Временное разделение каналов (временное уплотнение линии связи)

Метод временного уплотнения используется в многоканальных линиях связи с временным разделением каналов. По таким линиям связи передаются импульсные сигналы, в то время как непрерывные сигналы типичны для линий связи с частотным разделением. При медленно изменяющихся телеметрических данных сигнал будет узкополосным (например, данные о температуре можно передавать с малой скоростью; скажем, один раз в 10 с), и крайне неэкономно за­нимать таким сигналом всю линию радиосвязи. Для увеличения эф­фективности передачи эту же линию связи можно использовать для передачи других измерений в паузах между передачей значений температуры. Ясно, что эффективное использование линии связи может быть достигнуто за счет временного разделения канала связи между несколькими измеряемыми параметрами, каждый из которых передается с частотой, соответствующей скорости его изменения. При таком временном разделении каждой измеряемой величине отводится свой повторяющийся временной интервал. В нашем при­мере в течение 10 с должно быть передано некоторое число разнооб­разных групп данных. Значения различных измеряемых величин. передаются одна за другой через одну и ту же линию связи, каждая величина в свои промежутки времени. Приемное устройство должно быть в состоянии разделить поток значений по каналам так, чтобы в каждом из каналов образовались последовательности значений, соответствующие первичной измеряемой величине. Для этого необ­ходимо обеспечить временную синхронизацию или метить каждый временной промежуток для того, чтобы на приемном конце можно было распознать каждый источник данных. На рис. 16 показаны временное уплотнение каналов и функциональная схема типичной телеметрической системы с разделением каналов по времени.

Общим методом опознавания каждого временного промежутка является отсчет его положения по отношению к синхронизующим импульсам, которые имеются в начале цикла передаваемых значе­ний данных, -«тактовые импульсы». На рис. 17,а показаны более подробные функциональные схемы коммутатора и декоммутатора.

Рис. 16.

а-распределение временных интервалов (10 каналов); б-упрощенная функциональная схема системы.

Коммутатор собирает множество входных каналов от источников сигналов в одну линию передачи. Счетчик задает каждый временной промежуток и, следовательно, место в цикле для каждого источника данных. Например, пятый канал данных в приведенной схеме под­ключен к линии радиосвязи в то время, когда счетчик находится в положении 5, или при счете 5. На рис. 17,б показана упрощенная схема коммутации и декоммутации. Когда переключатель коммута­тора находится в положении 1, в том же положении находится и переключатель декоммутатора, роль которого играет коммутатор, работающий в обратном направлении. Следовательно, данные пер­вого канала передаются и принимаются.Оба переключателя работа­ют синхронно.

Рис. 17.

а - функциональная схема; б - схема взаимодействия. Синхронизирующий сигнал в приемном устройстве может быть извлечен из передаваемых по линии связи синхроимпульсов или образован местным генератором.

Тактовый синхроимпульс обеспечивает точную синхронизацию начала цикла, гарантирующего согласованные переключения ком­мутатора и декоммутатора. Отметим, что в коммутаторе и декоммутаторе используется одинаковая аппаратура; различие заключается лишь в направлении движения данных.

Так как коммутация и декоммутация управляются фиксированной частотной синхронизацией, частота переключений также стабиль­на и длительность каждого временного промежутка одинакова. Однако это может быть невыгодным в случаях, когда для различных источников данных требуются существенно разные полосы частот. Для того чтобы понять связь между полосой частот и частотой пере­ключении, необходимо рассмотреть процесс выборки данных.

Как отмечалось ранее, синусоида может быть восстановлена из последовательности выборок ее мгновенных значений. Для воспроизведения синусоиды частоты 1 кГц с высокой верностью (искажения менее 1%) требуется по меньшей мере 5 выборок из каждого периода сигнала. Следовательно, сигнал с частотой 1 кГц должен быть подвергнут дискретизации со скоростью 5000 значений в секунду, т. е. 5 выборок на период измеряемой величины. Если мы предполагаем коммутировать сигналы от 10 источников данных (имеющих полосы частот по 1 кГц), для каждого из которых требует­ся скорость дискретизации 5000 выборок в секунду, то необходима скорость коммутации 10×5000 выборка/с = 50000 выборка/с. Ком­мутатор должен переключаться от источника к источнику с частотой 50 кГц (через 20 мс), так что каждый источник сигналов будет опро­шен один раз за каждые 10 переключений, т. е. один раз каждые 20 мс, но с частотой 5 кГц. Частота тактов, т. е. число тактов в секун­ду, будет равна 5000 такт/с. Частота переключений равна тактовой частоте, умноженной на число источников данных в системе, или тактовой частоте, умноженной на число импульсов в такте (5000×10=50000 имп./с). Линия связи должна быть в состоянии передавать импульсные данные с такой высокой частотой (50000 имп./с) без ощутимых искажений. Это означает, что необходима система связи. с шириной полосы пропускания гораздо больше 50000 Гц.

