Принципы разделения каналов. Принципы многоканальной передачи Используемые методы разделения каналов (РК)

Системы передачи с временным разделением каналов.

Построение систем передачи с временным разделением каналов (ВРК).Сущность временного разделения каналов, структурная схема СП с ВРК. Теорема Котельникова. Виды импульсной модуляции. Сравнительный анализ видов импульсной модуляции и область их применения.

Идея временного разделения каналов заключается в том, что элементы первичного сигнала принадлежащему i-му каналу, передаются в неперекрывающихся интервалах времени свободных от сигналов других каналов по общей линии.

В большинстве своем первичные сигналы являются аналоговыми (непрерывными) и идея ВРК определяет необходимость проведения операции дискретизации.

Эта операция выполняется в соответствии с теоремой Котельникова. Она формулируется так: всякий непрерывный во времени сигнал со спектром ограниченным по частоте может быть представлен последовательностью его отсчетов (мгновенных значений), в взятых через интервал времени:

Т Д = 1/F Д , F Д ≥ 2F B .

Каждому сигналу предоставляется свой канальный интервал.

Операция дискретизации осуществляется с помощью канальных электронных ключей

Рис. 8.1. Структурная схема системы передачи с временным разделением каналов

Интервал времени между ближайшими импульсами группового сигнала Т K называется канальным интервалом или тайм-слотом (Time Slot). Из принципа временного объединения сигналов следует, что передача в таких системах осуществляется циклами, то есть периодически в виде групп изN гр = N + n импульсов, гдеN – количество информационных сигналов,n – количество служебных сигналов (импульсов синхронизации – ИС, служебной связи, управления и вызовов). Тогда величина канального интервала:

Δt K = Т Д /N гр .

Рис.8.2. К пояснению метода временного разделения каналов.

При временном разделении каналов возможны следующие виды модуляции:

1.АИМ -амплитудно-импульсная модуляция;

2.ШИМ - широтно-импульсная модуляция;

3.ФИМ –фазоимпульсная модуляция;

4.ЧИМ – частотно-импульсная модуляция.

При АИМ периодическая последовательность импульсов изменяется в соответствии с изменением модулирующего сигнала.Различают (АИМ -1) амплитудно-импульсную модуляцию первого рода (при ней вершины импульсов изменяются в соответствии с модулирующим сигналом) При (АИМ -2) амплитудной модуляции второго рода вершина импульсов плоская и равна амплитуде импульса в момнент дискритизации. При скаважности импульсов больше десяти различия между АИМ-1 и АИМ-2 исчезают. АИМ модуляция проста в реализации, но имеет низкую помехоустойчивость, так как любая помеха изменяет амплитуду импульса и искажает форму восстанавливаемого сигнала.АИМ обычно используется как промежуточный вид модуляции при реобразовании аналогового сигнала в цифровой.

При ШИМ спектр сигнала меняется взависимости от длительности сигнала.Минимальному уровню сигнала соответствует минимальная длительность импульса и, соответственно, максимальный спектр сигнала.

При этом амплитуда импульсов остается неизменной. При односторонней ШИМ (ОШИМ) изменение длительности происходит только за счет перемещения

одного из фронтов заднего или переднего. При двухсторонней ШИМ изменения длительности происходит относительно тактовой точки. Более помехоустойчивый способ передачи в сравнении с АИМ. Для избавления от амплитудных искажений применяется ограничитель амплитуд. ШИМ используется в МСП импульсной радиосвязи, а так же в некоторых радиотелеметрических системах, системах телеконтроля и телемеханики.

ФИМ представляет собой разновидность временной импульсной модуляции.

Существует несколько разновидностей ФИМ

ФИМ 1-го рода ПРИ ней временной сдвиг импульсов пропорционален значению модулирующего сигнала в момент появления импульса. ФИМ-2 импульсная модуляция при которой временной сдвиг пропорционален значению модулирующего сигнала в тактовых точках. Обычно применяется ФИМ-2 .При отрицательных значениях модулирующего сигнала импульсы смещаются влево, а при положительных вправо.

В аппаратуре с ВРК и аналоговыми методами модуляции наибольшее применение получила ФИМ, так как при её использовании можно уменьшить мешающее действие аддитивных шумов и помех путём двухстороннего ограничения импульсов по амплитуде, а также оптимальным образом согласовать неизменную длительность импульсов с полосой пропускания канала. Именно в системах передачи с ВРК используется, в основном, ФИМ.

При ЧИМ изменяется частота следования импульсов в зависимости от амплитуды модулирующего сигнала.

