Л Е К Ц И Я № 16

Тема:

Текст лекции по дисциплине: «Теория электрической связи»

Г. Калининград 2013 г.

Текст лекции № 27

по дисциплине: «Теория электрической связи»

«Частотное, временное и фазовое разделение сигналов»

Введение

Самым дорогим элементом системы связи является линия связи. В системах передачи общей средой могут быть коаксиальные, симметричные или оптические кабели, воздушные кабели связи или радиолинии. Возникает необходимость уплотнять физической цепи, передавая по ним одновременно информацию от нескольких оконечных средств связи. Уплотнение линии связи осуществляется посредством аппаратуры уплотнения, которая совместно со средой передачи образует многоканальную систему передачи.

Многоканальной системой передачи (МСП) называется совокупность технических средств, обеспечивающих одновременную и независимую передачу двух и более сигналов по одной физической цепи или линии связи.

В многоканальной электросвязи применяются МСП с частотным разделением каналов (ЧРК) и МСП с временным разделением каналов (ВРК). Кодовое разделение каналов находит применение в подвижных системах радиосвязи.

При ЧРК за каждым каналом связи закрепляется определенный спектр (полоса) частот. При ВРК в линию связи передаются импульсные последовательности очень коротких импульсов, содержащие информацию о первичных сигналах и сдвинутые относительно друг друга по времени.

МСП с ЧРК являются аналоговыми, а МСП с ВРК – цифровыми системами.

Для этих целей создаются системы с множественным доступом и уплотнением. Именно такие системы лежат в основе современной связи.

Частотное разделение сигналов

Функциональная схема простейшей системы многоканальной связи с разделением каналов по частоте представлена на Рис. 1

В зарубежных источниках для обозначения принципа частотного разделения каналов (ЧРК) используется термин Frequency Division Multiply Access (FDMA).

Сначала в соответствии с передаваемыми сообщениями первичные (индивидуальные) сигналы, имеющие энергетические спектры , ,..., модулируют поднесущие частоты каждого канала. Эту операцию выполняют модуляторы , ,..., канальных передатчиков. Полученные на выходе частотных фильтров , ,..., спектры канальных сигналов занимают соответственно полосы частот , ,..., , которые в общем случае могут отличаться по ширине от спектров сообщений , ,..., . При широкополосных видах модуляции, например, ЧМ ширина спектра , т.е. в общем случае . Для упрощения будем считать, что используется АМ-ОБП (как это принято в аналоговых СП с ЧРК), т.е. и .

Проследим основные этапы образования сигналов, а также изменение этих сигналов в процессе передачи (Рис. 2).

Будем полагать, что спектры индивидуальных сигналов конечны. Тогда можно подобрать поднесущие частоты w K так, что полосы ,..., попарно не перекрываются. При этом условии сигналы ; взаимно ортогональны.

Затем спектры , ,..., суммируются и их совокупность поступает на групповой модулятор (). Здесь спектр с помощью колебания несущей частоты переносится в область частот, отведенную для передачи данной группы каналов, т.е. групповой сигнал преобразуется в линейный сигнал . 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 . Спектр группового сигнала затем с помощью частотных фильтров , ,..., вновь разделяется на отдельные полосы , соответствующие отдельным каналам. Наконец, канальные демодуляторы Д преобразуют спектры сигналов в спектры сообщений , 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.

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 должен пропустить без ослабления лишь те частоты , которые принадлежат сигналу данного канала; частоты сигналов всех других каналов 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 , 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 (Рис. 3).

Так, например, в современных системах многоканальной телефонной связи каждому телефонному каналу выделяется полоса частот кГц, хотя частотный спектр передаваемых звуковых сигналов ограничивается полосой от

Функциональная схема простейшей системы многоканальной связи с разделением каналов по частоте представлена на рисунке 6.2.

Рисунок 6.2 – Функциональная схема системы многоканальной связи с частотным

разделением каналов

В зарубежных источниках для обозначения принципа частотного разделения каналов (ЧРК) используется термин Frequency Division Multiply Access (FDMA ).

Сначала в соответствии с передаваемыми сообщениями первичные (индивидуальные) сигналы, имеющие энергетические спектры G 1 (w ), G 2 (w ), ..., G N (w ) модулируют поднесущие частоты w 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 (w ) канальных сигналов занимают соответственно полосы частот Dw 1 , Dw 2 , ..., Dw N , которые в общем случае могут отличаться по ширине от спектров сообщений W 1 , W 2 , ..., W N .

Проследим основные этапы образования сигналов, а также изменение этих сигналов в процессе передачи (рисунок 6.9).