Выборки данных от различных источников в системе, показанной на рис. 16,б, непосредственно модулируют несущую. Наряду с такой непосредственной модуляцией часто бывает, что выборки данных используются для модуляции поднесущей, которая в свою ечередь модулирует несущую, как это показано штриховыми лини­ями на рис. 16,б. Выборки данных от группы источников переда­ются, таким образом, на одной из поднесущих в системе с частотным уплотнением каналов. Это позволяет применять оба метода уплот­нения каналов в одной линии связи. Сами по себе выборки данных это не что иное, как импульсные значения сигнала при амплитудно-импульсной модуляции (АИМ), т.е. информация является амплитудно-нмпульсно-модулированной. Так как такие АИМ-сигналы модулируют поднесущую (например, путем ЧМ), которая затем мо­дулирует несущую (к примеру, также путем ЧМ), то в результате получается АИМ/ЧМ/ЧМ-система.

Теперь рассмотрим пример, демонстрирующий влияние дискре­тизации сигнала на ширину полосы частот системы связи.

Рассмотрим несущую с частотой 100 МГц, которая модулируется (ЧМ) поднесущей с центральной частотой 70 кГц. Информация пере­носится с помощью частотной модуляции поднесущей 70 кГц. Таким образом, имеем ЧМ/ЧМ-канал связи. Чтобы соответствовать стан­дартам, необходимо ограничить девиацию частоты поднесущей до ±15%. Это означает, что при индексе модуляции 5 ширина полосы информации ограничена до 2100 Гц, т. е. получается гораздо уже полосы 50000 Гц, необходимой для предложенной системы с уплот­нением каналов. Если число выборок в такте было бы сокращено до одной, что означает оставление одного из источников данных, то потребовалась бы частота переключений 5 кГц, т. е. по-прежнему шире полосы 2100 Гц, которой располагает поднесущая 70 кГц. Отметим, что в случае одного источника данных не требуется ника­кого уплотнения каналов и, следовательно, возможна прямая непре­рывная передача (без выборки). В этом случае ширина полосы 2100 Гц в два раза больше полосы, необходимой для сигнала от одного источника (1 кГц в предыдущем примере). Такое ухудшение эффективности использования полосы частот (при дискретизации требуется полоса 5 кГц, без дискретизации - только 1 кГц) обус­ловлено свойствами самой дискретизации сигнала. При форми­ровании пяти выборок мгновенных значений сигнала на каждый пе­риод непрерывного сигнала мы расширяем полосу частот сигнала более чем в пять раз, а следовательно, и требуемую полосу канала. Хотя при использовании одной поднесущей для передачи сигналов от большого числа источников полоса частот используется неэффек­тивно, но это имеет и свои достоинства, проявляющиеся при узкополосных сигналах от источников. Поэтому временное разделение, требующее дискретизации сигнала, в основном используется в при­ложениях с низкими требованиями к полосе частот. Однако широкополосные сигналы тоже.могут быть переданы с использованием дли­тельных выборок. Длительность каждой выборки в таком методе го­раздо больше, чем период ннформации, и составляет 5 и более ее периодов. Это просто означает, что выборка содержит не одно мгно­венное значение, а конечный отрезок значений сигнала, передавае­мый в данный тактовый интервал времени. При таком методе необ­ходимо быть уверенным в отсутствии потерь данных за время пере­рыва передачи ниформацин от определенного источника.

