Если рассмотреть простейшую сеть, состоящую из двух пунктов А и Б, между которыми организовано N цифровых каналов (здесь не оговаривается каким образом), то независимая передача сигналов по этим каналам возможна, если эти каналы разделены между собой. Возможны следующие способы разделения каналов между двумя пунктами:

Пространственное разделение (space division), использующее различные передающие среды для организации каналов;

Временное разделение (time division), осуществляющее передачу цифровых сигналов в разные временные интервалы в различных каналах;

Кодовое разделение (code division), при котором разделение происходит путем приме­нения конкретных значений кодов для каждого сигнала;

Разделение по длине волны, при котором цифровые сигналы передаются по цифро­вым каналам, организованным на различных длинах волн в оптическом кабеле;

Разделение по моде при организации канала на различных типах электромагнитной волны (модах) полых волноводов и оптического кабеля;

Разделение по поляризации электромагнитной волны полых волноводов и оптическо­го кабеля.

Во всех случаях разделение каналов между двумя узлами не предполагает наличие еди­ной среды распространения электромагнитного сигнала. Для передачи сигналов в одной среде распространения разделенные по тому или иному признаку (кроме пространственно­го) каналы с помощью операции объединения (мультиплексирования) группируются, обра­зуя цифровую систему передачи (ЦСП).

В цифровых системах коммутации (ЦСК) такое объединение и разделение сигналов чаще всего происходит с помощью временного мультиплексирования (time division multi­plexing). Временное мультиплексирование в настоящее время является важной составной частью не только ЦСП, но и ЦСК, и играет определяющую роль особенно на стыке этих систем. В телефонии временное мультиплексирование определяется как инструмент для распределения (разделения и объединения) телефонных каналов во времени при передаче по одной физической линии связи. При этом используется один из видов импульсной моду­ляции. Каждый импульс соответствует сигналу одного из каналов, сигналы от разных кана­лов передаются последовательно.

Принцип временного объединения сигналов показан на рис. 1.8, где изображен вращающийся коммутатор К (в центре), попеременно подключающийся к выходам по­следовательности каналов. К выходу канала 1 коммутатор подключается в момент времени t, к выходу канала 2 в момент времени t 2 , к выходу канала N в момент времени t N , после чего процесс повторяется. Результирующий вы­ходной сигнал будет состоять из последовательности сиг­налов разных каналов, смещенных друг относительно друга на время At.

Разделение сигналов на приемной стороне будет про­исходить аналогично: вращающийся коммутатор пооче­редно подключается к каналам, передавая первый сигнал в канал номер 1, второй - в канал номер 2 и т.д. Очевид­но, что работа коммутаторов на приемной и передающей стороне должна определенным образом синхронизиро­ваться, чтобы сигналы, пришедшие по линии, направля­лись в необходимые каналы. На рис. 1.9 представлены временные диаграммы для случая объединения трех ка­налов, по которым передаются амплитудно - импульсно модулированные сигналы.

Как указывалось выше, в ЦСП используются ИКМ сигналы, представляющие собой цифровые кодовые по­следовательности, состоящие из нескольких бит.

Времен­ное объединение нескольких ИКМ сигналов - это объеди­нение кодовых последовательностей, поступающих от различных источников, для совместной передачи по об­щей линии, при котором линия в каждый момент времени предоставляется для передачи только одной из поступив­ших кодовых последовательностей.

Временное объединение ИКМ сигналов характеризу­ется рядом параметров. Цикл временного объединения есть совокупность следующих друг за другом интервалов времени, отведенных для передачи ИКМ сигналов, по­ступающих от различных источников. В цикле временно­го объединения каждому ИКМ сигналу выделен кон­кретный интервал времени, положение которого может быть определено однозначно. Поскольку обычно каждый сигнал соответствует своему каналу передачи, то такой интервал времени, отведенный для передачи одного кана­ла, называют канальным интервалом (КИ). Выделяют два типа цикла - основной, продолжительность которого рав­на периоду дискретизации сигнала, и сверхцикл - повто­ряющаяся последовательность следующих друг за другом основных циклов, в которой положение каждого из них определяется однозначно.

