Лекции по Теории передачи сигналов   

10. Многоканальная передача

10.1. Способы разделения сигналов

Важной проблемой техники передачи сообщений является увеличение пропускной способности линий связи путем одновременной передачи сообщений по нескольким каналам. Система связи называется многоканальной, если она обеспечивает взаимно независимую передачу нескольких сообщений по одной общей линии связи с применением общего передатчика и приемника. Многоканальная связь получила широкое распространение как на проводных, так и на радиолиниях. Системы наземной и космической телеметрии также обычно являются многоканальными.

Принцип многоканальной связи достаточно прост. Сообщения u(t), u(t), ..., un(t), подлежащие передаче, преобразовываются в электрические сигналы s(t), s2(t), ..., sn(t), а затем смешиваются в аппаратуре уплотнения (рис. 10.1). Полученный таким образом групповой (линейный) сигнал s(t) передается по линии связи. Формирование канальных сигналов на передающем конце линии производится при помощи модуляторов Ми соответствующим образом подобранных переносчиков (t)- Канальные сигналы отличаются друг от друга не только передаваемыми сообщениями, но и их переносчиками. На приемном конце сигнал x(t)=s(t)+ω(t) поступает на систему разделителей Ф, которые выделяют сигналы соответствующих каналов. После разделения канальные сигналы (t), (t), ..., (t) преобразовываются в сообщения (t),  (t), ...,  (t), поступающие к получателю.

Вследствие воздействия помех и несовершенства  аппаратуры сигналы на выходе разделителей, вообще говоря, отличаются от канальных сигналов s(t). Соответственно принятые сообщения (t) будут отличаться от переданных (t). Однако это отличие в определенном смысле должно быть малым.

Операции, производимые над сигналами в многоканальной системе связи, показанной на рис. 10.1, можно аналитически записать в следующем виде:

— операция формирования канальных сигналов

                                                                                            (10.1)

где М— оператор, описывающий действия преобразователя М;

 — операция формирования группового сигнала

                                                                                                           (10.2)

В частном случае

Рис 10.1. Система многоканальной связи

—  операция разделения канальных сигналов

                                                                                                    (10.3)

где Ф— оператор k-то разделителя, ω(t)— аддитивная помеха;

—  операция восстановления переданного сообщения

                                                                                                                               (10.4)

Здесь —оператор, описывающий действие k-то детектора.

В идеальной системе при отсутствии помех и искажений, когда , принятый сигнал преобразуется в сообщение обратным оператором , т. е.

В этом случае принятое сообщение тождественно переданному.

Основную проблему многоканальной связи составляет задача разделения канальных сигналов. Практически разделение не бывает совершенным: на сигнал одного канала накладываются в той или иной мере сигналы других каналов. Это создает специфические для многоканальной связи переходные или взаимные помехи. Улучшением системы разделения эти помехи могут быть сведены до допустимой величины.

Для разделения сигналов на приемном конце, очевидно, необходимо, чтобы они различались между собой по некоторому признаку и чтобы разделители могли осуществить разделение на основе этого признака. Вид отличительного признака канальных сигналов определяет систему разделения. В практике многоканальной связи преимущественное применение имеют частотный и временной способы разделения сигналов.

При частотном разделении сигналы различных каналов размещаются в не перекрывающихся частотных полосах. На приемном конце эти сигналы выделяются с помощью фильтров. Для того чтобы разместить спектры нескольких низкочастотных сообщений  (например, телефонных) в не перекрывающихся частотных полосах, необходимо, чтобы несущие колебания (переносчики) в различных каналах имели различные частоты. Эти колебания модулируются передаваемыми сообщениями по одному из параметров (амплитуде, частоте или фазе).

Рис. 10.2. Спектры передаваемых сообщений (а) и группового сигнала (б)

Несущие частоты должны быть разнесены на интервал, равный ширине спектра модулированного колебания. При обычной AM интервал между несущими частотами должен равняться удвоенной ширине спектра низкочастотного сигнала (сообщения). Очевидно, наилучшее уплотнение по частоте можно' получить, применяя однополосную модуляцию (ОМ). В этом случае интервал между каналами будет иметь минимально возможную величину, равную ширине спектра передаваемого сообщения. На рис. 10.2а показан спектр передаваемых сообщений, а на рис. 10.2б — спектр группового сигнала при амплитудной модуляции несущих.