Выше предполагалось, что способом передачи является ЧМ/ЧМ. Следовательно, в каждый отдельный интервал времени изменяю­щаяся частота поднесущей представляет собой значение измеряе­мой величины, подвергнувшейся выборке в это время. В течение этого интервала времени отклонение частоты от центра поднесущей соответствует напряжению выборки, которое модулирует частоту поднесущей. Ширина этих временных интервалов фиксирована, а такт их последовательности задается синхроимпульсом. Синхроим­пульс вызывает максимальное отклонение частоты и имеет длитель­ность, равную удвоенному обычному временному промежутку. Уширение необходимо для выделения импульса синхронизации из им­пульсов выборок сигналов.

Установление стандартов и контроль характеристик линий пе­редачи осуществляются различными государственными или между­народными органами (в зависимости от характера линий: спутнико­вая телеметрия - международными соглашениями, промышленная телеметрия - органами государственного контроля и т.д.). На­пример, тактовая частота должна поддерживаться постоянной с точностью ±5% (долговременная стабильность); длина такта огра­ничена не более 128 временными интервалами и т.д. (IRIG , «Стан­дарты телеметрии»). Отметим еще, что при высоких частотах поднесущих полоса часто оказывается шире; значит, частота переключении может быть выше.

Для повышения эффективности иногда полезно иметь неодина­ковую частоту выборки для разных источников.

Источник широкополосной информации должен опрашиваться чаще, чем узкополосный. Это легко достигается простыми изменения­ми во внутренних соединениях коммутатора и декоммутатора. На­пример, если мы соединим положения 1 и 5 в десятиточечном комму­таторе (уплотнителе каналов), то источник данных, соединенный с положениями 1 и 5, будет опрошен дважды за один такт, т. е. с уд­военной частотой. Возможно также произвести подкоммутацию, т.е. выделить один или более временных интервалов, длительность которых разбивается на части для передачи данных от дополнитель­ного ряда источников. Длительность интервала основного такта становится при этом подтактом для подкоммутатора.

Эти методы позволяют легко приспособить систему к широкому диапазону требований к полосе частот.

Рассмотрим особенности структуры трактов передачи и приема сигналов и последовательность преобразования сигналов в системах ЧРК-ЧМ. С этой целью обратимся к рис. 2.1 и 2.3 и выясним, что представляет собой показанные на них элементы применительно к системам с ЧРК-ЧМ.

Аппаратура уплотнения (АУ) построена по принципу частотного разделении каналов (ЧРК) или, другими словами по принципу частотного уплотнения (ЧУ), широко применяемому для уплотнения кабельных линий связи. Принцип ЧУ состоит в том (рис.3.2 и 3.3), что в трактате передачи спектры ТЧ индивидуальных сообщений с помощью индивидуальных преобразователей передачи (ИПП) и далее групповых преобразователей передачи (ГПП) транспортируются в область более высоких частот, причем групповое преобразование может иметь несколько этапов.

Перенос спектра осуществляют методом однополосной модуляции, в связи с чем системы с ЧРК-ЧМ иногда называют с ОБ-ЧМ, ОБП-ЧМ (одна боковая полоса), а групповой сигнал именуют групповым или линейным однополосным сигналом (на рис.3.2.):

Индивидуальный преобразователь передачи ИПП (а также и групповой преобразователь передачи ГПП) представляет собой кольцевой модулятор на который с одной стороны поступает спектр частот преобразуемого сигнала (сигнала ТЧ), а с другой гармоническое колебание несущей частоты. После кольцевого преобразователя включен полосовой фильтр (ПФ), который выделяет одну из боковых полос, верхнюю или нижнюю, и подавляет остаток несущей и вторую боковую полосу. Выбором значения и полосы частот фильтра ПФ определяется транспонированное положение и ширина полосы частот сигнала дальнего канала на оси частот группового (линейного) сигнала. На стороне приема преобразование спектра происходит в обратном порядке в групповых преобразователях приема (ГППр) и в индивидуальных преобразователях приема (ИППр). При индивидуальном преобразовании спектров сигналов стандартных каналов ТЧ, лежащих в пределах поднесущие частоты кратные 4 кГц. При этом между соседними каналами обеспечиваются защитные полосы = 0,9 кГц., необходимые для надежной расфильтровки спектров соседних каналов. В результате индивидуального преобразования формируются первичные группы каналов (ПГ), обычно включающие в себя 3,6 или 12 каналов. Так, для полевых малоканальных военных систем чаще всего применяется 3-х канальные первичные группы, занимающие спектр частот 12,3 - 23,4 кГц - так называемые 3- канальные ШК, образованные с помощью поднесущих 12,16,20 кГц с выделение верхних боковых. Для формирования линейного спектра использованы три ступени преобразования. В индивидуальном оборудовании применяется преобразование низкочастотных сигналов с