Рис. 1.8. Круговая интерпретация временного мультиплексирования

Рис. 1.9. Временное объединение

При построении ИКМ аппаратуры используют однородное временное объединение ИКМ сигналов, при котором скорости передачи кодовых слов объединяемых ИКМ сигналов одинаковы. Это дает возможность производить погрупповое объединение ИКМ сигналов и строить на основе этого иерархические системы передачи ИКМ сигналов.

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 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.

Фазовое разделение сигналов

Фазовое разделение сигналов строится с использованием различия сигналов по фазе.

Пусть информация в N каналах передается изменением амплитуды непрерывных косинусоидальных сигналов с одинаковой несущей частотой щ 0 . Требуется разделить эти сигналы с использованием только различия в их начальных фазах.

Сигналы равны:

……………………………….

Как показывает анализ, различение сигналов возможно, если система содержит только два канала, по которым передаются косинусная и синусная составляющие:

а выделение первичных сигналов производится с использованием синхронного детектирования.

Разделение сигналов по форме

Кроме сигналов с неперекрывающимися спектрами и сигналов, неперекрывающихся по времени, существует класс сигналов, которые могут передаваться одновременно и иметь перекрывающиеся частотные спектры.

Разделение этих сигналов принято называть разделением по форме .

К числу таких сигналов относятся последовательности Уолша, Радемахера и разнообразные шумоподобные последовательности.

Последовательности Уолша и Радемахера строятся на базе кодового алфавита 1, -1, а любые пары этих последовательностей удовлетворяют условию

E i , i = j ,

0, i ? j ,

где - сигналы i - го и j - го каналов системы с временным разделением, T - интервал времени, в котором располагаются канальные сигналы, причем T= где F В - верхняя граничная частота спектра передаваемого сообщения.

Применение кодов Уолша и Радемахера связано с передачей по каналу специальных синхросигналов для поддержания определенных временных соотношений между принимаемыми и опорными кодовыми словами.

В случае использования шумоподобных последовательностей необходимости в передаче специальных синхросигналов нет, так как эту роль могут выполнять последовательности-переносчики информации.

Шумоподобные сигналы должны удовлетворять следующим условиям:

E, ф = 0,

0, -ф и > ф > -T ,

T > ф > ф и , (9.5)

0, i ? j , (9.6)

для - длительность шумоподобного сигнала; E - энергия сигнала; ф и - длительность единичного интервала шумоподобного сигнала.

При выполнении условий (9.5) обеспечивается работа системы синхронизации без передачи специального синхросигнала, так как автокорреляционная функция любого канального сигнала имеет ярко выраженный пик при ф = 0 и нулевые значения при сдвиге При выполнении условий (9.6) обеспечивается разделение канальных сигналов, так как взаимокорреляционная функция для любой пары сигналов равняется нулю.

К сожалению, скалярные произведения (9.5) для и (9.6) для реальных сигналов не равны нулю. Это приводит к снижению достоверности разделения сигналов.

Структурная схема многоканальной системы связи с разделением сигналов по форме приведена на рис.9.2.

Рис.9.2 Структурная схема многоканальной системы связи с разделением сигналов по форме: 1- генератор тактовых импульсов; 2- генератор шумоподобного сигнала; 3-АЦП; 4- перемножитель;; 5,6 - модуляторы; 7 - сумматор; 8 - передатчик; 9 - линия связи; 10 - приемник; 11 - согласованный фильтр; 12 - решающее устройство; 13 - ЦАП; 14,15 - демодуляторы

Передающая часть системы содержит N идентичных модуляторов, сумматор и передатчик. В модуляторах в качестве несущих колебаний используются шумоподобные сигналы, а в качестве модулирующих - сфазированные с этими сигналами двоичные кодовые последовательности с выхода АЦП. Период шумоподобных сигналов выбирается равным длительности единичного элемента кодового слова с выхода АЦП. В процессе модуляции символу «1» двоичного кодового слова (диаграмма а на рис.9.3) соответствует полный период шумоподобного сигнала (диаграмма б ), а символу «0» - отсутствие этого сигнала. Если F с - верхняя граничная частота спектра первичного сигнала, а L - число уровней квантования, то ширина спектра сигнала на выходе перемножителя (см. схему на рис. 9.2)

Где - длина (период) шумоподобной последовательности.