Вопросы для самоконтроля.

1.Как звучит теорема Котельникова?

2.Почемк теорема Котельникова применима только к непрерывным сигналам с ограниченным спектром?

3.Что такое АИМ-1 и АИМ-2, в чем их отличие?

4.ШИМ –модуляция,способы реализации преимущества и недостатки?

5.ФИМ- модуляция, способы реализации преимущества и недостатки?

6.Назначение фильтров нижних частот, включаемых на входе канальных амплитудно-импульсных модуляторов.

7.Назначение фильтров нижних частот, включаемых на выходе канальных селекторов.

8.Необходимость синхронной работы канальных амплитудно- импульсных модуляторов и канальных селекторов.

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.

Многоканальные системы с ВРК широко используются для передачи аналоговой и дискретной информации.

Принцип временного объединения каналов удобно пояснить с помощью синхронно вращающихся распределителей на передающей и приемной стороне (рис. 8.9).

Основные этапы образования группового сигнала показаны на рис.8.10.

Информация от источников аналоговых сигналов поступает на входы соответствующих индивидуальных импульсных модуляторов АИМ (ШИМ, ФИМ). Формируемые отсчеты сигналов на выходе первого импульсного модулятора () (рис. 8.10,в), на выходе второго импульсного модулятора () (рис. 8.10,г) берутся через одинаковый интервал , но с таким сдвигом во времени, чтобы они не перекрывались.

Затем передающий распределитель считывает импульсы от всех источников, формируя сигнал (рис. 8.10,д), спектр которого с помощью группового модулятора (ГМ) переносится в область частот, отведенных для данной линии связи. Групповой сигнал , передаваемый по линии связи, несет информацию как от первого, так и о второго источника одновременно. На приемной стороне с выхода группового демодулятора (ГД) импульсы группового сигнала поступают на вращающиеся контакты приемного распределителя для формирования канальных последовательностей , и т.д. из которых на выходе импульсных детекторов формируются непрерывные сигналы поступающие к получателям сообщений .

Следует подчеркнуть, что рис. 8.9 служит лишь для иллюстрации идеи временного уплотнения и не отражает современных технических методов коммутации. В действительности аппаратура временного уплотнения обходится без механических распределителей, которые заменены электронными распределителями, выполняющими те же функции (рис. 8.11).

Рис.8.11. Схема многоканальной связи с ВРК.

Выходы всех импульсных модуляторов подключены к «своим» электронным ключам, работой которых управляет распределитель коммутирующих импульсов. В свою очередь, распределитель запускается от генератора тактовых импульсов.

Временное разделение сигналов осуществляется устройством, упрощенная структурная схема которого представлена на рис. 8.11. Принятый групповой радиосигнал в групповом демодуляторе преобразуется в групповую импульсную видеопоследовательность и поступает одновременно на входы выделителя синхросигнала и канальные электронные коммутаторы.

Процесс временного разделения производится в два этапа. На первом – этапе вхождения системы в синхронизм происходят поиск, обнаружение и выделение сигналов синхронизации, после чего запускается распределитель канальных коммутирующих импульсов. Распределитель формирует на своих выходах импульсы требуемой длительности и такой очередности, при которой в каждый канальный интервал открывается лишь один электронный коммутатор соответствующего канала.

На втором этапе производится демодуляция каждого канального импульса, после чего сигналы принимаемых каналов подаются к получателям аналоговой информации.

При временном разделении каналов важнейшую роль играет система синхронизации, алгоритм работы которой каждый раз выбирается индивидуально для принятого способа импульсной модуляции, способа временного объединения каналов, структуры сигналов синхронизации и т.д.

