Ротенштейн И. В. Сети. Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности 090303. 65 Информационная безопасность автоматизированных систем
 Скачать 6.03 Mb.
|
|
МНОГОКАНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ Для разделения каналов каждому источнику сообщения выделяется специальный сигнал, называемый канальным. Промодулированные сообщениями канальные сигналы объединяются, образуя групповой сигнал. Многоканальные системы образуются путем объединения индивидуальных каналов в групповой. Структурная схема систем многоканальной связи Реализация сообщений каждого источника а 1 (t), а 2 (t),...,а N (t) с помощью индивидуальных передатчиков (модуляторов) М 1 , М 2 , ..., М N преобразуются в соответствующие канальные сигналы s 1 (t), s 2 (t),...,s N (t). Совокупность канальных сигналов на выходе суммирующего устройства образует групповой сигнал s(t). Наконец, в групповом передатчике М сигнал s(t) преобразуется в линейный сигнал s Л (t), который и поступает в линию связи ЛС. Допустим, что линия пропускает сигнал практически без искажений и не вносит шумов. Тогда на приемном конце линии связи линейный сигнал s Л (t) с помощью группового приемника П может быть вновь преобразован в групповой сигнал s(t). Канальными или индивидуальными приемниками П 1 , П 2 , ..., П N из группового сигнала s(t) выделяются соответствующие канальные сигналы s 1 (t), s 2 (t), ...,s N (t) и затем преобразуются в предназначенные получателям сообщения а 1 (t), a 2 (t), ..., a N (t). Канальные передатчики вместе с суммирующим устройством образуют аппаратуру объединения. Групповой передатчик М, линия связи ЛС и групповой приемник П составляют групповой канал связи (тракт передачи), который вместе с аппаратурой объединения и индивидуальными приемниками составляет систему многоканальной связи. Индивидуальные приемники системы многоканальной связи П K наряду с выполнением обычной операции преобразования сигналов s K (t) в соответствующие сообщения а K (t) должны обеспечить выделение сигналов s K (t) из группового сигнала s(t). Иначе говоря, в составе технических устройств на передающей стороне многоканальной системы должна быть предусмотрена аппаратура объединения, а на приемной стороне - аппаратура разделения. Чтобы разделяющие устройства были в состоянии различать сигналы отдельных каналов, должны существовать определенные признаки, присущие только данному сигналу. Такими признаками в общем случае могут быть параметры переносчика, например амплитуда, частота или фаза в случае непрерывной модуляции гармонического переносчика. При дискретных видах модуляции различающим признаком может служить и форма сигналов. Соответственно различают способы разделения сигналов: частотный, временной, кодовый. СиСПИ ЛК-6 МСП. ЧРК. 2 ЧАСТОТНОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ СИГНАЛОВ В зарубежных источниках для обозначения принципа частотного разделения каналов (ЧРК) используется термин Frequency Division Multiply Access (FDMA). Функциональная схема системы многоканальной связи с частотным разделением каналов Сначала в соответствии с передаваемыми сообщениями первичные (индивидуальные) сигналы, имеющие энергетические спектры G 1 ( ), G 2 ( ), ..., G N ( ) модулируют поднесущие частоты K каждого канала. Эту операцию выполняют модуляторы М 1 , М 2 , ..., М N канальных передатчиков. Полученные на выходе частотных фильтров Ф 1 , Ф 2 , ..., Ф N спектры g K ( ) канальных сигналов занимают соответственно полосы частот 1 , 2 , ..., N , которые в общем случае могут отличаться по ширине от спектров сообщений 1 , 2 , ..., N . При широкополосных видах модуляции, например, ЧМ ширина спектра K 2( +1) K , т.е. в общем случае K . Для упрощения будем считать, что используется АМ-ОБП (как это принято в аналоговых СП с ЧРК), т.