пре­образования каждого из N сигналов. На рис. 5.3 показана структурная схема, поясняющая этот метод. Каждый канал содержит канальный полосовой фильтр (КПФ _i), канальный модулятор (М _i) и демодулятор (ДМ _i), а на промежу­точных станциях (ПС) – индивидуальное усилительное устройство (Ус _i).

Достоинствами этого метода являются:

– простое решение проблемы выделения (ответвления) любого сигнала в любом промежуточном пункте;

– к индивидуальному усилительному устройству не предъявляются высо­кие требования к показателям качества: каждый усилитель сравнительно узкополосный и может работать с большими нелинейными искажениями, поскольку на выходе они подавляются полосовым фильтром;

– минимум преобразований сигнала на оконечных пунктах;

– высокая надежность связи, так как выход из строя одного из усилителей промежуточного пункта не отражается на работе остальных.

Рис. 5.3. Структурная схема МКС с ЧРК с индивидуальным

преобразованием сигналов

Недостатками этого метода можно считать:

– громоздкость и большое потребление энергии оборудования промежу­точных станций из-за наличия канальных усилителей;

– наличие большого числа избирательных устройств (КПФ) и, как следствие этого, увеличение объёма и стоимости оборудо­вания;

– плохое использование пропускной способности линейного тракта, поскольку из-за недостаточной избирательности КПФ приходится увеличивать разнос частот между соседними канальными сигналами, что ухудшает «плотность упаковки» линейного сигнала; в итоге увеличивается верхняя частота линейного сигнала и уменьшается допустимая длина участка линии между соседними усилительными пунктами.

В основе метода с групповым преобразованием сигналов лежит принцип фор­мирования линейного сигнала на оконечном пункте передачи (ОП_пд) системы с помощью нескольких ступеней преобразования. На каждой сту­пени объединяется несколько канальных сигналов, т.е. линейный сигнал пред­ставляет собой сумму нескольких промежуточных групповых сигналов. На око­нечном пункте приёма (ОП_пр) осуществляются обратные операции.

Преимуществом этого метода является упрощение промежуточных пунктов и, как следствие, уменьшение их стоимости и габаритов.

К недостаткам группового метода усиления относятся:

– высокие требования к показателям качества линейного усилителя про­межуточной станции: он должен иметь точно определенную частотную харак­теристику усиления в полосе частот линейного спектра и очень малые нели­нейные искажения;

– трудность выделения канальных сигналов.

Вплотную разместить каналы в линейном спектре частот невозможно, так как с ростом несущей частоты ухудшаются избирательные свойства полосовых фильт­ров (полоса пропускания резонан­сного контура равна ∆ f = f ₀ /Q_k). Следовательно, с ростом частоты f необходимо увеличивать защитный интервал ∆ f _зи между соседними каналами. В современных МКС c ЧРК каждому каналу выделяется полоса частот 4 кГц, хотя полоса пропускания КТЧ равна 3,1 кГц. В данном случае = 0,9 кГц. Следовательно, в МКС с ЧРК эффективно используется примерно 80% полосы пропускания тракта передачи. Кроме того, групповой тракт должен обладать высокой линейностью.

Это одна из основных причин перехода к группо­вому методу преобразования. При этом преобразование индивидуального сиг­нала осуществляется несколькими ступенями. На каждой ступени происходит объединение нескольких преобразованных сигналов, сформированных на пре­дыдущих ступенях. Принцип этого метода поясняет рис. 5.4. На первой ступени производят индивидуальное преобразование в спектр группового вспомога­тельного сигнала, называемого первичным; на второй ступени получают вторич­ный сигнал путём объединения нескольких преобразованных первичных груп­повых сигналов и т.д. Последняя ступень называется ступенью системногопреобразования. На приёмной стороне осуществляются обратные операции.

На рис. 5.5, а, б данные преобразования представлены в спектральной области, рис. 5.5, а поясняет формирование группового сигнала первичной стандартной группы (ПСГ) с по­мощью индивидуальных несущих частот f _н1 – f _н12, а рис. 5.4 – вторичной стандартной группы (ВСГ) с помощью группо­вых несущих f _н1 – f _н5.