помощью несущих частот 12, 16 и 20 кГц. для первого второго и третьего каналов соответственно с использованием верхних боковых полос от 12,3 до 15,4 кГц, от 16,3 до 19,4 кГц, от 20,3 до 23,4 кГц. Аналогичному образованию подвергаются сигналы четвертого, пятого и шестого каналов.

На второй ступени преобразования осуществляется перенос спектров двух трехканальных групп 12,3-12,4 кГц в диапазон частот от 68 до 96 кГц с помощью несущих частот 92 и 108 кГц. Используемые полосы частот от 68 до 80 кГц (первая группа) и от 84 до 96 кГц (вторая группа) с помощью третьей ступени преобразования, групповой, на несущей частоте 64 кГц. переносятся в линейный спектр частот 4-32 кГц.

Кроме полученного спектра частот в линию передаются сигналы канала служебной связи и контрольная частота 18 кГц.

В тракте приема преобразование сигналов линейного спектра в спектры тональной частоты осуществляется в обратном порядке. В малоканальных станциях с ЧРК-ЧМ работающих в основном в диапазоне метровых волн частотно-модулированный сигнал (ЧМ) формируется непосредственно на радиочастоте (рис.3.6) в частотно-модулируемом генераторе (ЧМГ), не стабилизированным кварцем. Колебания ЧГМ далее усиливаются в усилителе высокой частоты (УВЧ) на выходе которого формируется многоканальный частотно-модулированный сигнал (МК ЧСМ), либо предварительно еще умножаются по частоте (обычно не более чем в 2-4 раза т.е. fпер=fчмг или fпер=nfчмг. Модуляция колебания ЧМГ осуществляется с помощью варикапа или другого реактивного элемента, включенного в колебательный контур ЧМГ. Модулирующий групповой сигнал (ГС) поступает с выхода передающего тракта АУ (рис.3.6.) и подается на реактивный элемент ЧМГ, предварительно пройдя групповой усилитель (ГУ) и предискажающий контур. Последний способствует выравниванию качества каналов по шумам. Для того чтобы обеспечить высокую стабильность частоты ЧМГ, его частота стабилизируется по колебанию соответствующей опорной частоты из набора частот вырабатываемых синтезатором опорных частот (СОЧ). Подстройка частоты осуществляется путем сравнивания частоты ЧМГ (fЧМГ)с опорной частотой (fОЧ)в системе (СМ). При точной настройке ЧМГ промежуточная частота (fПЧ), получаемая как разность fОЧ=fЧМГ-fОЧ равна своему номиналу и кольцо АПЧ, включающее усилитель промежуточной частоты (УПЧ) и частотный детектор (ЧД),

не оказывают влияния на частоту ЧМГ (система в состоянии равновесия). При расстройке ЧМГ значение отличается от номинала и система АПЧ подстраивает частоту ЧМГ доводя его остаточную расстройку до некоторой малой допустимой величины. Фильтр нижних частот (НФЧ) резко ограничивает полосу частот практически выделяя только постоянную составляющую.

В радиорелейных станциях с ЧРК-ЧМ, работающих в диапазоне СВЧ, передающая часть группового тракта и радио-тракта строится, как правило, в соответствии с принципом, показанным на рис.3.6. Здесь fПЕР =f1 ± fПЧ, причем f1 = fГЕТ ± fСДВ, где fСДВ - частота сдвига между частотами передатчика fПЕР и приемника fПР данного полукомплекта станции. Частота сдвига обычно постоянная, а частота гетеродина fГЕТ, вырабатываемая в синтезаторе частот (СЧ), при перестройке станции

изменяет свое назначение, вследствие чего изменяется f1 , а значит и fПЕР. Промежуточная частота при отсутствии модуляции всегда постоянна. В процессе модуляции групповым сигналом величина fПЧ изменяется пропорционально напряжению и в соответствии со знаком напряжения группового сигнала.