Как видно из формулы (9.7) ширина спектра каждого канального сигнала в раз больше ширины спектра ИКМ сигнала.

Рис.9.3. Временные диаграммы, поясняющие работу схемы, приведенной на рис.9.2

Отметим, что каждый канальный сигнал имеет свою форму, а временные процессы, протекающие в каналах, могут быть независимы. Групповой сигнал на выходе сумматора, равный сумме канальных сигналов, представляет собой случайный процесс, среднее значение и дисперсия которого зависит от загрузки отдельных каналов.

Приемная часть системы содержит приемник и N идентичных канальных приемников (демодуляторов). В структуру каждого демодулятора входит сргласованный фильтр, решающее устройство и ЦАП.

Каждый из согласованных фильтров откликается только на тот сигнал, с которым он согласован. Например, согласованный фильтр 11 первого канала откликается на сигнал, который формируется в первом модуляторе (рис.9.3, б ). Отклик фильтра показан на рис.9.3, в . Сигналы других каналов и их отклики на рис 9.3 для простоты не показаны. В решающем устройстве отклик согласованного фильтра 11 огибающая радиосигнала сравнивается с заданным пороговым уровнем U пор. Если происходит пересечение порога, то формируется оценка, передаваемого символа, равная 1, а если пересечения не происходит, то формируется оценка,равная нулевому символу.Кодовые слова с выхода решающего устройства 12 поступают на ЦАП 13 и преобразуются в сообщение a 1 * (t ).

Демодуляция сигнала происходит в присутствии помехи, которая состоит из двух составляющих. Первая является известной по предыдущим

главам суммой внутренней и внешней флуктуационных помех, а вторая - специфичной для систем с шумоподобными сигналами помехой. Эта помеха является суммой шумоподобных сигналовдругих каналов и называется структурной или взаимной помехой. Структурная помеха обусловлена тем, что системы используемых реальных сигналов являются «почти» ортогональными, т.е. для них не выполняется условие (9.6). Ее уровень определяется значениями взаимнокорреляционных функций между опорным канальным шумоподобным сигналом и присутствующими шумоподобными сигналами других каналов. С целью обеспечения заданного качества передаваемой информации, должны предусматриваться меры по уменьшению уровня этой структурной помехи. Рассмотренные принципы разделения сигналов по форме и построения многоканальной системы связи используется в многоканальных асинхронных адресных системах связи (ААСС) . В ААСС (рис.9.4) каждому абоненту присваивается один из «почти ортоганальных» шумоподобных сигналов, который является адресом канала.

Рис.9.4. Структурная схема многоканальной асинхронной адресной смстемы связи: 1,4,7,10 - абоненты 1,i,k,N; 2,5,8,11 - приемопередатчики; 3,6,9,12 - генераторы адресного сигнала; 13 - линия связи

Пусть, например, абоненту 1 нужно связаться с абонентом «k ». С этой целью набирается номер абонента «k » и таким образом вгенераторе адресного сигнала 1 устанавливается форма шумоподобного сигнала с номером «k ». Если число абонентов равно, то и число набираемых форм также равно

Шумоподобный сигнал с номером «k » посылается в линию связи и таким образом действует на входах приемников всех остальных абонентов. На шумоподобный сигнал «k » настроена приемная аппаратура только абонента «k », поэтому связь устанавливается между абонентами 1 и «k ». Приемники других абонентов на этот шумоподобный сигнал не откликаются. Ответная информация от абонента «k » передается с использованием шумоподобного сигнала с номером 1. Важной особенностью ААСС является отсутствие центральной коммутационной станции. Все абоненты имеют прямой доступ к друг другу, а если используется радиолиния, то частотная перестройка приемо-передатчиков для вхождения в связь не производится.