Рис. 5.4. Принцип метода группового преобразования сигналов

Рис. 5.5. Формирование спектров групповых сигналов

первичной (а) и вторичной стандартной группы (б)

Достоинства метода:

– высокая «плотность упаковки» спектра линейного сигнала и, соответ­ственно, уменьшение полосы пропускания линейного сигнала при одном и том же количестве каналов;

– упрощение промежуточных станций, увеличение рас­стояния между промежуточными пунктами и удешевление системы в целом;

– уменьшение числа различных типов преобразований и фильтров, приводящее к удешевлению аппаратура, повышению её серийности и унифика­ции;

– уменьшение количества разных несущих частот, используемых при групповом преобразовании, и упрощение генераторного оборудования;

– упрощается проблема выделения групп каналов и сопряжения разных типов аппаратуры МКС.

Недостатки метода:

– большое число преобразований над каждым сигналом, в результате увели­чиваются искажения сигнала и соответственно ужесточаются требования к аппа­ратуре;

– возможное увеличение габаритов и стоимости оконечных пунктов.

Основные параметры стандартных групп каналов МКС с ЧРК приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Основные параметры стандартных групп каналов

Тип группы	Число каналов	Ширина спектра ∆ f, кГц	Частота спектра	Ширина защитного интервала ∆ f зи, кГц
нижняя f н, кГц	верхняя f в, кГц
ПСГ
ВСГ
ТСГ
ЧСГ

5.2.2. Принципы формирования многоканальных сигналов в МКС с временным разделением каналов

При временном разделении каналов (ВРК) групповой тракт с помощью синхронных коммутаторов передатчика и приёмника поочередно предоставляется для передачи сигналов каждого канала МКС. Структурная схема МКС с ВРК приведена на рис. 5.6, где введены следующие обозначения: ИС _i, ПС _i – i -ый источник и получатель сообщений, ИМ – импульсный модулятор, ГТИ – генератор тактовых импульсов, ЛС – линия связи, ИД_i – импульсный детектор i -го канала. В качестве канальных сигналов в системах с ВРК используются неперекрывающиеся во времени последовательности модулированных импульсов. Совокупность канальных сигналов образует групповой сигнал.

ИМ

ЛС

ГТИ

ИС_N

N

ИС₁

ИС₂

K

K_пр

ИД_N

ПС_N

N

ИД₂

ПС₂

ИД₁

ПС₁

Рис. 5.6. Структурная схема МКС с ВРК  

Цифровые системы передачи (ЦСП) с ВРК, используемые в телекоммуникационных сетях, строятся на основе определенной иерархии, которая должна удовлетворять следующим основным требованиям:

– передача по каналам и трактам ЦСП всех видов аналоговых, дискретных и цифровых сигналов;

– соответствующая кратность скоростей обработки и передачи сигналов на различных ступенях передачи;

– возможность достаточного простого объединения, разделения, выделения и транзита передаваемых цифровых потоков;

– параметры ЦСП должны выбираться с учётом характеристик существующих и перспективных направляющих систем;

– возможность взаимодействия ЦСП с аналоговыми системами передачи и различными системами коммутации;

– при передаче сигналов типовых сообщений пропускная способность ЦСП должна использоваться наилучшим образом.

Формирование иерархии ЦСП осуществляется на основе объединения цифровых потоков низкого порядка, называемых компонентными, в единый цифровой, называемый групповым. Формирование группового цифрового сигнала возможно следующими способами объединения цифровых потоков:

– посимвольное (рис. 5.7, а);

– поканальное (рис. 5.7, б).

В обоих случаях объединяются 4 потока.

Рис. 5.7. Структура цикла цифровой системы передачи с посимвольным (а) и поканальным (б) объединением цифровых потоков

При посимвольном объединении импульсы цифровых сигналов объединяемых цифровых потоков укорачиваются и распределяются во времени так, чтобы в освободившихся интервалах могли размес­титься объединяемые импульсы других потоков. При поканальном объединении цифровых потоков сужаются и распределяются во времени интервалы, отводимые для кодовых групп. Синхросигнал необходим для правильного распределения цифровых потоков на приёмном конце.

Возможно объединение цифровых потоков по циклам, кото­рое аналогично поканальному объединению: обрабатывается (сжимается) во времени и передается полностью цикл одного цифро­вого потока, затем следующих.