На промежуточной ретрансляционной станции при ретрансляции по ВЧ (ВЧ транзит) групповой тракт отключается и на вход смесителя сигнал промежуточной частоты поступает от приемника другого направления связи. Сигнал канала служебной связи (КСС) при этом вводится в частотный или фазовый модулятор, содержащийся в генераторе сдвига (Гсдв).

Структура тракта приема в принципе поясняется с помощью рис.3.7. Приемник супергетеродинного типа строится как приемник ЧМ сигнала. В малоканальных РРС, работающих в диапазонах метровых волн, обычно применяют двойное преобразование частоты. В системах СЧ используют однократное преобразование частоты. В этом случае при ретрансляции по ВЧ многоканальный частотно-модулированный сигнал промежуточной частоты в режиме транзита (ВЧТр) без демодуляции в передатчик другого направления связи. Поскольку гетеродин в этом режиме используется одновременно как для работы передатчика, так и для работы приемника (различных направлений связи). Величина нестабильности частоты гетеродина исключается из ретранслированного сигнала, причем,где соответственно частота передачи и частота приема противоположных направлений связи на данной промежуточной РРС.

При работе в оконечном режиме (Ок) сигнал промежуточной частоты после ограничения по амплитуде в ограничителе (Огр) демодулируется частотным детектором. Далее групповой сигнал усиливается групповым усилителем и после выравнивающего контура (ВК) поступает в аппаратуру уплотнения.

Достоинства метода ЧРК-ЧМ:

– возможность сопряжения с проводными линиями многоканальной электросвязи по групповому тракту и по трактам стандартных широкополосных каналов (ШК), что позволяет легко получать составные радиорелейно-кабельные линии связи и обеспечить совместную работу таких средств связи с минимальным числом транзитов по ТЧ;

– возможность применения метода внешнего уплотнения, позволяющего, при необходимости, размещать РРС на значительном удалении от узла связи (до 14-16 км);

– отсутствие необходимости применения системы синхронизации;

– универсальность широкополосных групповых и радио-трактов в принципе пригодных для передачи не только многоканальных сигналов, объединяющих ляд сигналов стандартных каналов ТЧ, но для передачи высокоскоростных потоков бинарной информации, телевизионных сигналов и т.п.

Недостатки метода ЧРК-ЧМ:

– громоздкость аппаратуры уплотнения при числе каналов, равном десяткам и более; применительно к военным подвижным РРЛ это приводит к необходимости выделения дополнительных транспортных единиц для размещения АУ;

– невозможность выделения любых номеров каналов ТЧ без демодуляции до ТЧ всех или части каналов, необходимость выделения каналов только группами (тройками, шестерками и т.д. На рис.3.8.г показан принцип импульсной передачи непрерывного сигнала.);

– необходимость обслуживания отдельных аппаратных уплотнения своими экипажами;

– относительная дороговизна АУ и РРС в целом.

Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте (АТС) Многоканальная телефонная связь и методы разделения каналов

Многоканальная телефонная связь и методы разделения каналов

Многоканальная телефонная связь (МТС)

При обычной телефонной связи число одновременно действующих соединений должно быть меньше или равно числу предоставляемых каналов связи, а это удорожает строительство кабельных линий при большом числе абонентов. Выходом в этом случае является организация многоканальной связи на некоторых участках телефонной сети.

СПИ - система преобразования информации;

ТЛФ - телефон;

ГК - групповой канал;

Д - делитель;

ГС - групповой сигнал.

Каналы тональной частоты ТА имеют диапазон 0,4 - 3,1 кГц и объединяются в групповой сигнал, которые занимают полосу частот N (3,1 кГц + защитный интервал). Защитный интервал примерно равен 0,3 кГц.

Если изобразить сетку частот f, ты мы увидим, что каналы расположены следующим образом

1, 2, …, N - номера телефонных каналов.

Преимущество многоканальной телефонной связи состоит в уменьшении затрат на прокладку линий связи, поскольку по одной паре проводов удается передать одновременно несколько разговоров. Полоса пропускания воздушной линии связи со стальными проводниками составляет 30 кГц, с медными - 150 кГц, для кабельных линий связи - 10 МГц, для коаксиального кабеля примерно - 1000 МГц.

