2. Цифровые развязывающие устройства

Для разделения направлений передачи и приема существуют дифференциальные системы. Они могут быть реализованы либо на резисторах (рис.2.1.б), либо на трансформаторах (рис.2.1а). В этих дифференциальных системах используется принцип моста. Когда мост сбалансирован (продольные плечи моста подобны), сигналы передатчика не проникают в приемник и в идеальном случае происходит развязка направлений передачи и приема.

В трансформаторной дифференциальной системе используется тот же принцип моста:

W1 и ZЛ – одно плечо моста;

W2 и ZБ – другое продольное плечо моста;

Впервые дифференциальная система на трансформаторах была предложена в 1908 г. русским ученым Коваленковым. В случае, если

ПД – передатчик;
ПРМ – приемник;
ZЛ – сопротивление линии связи.

балансное сопротивление (ZБ) точно совпадает с параметрами линии связи, то в этом случае наблюдается максимальное затухание в направлении а4-2. Однако реально линия – распределенная система, поэтому изначально нельзя точно сбалансировать дифференциальную систему. В результате этого наблюдается появление эхо-сигналов.

Если эхо-сигналы приходят с небольшой задержкой (менее 10 мс), то такие помехи ухом не воспринимаются. Однако, если сигналы передаются по спутниковым каналам, то задержка может быть до 500 мс и более, что приводит к срыву передаваемого сообщения. Из-за конечного значения переходного затухания а4 – 2 появляется дополнительная неравномерность амплитудно-частотных искажений как в тракте передачи, так и в тракте приема, даже если АЧХ каждого направления идеальна. В среднем величина затухания а4-2=10 дБ.

Развитие микроэлектроники и методов адаптивной фильтрации привели к поиску новых алгоритмов разделения направлений передачи и приема.

2.1. Абсолютный компенсационный метод (АКМ)

ФФ – формирующий фильтр;
g42(nT) – импульсная реакция эхо-тракта;
SЭХО(nT)=x(nT)*g42(nT) – отсчеты эхо-сигнала.

Принцип работы.

Сигнал x(nT) поступает одновременно на передатчик и на формирующий фильтр. Задача формирующего фильтра – сформировать паразитный сигнал (оценку выходного сигнала), который являлся бы точной копией эхо-сигнала: . Формирующий фильтр производит операцию свертки передаваемого сигнала x(nT) с заранее снятой импульсной реакцией .

либо снимается заранее, либо с помощью градиентных методов сводится к минимуму среднеквадратической ошибки.

Эхо-сигнал компенсируется в вычитателе. На выходе вычитателя будет:

LПРИН.(nT)= x(nT)*g42(nT)+y(nT) - » y(nT).

Таким образом для борьбы с помехой была использована искусственно выработанная помеха, которая в идеальном случае точно повторяет реальную помеху и компенсирует ее с большой точностью.

Преимущества системы разделения направлений передачи и приема на основе АКМ:

  1. Адаптивность (происходит адаптация системы под параметры канала связи).
  2. Возможна микроминиатюризация устройства в связи с развитием цифровой техники.
  3. Величина переходного затухания между трактами передачи и приема достигает 40 дБ, а значит данную систему можно использовать в спутниковых системах связи.

Недостатки:

  1. Сложность реализации операции свертки формирующим фильтром в реальном масштабе времени из-за большого количества операций умножения.
  2. Достаточно большой уровень собственного шума. Это приводит к невозможности подстройки алгоритма при соизмеримости уровня шума канала связи с собственным шумом формирующего фильтра.
  3. Невозможность подстройки параметров формирующего фильтра при наличии принимаемого сигнала.

2.2. Относительный компенсационный метод (ОКМ)

Перечисленные выше недостатки АКМ привели к поиску нового алгоритма разделения сигналов 2-х направлений, получившего название относительного компенсационного метода (ОКМ).

БП – блок памяти (линия задержки).

При формировании передаваемого сигнала канал связи откликается отсчетами помехи, при этом значение помехи меняется медленно и для k отсчетов сигнала величина помехи одна и та же:

k отсчетам сигнала x(0T), x(1T), …x(kT) соответствует помеха S1ЭХО(nT);

Отсчетам x(1T), x(2T), …x([k+1]T) соответствует помеха S2ЭХО(nT);

Промежуток времени, в течение которого величина помехи остается постоянной, называется интервалом стационарности. Тогда можно записать:

- т.е. множеству отсчетов x1(nT) на интервале стационарности t1 соответствует помеха SЭХО 1(nT) t1.