Спектры сигналов g 1 (w ), g 2 (w ),..., g N (w ) суммируются (S) и их совокупность g (w ) поступает на групповой модулятор (М ). Здесь спектр g (w ) с помощью колебания несущей частоты w 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 ¢ (w). Спектр группового сигнала затем с помощью частотных фильтров Ф 1 , Ф 2 ,...,Ф N вновь разделяется на отдельные полосы Dw K , соответствующие отдельным каналам. Наконец, канальные демодуляторы Д преобразуют спектры сигналов g K (w) в спектры сообщений G¢ K (w) , предназначенные получателям.

Рисунок 6.3 – Преобразование спектров в системе с частотным разделением каналов

Смысл частотного способа разделения каналов состоит в следующем: реальная линия связи обладает ограниченной полосой пропускания, и при многоканальной передаче каждому отдельному каналу отводится определенная часть общей полосы пропускания.

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 wÎDw K , которые принадлежат сигналу данного канала; частоты сигналов всех других каналов фильтр должен подавить.

Для снижения переходных помех до допустимого уровня вводятся защитные частотные интервалы Dw ЗАЩ (рисунок 6.4).

Рисунок 6.4 – Спектр группового сигнала с защитными интервалами

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 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.

При передаче сигналов от нескольких источников сообщений возникает необходимость разделения этих сигналов с тем, чтобы на приемной стороне можно было определить, к какому источнику сообщений относится каждый сигнал и направить его к своему приемнику. Аналогичная задача имеет место при передаче элементов кодового сигнала. В телемеханике применяются три основных способа разделения сигналов или их элементов: кондуктивное (схемное), временное и частотное .

При кондуктивном разделении для каждого сообщения (или элемента кодового сигнала) отводится независимая электрическая цепь связи. По каждой электрической цепи можно осуществлять независимую и параллельную передачу сообщений. Рассмотрим систему с кондуктивным разделением, в которой используются полярные признаки тока для передачи сообщений (рис. 2.9). Посылка сигналов каждого источника сообщений осуществляется двухпозиционными ключами зависимости от положения которых в линейных проводах устанавливается то или иное направление постоянного тока. Приемниками служат поляризованные электромагнитные реле. Передача информации от каждого источника сообщений осуществляется по своему проводу, обратный провод - общий для всех каналов. Крайне неэкономичное использование линий связи практически исключает применение этого способа разделения в телемеханике при длинах линий связи свыше 3-5 км. Реально кондуктивный способ разделения сигналов используется в системах с дистанционным управлением.

Рис. 2.9. Схема кондуктивного разделения сигналов

При временном разделении (уплотнении) сигналов каждому из источников сообщения поочередно предоставляется линия связи: за интервал времени t1передается сигнал первого источника, за интервал времени t2 - второго и т. д. (на рис. 2.10,а показана передача от пяти источников). Из этого рисунка следует, что при временном разделении сигнал от каждого источника занимает свой временной интервал, не занятый сигналом от другого источника. Время, которое отводится для передачи сигналов от всех источников, называется циклом.

Рис.2.10. Пояснение временного разделения сигналов

а) разделение каналов на временной оси.

в) реализация способа синхронизации с помощью сети

Для реализации временного способа предающие и приемные узлы устройств телемеханики поочередно подключаются к линии связи с помощью синфазно работающих коммутирующих устройств (распределителей), которые в настоящее время выполняются на бесконтактных элементах. Для большей наглядности на рис. 2.10,б показана система телемеханики с временным разделением сигналов, в которой применяются контактные распределители - шаговые искатели (ШИ). При передаче информации используются полярные качества тока. Сообщения от каждого источника определяется положением ключей управления, в качестве декодирующих устройств на приемной стороне использованы поляризованные. За один цикл работы распреде­лителей последовательно во времени передаются сообщения от всех источников информации. Устройства с временным разделением сигналов могут работать в циклическом или спорадическом режиме. В циклическом режиме системы работают непрерывно, в спорадическом информация передается по мере ее накопления или необходимости, в остальное время распределители находятся в исходном состоянии и не осуществляют переключений каналов.

Основным условием надежного и точного разделения сигналов является строгая синфазность распределителей. Для этого в циклических системах используют три основных метода синхронизации: общей сетью, циклический и пошаговый.