Реально используются следующие варианты по числу каналов:

1-й уровень - 12 телефонных каналов.

2-й уровень - 60 каналов.

3-й уровень - 300 каналов.

Методы разделения каналов

1. Частотное разделение каналов (ЧРК) - FDMA

Данный метод стоится с применением многоканальных фильтров и преобразователей частоты.

ПФ - полосовой фильтр;

ПЧ - преобразователь частоты;

ТЛФ - телефонный аппарат;

С - сумматор.

Преобразователь частоты с номером i производит амплитудную модуляцию с i-го телефонного аппарата, полосовым фильтром выделяется верхняя или нижняя боковые посолы амплитудно-модулированного сигнала. А в сумматоре происходит формирование группового сигнала. После передачи по общему каналу процесс обработки происходит в обратном направлении.

2. Временное разделение каналов (ВРК) - TDMA

При временном разделении каналов сигнал с каждого телефонного аппарата преобразуется в цифровую форму. При этом формируются пакеты данных, содержащие определенное число бит (бит - единица информации в цифровом виде). Сформированные пакеты для каждого телефонного канала передаются в специально отведенные временные слоты, которые делятся на временные каналы. Отдельные слоты разделены защитными временными интервалами.

Принцип временного разделения каналов широко используется в современных системах передачи информации, поскольку позволяет сократить избыточность информации при сжатии данных цифровыми методами. Временное разделение каналов используется не только в проводных сетях общего пользования, но и в сотовых системах связи.

3. Кодовое разделение каналов (КРК) - CDMA

Принцип кодового разделения каналов заключается в разделении каналов по кодам.

4. Спектральное разделение каналов (СРК) - WDMA

Принцип спектрального разделения заключается в разделение каналов по длине волны.

В основе временного разделения каналов лежит теорема В.А. Котельникова о том, что непрерывный сигнал, спектр которого ограничен максимальной частотой Fc макс полностью определяется его дискретными отсчетами, взятыми через интервалы времени

При этом в промежутках между отсчетами одного канала можно передать отсчеты сигналов других каналов. Таким образом, сигналы от разных источников подключаются к общей линии поочередно, не перекрываясь друг с другом (рисунок 3.4). Такие сигналы удовлетворяют условиям линейной независимости и ортогональности.

T Д - время дискретизации, Т к - канальное время, СИ - синхроимпульс

Рисунок 3.4 - Иллюстрация принципа временного разделения каналов

На рисунке 3.5 показана структурная схема многоканальной измерительной системы с временным разделением каналов и линией связи в виде радиолинии. Вместо радиолинии в ряде случаев может быть использована проводная линия связи.

Для образования разделяемых измерительных каналов работа устройств управления (УУ) ключевыми элементами (КУ) на передающей и приемной стороне должно быть синхронная и синфазная. Поэтому один из каналов отводится для передачи синхроимпульса, существенно отличающийся по одному из параметров от информационных импульсов (отсчетов сигналов) (СИ на рисунке 3.4 имеет амплитуду, большую, чем максимальное значение отсчета измерительного сигнала). СИ выделяется на приемной стороне селектором синхроимпульса (СС), и устанавливает счетчик каналов на приемной стороне в начальное состояние, с которого начинается счет каналов, т.е. обеспечивает синфазность УУ.

Селектор канальных импульсов (СКИ) формирует из принимаемого группового сигнала синхронный канальный импульс, который поступает на счетный вход УУ и осуществляет переключение счетчика каналов в темпе поступления отсчетов соседних каналов.

Как видно из схемы, первичное преобразование измерительных сигналов в СВРК всегда есть преобразование непрерывных сигналов в дискретные, то есть дискретизация. Соответственно, в первой ступени модуляции осуществляется, как правило, АИМ-1.

D - датчик, КУ - ключевое устройство, УУ - устройство управления,

М - модулятор, Г - генератор, ПР - приемник, ДМ - демодулятор,

УВ - устройство восстановления, РУ - регистрирующее устройство,

СС - селектор синхроимпульсов,

СКИ - селектор канальных имульсов

Рисунок 3.5 - Структурная схема измерительной системы с временным разделением каналов

Групповой сигнал с выхода коммутатора каналов может подвергаться вторичному преобразованию. Если пропорционально модулирующему сигналу (сигналу датчика) изменяется ширина канального импульса ф К, то получаем широтно-импульсную модуляцию (ШИМ).

