Общая теория связи. Многоканальная система передачи

1.

2.

3.

многоканальная система передачи;
частотное разделение сигналов;
временное разделение каналов;
Основная литература
1.
Андреев Р.Н., Краснов Р.П., Чепелев М.Ю. Теория электрической связи: курс лекций. Учебное
пособие для вузов. – М.: Изд-во «Горячая линия – Телеком», 2014 г.
2.
Васин В.А., Калмыков В.В., Себекин Ю.Н., Сенин А.И., Федоров И.Б. Радиосистемы передачи
информации. Учебное пособие для вузов / Под ред. И.Б. Федорова и В.В. Калмыкова. – М.: Издво «Горячая линия – Телеком», 2015 г.

4.

Дополнительная литература
1.
Теория электрической связи: учебное пособие / К.К. Васильев, В.А. Глушков, А.В. Дормидонтов, А.Г. Нестеренко; под общ. ред.
К.К. Васильева. – Ульяновск: УлГТУ, 2008. – 452 с.
2.
Бернард Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение: Пер. с англ. – М.: Издательский дом
«Вильямс», 2003. – 1104 с.
3.
Каганов В.И., Битюков В.К. Основы радиоэлектроники и связи: Учеб. пособие для вузов. – М.: Горячая линия-Телеком, 2007. –
542 с.
4.
Стеценко О.А. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник. – М.: Высш. шк., 2007. – 432 с.
5.
Периодические издания: журнал «Вестник»; «Вестник связи»; «Автоматика, Связь, Информатика».
6.
Основы теории электрической связи. Учеб. Пособие/ под ред. А.Н. Путилина.- СПб.: ВАС, 1997.- 155 с.
7.
Прокис Дж. Цифровая связь.- М.: Радио и связь, 2000,- 797 с.
8.
Электросвязь. Введение в специальность: Учеб. пособие для вузов/ В.Г. Дурнев, А.Ф. Зелевич, Б.И. Крук и др.- М.: Радио и
связь, 1988.-240 с.

5.

6.

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.

7.

8.

Функциональная схема простейшей системы многоканальной связи с
разделением каналов по частоте

9.

Сначала
в соответствии с передаваемыми сообщениями первичные
(индивидуальные) сигналы, имеющие энергетические спектры G1(ω), G2(ω),...,
GN(ω) модулируют поднесущие частоты ωk каждого канала. Эту операцию
выполняют модуляторы M1, M2,..., MN канальных передатчиков. Полученные
на выходе частотных фильтров Ф1, Ф2,..., ФN спектры gk(ω) канальных
сигналов занимают соответственно полосы частот Δω1, Δω2,..., ΔωN, которые в
общем случае могут отличаться по ширине от спектров сообщений Ω1, Ω2,...,
ΩN.
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
.

10.

Пусть спектры индивидуальных сигналов конечны. Тогда можно подобрать
поднесущие частоты так, что полосы Δω1, Δω2,..., ΔωN попарно не перекрываются.
При этом условии сигналы
взаимно ортогональны.
Затем спектры gk(ω) суммируются и их совокупность g(ω) поступает на
групповой модулятор (М). Здесь спектр g(ω) с помощью колебания несущей
частоты ω0 переносится в область частот, отведенную для передачи данной
группы каналов, т.е. групповой сигнал s(t) преобразуется в линейный сигнал sл(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’(ω). Спектр группового сигнала затем с помощью
частотных фильтров Ф1, Ф2,..., ФN вновь разделяется на отдельные полосы Δωk,
соответствующие отдельным каналам. Наконец, канальные демодуляторы Д
преобразуют спектры сигналов gk(ω) в спектры сообщений Gk’(ω),
предназначенные получателям.

11.

Преобразование спектров в системе с частотным разделением каналов

12.

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 Фk 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 Δωk, 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.)

13.

Спектр группового сигнала с защитными интервалами

14.

15.

Принцип временного разделения каналов (ВРК) состоит в том, что групповой
тракт предоставляется поочередно для передачи сигналов каждого канала
многоканальной системы (Рис.).
При передаче используется дискретизация во времени (импульсная модуляция).
Сначала передается импульс 1-го канала, затем следующего кана-ла 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
приемник/передатчик.

16.

