Материал: 5856
141
во времени) в одной общей полосе частот (их спектры также перекрываются), но взаимная ортогональность сигналов обеспечена тем, что все они име-
ют разную форму. Тогда устройство разделения каналов – это набор n параллельно включенных корреляционных приемников или согласованных филь-
тров (разд. 2.9), на входы которых подается принимаемый групповой сигнал. В каждом приемнике весовая функция w(t) совпадает по форме с соответствующим канальным сигналом, поэтому он реагирует лишь на сигнал данного канала. Последнее требование удается выполнить лишь в цифровой СПИ.
Такой метод называется многоканальной передачей с разделением по форме сигналов. В качестве набора канальных сигналов можно использовать любую известную из курса математики систему ортогональных функций (функции Эрмита, Лагерра, Чебышева и т.п.), но все эти функции имеют довольно сложную форму. Поэтому для практического использования предложен более простой вариант метода, когда в качестве канальных сигналов применяются импульсы с внутриимпульсной фазовой модуляцией, причем закон модуляции каждого канального сигнала задается индивидуальной двоичной кодовой комбинацией.
В таком виде метод получил название кодового разделения каналов (КРК). Используются также термины: кодовое мультиплексирование, многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (МДКР), Code Division Multiple Access (CDMA).
На практике при использовании любого метода уплотнения канальных сигналов после их разделения в приемнике возникают междуканальные помехи, то есть сигнал на выходе канального демодулятора зависит не только от того, что было передано в данном канале (это норма), но и от того, что передавалось в других каналах (иначе говорят, что отсутствует полная развязка между каналами). Если канальные сигналы во всех звеньях сквозного тракта передачи остаются ортогональными, это, по определению, гарантирует отсутствие междуканальных помех. Поэтому общей причиной возникновения междуканальных помех являются такие искажения канальных сигналов в процессе их передачи, которые приводят к нарушению их ортогональности.
В разд. 6.2–6.4 более подробно рассмотрены особенности каждого из трех методов передачи.
6.2 Многостанционный доступ с частотным разделением каналов
Метод частотного разделения каналов для передачи сигналов с использованием общей среды основан на традиционных методах радиотехники и начал широко применяться в начале 20 века после изобретения удобного прибора для усиления сигналов – электронной лампы.
142
Как уже было сказано, поднесущие – это гармонические колебания разных частот. Поэтому при передаче непрерывных сигналов можно использовать АМ, АМ ОБП, ЧМ (разд. 2.10), а для передачи цифровых сигналов – методы, описанные в разд. 2.8. После каждого канального модулятора, как правило, включают полосовой канальный фильтр, идентичный канальному фильтру в приемнике, служащий для устранения нежелательных продуктов модуляции, частоты которых оказались вне полосы, отведенной для данного канала.
Отметим две особенности, характерные для систем, использующих АМ ОБП. Во-первых, сам процесс модуляции обычно осуществляют в два приема: сначала формируют сигнал с обычной двухполосной АМ, а затем при помощи канального полосового фильтра в спектре этого сигнала оставляют лишь одну (чаще нижнюю) боковую полосу, подавляя несущую и вторую боковую полосу. Во-вторых, в приемнике в качестве демодулятора следует использовать фазовый детектор, на второй вход которого нужно подавать гармоническое колебание с частотой несущей. Это колебание вырабатывается местным генератором, поэтому его частота может несколько отличаться от частоты несущей данного канала в передатчике. В итоге при демодуляции возникает характерное искажение сообщения: все составляющие в его спектре вместе сдвигаются вверх или вниз, причем величина и направление сдвига равны соответственно величине и знаку разности несущих частот. Поэтому при многоканальной передаче телефонных сигналов существует норма: отличие несущих частот не должно превышать 10 Гц.
Отметим две главные причины возникновения междуканальных помех.
1)Неидеальность (непрямоугольность) частотной характеристики канального полосового фильтра, например, в приемнике либо смещение его центральной частоты, превышающее ширину защитного частотного интервала. Тогда на вход демодулятора наряду с сигналом данного канала будут поступать некоторые частотные составляющие, принадлежащие одному или двум соседним канальным сигналам. Влияние более далеких каналов, конечно, будет намного слабее, поэтому такая помеха называется помехой по соседнему каналу. Для уменьшения уровня такой помехи можно, во-первых, использовать более совершенные фильтры, что заметно повышает их стоимость и массогабаритные характеристики, и, во-вторых, увеличивать защитные частотные интервалы, что, очевидно, приведет к увеличению полосы частот, необходимой для передачи группового сигнала.