Если по закону изменения сигнала датчика меняется положение переднего фронта импульса относительно начала отсчета (обычно начало канального интервала), то получим время-импульсную модуляцию (ВИМ).

Сигнал с выхода коммутатора каналов может также преобразовываться в цифровой сигнал, т. е. в код. В телеметрии такой вид преобразования называют кодо-импульсной модуляцией (КИМ).

Во второй ступени модуляции последовательности импульсов, образующих сигналы с АИМ, ШИМ или ВИМ, может модулировать несущую по амплитуде (АМ), частоте (ЧМ) или фазе (ФМ).

Лекция 4. Достоинства и недостатки многоканальных измерительных систем с частотным и временным разделением каналов

Измерительные системы с частотным разделением каналов

Достоинства

• 1) Одновременная (параллельная) передача сигналов от каждого датчика, независимо друг от друга. Благодаря этому практически отсутствует задержка получения измерительных сигналов на приемной стороне (если не учитывать время распространения сигнала в линии связи, которое увеличивается при увеличении дальности передачи).
• 2) «Живучесть» системы, которая обеспечивается опять же независимой передачей сигналов по каждому измерительному каналу.

Недостатки

1) Ограниченное число измерительных каналов.

Нелинейностью характеристик общего тракта передачи сигналов в СЧРК вызывает ограничение максимального количества каналов, которое может быть реализовано.

Пусть нелинейность характеристики общего тракта СЧРК описывается нелинейным уравнением:

U ВЫХ - сигнал с выхода группового тракта, U - сигнал на выходе сумматора. (Нелинейным элементом, в частности может являться модулятор несущей).

Сигнал U (t ) образуется суммированием сигналов всех поднесущих в сумматоре:

Пусть для всех поднесущих амплитуды Е к =1.

Подставляя (4.2) в (4.1) получим в выходном сигнале следующие составляющие:

Проведем замену.

Таким образом, сигнал на выходе группового тракта, а соответственно на входах всех разделительных полосовых фильтров на приемной стороне, содержит не только составляющие входного сигнала, но и большой набор комбинационных частот типа. Чем больше число каналов N , тем больше комбинационных частот появляется в спектре сигнала.

При малом числе каналов (N 6) еще можно подобрать поднесущие частоты F 1 , F 2 ,…, F N так, чтобы комбинационные частоты не попадали в полосы пропускания разделительных фильтров. С увеличением числа каналов этого сделать уже не удается.

Если ограничиться тремя слагаемыми в выражении (4.1), то число комбинационных частот вида щ 1 ±щ 2 ±щ 3 равно 480 при числе каналов N =10 и 1820 при N =15. Эти комбинационные частоты попадают в полосу пропускания канальных полосовых фильтров и создают помехи, которые называют перекрестными помехами. При большом числе каналов перекрестные помехи по своему характеру приближаются к флуктуационным шумам. Поэтому и бороться с этими помехами надо теми же способами, как и при борьбе с шумами. Один их путей - применение широкополосных видов модуляции, т. е. в поднесущих надо применять не АМ, а ЧМ. Применение ЧМ позволяет снизить требования к линейности характеристик общего тракта, поэтому в СЧРК наиболее широко применяется ЧМ поднесущих.

Временное разделение каналов

Принцип временного разделения каналов (ВРК) состоит в том, что групповой тракт предоставляется поочередно для передачи сигналов каждого канала многоканальной системы (рисунок 6.5). В зарубежных источниках для обозначения принципа временного разделения каналов используется термин Time Division Multiply Access (TDMA).

Рисунок 6.5 – Принцип временного разделения каналов

При передаче используется дискретизация во времени (импульсная модуляция). Сначала передается импульс 1-го канала, затем следующего канала и т.д. до последнего канала за номером N, после чего опять передается импульс первого канала и процесс повторяется периодически. На приеме устанавливается аналогичный коммутатор, который поочередно подключает групповой тракт к соответствующим приемникам. В определенный короткий промежуток времени к групповой линии связи оказывается подключена только одна пара приемник/передатчик.