Аналогично:

,

где - отличие величины помехи на соседних тактовых интервалах, характеризует уход параметров канала связи за какой-то период времени.

Таким образом помехи на соседних тактовых интервалах отличаются на малую величину, а значит, сравнивая их между собой, можно скомпенсировать помехи с большой точностью.

Нас интересует компенсация сигналов передатчика в тракте приема.

На выходе АЦП 2 будем иметь сигнал

X(nT)*gЭХО 4-2(nT)+y(nT).

После вычитателя получим:

Xi(nT)*gЭХО i 4-2(nT)+yi(nT) – (Xi-1(nT)*gЭХО i-1 4-2(nT)+yi-1(nT))= yi(nT)–yi-1(nT).

В силу закона относительности параметры канала связи на соседних тактовых интервалах примерно одни и те же. Тогда сравнивая помеху от своего передатчика на соседних тактовых интервалах добиваются ее компенсации. На выходе вычитателя все время наблюдается разность соседних отсчетов принимаемого синала.

Структура БП + вычитатель названа прямой структурой (ПС).

Для предотвращения модуляции принимаемого сигнала найдена структура, параметры которой обратны параметрам прямой структуры. Она названа взаимно- обратной структурой (ВОС) и зеркально симметрична ПС.

Если прямая структура имеет коэффициент передачи К(jw ), то ВОС имеет коэффициент передачи К-1(jw ). Для передаваемого сигнала коэффициент передачи каскадного соединения ПС и ВОС близок к нулю, а для принимаемого сигнала равен 1.

Рассмотрим совместную работу ПС и ВОС.

Пусть отсчетам сигнала xi(nT) на i-том интервале стационарности соответствует помеха Пi(nT). Т.е.:

Тогда на n+1 шаге в БП 1 будет записано следующее значение:

П1((n+1)T)+y1((n+1)T).

На выходе вычитателя (выходе ПС) получим:

П1((n+1)T)+y1((n+1)T) - П1(nT)= y1((n+1)T)+s 1((n+1)T).

Это значение будет записано в БП 2.

На n+2 шаге на выходе вычитателя получим:

П1((n+2)T)+y2((n+2)T) - П1((n+1)T)- y1((n+1)T)=y2-y1+s 1

На выходе сумматора (выход ВОС) будем иметь:

y2-y1+s1’+y1+s1= y2+s1’+s1.

Из анализа работы прямой и взаимно-обратной структур видно, что первый блок памяти (БП 1) всегда записывает сумму двух сигналов – величины помехи и отсчета принимаемого сигнала, а во второй блок памяти (БП 2) записывается только принимаемый сигнал, уже очищенный от передаваемого.

Преимущества ОКМ:

  1. Адаптивность (постоянное обновление ячеек БП 1, куда записываются новые значения эхо-сигналов. В данных эхо-сигналах присутствуют параметры эхо-тракта, а, следовательно, обновление ячеек БП 1 автоматически подстраивает систему под новые условия передачи)
  2. Для реализации данного метода требуется всего два вида операций:
    • Вычитание и суммирование;
    • Запись нового отсчета в БП 1 и БП 2.
  3. Из-за малого количества операций данный алгоритм легко организовать в реальном масштабе времени.

  4. Можно разделить сигналы, имеющие большую скорость передачи.

  5. Мощность собственного шума РСШ=, где Δ - шаг квантования.

Недостатки:

  1. Необходимо предусмотреть время для первоначального обучения системы;
  2. Малая скорость сходимости алгоритма4
  3. В период обучения принимаемые сигналы должны отсутствовать.

2.3. Структурная схема ОКМ и алгоритм ее работы

Принцип работы.

АЦП 1 включен в тракт передачи для выработки управляющих сигналов адресации.

УВВ1 и УВВ2 вводят сигнал готовности и информационный сигнал соответственно с выхода АЦП1.

УВВ3 и УВВ4 вводят сигнал готовности и информационный сигнал соответственно с выхода АЦП2.

УВВ5 определяет режим работы (рабочий цикл или обучение).

УВ1выводит принимаемый сигнал на ЦАП, откуда он поступает к потребителю.

МПК позволяет организовать принцип относительного компенсационного метода. Алгоритм его работы показан на рис.