2)Нелинейность амплитудной характеристики группового тракта. Как известно, нелинейные искажения даже при передаче колебания одной частоты приводят к появлению дополнительных колебаний кратных частот (высших гармоник). Групповой сигнал, как видно на рис. 6.4, это сумма колебаний разных частот, поэтому нелинейные искажения приводят к появлению множества новых колебаний с различными суммарными и разностными ча-
143
стотами (комбинационных составляющих), которых не было в спектре передаваемого сигнала. Ясно, что при большом числе каналов в полосу пропускания канального полосового фильтра в приемнике будет попадать большое количество таких комбинационных составляющих, образованных из сигналов других каналов. После демодуляции они будут восприниматься как дополнительный шум. Такая помеха называется комбинационной помехой.
Назовем два способа уменьшения комбинационных помех.
1)Уменьшение амплитуд канальных сигналов и, в итоге, амплитуды группового сигнала, чтобы работать в пределах сравнительно линейного участка амплитудной характеристики группового тракта. Платой за это является уменьшение отношения сигнал/шум в каждом канале (полезный сигнал на входе приемника уменьшили, а шум остался прежним). Кроме того, работа усилителя мощности в линейном режиме обычно приводит к снижению его КПД, что крайне нежелательно, например, в спутниковых ретрансляторах, где мощность источника питания (солнечной батареи) ограничена.
2)Выбор частот поднесущих таким образом, чтобы наиболее сильные комбинационные составляющие оказались за пределами полосы, используемой для передачи группового сигнала. Это сделать тем проще, чем меньше число каналов. Поэтому при большом числе каналов выгодно использовать многоступенчатую, древовидную, иерархическую структуру устройства уплотнения каналов, чтобы на каждом уровне блок уплотнения имел малое число входов.
Эти принципы закреплены в действующем стандарте, определяющем
структуру и параметры устройства частотного уплотнения аналоговых телефонных сигналов для их передачи по медному кабелю (Приложение 4). Предусмотрены четыре ступени уплотнения, при этом во всех ступенях применяется амплитудная модуляция с нижней боковой полосой.
На 12 входов первой ступени уплотнения поступают 12 стандартных аналоговых телефонных сигналов с полосой 300-3400 Гц каждый. Блок содержит 12 генераторов поднесущих с частотами 64, 68, 72, … ,104, 108 кГц (отсюда видно, что на каждый канал отводится полоса 4 кГц), 12 канальных модуляторов для формирования АМ канальных сигналов, разнесенных по оси частот, и 12 канальных полосовых фильтров для преобразования АМ в АМ ОБП. В итоге (см. рис. 2.17) на выходе блока первый канальный сигнал занимает полосу 60,4-63,7 кГц, второй канальный сигнал – полосу 64,4-67,7 кГц и т.д. (рис. 6.5). Между канальными сигналами предусмотрены защитные интервалы шириной по 0,9 кГц каждый. Вместе 12 канальных сигналов обра-
зуют первичный групповой сигнал, занимающий полосу 60,4-107,7 кГц.
Обычно указывают округленные значения 60 – 108 кГц, то есть ширина спектра первичного группового сигнала равна 4∙12 = 48 кГц.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f, кГц |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
60,4 |
63,7 |
|
68,4 |
71,7 |
|
|
104,4 |
107,7 |
|||||||||||
|
|
64,4 |
67,7 |
|
|
|
72,4 |
75,7 |
|
|
|
|
|
||||||
Рис. 6.5. Спектр первичного группового сигнала
144
Три последующие ступени организованы по тому же принципу и имеют по 5 входов каждая. В частности, на входы второй ступени уплотнения поступают 5 первичных групповых сигналов, занимающих полосу 60–108 кГц каждый, а на выходе получается вторичный групповой сигнал, спектр которого лежит в полосе 312–352 кГц (60 телефонных каналов на 240 кГц).
6.3 Многостанционный доступ с временным разделением каналов
Метод временного разделения каналов основан на использовании большого количества разнообразных импульсных устройств, поэтому он начал широко применяться в 60-х годах 20 века, когда появилась удобная элементная база – транзисторы и транзисторные микросхемы.
