Используемые методы разделения каналов (РК) можно классифицировать на линейные и нелинейные (комбинационные).
В большинстве случаев разделения каналов каждому источнику сообщения выделяется специальный сигнал, называемый канальным. Промодулированные сообщениями канальные сигналы объединяются, в результате чего образуется групповой сигнал. Если операция объединения линейна, то получившийся сигнал называют линейным групповым сигналом.
Для унификации многоканальных систем связи за основной или стандартный канал принимают канал тональной частоты (канал ТЧ), обеспечивающий передачу сообщений с эффективно передаваемой полосой частот 300...3400 Гц, соответствующей основному спектру телефонного сигнала.
Многоканальные системы образуются путем объединения каналов ТЧ в группы, обычно кратные 12 каналам. В свою очередь, часто используют "вторичное уплотнение" каналов ТЧ телеграфными каналами и каналами передачи данных.
На Рис. 6.11 приведена структурная схема наиболее распространенных систем многоканальной связи.
Рис. 6.11. Структурная схема систем многоканальной связи
Реализация сообщений каждого источника а1(t), а2(t),...,аN(t) с помощью индивидуальных передатчиков (модуляторов) М1, М2, ..., МN преобразуются в соответствующие канальные сигналы s1(t), s2(t),...,sN(t). Совокупность канальных сигналов на выходе суммирующего устройства S образует групповой сигнал s(t). Наконец, в групповом передатчике М сигнал s(t) преобразуется в линейный сигнал sЛ(t), который и поступает в линию связи ЛС. Допустим, что линия пропускает сигнал практически без искажений и не вносит шумов. Тогда на приемном конце линии связи линейный сигнал sЛ(t) с помощью группового приемника П может быть вновь преобразован в групповой сигнал s(t). Канальными или индивидуальными приемниками П1, П2, ..., ПN из группового сигнала s(t) выделяются соответствующие канальные сигналы s1(t), s2(t), ...,sN(t) и затем преобразуются в предназначенные получателям сообщения а1(t), a2(t), ..., aN(t).
Канальные передатчики вместе с суммирующим устройством образуют аппаратуру объединения. Групповой передатчик М, линия связи ЛС и групповой приемник П составляют групповой канал связи (тракт передачи), который вместе с аппаратурой объединения и индивидуальными приемниками составляет систему многоканальной связи.
Индивидуальные приемники системы многоканальной связи ПK наряду с выполнением обычной операции преобразования сигналов sK(t) в соответствующие сообщения аK(t) должны обеспечить выделение сигналов sK(t) из группового сигнала s(t). Иначе говоря, в составе технических устройств на передающей стороне многоканальной системы должна быть предусмотрена аппаратура объединения, а на приемной стороне - аппаратура разделения.
В общем случае групповой сигнал может формироваться не только простейшим суммированием канальных сигналов, но также и определенной логической обработкой, в результате которой каждый элемент группового сигнала несет информацию о сообщениях источников. Это так называемые системы с комбинационным разделением.
Чтобы разделяющие устройства были в состоянии различать сигналы отдельных каналов, должны существовать определенные признаки, присущие только данному сигналу. Такими признаками в общем случае могут быть параметры переносчика, например амплитуда, частота или фаза в случае непрерывной модуляции гармонического переносчика. При дискретных видах модуляции различающим признаком может служить и форма сигналов. Соответственно различаются и способы разделения сигналов: частотный, временной, фазовый и др.
Функциональная схема простейшей системы многоканальной связи с разделением каналов по частоте представлена на Рис. 6.12.
Рис. 6.12. 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 G1(w), G2(w), ..., GN(w) модулируют поднесущие частоты wK каждого канала. Эту операцию выполняют модуляторы М1, М2, ..., МN канальных передатчиков. Полученные на выходе частотных фильтров Ф1, Ф2, ..., ФN спектры gK(w) канальных сигналов занимают соответственно полосы частот Dw1, Dw2, ..., DwN, которые в общем случае могут отличаться по ширине от спектров сообщений W1, W2, ..., WN. При широкополосных видах модуляции, например, ЧМ ширина спектра Dw K» 2(b +1) WK, т.е. в общем случае Dw³ W K. Для упрощения будем считать, что используется АМ-ОБП (как это принято в аналоговых СП с ЧРК), т.е. DwК =W и Dw =NW.
Проследим основные этапы образования сигналов, а также изменение этих сигналов в процессе передачи (Рис. 6.13).
Рис. 6.13. Преобразование спектров в системе с частотным разделением каналов
Будем полагать, что спектры индивидуальных сигналов конечны. Тогда можно подобрать поднесущие частоты wK так, что полосы Dw1, ..., Dw K попарно не перекрываются. При этом условии сигналы sК(t) (k=1,...,N) взаимноортогональны.
