Исследование методов разделения уплотнения каналов связи

Рис. 2.1.7, б

Помехоустойчивость передачи сообщений повышается при переходе к широкополосным видам модуляции (ЧМ и ФМ). Помехоустойчивость ЧМ и ФМ растет с увеличением индекса модуляции. Однако при этом увеличивается полоса частотного канала. Например, при индексе модуляции 5-20 ширина полосы ФМ (ЧМ) канального сигнала в 8-24 раза шире спектра АМ сигнала и в 16-48 раз шире спектра сообщения. В связи с этим ЧМ и ФМ применяют в многоканальных системах, как правило, на второй ступени модуляции, чтобы обеспечить высокую помехоустойчивость, например в радиорелейных линиях, в системах связи через ИСЗ.

Рассмотрим основные виды искажений в групповом тракте системы с ЧРК. Групповой тракт должен обеспечивать неискаженную передачу группового сигнала. Это достигается линейностью амплитудной характеристики, а также постоянством амплитудно-частотной и линейностью фазовой характеристик. Амплитудная характеристика определяет нелинейные искажения группового сигнала, а амплитудно-частотная и фазовая – линейные искажения. Линейные искажения группового тракта отсутствуют, если модуль комплексного коэффициента передачи тракта |K(jω)|=const в полосе группового сигнала, а зависимость фазовых сдвигов от частоты φ(ω) = τω – линейная функция частоты. Здесь τ=∂φ(ω)/∂ω – групповое время запаздывания (величина постоянная). Отклонение указанных характеристик от идеальных приводит к деформации спектра группового сигнала (рис. 2.1.8). Однако условие ортогональности канальных сигналов при этом сохраняется. Неравномерность коэффициента передачи тракта и группового запаздывания приводит к изменениям амплитудных и фазовых соотношений в спектрах канальных сигналов. При условии ΔF∑
>>ΔFk
эти искажения становятся незначительными.

Рис. 2.1.8, а

Рис. 2.1.8, б

Нелинейные искажения, обусловленные отклонениями амплитудной характеристики группового тракта от линейной, связаны с появлением межканальных помех. Действительно, если представить нелинейную амплитудную характеристику степенным рядом:

(2.1.11)

то первое слагаемое в (2.1.11) представляет неискаженный сигнал, а остальные – нелинейную функцию сигнала, т.е. помеху. Преобразовав по Фурье правую и левую части равенства (2.1.11), можно убедиться в том, что второе слагаемое в правой части приводит к образованию вторых гармоник составляющих группового сигнала 2ωk
и комбинационных составляющих второго порядка ωk
± ωi
. Третье слагаемое в (2.1.11) соответствует третьим гармоникам 3ωk
и комбинационным составляющим третьего порядка и т.п. Таким образом, наблюдается расширение спектра канального сигнала за счет нелинейности амплитудной характеристики группового тракта. Спектр нелинейных помех каждого из каналов перекрывается со спектрами соседних каналов, что приводит к возникновению перекрестных помех в соседних каналах. Мощность Рε
перекрестных помех, попадающих в полосу группового сигнала ΔF∑
, можно оценить по приближенной формуле:

(2.1.12)

где М – число каналов; Аk
0
– амплитуда поднесущей.

Спектральная плотность перекрестных помех Nп.п
распределена в пределах полосы ΔF∑
со слабовыраженной неравномерностью, поэтому, учитывая, что основной вклад в Рε
определяется вторым слагаемым (2.1.12), получим:

(2.1.13)

Коэффициент α3
определяется экспериментально, путем снятия амплитудной характеристики и ее аппроксимации полиномом.

Кроме указанных причин, перекрестные искажения в многоканальных системах возникают из-за интерференционных явлений. При сложении сигнала с колебаниями, появляющимися на входе приемника и имеющими частоты, близкие к частоте сигнала, амплитуда и фаза полезного сигнала изменяются, что приводит к искажениям принятых сообщений. Особенно сильно такие помехи проявляются в условиях одновременной работы мощных сторонних радиосредств.

2.2. Системы с временным уплотнением каналов.

В многоканальных системах с временным разделением каналов (ВРК) канальные сигналы не перекрываются во времени, что обеспечивает их ортогональность.

Рассмотрим один из способов формирования канальных сигналов в системе с ВРК. Сообщения λk
, поступающие от источников, подвергаются дискретизации по времени так, чтобы отсчеты одного сообщения не совпадали с отсчетами другого (рис. 2.2.1,а). В соответствии с моментами отсчетов вырабатываются импульсы, параметры которых меняются в зависимости от значений сообщений сообщения в каждом отсчете. Рис. 2.2.1,б иллюстрирует систему, в которой пропорционально сообщению изменяется амплитуда импульсов. Канальные сигналы, образованные из сообщения λ1
, не совпадают по времени с канальными сигналами, образованными из сообщения λ2
.