В заключение отметим, что в технической литературе имеется описание ААСС, в которых используется от 1000 до 1500 каналов с 50…100 активными абонентами.

Краткое описание CDMA

Примером внедрения технологии связи с шумоподобными сигналами является система с кодовым разделением каналов (CDMA - Code Division Multiple Access).

Замечательное свойство цифровой связи с шумоподобными сигналами- защищенность канала связи от перехвата, помех и подслушивания. Поэтому данная технология изначально разработана и использовалась для вооруженных сил США и лишь затем была передана для коммерческого использования.

Система CDMA фирмы Qualcom (стандарт IS-95) рассчитана на работу в диапазоне 800 МГц. Система CDMA построена по методу прямого расширения спектра частот на основе использования 64 видов последовательностей, сформированных по закону функций Уолша.

Каждому логическому каналу назначается свой код Уолша. Всего в одном физическом канале может быть 64 логических канала, так как последовательностей Уолша, которым в соответтвие ставятся логические каналы 64, каждая из которых имеет длину по 64 бита. При этом 9 каналов - служебные, а остальные 55 каналов используются для передачи данных.

При изменении знака бита информационного сообщения фаза используемой последовательности Уолша меняется на 180 градусов. Так как эти последовательности взаимно ортогональны, то взаимные помехи между каналами передачи одной базовой станции отсутствуют. Помехи по каналам передачи базовой станции создают лишь соседние базовые станции, которые работают в той же полосе частот и используют ту же самую ПСП, но с другим циклическим сдвигом.

В стандарте CDMA используется фазовая модуляция ФМ 4, ОФМ 4.

Частотное разделение сигналов. Функциональная схема простейшей системы многоканальной связи с разделением каналов по частоте представлена на рис. 9.2.

Проследим основные этапы образования сигналов, а также изменение этих сигналов в процессе передачи. Сначала в соответствии с передаваемыми сообщениями первичные (индивидуальные) сигналы, имеющие энергетические спектры G 1 (ω), G 2 (ω),..., G N (ω) модулируют поднесущие частоты со& каждого канала. Эту операцию выполняют модуляторы М 1 , M 2 , ..... , M N канальных передатчиков. Полученные на выходе частотных фильтров Φ 1 , Φ 2 , ..., Φ N спектры g k (ω) канальных сигналов занимают соответственно полосы частот Δω 1 , Δω 2 ,..., Δω N (рис. 9.3), которые в общем случае могут отличаться по ширине от спектров сообщений Ω 1 , Ω 2 ,..., Ω N . При широкополосных видах модуляции, например ЧМ, ширина спектра Δω k ≈2(β + 1)Ω k , при ОМ Δω k = Ω k , т. е. в общем случае Δω k ≥ Ω k Для упрощения будем считать, что используется ОМ (как это принято в кабельных системах многоканальной связи с частотным разделением), т. е.

Δω k = Ω и Δω = NΩ. (9.11)

Будем полагать, что спектры индивидуальных сигналов финитны. Тогда можно подобрать поднесущие частоты ω k так, что полосы Δω 1 ,..., Δω 1 попарно не перекрываются. При этом условии сигналы s k (t) (k = 1,..., N) взаимно-ортогональны. Затем спектры g 1 (ω), g 2 (ω),... ,g N (ω) суммируются (СУ) и их совокупность g(ω) поступает на групповой модулятор (М). Здесь спектр g(ω) с помощью колебания несущей частоты ω 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 Π), который преобразует спектр линейного сигнала в спектр группового сигнала g(ω). Спектр группового сигнала затем с помощью частотных фильтров Φ 1 , Φ 2 ,..., Φ N вновь разделяется на отдельные полосы Δω k , соответствующие отдельным каналам. Наконец, канальные демодуляторы Д преобразуют спектры сигналов g k (ω) в спектры сообщений G k (ω), 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 Φ л должен пропустить без ослабления лишь те частоты ω∈Δω k , которые принадлежат сигналу данного канала; частоты сигналов всех других каналов ω∉Δω k фильтр должен подавить.