Наиболее простым и широко приме­няемым способом является способ посимвольного объединения.

При ВРК возможны переходные помехи между каналами, которые в основном обусловлены двумя причинами:

– неидеальностью АЧХ и ФЧХ тракта передачи;

– неидеальностью синхронизации коммутаторов на передающей и приёмной стороне.

Для снижения уровня взаимных помех при ВРК также приходится вводить защитные временные интервалы, что приводит к уменьшению длительности импульса каждого канала и, как следствие, расширения спектра сигналов. В соответствие с теоремой Котельникова для КТЧ минимальная частота дискретизации должна быть f _д = 2F _в = 6,8 кГц. Однако в реальных МКС с ВРК f _д = 8 кГц.

Реальные МКС с ВРК уступают МКС с ЧРК по эффективности использования частотного спектра. Однако системы с ВРК имеют ряд преимуществ:

– отсутствуют переходные помехи нелинейного происхождения;

– ниже пик-фактор;

– аппаратура ВРК значительно проще аппаратуры ЧРК.

Наиболее широкое применение ВРК находит в цифровых системах передачи с ИКМ.

5.3. Фазовое, нелинейное, комбинационное и другие методы разделения каналов

5.3.1. Фазовое разделение каналов

В качестве переносчиков в системах передачи с фазовым разделением каналов (ФРК) используются гармонические колебания (несущие) с одинаковыми частотами и с начальными фазами, отличающимися друг от друга на π/2:

и (5.13)

Канальные сигналы в системе формируются путем ампли­тудной модуляции несущих колебаний. Спектр каждого канального сигнала содержит две боковые полосы относительно несущей частоты ω_н. При ФРК спектры канальных сигналов перекрывают друг друга. Тем не менее, разде­ление сигналов на приёме воз­можно вследствие взаимной орто­гональности переносчиков и. Разделение канальных сигналов и выделение информа­ционных сигналов осуществляются одновременно при разделении ортогональных сигналов. При этом групповой сигнал перемножается с переносчиком данного канала и интегрируется с помощью ФНЧ. На приёме в качестве перемножителя в каждом канале используется демодулятор, на который подается несущее колебание, когерентное с соответствующим колебанием на передаче. Необходимость когерентного приёма усложняет аппаратуру фазового разделения, так как требования к генераторному оборудо­ванию ужесточаются.

5.3.2. Разделение сигналов, передаваемых на кратных несущих частотах

В системах передачи дискретной информации находят практи­ческое применение МКС, в которых ортого­нальные переносчики выражаются членами тригонометрического ряда: Ψ _k = k cosω_н t,. Струк­турная схема такой системы соответствует схеме разделения орто­гональных сигналов. В системе используется амплитудная модуляция.

Нули спектра одиночного импульса передаваемого двоичного сигнала кратны частоте f ₀ = 1/τ_и, где τ_и – длительность импульса. Если уравнять частоты f ₀ и f _н = ω_н/2π, то выбранная система переносчиков будет ортогональна на протяжении интервала длительностью τ_и. Так как k- й канальный сигнал равен u_k (t) = c_k (t)cos(k ω_н t), то его спектр содержит две боковые полосы отно­сительно несущей f _k = k f _н. При f _н = f ₀ = 1/ τ_и несущие частоты (k +1), (k + 2)-го и т. д. каналов, а также несущие предшествующих (k – 1), (k – 2)-го и т. д. каналов совпадают с нулями спектра k -го канала. Хотя спектры всех канальных сиг­налов перекрываются, тем не менее, различия в форме переносчи­ков позволяют разделить эти сигналы на приёме методом разделе­ния ортогональных сигналов.

Метод передачи на кратных несущих можно сочетать с методом фазового разделения сигналов: на каждой несущей k ω_н можно осу­ществлять передачу двух сигналов с переносчиками cos k ω_н t и sin k ω_н t. В этом случае при той же ширине спектра группового сигнала можно в два раза увеличить число каналов.