Рис. 2.2.1, а

Рис. 2.2.1, б

Таким образом, в системе с ВРК происходит периодическое подключение каждого источника к линии связи. Частота подключения выбирается из условия восстановления непрерывного сообщения по его дискретным выборкам, т.е. в соответствии с теоремой Котельникова. Переносчиком сообщений в каждом канале является последовательность импульсов. В зависимости от того, какие параметры импульсной последовательности являются информативными, получают те или иные системы с ВРК. Однако всем разновидностям систем с ВРК присущи общие черты, которые отражены в структурной схеме, приведенной на рис. 2.2.2.

Рис. 2.2.2

Генератор канальных импульсов (ГКИ) вырабатывает периодические последовательности импульсов, служащие переносчиками сообщений для М каналов. Снимаемые с выходов ГКИ импульсные поднесущие модулируются в модуляторах (М) сообщениями, поступающими от источников Иi
. Образующиеся канальные сигналы не перекрываются во времени (см. диаграммы рис. 2.2.3).

Рис. 2.2.3

Для того чтобы обеспечить разделение каналов, на передающей стороне устройство формирования синхроимпульсов (УФСИ) вырабатывает синхроимпульсы, параметры которых отличаются от канальных импульсов, а период повторения совпадает с периодом Тп
. Синхроимпульсы складываются с канальными, и суммарный поток подается модулятор передатчика. Ритм работы всей системы обеспечивается генератором тактовых импульсов (ГТИ). В передатчике реализуется вторая ступень модуляции, в результате чего формируется радиосигнал.

На приемной стороне этот радиосигнал демодулируется и на выходе демодулятора (Д) выделяется импульсный поток группового сигнала. Селектор синхроимпульсов (ССИ) выделяет из этого потока синхроимпульсы, которые обеспечивают синхронную работу генератора селекторных импульсов (ГСИ). Разделение канальных импульсных потоков осуществляется временными селекторами (ВС), на которые с одной стороны подается групповой сигнал, с другой – селекторные импульсы. При совпадении по времени канального и селекторного импульсов ВС пропускает первый на вход канального демодулятора (КД). Селекторные импульсы показаны на диаграммах рис. 2.2.3 совмещенными с канальными импульсами на входе ВС (диаграммы 7 и 8). Нумерация диаграмм на рис. 2.2.3 соответствует отмеченным на рис. 2.2.2 точкам. Исходя из работы системы с ВРК, можно сделать вывод об исключительно важной роли синхронизации. Канал синхронизации должен обладать повышенной помехоустойчивостью, чтобы исключить неправильную работу системы в целом.

Рассмотрим некоторые из возможных видов модуляции импульсных последовательностей. Периодическая последовательность импульсов может быть представлена в следующем виде:

(2.2.1)

где А0
– амплитуда импульсов; ƒ(t) – функция, описывающая форму одиночного импульса с единичной амплитудой и длительностью τи
; Тп
– период повторения импульсов; Vn
– параметр, характеризующий начальный сдвиг последовательности.

Вид модуляции первой ступени определяется параметром импульсной последовательности, который изменяется в соответствии с сообщением. При изменении амплитуды А0
=А(t) имеем АИМ, при изменении длительности импульсов τи
=τи
(t) – ШИМ, при изменении временного положения Vn
=Vn
(t) – временную импульсную модуляцию (ВИМ). Различают ФИМ и ЧИМ в зависимости от закона изменения Vn
(t). На второй ступени модуляции осуществляется модуляция параметров несущего колебания импульсным потоком группового сигнала. Для этого применяют АМ, ФМ, ЧМ.

Рассмотренные виды модуляции первой ступени относятся к параметрическим, так как основаны на изменении параметров импульсного потока. На практике используют и непараметрические методы модуляции, при которых значениям отсчетов сообщения ставится в соответствие кодовая комбинация, состоящая из элементов, отличающихся частотой, интервалом и т.п. Сюда относятся импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) и дельта-модуляция (ДМ).

В зависимости от сочетания способов модуляции на первой и второй ступенях выделяют различные классы систем с ВРК, например АИМ-ЧМ, ШИМ-ФМ, ИКМ-ЧМ и т.п. Каждая из систем имеет свои преимущества и недостатки. Наиболее широкое распространение получили системы с ШИМ и ВИМ, а также с ИКМ, поскольку они обеспечивают высокую надежность передачи сообщений при относительной простоте реализации аппаратуры.

Определим число каналов М, которое может быть уплотнено в системе с ВРК при заданных характеристиках сообщений λk
и полосе Δƒс
высокочастотного тракта. Из рис. 2.2.3 можно установить соотношение

, (2.2.2)

где ти
– длительность канального импульса; тс
– длительность синхроимпульса; тк
– канальный интервал.