Математически частотное разделение сигналов идеальными полосовыми фильтрами можно представить следующим образом:

где g k (t)-импульсная реакция идеального полосового фильтра, пропускающего без искажений полосу частот Δω k . Выражение (9.12) совпадает с (9.6) при весовой функции η k (t, τ) = g k (t-τ). В спектральной области преобразование (9.12) соответствует умножению спектра группового сигнала на Π-образную передаточную функцию (см. рис. 9.3).

Итак, с точки зрения возможности полного разделения сигналов различных каналов необходимо иметь такие фильтры Φ k , полоса пропускания которых полностью соответствует ширине спектра сигнала Δω k ; на гармонические составляющие за пределами полосы Δω k фильтр Φ k реагировать не должен. При этом имеется в виду, что энергия сигналов s k полностью сосредоточена в пределах ограниченной полосы Δω k , отведенной k-му каналу. Если бы оба эти условия удовлетворялись, то посредством частотных фильтров можно было бы разделить сигналы различных каналов без взаимных помех. Однако ни одно из этих условий принципиально невыполнимо. Результатом являются взаимные помехи между каналами. Они возникают как за счет неполного сосредоточения энергии сигнала k-го канала в пределах заданной полосы частот Δω k , 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 Δω защ (рис. 9.4). Так, например, 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. Кроме того, необходимо обеспечить очень высокую степень линейности всего тракта группового сигнала.

Временное разделение сигналов. Принцип временного разделения сигналов весьма прост и издавна применяется в телеграфии. Он состоит в том, что с помощью коммутатора K пер групповой тракт предоставляется поочередно для передачи сигналов каждого канала многоканальной системы * . При передаче непрерывных сообщений для временного разделения используется дискретизация по времени (импульсная модуляция). Сначала передается сигнал (импульс) 1-го канала, затем следующего канала и т. д. до последнего канала за номером N, после чего опять включается 1-й канал и процесс периодически повторяется (рис. 9.5).

* (В современной аппаратуре механические коммутаторы практически не используют. Вместо них применяют электронные коммутаторы, выполненные, например, на регистрах сдвига. )

На приемном конце устанавливается аналогичный коммутатор K пр, который подключает групповой тракт поочередно к приемникам соответствующих каналов. Приемник каждого k-ro канала должен быть подключен только на время передачи k-ro сигнала и выключен все остальное время, пока передаются сигналы в других каналах. Это означает, что для нормальной работы многоканальной системы с временным разделением необходима синхронная и синфазная работа коммутаторов на приемной и передающей сторонах. Часто для этого один из каналов занимают под передачу специальных импульсов синхронизации, предназначенных для согласованной во времени работы K пер и K пр.

На рис. 9.6 представлены временные диаграммы двухканальной системы с АИМ. Переносчиком сообщений здесь являются последовательности импульсов (с периодом T 0 = 1/2F max), поступающих на импульсный модулятор (ИМ) от генератора тактовых импульсов (ГТИ). Групповой сигнал (рис. 9.6,а) поступает на коммутатор K пр. Последний выполняет роль "временных" параметрических фильтров или ключей, передаточная функция которых K k (рис. 9.6,6) изменяется синхронно (с периодом Т 0) и синфазно с изменениями передаточной функции K пер:

Это означает, что к тракту передачи в пределах каждого временного интервала Δt k подключен только k-н импульсный детектор ИД-k. Полученные в результате детектирования s k (t) сообщения поступают к получателю сообщений ПС-k.

Оператор π k , описывающий работу ключевого фильтра, вырезает из сигнала s(t) интервалы Δt k следующие с периодом Т 0 и отбрасывает остальную часть сигнала. Легко убедиться, что его можно представить в форме (9.6), если

Здесь, как и ранее, Δt k обозначает интервал, в течение которого передаются сигналы k-го источника.