Итак рассмотрим как осуществляется звонок по мобильному телефону. Лишь только пользователь набирает номер, телефонная трубка (HS - Hand Set) начинает поиск ближайшей базовой станции (BS - Base Station) - приемопередающее, управляющее и коммуникационное оборудование, составляющее сеть. В ее состав входят контроллер базовой станции (BSC -Base Station Controller) и несколько ретрансляторов (BTS - Base Transceiver Station). Базовые станции управляются мобильным коммутирующим центром (MSC - Mobile Service Center). Благодаря сотовой структуре, ретрансляторы покрывают местность зоной уверенного приема в одном или нескольких радиоканалах с дополнительным служебным каналом, по которому происходит синхронизация. Точнее происходит согласование протокола обмена аппарата и базовой станции по аналогии с процедурой модемной синхронизации (handshacking), в процессе которого устройства договариваются о скорости передачи, канале и т.д. Когда мобильный аппарат находит базовую станцию и происходит синхронизация, контроллер базовой станции формирует полнодуплексный канал на мобильный коммутирующий центр через фиксированную сеть. Центр передает информацию о мобильном терминале в четыре регистра: посетительский регистр подвижных абонентов или "гостей" (VLR - Visitor Layer Register), "домашний" регистр местных подвижных абонентов (HRL - Home Register Layer), регистр подписчика или аутентификации (AUC - AUthentiCator) и регистр идентификации оборудования (EIR - Equipment Identification Register). Эта информация уникальна и находится в пластиковой абонентской микроэлектронной телекарточке или модуле (SIM - Subscriber Identity Module), по которому производятся проверка правомочности абонента и тарификация. В отличие от стационарных телефонов, за пользование которыми плата взимается в зависимости от нагрузки (числа занятых каналов), поступающей по фиксированной абонентской линии, плата за пользование подвижной связью взимается не с используемого телефонного аппарата, а с SIM-карты, которую можно вставить в любой аппарат.

Карточка представляет собой не что иное, как обычный флэш-чип, выполненный по смарт-технологии (SmartVoltage) и имеющий необходимый внешний интерфейс. Его можно использовать в любых аппаратах, и главное - чтобы совпадало рабочее напряжение: ранние версии использовали 5.5В интерфейс, а у современных карт обычно 3.3В. Информация хранится в стандарте уникального международного идентификатора абонента (IMSI -International Mobile Subscriber Identification), благодаря чему исключается возможность появления "двойников" - даже если код карты будет случайно подобран, система автоматически исключит фальшивый SIM, и не придется в последствии оплачивать чужие разговоры. При разработке стандарта протокола сотовой связи этот момент был изначально учтен, и теперь каждый абонент имеет свой уникальный и единственный в мире идентификационный номер, кодирующийся при передаче 64 бит ключом. Кроме этого, по аналогии со скремблерами, предназначенными для шифрования/дешифрования разговора в аналоговой телефонии, в сотовой связи применяется 56 бит кодирование.

На основании этих данных формируется представление системы о мобильном пользователе (его местоположение, статус в сети и т. д.) и происходит соединение. Если мобильный пользователь во время разговора перемещается из зоны действия одного ретранслятора в зону действия другого, или даже между зонами действия разных контроллеров, связь не обрывается и не ухудшается, поскольку система автоматически выбирает ту базовую станцию, с которой связь лучше. В зависимости от загруженности каналов телефон выбирает между сетью 900 и 1800 МГц, причем переключение возможно даже во время разговора абсолютно незаметно для говорящего.

Звонок из обычной телефонной сети мобильному пользователю осуществляется в обратной последовательности: сначала определяются местоположение и статус абонента на основании постоянно обновляющихся данных в регистрах, а затем происходят соединение и поддержание связи. Максимальная мощность излучения подвижного аппарата в зависимости от его назначения (автомобильный постоянный или переносный, носимый или карманный) может изменяться в пределах 0.8-20 Вт (соответственно 29-43 dBm). В качестве примера в таблице 4.9. приводятся классы станций и абонентских устройств по применяемой мощности, принятые в системе GSM-900.

Принцип временного разделения каналов (ВРК) состоит в том, что групповой тракт предоставляется поочередно для передачи сигналов каждого канала многоканальной системы

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 1-го 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 рис. приведены временные диаграммы, поясняющие принцип ВРК. На рис. а-в приведены графики трех непрерывных аналоговых сигналов u 1 (t), u 2 (t) и u 3 (t) и соответствующие им АИМ-сигналы. Импульсы разных АИМ-сигналов сдвинуты друг относительно друга по времени. При объединении индивидуальных каналов в канале (линии) связи образуется групповой сигнал с частотой следования импульсов в N раз большей частоты следования индивидуальных импульсов.

Интервал времени между ближайшими импульсами группового сигнала T K называется канальным интервалом . Промежуток времени между соседними импульсами одного индивидуального сигнала называется циклом передачи Т Ц. От соотношения Т Ц и T K зависит число импульсов, которое можно разместить в цикле, т.е. число временных каналов.

При временном разделении 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. Между каналами возникают взаимные переходные помехи или межсимвольная интерференция .

В общем случае для снижения уровня взаимных помех приходится вводить "защитные" временные интервалы, что соответствует некоторому расширению спектра сигналов. Системы с временным разделением имеют неоспоримое преимущество, связанное с тем, что благодаря разновременности передачи сигналов разных каналов отсутствуют переходные помехи нелинейного происхождения.