Период повторения Тп
канальных импульсов определяется верхней граничной частотой спектра Fв
сообщения

, (2.2.3)

где μ0
– коэффициент следования импульсов, равный 2 в соответствии с теоремой Котельникова, либо выбираемый больше 2 в зависимости от допустимых искажений передаваемых сообщений и от вида импульсной модуляции. С учетом (2.2.3) имеем для систем с АИМ:

. (2.2.4)

Очевидно, при уменьшении коэффициента μ0
длительности канальных и синхроимпульсов можно увеличить число М уплотняемых каналов. Наибольшее число каналов обеспечивается при АИМ. Уменьшение длительностей тс
и ти
возможно до предела, определяемого максимальной полосой спектра передаваемого по радиолинии радиосигнала.

Дадим оценку помехоустойчивости многоканальных систем с различными видами импульсной модуляции. Считаем, что на входе приемного устройства действуют групповой сигнал s∑
(t) и помеха n(t), представляющая флуктуационный шум с нулевым средним значением и дисперсией σ2
п
. Обозначим максимальное значение сигнала s∑
(t) через А0
, тогда можно ввести отношение сигнал/шум qвх
=А2
0
/σ2
п
. В зависимости от этого отношения сообщение λ*
на выходе приемника сопровождается бóльшими или меньшими ошибками ε(t).

Действие шума на качество воспроизведения сообщений определяется величиной отношения сигнал/шум. Принимая на выходе приемника отношение сигнал/шум равным qвых
=А2
m
/σ2
п.в
, где Аm
– максимальное значение полезного сигнала на выходе; σ2
п.в
=<ε2
> - средний квадрат ошибки, помехоустойчивость системы определим величиной выигрыша:

. (2.2.5)

Качество разделения канальных сигналов характеризуется коэффициентом защищенности Аз
, определяемым отношением мощности полезного сообщения Рс
к мощности Рп.п
переходной помехи:

. (2.2.6)

Определим помехоустойчивость систем с ВРК, использующих простейшие канальные демодуляторы – ФНЧ. Пусть на входе демодулятора действует сумма сигнала sk
и гауссовского шума n(t) с дисперсией σ2
п
. Сигнал представляет последовательность импульсов, форма которых отличается от прямоугольной, поскольку при прохождении по тракту передачи фронты импульсов затягиваются. Для упрощения расчетов заменим сложные по форме импульсы на входе ФНЧ трапецеидальными, имеющими амплитуду А0
и длительность фронта тф
. Длительность фронта определяется максимальной крутизной реального импульса. На рис. 2.2.4 пунктиром изображен импульс сигнала и одна из реализаций помехи n. Действие помехи приводит к искажению формы импульса. Возможные реализации суммы сигнала и помехи находятся внутри заштрихованной области. Эта область определяется пиковым значением помехи |Uп
max
|, которое можно принять равным 3σп
. Таким образом, действие помехи приводит к появлению паразитной модуляции импульсов по амплитуде и фазе.

Рис. 2.2.4

Переходные помехи между каналами в системах с ВРК возникают из-за ограничения полосы пропускания группового тракта, неравномерности его амплитудно-частотной и нелинейности фазово-частотной характеристик. Указанные причины приводят к переходным процессам, в результате чего импульсы искажаются и накладываются друг на друга. Наиболее сильно сказывается влияние соседних каналов.

Заключение

В курсовой работе были изучены методы частотного и временного разделения каналов связи и сделаны следующие выводы:

Частотное разделение каналов связи.

Достоинства:

1. Максимальная плотность каналов в занимаемой полосе частот.

2. Такие системы можно применять для любых видов систем связи.

Недостатки:

1. Использование аналогового сигнала при передаче сообщения.

2. Низкая помехоустойчивость при передаче на дальние расстояния.

3. Сложная конструктивная реализация систем.

4. Слабая защита от несанкционированного доступа доступа к информации.

Временное разделение каналов связи.

Достоинства:

1. Использование цифрового сигнала при передаче сообщения.

2. Возможность передачи избыточной информации для восстановления полученного сигнала.

3. Высокая помехоустойчивость систем.

4. Более простая реализация систем.

5. Повышенная защищенность каналов от несанкционированного доступа.

Недостатки:

1. Широкая полоса частот для организации канала.

2. Зависимость полосы частот от количества каналов и частоты дискретизации.

3. Трата частотного ресурса на передачу избыточной информации для восстановления сигнала. Список литературы

1. Апорович «Радиотехнические цепи и сигналы», М.: «Связь», 1988.

2. Баскаков С.И. «Радиотехнические цепи и сигналы», М.: «Высшая школа», 2000.

3. Жураковский «Каналы связи», М.: «Высшая школа», 1985.

4. Борисов «Радиосвязь», М.: «Высшая школа», 1987.