При синхронизации общей сетью (рис. 2.10,в) питание приводов распределителей (ПР) осуществляется от общей электрической сети 50 Гц, называемой источником синхронного питания. В качестве такого источника часто используют сеть одной энергетической системы. Этот метод может использоваться при относительно коротких (до 20 км) линиях связи (ЛС). В данных линиях из-за изменения нагрузок, подключаемых к энергетической системе, во времени возможно нарушение синфазности питания и, следовательно, синфазности работы распределителей.

При циклической синхронизации приводы распределителей, расположенные на передающей и приемной стороне, подключены к специальным генераторам импульсов управления, настроенных на одинаковую частоту. Однако даже при точной взаимной настройке генераторов рассогласование положения распределителей будет накапливаться со временем. Для устранения рассогласования один раз за цикл производится принудительное синфазирование распределителей установкой их в начальное положение.

При пошаговой синхронизации на передающей стороне используется генератор импульсов, который осуществляет переключение обоих распределителей. На каждом шаге распределителей необходимо передавать специальные синхронизирующие импульсы.

При спорадическом режиме работы телемеханической системы используют стартстопную синхронизацию, которую можно рассматривать как модификацию циклической.

При частотном разделении (уплотнении) каждому источнику сообщений выделяется определенная полоса частот: первому источнику- полоса частот ∆F 1 ,второму - ∆F 2 и т. д. (рисю 2.11, а). Полосы частот, используемые для передачи различных сообщений, не перекрываются. При этом сигналы от всех источников сообщений передаются по линии связи одновременно. На рис. 2.11,б представлена структурная схема системы с частотным разделением для передачи двоичных сигналов. Сообщение от каждого источника передается по линии синусоидальными сигналами определенной частоты f создаваемыми генераторами Г. Отсутствие посылки колебаний соответствующей частоты означает 0, посылка колебаний - 1. Колебания суммируются в линии связи. Разделение посылок от источников сообщений осуществляется на приемной стороне полосовыми фильтрами ПФ", выходы которых через выпрямители В соединяются с исполнительными реле Р.

Рис.2.11. Пояснения к частотному методу разделения сигналов

а) расположение каналов на частотной оси

б) функциональная схема системы

Литература

1. Стрыгин В.В. «Основы автоматики и вычислительной техники». М. Высшая школа. 1977 г.

2. Грицевский П.М. и др. «Основы автоматики, импульсной и вычислительной техники». М. Радио и связь. 1987 г.

3. Чекваскин А.Н. и др. «Основы автоматики». М. Энергия. 1977 г.

4. Гордин В.С. и др. «Основы авиационной автоматики». М. Оборонизд. 1972 г.

5. Аскерко В.С. и др. «Основы авиационной автоматики». М. Оборонизд. 1972 г.

6. Шишмарев В. Ю. «Типовые элементы систем автоматического управления». 4-е издание М.: Издательский центр «Академия», 2009.

7. Келим. Ю. М. Типовые элементы систем автоматического управления. М.:ФОРУМ:ИНФРА-М, 2002.г.

1. Тема 1.1. Основные понятия автоматики………………………………….…3

2. Тема 1.2. Измерительные преобразователи (датчики)………………………9

3. Тема 1.3. Электрические реле………………………………………………..28

4. Тема 1.4. Магнитные усилители……………………………………………..32

5. Тема 1.5.Типовые динамические звенья систем автоматики……………....39

6. Тема 1.6. Устойчивость и качество автоматической системы……………..43

7. Тема 2.1. Системы дистанционной передачи угловых перемещений на переменном токе………………………………………………………….…..48

8. Тема 2.2.Следящие системы переменного тока………………………….....51

9. Тема 2.3.Телемеханические системы автоматического управления и контроля……………………………………………………………………….53

При частотном разделении каналов (ЧРК) каждое из подлежащих передаче сообщений занимает полосу частот стандартного канала ТЧ. В процессе формирования группового сигнала каждому канальному сигналу отводится неперекрывающаяся со спектрами других сигналов полоса частот . Тогда общая полоса частот N -канальной группы будет равна . Считая, что применяется однополосная модуляция и каждый канальный сигнал занимает полосу частот , для спектра группового сигнала получим

Групповой сигнал преобразуется в линейный сигнал s л (t) и передается по линии связи (тракту передачи). На приемной стороне после преобразования линейного сигнала в групповой, последний с помощью полосовых канальных фильтров Ф К (см. рис. 11.1) с полосой пропускания и демодуляторов Д К преобразуется в канальное сообщение , которое направляется получателям сообщений.