Существуют два основных режима временного мультиплексирования сигналов.
Режим синхронной (циклической) передачи основан на поочередном,
строго периодическом подключении источников сообщений к линии связи всегда в одной и той же последовательности. Благодаря этому принадлежность каждого элемента группового сигнала конкретному источнику определяется его временным положением (номером канального интервала) внутри кадра (цикла), поэтому достаточно лишь изредка, например, в конце каждого цикла передавать специальные синхросигналы, позволяющие приемнику работать синхронно с передатчиком (рис. 6.6). Можно использовать аналоговые либо цифровые методы передачи.
t
N кадра (цикла) |
… |
|
j |
|
|
|
j+1 |
|
… |
||
N канала (слота) |
… |
1 |
2 |
|
3 |
4 |
1 |
2 |
3 |
4 |
… |
Цикловый синхросигнал |
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
… |
Рис. 6.6. Временная диаграмма передачи в синхронной трехканальной СПИ с временным разделением каналов (циклическая передача)
Режим асинхронной передачи применяется только в цифровых СПИ. При подключении источника к линии передается пакет, то есть небольшая часть сообщения, например файла, содержащая обычно от сотен до нескольких тысяч бит. Порядок подключения источников к линии – произвольный, по мере возникновения необходимости, поэтому циклы, как таковые, здесь отсутствуют (рис. 6.7). В начальной части каждого пакета имеется заголовок,
Пакет от источника № |
… |
|
5 |
|
8 |
|
1 |
|
6 |
… |
Пауза |
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
… |
Рис. 6.7. Временная диаграмма передачи пакетов в t асинхронной СПИ с временным разделением каналов
145
где, кроме прочего, обязательно указан номер получателя. Особенности и преимущества асинхронного метода передачи мы обсудим позже, в разд. 7.2.
Всинхронной СПИ в течение цикла источник подключается к линии один раз, следовательно, количество подключений в секунду равно частоте передачи циклов. В аналоговой СПИ, ориентированной на передачу телефонных сигналов, в каждом слоте передается один отсчет этого сигнала, поэтому частота следования циклов должна составлять 8000 циклов в секунду,
идлительность цикла равна 125 мкс. Отсчеты можно передавать с использованием любого из методов модуляции импульсной несущей – АИМ, ШИМ или ВИМ (разд. 2.5).
Вцифровой синхронной СПИ длительность кадра задается также 125 мкс из тех же соображений, тогда в слоте тоже передается по одному отсчету в цифровой форме от каждого источника, то есть по 8 бит (см. разд. 2.6). При
этом скорость передачи в групповом сигнале V 8000 8 n бит/с, где n – фактическое число каналов (слотов в цикле), включая и служебный канал, предназначенный для передачи циклового синхросигнала.
Передача каждого бита осуществляется при помощи обычных импульсов прямоугольной формы (1 – импульс, 0 – пауза), но чаще применяется один из методов модуляции гармонической несущей цифровым сигналом (разд. 2.8). Определенными достоинствами обладает также метод фазовой манипуляции при использовании несущей в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов при их скважности, равной двум (так называемый меандр). Если период несущей равен длительности бита, то после модулятора ему будет соответствовать пара импульсов противоположной полярности – манчестерский код.
Теоретически спектр прямоугольных импульсов бесконечно широк, поэтому при передаче приходится его ограничивать (разд. 2.8). Это вызывает искажения формы принимаемых импульсов, в частности растягивание их фронтов, что, во-первых, приводит к межсимвольной интерференции (взаимное искажение соседних импульсов), во-вторых, к возникновению помех по соседнему каналу (взаимное искажение соседних импульсов, принадлежащих разным каналам, то есть стоящих на краях слотов). Те же неприятности возникают и при передаче группового сигнала в канале с мультипликативной помехой в виде частотных селективных замираний.
Параметры цифровых СПИ с временным разделением каналов также стандартизованы. Первый из наиболее важных стандартов носит название
плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ) – Plesyochronous Digital Hierarchy (PDH) – и определяет способ мультиплексирования стандартных цифровых телефонных сигналов для их передачи по медному кабелю (Приложение 5). Напомним (разд. 2.6), что стандартный цифровой телефонный сигнал (DSO) получается в результате АЦП стандартного аналогового телефонного сигнала и характеризуется скоростью 64 кбит/с.