Известны многоканальные системы передачи дискретной информации, в которых в качестве переносчиков используются другие системы ортогональных функций: полиномы Лежандра, полиномы Лагерра и др. Все эти системы характеризуются следующим:

1) формирование и разделение канальных сигналов осуществляются с помощью простых интегрирующих уст­ройств, а не сложными канальными полосовыми фильтрами;

2) системы обладают высокой помехоустойчивостью;

3) на переходы между каналами оказывают влияние линейные и нелинейные искажения в групповом тракте;

4) требования к генераторному оборудованию ужесточаются вследствие необходимости когерентного приёма.

5.3.3. Нелинейное разделение сигналов

При построении некоторых систем передачи двоичных сигналов применяются следующие методы нелинейного разделения сигналов:

– комбинационный;

– разделение сигналов по уровню;

– кодовое разделение сигналов.

Комбинационный метод разделения сигналов. При передаче N независимых дискретных сооб­щений по общему групповому тракту, если элемент i -го сообщения может принимать одно из m_i возможных значений (i = 1, 2,..., N), общее число значений, которое может принимать элемент N -канального источника, объединяющего исходные N источников, будет равно. При одинаковых значениях m_i = m имеем M = m^N. Таким образом, используя основание кода M = m^N, можно одновременно передавать информацию от N индивидуальных источников, работающих с ос­нованием кода т. В частности, при т = 2 (двоичные коды), числе каналов N = 2, групповое сообщение b _г может принимать четыре возможных значе­ния, соответствующих различным комбинациям нулей и единиц в обоих кана­лах, при N = 3 число различных комбинаций будет равно М = 8 и т.д. Задача теперь сводится к передаче некоторых чисел b _г, определяющих номер комби­нации. Эти числа могут передаваться посредством сигналов дискретной моду­ляции любого вида. Разделение сигналов, основанное на различии в комбина­циях сигналов разных каналов, называется комбинационным. Структурная схема МКС с комбинационным (кодовым) разделением представлена на рис. 5.8. Здесь первичные сообщения b ₁(t), b ₂(t), ..., b_N (t) от N источников поступают на вход кодера, выполняющего роль устройства объединения каналов (УОК). Полученное групповое сообщение b _г(t) преобразуется с помощью модулятора М в групповой сигнал u _г(t), поступающий в групповой тракт (линию связи). На приёмной стороне после демодуля­ции и декодирования в приёмнике (П) в устройстве разделения каналов (УРК) формируются канальные сообщения, соответствующие N первичным сообщениям.

Типич­ными примерами комбинационного уплотнения являются сис­темы двукратного частотного телеграфирования (ДЧТ) и двукратного фазового телеграфирования (ДФТ), в которых для передачи четырёх комбинаций сигналов двух источников (каналов) используют соответственно четыре разные частоты f_k, k = 1, 2, 3, 4 и четыре частоты с различными начальными фазами (табл. 5.2).

Рис. 5.8. Структурная схема многоканальной системы

с комбинационным уплотнением

Таблица 5.2

Параметры сигналов двухканальной системы

Каналы	Параметры переносчиков
I	II	частота	фаза
		f 1	φ1
		f 2	φ2
		f 3	φ3
		f 4	φ4

Комбинационная система выгодна при небольшом числе каналов, так как увеличение числа каналов (кратности системы) резко уве­личивает необходимое количество передаваемых сигналов, что при­водит к усложнению системы. В настоящее время применяются двукратные системы с ЧМ и AM, трёхкратные системы с ФМ и многократные комбинированные системы типа АФМ (амплитудно-фазовая модуляция).

Разделение сигналов по уровню. В системе разделения сигналов по уровню сигналы одинаковой формы могут передаваться одновременно, а групповой сигнал яв­ляется суммой канальных сиг­налов. Разделение сигналов на приёме осуществляется с помо­щью нелинейных пороговых ус­тройств. В простейшем случае при разделении двух сигналов u ₁(t) и u ₂(t) с амплитудами A ₁ и А ₂ пороговое устройство выделяет сигнал с большей ам­плитудой путём ограничения сверху и снизу (рис. 5.9, а). Схема приёмного устройства показана на рис. 5.9, б.

Рис. 5.9. Структурная схема приёмного устройства МКС

с нелинейным разделением сигналов (б) и эпюры сигналов (а)

На выход порогового уст­ройства проходит сигнал, соот­ветствующий сигналу u ₁(t), но с уменьшенной амплитудой, равной (A ₁ – А ₂). Этот сигнал усиливается до номинального значения амплитуды (A ₁) и по­ступает на выход первого ка­нала. Сигнал u ₂(t) на выходе второго канала выделяется пу­тем вычитания u ₁(t) из сум­марного сигнала.