На вход приемного устройства i –го канала одновременно действуют сигналы всех N каналов. Чтобы без взаимных помех разделить сигналы, каждый из фильтров Ф i должен пропускать без ослабления только те частоты, которые принадлежат данному i –му каналу; частоты сигналов всех других каналов фильтр Ф i должен подавлять. За счет неидеальности характеристик полосовых канальных фильтров возникают взаимные переходные помехи между каналами. Для снижения этих помех до допустимого уровня необходимо вводить защитные частотные интервалы между каналами . В современных системах многоканальной телефонной связи каждому каналу выделяется полоса частот 4 кГц, хотя частотный спектр передаваемых речевых сигналов ограничивается полосой 300…3400 Гц, т. е. ширина спектра сигнала составляет 3,1 кГц. Таким образом, в данном случае = 0,9 кГц. Это означает, что в многоканальных системах с ЧРК эффективно используется примерно 80% полосы пропускания тракта передачи. Кроме того, необходимо обеспечить очень высокую степень линейности всего группового тракта.

При временном разделении каналов (ВРК) групповой тракт с помощью синхронных коммутаторов передатчика и приемника поочередно предоставляется для передачи сигналов каждого канала многоканальной системы. Структурная схема многоканальной системы передачи с ВРК приведена на рис.11.2.

В качестве канальных сигналов в системах с ВРК используются неперекрывающиеся во времени последовательности модулированных импульсов (например, по амплитуде). Совокупность канальных сигналов образует групповой сигнал.

При временном разделении также возможны переходные помехи между каналами, которые в основном обусловлены двумя причинами. Первой причиной является неидеальность АЧХ и ФЧХ тракта передачи, а второй – неидеальность синхронизации коммутаторов на передающей и приемной стороне. Для снижения уровня взаимных помех при ВРК также приходится вводить защитные временные интервалы. Это требует уменьшения длительности импульса каждого канала и, как следствие, расширения спектра сигналов. Так, в многоканальных системах телефонной связи полоса эффективно используемых частот F В =3100 Гц. В соответствии с теоремой отсчетов Котельникова минимальное значение частоты дискретизации f Д = 2f В = 6200 Гц. Однако в реальных системах выбирают f Д =8 кГц (с запасом).

Теоретически ВРК и ЧРК эквивалентны по эффективности использования частотного спектра, однако в реальных условиях системы с ВРК несколько уступают системам с ЧРК по этому показателю из-за трудностей снижения уровня взаимных помех при разделении сигналов. Однако системы с ВРК имеют неоспоримое преимущество, связанное с тем, что благодаря разновременности передачи сигналов различных каналов в них отсутствуют переходные помехи нелинейного происхождения. В системах ВРК ниже пик-фактор. Кроме того, аппаратура ВРК значительно проще аппаратуры ЧРК. Наиболее широкое применение ВРК находит в цифровых системах передачи с ИКМ.

Частным случаем временного разделения является разделение сигналов по фазе , при котором можно обеспечить лишь двухканальную передачу .

В общем случае сигналы, занимающие общую полосу частот и передаваемые одновременно, могут быть разделены, если выполняется условие их линейной независимости или условие ортогональности .

Этим требованиям удовлетворяют сигналы, различающиеся по форме . В цифровых многоканальных системах с разделением по форме используют ортогональные последовательности в виде функций Уолша. Обобщением разделения по форме, являются асинхронно-адресные системы связи (ААСС). В таких системах легко реализуются резервы пропускной способности, возникающие за счет «мало активных» абонентов. Так, например, можно организовать 1000-канальную систему связи, в которой одновременно ведут передачу любые 50-100 абонентов из тысячи .

При комбинированном методе разделения групповой сигнал представляет собой отображение определенных комбинаций дискретных канальных сообщений посредством чисел, соответствующих номеру комбинации. Эти числа могут передаваться с помощью сигналов дискретной модуляции любого вида. Например, для двоичных кодов (m=2) и числе каналов N=2 групповое сообщение может принимать возможных значения, соответствующих различным комбинациям нулей и единиц:00, 01, 10, 11. Для N -канальных систем потребуется различных значений модулируемого параметра (частоты, фазы). В общем случае можно модулировать одновременно несколько параметров переносчика, например, амплитуду и фазу, частоту и фазу и т. д. Структурная схема многоканальной системы с комбинационным (кодовым) разделением (уплотнением) представлена на рис.11.3.

Рис.11.3. Структурная схема многоканальной системы с комбинационным уплотнением

В последнее время большой интерес проявляется к системам амплитудно-фазовой модуляции (АФМ), которые можно реализовать схемой квадратурной модуляции. В системах АФМ в течение интервала передачи одного элементарного сигнала его фаза и амплитуда принимают значения, выбранные из ряда возможных дискретных значений амплитуд и фаз. Каждая комбинация значений амплитуды и фазы отображает один из многопозиционных сигналов группового сигнала с основанием кода . Сигналы АФМ можно формировать также путем многоуровневой амплитудной и фазовой модуляции двух квадратурных (сдвинутых по фазе на ) колебаний несущей частоты .

