Материал: Телекоммуникационные системы и сети - КНИГА

Применительно к середине XIX в. проблема формулировалась так: нужно было научиться передавать по одному проводу сразу несколь­ко телеграмм.

Надо сказать, что данная проблема актуальна и по сей день. Возьмем, к примеру, современную спутниковую линию связи. Она по­зволяет организовать обмен информацией (а это могут быть либо речевое сообщение, либо сведения из банка данных, либо видео­изображение и т.д.) между двумя любыми точками нашей планеты. Но вряд ли кому придет в голову использовать линию для передачи информации только от одного пользователя к другому. Во-первых, это очень дорого. Во-вторых, это просто-напросто неэффективно: в ли­нию «вложены» колоссальные средства, а предоставляется она каж­дый раз только двум пользователям. Гораздо выгоднее дать возмож­ность как можно большему числу пользователей «арендовать» на время обмена информацией «космический мост» за вполне умерен­ную плату. Но поскольку каждый из них может выразить желание вос­пользоваться линией связи в удобное для него время и не захочет мириться с тем, что кто-то уже занял ее, решение проблемы может быть только таким: все абоненты должны пользоваться линией связи одновременно.

Цепи связи проводных кабельных линий и стволы радиолиний мо­гут обеспечить передачу сигнала в широкой полосе частот: от десят­ков и сотен килогерц до десятков мегагерц в проводных системах и сотен и тысяч мегагерц в радиосистемах. Если сравнить эти цифры с шириной спектра первичных сигналов (см. табл. 1.1), то видно, что по­лоса частот, в которой работает та или иная линия передачи однока-нальной системы, используется крайне неэффективно.

Линия передачи большой протяженности представляет собой до­рогое и громоздкое сооружение, требующее больших затрат сил, средств и времени на строительство. Для содержания линий в ис­правном состоянии также необходимы значительные силы и средст­ва. Подавляющая часть капитальных затрат приходится на линей­ные сооружения и лишь незначительная часть - на аппаратуру. Ес­тественно, возникает проблема наиболее эффективного использо­вания линейных сооружений. Техническим решением этой экономи­ческой проблемы является одновременная передача по одной цепи большого числа первичных сигналов от разных источников сообщений т.е. создание на одной цепи большого количества независимых каналов.

Первые образцы многоканальной системы появились в России в 30-е годы XX в. В 1934 г. был налажен выпуск 3-канальной системы многократного телефонирования СМТ-34, которая выпускалась вплоть до Великой Отечественной войны. В 1940 г. была введена в опытную эксплуатацию первая в стране 12-канальная аппаратура для воздушных линий. В настоящее время существуют проводные и радиосистемы передачи, позволяющие организовать на одной цепи (и одном стволе) от десятков до тысяч каналов передачи.

Рис. 4.1 иллюстрирует принцип одновременной передачи нес-кольких сообщений с помощью системы передачи. Сообщения a₁(t), a₂(t), …, a_N(t) от N источников преобразуются на переда­че в первичные сигналы s₁(t), s₂(t), …, s_N(t). Последние посту­пают в систему передачи на преобразователь сигналов, где под­вергаются специальной обработке и объединяются в групповой сигнал v(t), направляемый в цепь связи. В приемной части систе­мы передачи из искаженного помехой группового сигнала вы­деляются индивидуальные первичные сигналы отдельных каналов . В приемных первичных преобразователях эти сигналы преобразуются в сообщения .

Ранее уже описывались методы передачи первичных сигналов: выбирается переносчик (гармоническое несущее колебание или по­следовательность узких импульсов), и его параметры модулируются первичным сигналом по амплитуде (AM или АИМ), частоте (ЧМ или ЧИМ), фазе (ФМ или ФИМ) и т.д.

Однако первичные сигналы s₁(t), s₂(t), …, s_N(t) от N источ­ников сообщений могут существовать одновременно и занимать одинаковые полосы частот (например, это могут быть сигналы ре­чи, занимающие полосу частот 0,3...3,4 кГц). Необходимо, чтобы после преобразования на передаче сигналы отличались друг от друга. Только в этом случае удастся выделить из группового сиг­нала канальные.

4.2. Частотное разделение каналов

Один из способов разделения канальных сигналов (или разделе­ния каналов) заключается в следующем. В качестве переносчиков выбирают гармонические несущие колебания с различными часто­тами. В результате каждый первичный сигнал после преобразования в канальный сигнал (т.е. после модуляции) будет размещаться в своей полосе частот. В качестве примера на рис. 4.2 показано преобразование N первичных сигналов, имеющих одинаковые спек­тры, путем модуляции по амплитуде (AM) несущих колебаний с раз­личными частотами. Интервал между несущими частотами соседних каналов должен быть таким, чтобы полосы частот канальных сигна­лов не перекрывались.

На рис. 4.3 представлена структурная схема многоканальной сис­темы передачи. Первичные сигналы s₁(t), s₂(t), …, s_N(t) преобра­зуются устройствами М₁ М₂..... M_N; модулированные несущие ко­лебания v₁(t), v₂(t), …, v_N(t), полученные на выходе этих уст­ройств, называются канальными сигналами. В отличие от первичных сигналов, имеющих общий спектр, канальные разнесены по спектру (рис. 4.2). Групповой сигнал v(t) получается объединением канальных сигналов v₁(t), v₂(t), …, v_N(t) в устройстве объединения (УО).