Программа работы

К1. М1: IN 1
К2. RLC
К3. JNC M1
К4. IN 2
К5. MOV L, A
К6. MVI H, 0
К7. M2: IN 3
К8. RLC

Алгоритм

К9. JNC M2
К10. IN 4
К11. MOV C, A
К12. IN 5
К13. RLC
К14. JC M3
К15. MOV M, C
К16. MVI A, 0
К17. MVI H, 01
К18. MOV M, A
JMP M1
К19. M3: MOV A, C
К20. SUB A, M
К21. MOV M, C
К22. MVI H, 01
К23. ADD A, M
К24. OUT 1
К25. MOV M, A
JMP M1

Комментарии к алгоритму и программе:

Блоки 1-3: Анализ сигнала готовности с УВВ 1 (АЦП 1)
Блок 4: Ввод информационного сигнала с АЦП 1.
Блоки 5-6: Формирование адреса БП1 и БП”.
Блоки 7-9: Анализ сигнала готовности АЦП 2.
Блок 10: Ввод информационного сигнала АЦП 2.
Блок 11: Промежуточное запоминание.
Блоки 12-14: Анализ сигнала с УВВ5: идет рабочий цикл или обучение.
Блок 15: Обучение БП1
Блоки 16-18: Принудительное обнуление БП2.
Блок 19: Промежуточная пересылка.
Блок 20: Работа прямой структуры (ПС)
Блок 21: Обновление БП 1.
Блок 22: Модификация адреса.
Блок 23: Работа ВОС.
Блок 24: Вывод на УВ 1.
Блок 25: Обновление БП 2.

Предложенный алгоритм обладает существенным недостатком: для вхождения в связь необходимо отсутствие сигналов противоположной стороны. Недостаток можно устранить, если во взаимно-обратную структуру включить аттенюатор с коэффициентом передачи близким к 1 (но меньше ее) (рис.2.3.1)

Рисунок 2.3.1.  Структурная схема ОКМ-1

Рисунок 2.3.1. Структурная схема ОКМ-1.

Рассмотрим работу данной структуры:

n=0 (нулевой цикл): Сигналу на передаче x1(0T) соответствует принимаемый сигнал П1(0Т)+y1(0T):

. Этот принимаемый сигнал и запишется в БП1.

n=1: .

На выходе вычитателя будет: y2(1T)+s 1- y1(0T)

На выходе сумматора будет: y2(1T)+s 1- y1(0T), т.е. то же, что и на выходе вычитателя, т.к. в нулевом цикле в БП2 был записан ноль.

В БП2 запишется следующее значение: с*[y2(1T)+s 1- y1(0T)]

n=2: С АЦП2 приходит сигнал П1(2Т)+y3(2T)= П1(1Т)+y3(2T)+s 2.

На выходе вычитателя: y3(2T)+s 2- y2(1T).

На выходе сумматора: y3(2T)+s 2- y2(1T)+ с*[y2(1T)+s 1- y1(0T)]=

= y3(2T)+s 2+с*s 1-(1-с)* y2(1T)-с* y1(0T).

Рассмотрим отдельно каждое слагаемое:

    • с*s 1 через М циклов обработки превратится в сМ*s 1. Т. к. с<1, то величина сМ*s 0.
    • с* y1(0T) через М циклов работы превратится в сМ* y1(0T). Т. к. с<1, то величина сМ* y1(0T) à 0.
    • (1-с)* y2(1T)à 0, т.к. сà 1.

Таким образом, введение аттенюатора во ВОС позволило выделить новые качества ОКМ: алгоритм стал нечувствителен к появлению принимаемого сигнала с самого начала работы системы. Через М циклов операций дополнительная помеха сМ* yi(0T) à 0.

Как реализовать данный алгоритм в цифровой технике?

Для реализации функции аттенюатора достаточно проанализировать младший разряд на выходе сумматора. Если величина младшего разряда равна 1, то тогда искусственно обернуть разряд в 0. Если же величина младшего разряда равна 0, то выходной сигнал следует оставить без изменений. Данную операцию можно производить только тогда, когда выходной сигнал представлен как минимум пятью разрядами. Алгоритм ОКМ представлен на рис. 2.3.2.

Рисунок 2.3.2. Алгоритм работы ОКМ – 1.

Рисунок 2.3.2. Алгоритм работы ОКМ–1.

Техника микропроцессорных систем в электросвязи


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