е. К = и =N Проследим основные этапы образования сигналов, а также изменение этих сигналов в процессе передачи. СиСПИ ЛК-6 МСП. ЧРК. 3 Преобразование спектров в системе с частотным разделением каналов Будем полагать, что спектры индивидуальных сигналов конечны. Тогда можно подобрать поднесущие частоты K так, что полосы 1 , ..., K попарно не перекрываются. При этом условии сигналы s К (t) (k=1,...,N) взаимноортогональны. Затем спектры g 1 ( ), g 2 ( ),..., g N ( ) суммируются ( ) и их совокупность g( ) поступает на групповой модулятор (М). Здесь спектр g( ) с помощью колебания несущей частоты 0 переносится в область частот, отведенную для передачи данной группы каналов, т.е. групповой сигнал s(t) преобразуется в линейный сигнал s Л (t). При этом может использоваться любой вид модуляции. На приемном конце линейный сигнал поступает на групповой демодулятор (приемник П), который преобразует спектр линейного сигнала в спектр группового сигнала g ( ). Спектр группового сигнала затем с помощью частотных фильтров Ф 1 , Ф 2 ,...,Ф N вновь разделяется на отдельные полосы K , соответствующие отдельным каналам. Наконец, канальные демодуляторы Д преобразуют спектры сигналов g K ( ) в спектры сообщений G K ( ), предназначенные получателям. Из приведенных пояснений легко понять смысл частотного способа разделения каналов. Поскольку всякая реальная линия связи обладает ограниченной полосой пропускания, то при многоканальной передаче каждому отдельному каналу отводится определенная часть общей полосы пропускания. СиСПИ ЛК-6 МСП. ЧРК. 4 На приемной стороне одновременно действуют сигналы всех каналов, различающиеся положением их частотных спектров на шкале частот. Чтобы без взаимных помех разделить такие сигналы, приемные устройства должны содержать частотные фильтры. Каждый из фильтров Ф K должен пропустить без ослабления лишь те частоты K , которые принадлежат сигналу данного канала; частоты сигналов всех других каналов K фильтр должен подавить. На практике это невыполнимо. Результатом являются взаимные помехи между каналами. Они возникают как за счет неполного сосредоточения энергии сигнала k-го канала в пределах заданной полосы частот K , так и за счет неидеальности реальных полосовых фильтров. В реальных условиях приходится учитывать также взаимные помехи нелинейного происхождения, например за счет нелинейности характеристик группового канала. Для снижения переходных помех до допустимого уровня приходится вводить защитные частотные интервалы ЗАЩ Спектр группового сигнала с защитными интервалами Так, например, в современных системах многоканальной телефонной связи каждому телефонному каналу выделяется полоса частот 4 кГц, хотя частотный спектр передаваемых звуковых сигналов ограничивается полосой от 300 до 3400 Гц, т.е. ширина спектра телефонного сигнала составляет 3,1 кГц. Между полосами частот соседних каналов предусмотрены интервалы шириной по 0,9 кГц, предназначенные для снижения уровня взаимных помех при расфильтровке сигналов. Это означает, что в многоканальных системах связи с частотным разделением сигналов эффективно используется лишь около 80% полосы пропускания линии связи. Кроме того, необходимо обеспечить высокую степень линейности всего тракта группового сигнала. Формирование стандартных групповых сигналов Для организации по одной линии передачи большого числа каналов в аналоговых системах передачи используют метод ЧРК и АМ для формирования отдельных канальных сигналов. Наиболее сложным блоком амплитудных модуляторов и демодуляторов является полосовой фильтр. В ряде случаев (при высоких значениях несущей частоты) ширина полосы расфильтровки оказывается настолько малой, что выполнение высокодобротных фильтров оказывается затруднено, а иногда невозможно. В этих случаях по экономическим соображениям, в том числе с целью уменьшения количества типов используемых фильтров, объединение канальных сигналов в групповой осуществляется методом многократного преобразования частоты. При многократном преобразовании сигнал проходит последовательно через несколько преобразователей частоты (ПЧ) с различными несущими частотами. Абсолютная ширина полосы расфильтровки на выходе каждого последующего ПЧ больше, чем на выходе СиСПИ ЛК-6 МСП. ЧРК. 5 предыдущего, что позволяет увеличивать значение несущих частот без уменьшения относительной ширины полосы расфильтровки. Многократное преобразование частоты Групповое преобразование частоты Однако, общее число преобразователей и, следовательно, общее число разнотипных фильтров оказывается очень большим. В N-канальной системе число фильтров и их типов равно Nn, где n - число ступеней преобразования. Число фильтров и их типов можно уменьшить, если дополнить многократное преобразование групповым, при котором преобразованию подвергается групповой сигнал. С этой целью N каналов разбивается на m групп по K каналов, т.