Затем спектры g1(w), g2(w),..., gN(w) суммируются (S ) и их совокупность g(w) поступает на групповой модулятор (М). Здесь спектр g(w) с помощью колебания несущей частоты w0 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¢ (w). Спектр группового сигнала затем с помощью частотных фильтров Ф1, Ф2,...,ФN вновь разделяется на отдельные полосы DwK, соответствующие отдельным каналам. Наконец, канальные демодуляторы Д преобразуют спектры сигналов gK(w) в спектры сообщений G¢ K(w), 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 ФK должен пропустить без ослабления лишь те частоты wÎDwK, которые принадлежат сигналу данного канала; частоты сигналов всех других каналов wÏ DwK 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 DwK, 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 DwЗАЩ (Рис. 6.14).
Рис. 6.14. Спектр группового сигнала с защитными интервалами
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 высокую степень линейности всего тракта группового сигнала.
Принцип временного разделения каналов (ВРК) состоит в том, что групповой тракт предоставляется поочередно для передачи сигналов каждого канала многоканальной системы (Рис. 6.15).
Рис. 6.15. Принцип временного разделения каналов
В зарубежных источниках для обозначения принципа временного разделения каналов используется термин Time Division Multiply Access (TDMA).
При передаче используется дискретизация во времени (импульсная модуляция). Сначала передается импульс 1-го канала, затем следующего канала 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.
Это означает, что для нормальной работы многоканальной системы с ВРК необходима синхронная и синфазная работа коммутаторов на приемной и передающей сторонах. Для этого один из каналов занимают под передачу специальных импульсов синхронизации.
На Рис. 6.16 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип ВРК. На Рис. 6.16, а-в приведены графики трех непрерывных аналоговых сигналов u1(t), u2(t) и u3(t) и соответствующие им АИМ-сигналы. 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.
Рис. 6.16. Преобразование сигналов при ВРК
Интервал времени между ближайшими импульсами группового сигнала TK называется канальным интервалом или тайм-слотом (Time Slot). Промежуток времени между соседними импульсами одного индивидуального сигнала называется циклом передачи ТЦ. От соотношения ТЦ и TK 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 фазо-частотной 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.
В силу данных причин временное разделение каналов на основе АИМ не получило практического применения. Временное разделение широко используют в цифровых системах передачи плезиохронной и синхронной иерархий, которые будут подробно рассмотрены ниже.
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 (см. подраздел 8.2) минимальное значение частоты дискретизации f0=1/ТД=2F=6200 Гц. Однако в реальных системах частоту дискретизации выбирают с некоторым запасом: f0=8 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) DtK=T0/N=1/(2NF)= 1/(2FОБЩ), где FОБЩ=FN, 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 достаточно трудно реализовать средствами микроэлектроники.
Для разделения сигналов могут использоваться не только такие очевидные признаки, как частота, время и фаза. Наиболее общим признаком является форма сигналов. 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, ..., для группового сигнала запишем s(t)=c11+c2t+...+cNtN-1.
Члены ряда линейно независимы, и, следовательно, ни один из канальных сигналов cKtK-1 не может быть образован линейной суммой всех других сигналов. Это легко понять, обратив внимание на то, что многочлен от t может быть тождественно равен нулю только в том случае, когда все его коэффициенты равны нулю.
В последние годы успешно развиваются цифровые методы разделения сигналов по их форме, в частности, в качестве переносчиков различных каналов используются дискретные ортогональные последовательности в виде функций Уолша, Радемахера и другие. Широкое развитие методов разделения по форме сигналов привело к созданию систем связи с разделением "почти ортогональных" сигналов, представляющих собой псевдослучайные последовательности, корреляционные функции и энергетические спектры которых близки к аналогичным характеристикам "ограниченного" белого шума. Такие сигналы называют шумоподобными (ШПС). Основной характеристикой ШПС является база сигнала В, определяемая как произведение ширины его спектра F на его длительность Т.
База ШПС характеризует расширение его спектра по сравнению со спектром исходного сигнала. Расширение спектра частот может осуществляться умножением исходного сигнала (например, двухчастотной ЧМ) на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом повторения Т (равным длительности интервала модуляции исходного ЧМ-сигнала), включающую N бит ПСП длительностью t 0 каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП В=Т/t 0=N.
Поскольку параметры сигнала ШПС (значения бит ПСП - два набора значений в случае двухчастотной ЧМ) известны, то прием ШПС может производится приемниками, рассчитанными на прием сигналов с известными параметрами. В результате отношение сигнал/шум на выходе приемника улучшается в В раз по отношению ко входу.
В зарубежных источниках для обозначения данного принципа применяется понятие кодового разделения каналов Code Division Multiply Access (CDMA).