Кодовое разделение сигналов. Принципы кодового разделения каналов основаны на использовании широкополосных сигналов (ШПС), полоса которых значительно превышает полосу частот, необходимую для обычной передачи сообщений, например, в узкополосных системах с ЧРК. Основной характеристикой ШПС является база сигнала, определяемая как произведение В = ∆ FT ширины его спектра ∆ F на его длительность Т. В цифровых системах связи, передающих информацию в виде двоичных символов, длительность ШПС Т и скорость передачи сообщений v связаны соотношением Т = 1/ v. Поэтому база сигнала В = ∆ F/v характеризует расширение спектра ШПС (S _шпс) относительно спектра сообщения.

Расширение спектра частот передаваемых цифровых сообщений может осуществляться двумя методами или их комбинацией:

– прямым расширением спектра частот;

– скачкообразным изменением частоты несущей.

При первом способе узкополосный сигнал умножается на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом повторения Т, включающую N бит последовательности длительностью t ₀ каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП: В = Т/t ₀ = N.

Скачкообразное изменение частоты несущей, как правило, осуществляется за счет быстрой перестройки выходной частоты синтезатора в соответствии с законом формирования псевдослучайной последовательности.

Приём ШПС осуществляется оптимальным приёмником, который для сигнала с полностью известными параметрами вычисляет корреляционный интеграл

, (5.14)

где x (t) – входной сигнал, представляющий собой сумму полезного сигнала u (t) и помехи n (t) (в данном случае белый шум).

Затем величина z сравнивается с порогом Z ₀. Значение корреляционного интеграла находится с помощью коррелятора или согласованного фильтра. Коррелятор осуществляет «сжатие» спектра широкополосного входного сигнала путем умножения его на эталонную копию u (t) с последующей фильтрацией в полосе 1/ Т, что и приводит к улучшению ОСШ на выходе коррелятора в В раз по отношению ко входу. При возникновении задержки между принимаемым и опорным сигналами амплитуда выходного сигнала коррелятора уменьшается и приближается к нулю, когда задержка становится равной длительности элемента ПСП t ₀. Это изменение амплитуды выходного сигнала коррелятора определяется видом автокореляционной функции (при совпадающих входной и опорной ПСП) и взаимнокорреляционной функции (при отличающихся входной и опорной ПСП). Выбирая определенный ансамбль сигналов с «хорошими» взаимными и автокорреляционными свойствами можно обеспечить в процессе корреляционной обработки (свёртки ШПС) разделение сигналов. На этом основан принцип кодового разделения каналов связи.

5.3.4. Статистические методы уплотнения

В статистических методах уплотнения используются статистические особенности канальных сигналов в системах ЧРК или ВРК. В многоканальных телефонных си­стемах этот метод позволяет организовать дополнительные связи по существующим уже каналам в паузах речевых сигналов. В про­цессе телефонного разговора каждое из направлений передачи занято в среднем в течение 25 % времени продолжительности разговора. Число каналов, занятых непрерывной передачей речи, так называемых активных каналов, в многоканальной телефонной системе всегда меньше общего числа каналов N и при большом числе каналов N > 4000 отно­шение n/N становится равным 0,25 – 0,35. Наличие временно свободных каналов дает возможность строить системы уплотнения, в которых число передач m превышает номинальное число кана­лов N. В таких системах канал предоставляется абоненту только па время непрерывной передачи речи, т. е. на время активного со­стояния канала. Во время пауз в речи канал отключается от данного абонента и подключается к другому говорящему абоненту. Когда первый абонент вновь начинает говорить, он подключается к любому свободному каналу в системе.

Другим видом систем статистического уплотнения являются системы, в которых паузы в передаче речи по телефонным каналам используются для передачи данных.

5.4. Системы передачи и распределения информации

С целью организации обмена информацией между многими источниками и получателями информации каналы и системы передачи объединяются в сети связи – системы передачи и распределения информации (СПРИ).

Дата добавления: 2014-01-07