е. Km=N. В каждой группе сигнал каждого канала подвергается СиСПИ ЛК-6 МСП. ЧРК. 6 индивидуальному преобразованию с помощью несущих частот Н1 , Н2 ,..., НК . Во всех группах преобразование однотипно, поэтому на выходе каждой группы образуется один и тот же спектр частот. Полученные групповые спектры подвергаются затем групповому преобразованию с несущими ГР1 , ГР2 ,..., ГРm , так что после объединения преобразованных групповых сигналов образуется спектр частот N каналов. В рассматриваемом случае общее число фильтров равно N+mn ГР , а число типов фильтров сокращается до K+mn ГР , где n ГР - число групповых ступеней преобразования. Таким образом, применение многократного и группового преобразования позволяет унифицировать фильтровое оборудование системы, т.е. уменьшить его разнотипность. Такая унификация повышает технологичность изготовления узлов аппаратуры и, в конечном счете, удешевляет ее. Кроме того, применение группового преобразования и стандартизации методов формирования групп каналов позволяет унифицировать часть оборудования различных систем. По этой причине МСЭ-Т были стандартизированы следующие основные группы каналов. Первичная группа (ПГ) - 12 каналов ТЧ, спектр 60...108 кГц. Образуется однократным преобразованием с помощью несущих частот 64, 68, 72, .., 108 кГц или двукратным преобразованием с помощью образования 4 трехканальных групп на несущих 12, 16, 20 кГц и их последующего преобразования на несущих 84, 96, 108, 120 кГц. Вторичная группа (ВГ) - 60 каналов ТЧ, спектр 312...552 кГц. Образуется из 5 ПГ с помощью несущих 420, 468, 516, 564, 612 кГц. Возможность параллельной работы фильтров обеспечивается их подключением через развязывающий блок параллельной работы первичных групп (ПРПГ). Третичная группа (ТГ) - 300 каналов ТЧ, спектр 812...2044 кГц. Образуется из 5 ВГ с помощью несущих (1364+(n-1)*248) кГц, где n - номер ВГ в спектре ТГ. Четверичная группа (ЧГ) - 900 каналов ТЧ, спектр 8516..12388 кГц. Образуется из 3 ТГ. Может также формироваться из 15 ВГ. Совокупность преобразовательного оборудования всех групп носит название каналообразующей аппаратуры. Ее назначение заключается в преобразовании индивидуальных сигналов в групповой сигнал одной из стандартных групп. Использование каналообразующей аппаратуры позволяет строить оконечную аппаратуру систем передачи различной емкости на основе стандартного преобразовательного оборудования и, следовательно, создавать унифицированное техническое оборудование СиСПИ ЛК-7 Временное разделение каналов 1 Временное разделение каналов Принцип временного разделения каналов (ВРК – TDMA – Time Division Multiply Access) состоит в том, что весь 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 передатчик-приемник. 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 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип ВРК и графики трех непрерывных аналоговых сигналов F 1 (t), F 2 (t) и F 3 (t) и соответствующие им АИМ-сигналы. Импульсы разных АИМ-сигналов сдвинуты друг относительно друга по времени на канальный интервал τ к (тайм-слот). Промежуток времени между соседними импульсами одного индивидуального сигнала называется циклом передачи Т Ц . При объединении индивидуальных каналов в канале (линии) связи образуется групповой сигнал с частотой следования импульсов в N раз большей частоты следования индивидуальных импульсов. От соотношения q = Т Ц ∕ τ к (называемого скважностью), зависит число импульсов, которое можно разместить в одном цикле, т.е. число каналов МСП. СиСПИ ЛК-7 Временное разделение каналов 2 В процессе формирования АИМ сигнала осуществляется дискретизация непрерывного (аналогового) сигнала во времени в соответствии с известной теоремой дискретизации (теоремой В.