Рис. 4.3. Многоканальная система передачи с частотным разделением каналов

На приемном конце канальные сигналы выделяются из группового с помощью разделительных частотных фильтров Ф₁, Ф₂, …, Ф_N, пропускающих сигналы своего канала и подавляющих остальные. Восстановление первичных сигналов из канальных производится с помощью демодуляторов Д₁, …,Д_N. Системы передачи, в которых канальные сигналы размещаются в неперекрывающихся частотных полосах, получили название системы передачи с частотным разделением каналов (ЧРК).

4.3. Временное разделение каналов

Пусть в качестве переносчика первичного сигнала s₁(t) выбрана периодическая последовательность узких импульсов и осуществлена модуляция этой последовательности по амплитуде. Полученный в результате АИМ-сигнал - канальный сигнал v₁(t) первого канала -показан на рис. 4.4, а. Выберем последовательность импульсов в ка­честве переносчика второго первичного сигнала s₂(t) таким образом, чтобы импульсы АИМ-сигнала v₂(t) второго канала передава­лись в те промежутки времени, когда цепь свободна от передачи импульсов первого канала (см. рис. 4.4, б). Канальные импульсы четьего (см. рис. 4.4, в) и других каналов также должны быть сдвинуты во времени относительно импульсов первых двух каналов и друг друга. Групповой сигнал v(t) получается после объединения канальных сигналов v₁(t), v₂(t), …, v_N(t) (рис. 4.4, г).

Получить канальные АИМ-сигналы практически очень легко. Ропь АИМ-модуляторов могут выполнять электронные ключи (ЭК) (рис. 4.5), на которые нужно подать первичные сигналы. Ключи управляются импульсными переносчиками. Работа АИМ-модуляторов сводится к следующему: импульсы переносчиков поочередно откры­вают ключи, на выходах которых появляются первичные сигналы.

Нужно позаботиться лишь о том, чтобы последовательности импуль­сов, подаваемые на ключи ЭК, были сдвинуты во времени относи­тельно друг друга (рис. 4.6). Эту задачу (см. рис. 4.5) выполняет рас­пределитель импульсов каналов (РИК), управляемый генератором импульсов (ГИ). Таким образом, импульсы каждого канала, несущие в своей амплитуде информацию о первичном сигнале, передаются по цепи только в определенные промежутки времени. Разделение кана­лов на приеме (т.е. выделение канальных импульсов из группового сигнала) можно легко осуществить также с помощью ЭК, которые должны работать синхронно и синфазно с ключами передающей части. Другими словами, ключ каждого канала должен открываться тогда, когда по цепи приходят импульсы данного канала, и быть за­крытым во время прихода импульсов других каналов. Это достигает­ся с помощью управления ключами ЭК импульсными последова­тельностями (такими же, как и на передаче), вырабатываемыми в РИК приемной части и синхронизированными с импульсами пере­датчика с помощью схемы синхронизации СС (см. рис. 4.5). Каналь­ные импульсы v₁(t), v₂(t), …, v_N(t) с помощью УО объединяются в групповой сигнал v(t).

Итак, электронные ключи приемной части выполняют роль каналь­ных селекторов.

Демодуляция канальных сигналов (т.е. выделение из них первич­ных сигналов) заключается в восстановлении непрерывных сигналов по дискретным (импульсным) значениям .

На рис. 4.7 показаны первичный сигнал, импульсный переносчик, канальный АИМ-сигнал i-го канала и их спектры. Спектр канального ЛИМ-сигнала содержит спектр исходного первичного сигнала s_i(t). Значит, первичный сигнал легко выделить с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ). Такие фильтры включаются в каждый канал и выполняют роль демодуляторов (см. рис. 4.5). Из рис. 4.7 видно, что частота сле-дования импульсных последовательностей - переносчиков - должна быть не ниже удвоенной максимальной частоты спектра первичного сигнала, т.е. f_Д > 2F_max, иначе невозможно будет выделить с помощью фильтра первичный сигнал. Напри­мер, этот же результат вытекает и из теоремы В.А. Котельникова, в соот-ветствии с которой частоту следова­ния импульсов необходимо выби­рать не меньше удвоенной гранич­ной частоты F_max спектра сигнала s(t). Чтобы спектр передаваемых сигналов s_i(t) был ограничен, в каждом канале на передаче ставят фильтры нижних частот.

Описанные системы передачи (см. рис. 4.5), в которых канальные сигналы передаются по цепи в непе­рекрывающиеся промежутки време ни, называются системами передачи с временном разделением ка­налов (ВРК).

Рис. 4.7. Сигналы i-го канала (слева) и их спектры (справа) а - первичный, б- импульсный переносчик, в - канальный АИМ-сигнал

Контрольные вопросы

1. В чем состоит принцип частотного разделения каналов?

2. Зачем используются фильтры в системах передачи с ЧРК?

3. В чем состоит принцип временного разделения каналов?

4. С помощью каких устройств выделяются исходные сигналы на приемной стороне в системе передачи с ВРК?