На рисунке приведены временные диаграммы,
поясняющие принцип ВРК. На (а-в) приведены
графики трех непрерывных аналоговых сигналов
u1(t), u2(t), u3(t) и соответствующие им АИМсигналы. Импульсы разных АИМ-сигналов
сдвинуты друг относительно друга по времени.
При объединении индивидуальных каналов в
канале (линии) связи образуется групповой
сигнал с частотой следования импульсов, в N раз
большей частоты следования индивидуальных
импульсов.

17.

Интервал времени между ближайшими импульсами группового сигнала Tk
называется канальным интервалом или тайм-слотом. Промежуток времени
между соседними импульсами одного индивидуального сигнала называется
циклом передачи Tц. От соотношения Tk и Tц зависит число импульсов, которое
можно разместить в цикле, т.е. число временных каналов.
При временном разделении так же, как и при ЧРК, существуют взаимные
помехи, в основном обусловленные двумя причинами.
Первая состоит в том, что линейные искажения, возникающие за счет
ограниченности полосы частот и неидеальности амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик всякой физически осуществимой системы связи,
нарушают импульсный характер сигналов. При временном разделении сигналов
это приведет к тому, что импульсы одного канала будут накладываться на
импульсы других каналов. Иначе говоря, между каналами возникают взаимные
переходные помехи или межсимвольная интерференция.
Кроме того, взаимные помехи могут возникать за счет несовершенства
синхронизации тактовых импульсов на передающей и приемной сторонах.

18.

В общем случае для снижения уровня взаимных помех приходится вводить
"защитные" временные интервалы, что соответствует некоторому расширению спектра сигналов. Так, в СП полоса эффективно передаваемых
частот F = 3100 Гц; в соответствии с теоремой Котельникова минимальное
значение частоты дискретизации
Гц. Однако в реальных
системах частоту дискретизации выбирают с некоторым запасом:
кГц.
При временном разделении каналов сигнал каждого кана-ла занимает
одинаковую полосу частот, определяемую в идеальных условиях согласно
теореме Котельникова из соотношения
,
где
, что совпадает с общей полосой частот системы при частотном
разделении.
Системы с временным разделением имеют неоспоримое преимущество,
связанное с тем, что благодаря разновременности передачи сигналов разных
каналов отсутствуют переходные помехи нелинейного происхождения.

19.

Принцип ИКМ преобразования

20.

В качестве примера показано преобразование восьми отсчетов непрерывного
сигнала с квантованием 8-ю уровнями. При этом используется код с основанием
3 и количеством кодовых комбинаций 23 = 8.
Номер
импульса
1
2
3
4
5
6
7
8
0
1
5
6
7
4
3
2
0
0
1
1
1
1
0
0
Уровень
квантован
ия
Кодовая
комбинац
ия
При шаге квантования
00
01
01
10
11
00
11
10
имеет место равномерное квантование.
Ошибки квантования, величина которых не выходит за пределы
,
приводят к появлению на приеме шумов квантования, которые искажают
сигналы.

21.

В линию связи передаются кодовые комбинации в виде двоичной импульсной
последовательности. При равномерном квантовании мощность шума
квантования определяется только шириной шага квантования. Чем меньше шаг
(больше уровней квантования), тем меньше шум. Погрешность квантования
можно уменьшить также за счет применения неравномерного квантования, при
котором шаг квантования выбирается меньшим для более вероятных значений
сигнала и большим для менее вероятных. Для речевого сигнала более
вероятными являются малые значения амплитуды сигнала.
Частота дискретизации выбирается по теореме Котельникова из условия (при
ширине спектра непрерывного сигнала более одной октавы):
кГц
На практике обычно выбирают частоту дискретизации равной 8 кГц.

22.

Разделение сигналов по форме
Различающиеся по форме сигналы могут передаваться одновременно и иметь
перекрывающиеся частотные спектры, и тем не менее такие сигналы можно
разделить, если выполняется условие их ортогональности. Пусть в качестве
переносчиков выбраны импульсы, последовательность которых образует,
например, степенной ряд.
В предположении, что информация содержится в коэффициентах с1, с2,..., сN
для группового сигнала запишем
Члены ряда линейно независимы, и, следовательно, ни один из канальных
сигналов