При временном разделении взаимные помехи в основном обусловлены двумя причинами. Первая состоит в том, что линейные искажения, возникающие за счет ограниченности полосы частот и неидеальности амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик всякой физически осуществимой системы связи, нарушают импульсный характер сигналов. Действительно, если при передаче модулированных импульсов конечной длительности ограничить спектр, то импульсы "расплывутся" и вместо импульсов конечной длительности получим процессы, бесконечно протяженные во времени. При временном разделении сигналов это приведет к тому, что импульсы одного канала будут накладываться на импульсы других каналов (рис. 9.7). 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.

Для снижения уровня взаимных помех приходится вводить "защитные" временные интервалы, что соответствует некоторому расширению спектра сигналов. Так, в многоканальных системах телефонии полоса эффективно передаваемых частот F = 3100 Гц; в соответствии с теоремой Котельникова минимальное значение f 0 = 2F = 6200 Гц. Однако в реальных системах частоту следования импульсов выбирают с некоторым запасом: f 0 = 8 кГц. Для передачи таких импульсов в одноканальном режиме потребуется полоса частот не менее 4 кГц. При временном разделении каналов сигнал каждого канала занимает одинаковую полосу частот, определяемую в идеальных условиях согласно теореме Котельникова из соотношения (без учета канала синхронизации)

Δt k = T 0 /N = 1/(2F общ), (9.15)

где F общ = NF, что совпадает с общей полосой частот системы при частотном разделении. Хотя теоретически временное и частотное разделения позволяют получить одинаковую эффективность использования частотного спектра, тем не менее пока что системы временного (разделения уступают системам частотного разделения по этому показателю.

Вместе с тем, системы с временным разделением имеют неоспоримое преимущество, связанное с тем, что благодаря разновременности передачи сигналов разных каналов отсутствуют переходные помехи нелинейного происхождения. Кроме того, аппаратура временного разделения значительно проще, чем при частотном разделении, где для каждого индивидуального канала требуются соответствующие полосовые фильтры, которые трудно реализовать средствами микроэлектроники. Немаловажным преимуществом систем временного разделения является значительно меньший пик-фактор. Временное разделение широко используют при передаче непрерывных сообщений с аналоговой импульсной модуляцией, и особенно в цифровых системах ИКМ.

Заметим также, что суммарная мощность Р oбщ принимаемого сигнала s(t) необходимая для обеспечения заданной верности в присутствии флуктуационных помех, как при частотном, так и при временном разделениях (а также при других, рассматриваемых ниже системах с линейным разделением) в идеальном случае в N раз больше, чем мощность Р при одноканальной передаче с тем же видом модуляции Р oбщ = NР. Это легко понять, поскольку при сложении независимых сигналов их мощности складываются. В действительности из-за переходных помех верность приема в многоканальной системе при выполнении этого условия несколько ниже, чем в одноканальной. Увеличивая мощность сигнала в многоканальной системе, нельзя снизить воздействие переходных помех, поскольку при этом и мощность последних также возрастает, а в случае помех нелинейного происхождения растет даже быстрее, чем мощность сигнала.

Фазовое разделение сигналов. Рассмотрим теперь множество синусоидальных сигналов:

Здесь подлежащая передаче информация содержится в изменениях амплитуды A k (амплитудная модуляция), несущая частота сигналов ω 0 - одна и та же, а сигналы различаются начальными фазами φ k .

Среди множества N сигналов (9.16) лишь любые два сигнала являются линейно-независимыми; любые n>2 сигналов линейно-зависимы. Это означает, что на одной несущей частоте ω 0 при произвольных значениях амплитуд A i и A k и фаз φ i и φ k можно обеспечить лишь двухканальную передачу * .

* (Разделение сигналов при фиксированных значениях амплитуд A i и фаз φ i обсуждается в § 9.5. )

На практике преимущественно используют значение φ 2 - φ 1 = π/2:

s 1 (t) = A 1 sin ω 0 t; s 2 (t) = A 2 sin (ω 0 t+π/t) = A 2 cos ω 0 t, (9.17)

При этом сигналы s 1 (t) и s 2 (t) ортогональны, что облегчает реализацию системы и улучшает ее энергетические показатели.