В технике радиосвязи, для частотного уплотнения каналов применяется двойная модуляция. В этом случае передаваемыми сообщениями модулируются поднесущие колебания с различными частотами . Число поднесущих выбирается равным числу каналов. Совокупность (сумма) модулированных поднесущих образует групповой сигнал, которым затем модулируется несущая с частотой . На приеме вначале детектируется несущая и выделяется групповой сигнал. Затем при помощи фильтров из этого сигнала выделяются канальные сигналы, представляющие собой поднесущие, промодулированные передаваемыми сообщениями. Наконец, детектирование канальных сигналов позволяет выделить сообщение на выходе каждого канала.

Системы с поднесущими находят широкое применение в радиорелейных линиях связи и в телеметрии. Помехоустойчивость и эффективность систем с поднесущими зависит от вида модуляции как поднесущей, так и несущей. Возможный выбор здесь достаточно большой: АМ-АМ, АМ-ЧМ, ОМ-ЧМ, АМ-ФМ и т. д. При оценке помехоустойчивости этих систем следует учитывать наряду с аддитивными помехами переходные помехи.

Исследования показывают, что широко распространенная в радиорелейных линиях связи система ОМ-ЧМ обеспечивает сравнительно высокую помехоустойчивость при малом уровне помех. С увеличением индекса модуляции заметно снижается эффективность использования полосы частот. К недостаткам системы ОМ-ЧМ следует также отнести наличие порога помехоустойчивости и появление переходных помех при многолучевом распространении радиоволн.

Привлекает внимание система ОМ-ОМ. Она обеспечивает высокую эффективность, не имеет порога и свободна от переходных помех за счет многолучевого распространения радиоволн.

Многоканальная радиотелеграфная связь применяется и в диапазоне коротких волн. Здесь обычно используется система с поднесущими ЧМ-ОМ или ОФМ-ОМ при сравнительно небольшом числе каналов.

На укв и в радиорелейных линиях связи для телеграфной передачи выделяется часть телефонных каналов, которые, в свою очередь, уплотняются телеграфными каналами.

При временном способе разделения все каналы занимают одну и ту же полосу частот, но линия связи используется поочередно для передачи канальных сигналов. Временное разделение каналов применимо только в случае импульсной модуляции. Дело в том, что при импульсной модуляции благодаря большой скважности между импульсами одного канала остается большой промежуток времени, в котором можно разместить импульсы других каналов.

Рис. 10.3. Система с временным разделением каналов

На рис. 10.3 приведена структурная схема системы многоканальной связи с временным разделением каналов. Основу системы составляют два синхронно работающих коммутатора  и - На передающей стороне к ламелям коммутатора подводятся канальные сигналы от входных преобразователей. Вращающаяся щетка коммутатора  поочередно подключает каждый из преобразователей на вход импульсного модулятора ИМ-устройства, осуществляющего модуляцию импульсной последовательности, поступающей в него от генератора импульсов ГИ. Импульсы, модулированные сообщениями всех каналов, поступают в линию связи, а затем на коммутатор , являющийся разделителем каналов на приеме. Коммутатор  подключает каждый входной преобразователь в момент, когда по каналу связи поступает импульс данного канала. Важно, чтобы в такой системе коммутаторы и   работали синхронно. Для синхронизации обычно передают вспомогательные синхронизирующие импульсы, для которых отводится один или несколько каналов.

Для наглядности мы описали систему с механическими коммутаторами. В действительности применяются электронные коммутаторы.

При временном разделении каналов применяются различные способы импульсной модуляции, которые были рассмотрены в гл. 3.

Рис. 10.4. Принцип разделения сигналов по уровню

В настоящее время находят применение ФИМ, ШИМ, ИКМ и др.

При фазовом разделении попользуется различие сигналов по фазе. Такое разделение осуществляется посредством синхронного детектирования.

Разделение по форме. В тех случаях, когда сигналы передаются одновременно, и их спектры перекрываются, разделение сигналов осуществляется по признакам, характеризующим их форму. Простейшим примером разделения сигналов по форме является метод разделения по уровню (рис. 10.4).

Пусть имеется два канала, сигналы которых представляют собой произвольную временную последовательность импульсов,

имеющих высоту  в первом канале и —во втором. Такие сигналы принципиально всегда могут быть разделены при условии . Разделение можно осуществить, например, так. Если , первый сигнал выделяется при помощи ограничения смеси двух сигналов снизу да уровне , а сверху на уровне  т. е. путем вырезания из смеси полосы высотой .

В результате такого ограничения сигнал первого канала выделяется в чистом виде. Для выделения сигнала второго канала можно увеличить полученный сигнал первого канала в  раз и вычесть его из смеси обоих сигналов.

Методы разделения сигналов по форме лежат в основе построения широкополосных систем связи с шумоподобными сигналами.



*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.