В последние годы успешно развивается также теория сигнально-кодовых конструкций (СКК), направленная на повышение скорости передачи и помехоустойчивости при существенных ограничениях на энергетику и занимаемую полосу частот. Вопросы теории СКК рассмотрены в главе 11 .

При передаче дискретных сообщений часто используется комбинационный способ формирования группового сигнала. Сущность этого способа состоит в следующем.

Пусть необходимо организовать передачу независимых дискретных сообщений по общему групповому каналу. Если каждый элемент сообщения может принимать одно из возможных состояний то общее число состояний системы из источников будет При одинаковых источниках следовательно,

Таким образом, используя основание кода можно передавать одновременно информацию от индивидуальных каналов работающих с основанием кода

Если, в частности, (элемент сообщения может принимать одно из двух возможных состояний, например «0» и а число каналов то оказываются возможными четыре разные комбинации элементарных сигналов «0» и «1» в обоих каналах.

Задача теперь сводится к передаче некоторых чисел, определяющих номер комбинации. Эти числа могут передаваться посредством любого кода. При такой передаче групповой сигнал является отображением определенной комбинации сигналов различных каналов. Разделение сигналов, основанное на различии в комбинациях сигналов разных каналов, называется комбинационным разделением.

Типичным примером комбинационного разделения является система двукратной частотной модуляции иногда называемой двукратным частотным телеграфированием Для передачи четырех комбинаций сигналов двух каналов используются четыре разные частоты: при двукратной фазовой манипуляции (ДФМ) каждой комбинации состояний I и II каналов соответствует определенное значение фазы группового сигнала или (табл. 8.2).

В качестве иллюстрации принципа комбинационного разделения рассмотрим пример разделения сигналов при двухканальной системе частотного телеграфирования (рис. 8.17). Здесь принятый сигнал разделяется фильтрами подключенными к детекторам попарно работающим на общие нагрузки.

При передаче частоты напряжение с выхода подводится

через диоды к входным зажимам аппаратов I и II каналов. При передаче частоты напряжение с фильтра подключается через диоды соответственно к зажимам и . Все остальные соединения на схеме рис. 8.17 выполнены в соответствии с табл. 8.2.

Таблица 8.2 (см. скан)

Рис. 3.17. Комбинационное разделение сигнала в системе ДЧМ

При оптимальном приеме для разделения сигналов на частотах используются не полосовые, а согласованные фильтры. Если частотные интервалы между и удовлетворяют условию ортогональности, то вероятность ошибки в одном из каналов ДЧМ при оптимальном некогерентном приеме определяется так:

Сравнение системы ДЧМ с обычной двухканальной ЧМ системой частотным разделением показывает, что обе системы занимают практически одинаковую полосу частот, однако мощность сигнала, требуемая для обеспечения заданной верности, при ДЧМ почти вдвое меньше, чем при частотном уплотнении. Существенно меньше оказывается и пиковая мощность при ДЧМ. Поэтому в системах с ограниченной энергетикой комбинационное разделение по методу ДЧМ находит широкое применение.

Комбинационные ДФМ системы на практике реализуются в виде двойной относительной фазовой модуляции ДОФМ по тем же причинам, по которым вместо абсолютных систем ФМ используются относительные - ОФМ. Аналогично можно строить системы комбинационного уплотнения для большего числа каналов - многократную частотную (МЧМ), многократную относительную фазовую модуляцию (МОФМ) и др.

В случае МЧМ, при выборе частот, обеспечивающих ортогональность системы передаваемых сигналов, занимаемая полоса частот ростом увеличивается также экспоненциально. Вероятность эшибки в каждом канале с увеличением также возрастает, но эчень медленно. Поэтому такие системы применяют в тех случаях, согда используемый канал связи обладает большими частотными ресурсами, но энергетические его возможности ограничены.

В случае МОФМ, наоборот, занимаемая полоса частот с ростом почти не расширяется, но вероятность ошибки увеличивается очень быстро и для сохранения требуемой верности необходимо увеличивать мощность сигнала. Такие системы пригодны в тех ситуациях, когда существуют жесткие ограничения полосы пропускания канала, а мощность сигнала практически не лимитирована.

Подробно многоканальные системы связи изучаются в специальных технических курсах.