Исследование методов разделения уплотнения каналов связи (стр. 3 из 4)
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, бТаким 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 σ2п. Обозначим максимальное значение сигнала s∑(t) через А0, тогда можно ввести отношение сигнал/шум qвх=А20/σ2п. 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=А2m/σ2п.в, где Аm – максимальное значение полезного сигнала на выходе; σ2п.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 σ2п. 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. 2.2.4Переходные 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.