А. Котельникова): любой непрерывный сигнал, ограниченный по спектру верхней частотой F В полностью определяется последовательностью своих дискретных отсчѐтов, взятых через промежуток времени T д =1/2F В , называемый периодом дискретизации. В соответствии с ним частота дискретизации, т.е. следования дискретных отсчѐтов, выбирается из условия F д 2 F В . Как правило F Д ≈ 2,2F max , (где F max - максимальная частота спектра первичного сигнала). Поскольку все реально существующие непрерывные сигналы связи представляют собой случайные процессы с бесконечно широким спектром, причем основная энергия сосредоточена в относительно узкой полосе частот, перед дискретизацией необходимо с помощью фильтра нижних частот ограничить спектр сигнала некоторой частотой F В Так как основная доля энергии телефонных сигналов сосредоточена в спектральном диапазоне (0,3 ÷ 3,4) кГц, то для ограничения ширины спектра необходимо использовать ФНЧ с частотой среза F В =3,4 кГц, следовательно, частота дискретизации телефонных сигналов должна быть выше 2F В = 6,8кГц. В соответствие с требованиями МСЭ-Т частота дискретизации телефонных сигналов выбрана равной F д = 8 кГц (Т д = 125 мксек). Для многоканальной передачи сигналов необходимо между соседними импульсами одного канала разместить по одному импульсу остальных каналов. Следовательно, при объединении N каналов длительность одного канального импульса к не должна превышать Т д /N. Отношение периода следования импульсов Т д к длительности самого импульса к называется скважностью q. В многоканальных системах передачи с временным разделением каналов (ВРК) используется амплитудно-импульсная модуляция. В модели лабораторной работы (рис. 1.1) могут быть образованы четыре канала связи, на входы которых подаются непрерывные (аналоговые) сигналы S 1 (t), S 2 (t), S 3 (t) и S 4 (t), один из которых оставляем свободным. Дискретизация контрольного сигнала, например S 1 (t), соответствующего первому каналу, производится с помощью электронного ключа Q1, который выполняет функции амплитудно-импульсного модулятора (АИМ). Управляемые ключи Q1,Q2,Q3,Q4 периодически замыкаются на время к в моменты t i (i = 1, 2 ...N, где в данном случае N = 4). При этом на выходе сумматора появляются импульсы группового сигнала S гр (t), амплитуда которых соответствует мгновенному значению S N (t i ). СиСПИ ЛК-7 Временное разделение каналов 3 Рис.1.1. Многоканальная система передачи с ВРК На входы ключей поступают аналоговые сигналы S 1 (t), S 2 (t), S 3 (t) и S 4 (t), а на выходах формируются последовательности отсчетов S 1i , S 2i , S 3i и S 4i Управляющие импульсы, поступающие на ключи соседних каналов, сдвинуты на временной интервал, соответствующий к . В результате мультиплексирования отсчеты отдельных каналов выстраиваются друг за другом и таким образом на выходе мультиплексора формируется групповой сигнал S гр (t). Электронный ключ модулятора Q i управляется импульсами ГОпер. с частотой следования F д (частота дискретизации) и длительностью к . Их период составляет Т д =1/F д и определяет моменты времени t i , в которые на выходе модулятора формируются отсчеты входного сигнала. Объединение дискретных сигналов с АИМ, соответствующих этим каналам, осуществляется мультиплексором (Σ) Промодулированный по амплитуде импульс поступает в линию связи и, пройдя по ней, попадает на вход приѐмника-регенератора (Пр.), компенсирующего искажения, внесѐнные линией связи. Управление модуляторами и ключами производится Генераторным оборудованием передатчика ГО пер и приемника ГО пр стробирующими импульсами. Оба ключа каждого индивидуального канала управляются синхронно. На последнем этапе передачи происходит восстановление аналогового сигнала – формирование исходной функции времени F(t) по пришедшим по линии связи канальным импульсам. Для выполнения этих операций используется фильтр нижних частот (ФНЧ). Процесс восстановления сигналов основан на теореме Котельникова. Виды импульсной модуляции (АИМ, ШИМ, ЧИМ, ФИМ) Квантование по уровню. Линейное и нелинейное. |