Это означает, что для нормальной работы многоканальной системы с ВРК необходима синхронная и синфазная работа коммутаторов на приемной и передающей сторонах. Для этого один из каналов занимают под передачу специальных импульсов синхронизации.

На рисунке 6.6, а, б, в приведены графики трех непрерывных аналоговых сигналов S 1 (t ), S 2 (t ) и S 3 (t ) и соответствующие им АИМ-сигналы. Импульсы разных АИМ-сигналов сдвинуты друг относительно друга по времени. При объединении индивидуальных каналов образуется групповой сигнал S г (t ) (рисунок 6.6, г) с частотой следования импульсов в N раз большей частоты следования индивидуальных импульсов. Интервал времени между ближайшими импульсами группового сигнала TK называется канальным интервалом или тайм-слотом (Time Slot ). Промежуток времени между соседними импульсами одного индивидуального сигнала называется циклом передачи ТЦ . От соотношения ТЦ и TK зависит число импульсов, которое можно разместить в цикле, т.е. число временных каналов.

Рисунок 6.6 – Временные диаграммы преобразования сигналов при ВРК

При временном разделении так же как и при ЧРК существуют взаимные помехи, в основном обусловленные двумя причинами. Первая состоит в том, что линейные искажения, возникающие за счет ограниченности полосы частот и неидеальности амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик всякой физически осуществимой системы связи, нарушают импульсный характер сигналов. При временном разделении сигналов это приведет к тому, что импульсы одного канала будут накладываться на импульсы других каналов. Иначе говоря, между каналами возникают взаимные переходные помехи или межсимвольная интерференция . Кроме того, взаимные помехи могут возникать за счет несовершенства синхронизации тактовых импульсов на передающей и приемной сторонах.

В силу данных причин временное разделение каналов на основе АИМ не получило практического применения. Временное разделение широко используют в цифровых системах передачи плезиохронной и синхронной иерархий.

В общем случае для снижения уровня взаимных помех приходится вводить "защитные" временные интервалы, что соответствует некоторому расширению спектра сигналов. Так, в системах передачи полоса эффективно передаваемых частот F =3100 Гц; в соответствии с теоремой Котельникова минимальное значение частоты дискретизации f 0 =1/Т Д =2F =6200 Гц. Однако в реальных системах частоту дискретизации выбирают с некоторым запасом: f 0 =8 кГц. При временном разделении каналов сигнал каждого канала занимает одинаковую полосу частот, определяемую в идеальных условиях согласно теореме Котельникова из соотношения (без учета канала синхронизации) Dt K =T 0 /N= 1/(2NF)= 1/(2F ОБЩ), где F ОБЩ =FN , что совпадает с общей полосой частот системы при частотном разделении.

Хотя теоретически временное и частотное разделения позволяют получить одинаковую эффективность использования частотного спектра, тем не менее, системы временного разделения уступают системам частотного разделения по этому показателю. Вместе с тем, системы с временным разделением имеют неоспоримое преимущество, связанное с тем, что благодаря разновременности передачи сигналов разных каналов отсутствуют переходные помехи нелинейного происхождения. Кроме того, аппаратура временного разделения значительно проще, чем при частотном разделении, где для каждого индивидуального канала требуются соответствующие полосовые фильтры.

Для разделения сигналов могут использоваться не только такие очевидные признаки, как частота, время и фаза. Общим признаком сигналов является форма. Различающиеся по форме сигналы могут передаваться одновременно и иметь перекрывающиеся частотные спектры, и тем не менее, такие сигналы можно разделить, если выполняется условие их ортогональности. В зарубежных источниках для обозначения данного принципа применяется понятие кодового разделения каналов Code Division Multiply Access (CDMA ). В последние годы успешно развиваются цифровые методы разделения сигналов по их форме, в частности, в качестве переносчиков различных каналов используются дискретные ортогональные последовательности в виде функций Уолша, Радемахера и другие. Широкое развитие методов разделения по форме сигналов привело к созданию систем связи с разделением "почти ортогональных" сигналов, представляющих собой псевдослучайные последовательности, корреляционные функции и энергетические спектры которых близки к аналогичным характеристикам "ограниченного" белого шума. Такие сигналы называют шумоподобными (ШПС).