Частотное разделение каналов

Лекция 4.

СИГНАЛЫ ЛИНЕЙНОГО ТРАКТА В МНОГОКАНАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ РАДИОСВЯЗИ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Современные радиосистемы передачи, используемые на сети связи, как правило, являются многоканальными, т. е. позволяют передавать по одной линии, включающей передатчики, приемники, антенны и фидеры, сообщения от многих независимых источников. В состав протяженных линий связи часто входят десятки и сотни промежуточных усилительных пунктов, ретрансляторов и других сооружений. Использование одних и тех же элементов линии для работы многих каналов связи дает значительный экономический эффект: как показывают расчеты, суммарная стоимость линейных сооружений обычно существенно превосходит стоимость аппаратуры объединения и разделения ка­налов.

Структурная схема многоканальной системы радиосвязи может быть упрощенно представлена так, как показано на рис. 2.1 (изображен вариант односторонней связи, обратные каналы организуются аналогично). Сообщения от N абонентов (Аб.1, Аб.2,..., Aб.N) поступают на N входов аппаратуры объединения каналов (АОК). В этой аппаратуре осуществляется переход от 2 N -проводной системы к двухпроводной. Групповое сообщение   с выхода АОК через групповой усилитель (ГУ) и соединительную линию (СЛ) подается на пере­датчик (П), где происходит модуляция (по закону, определяемому  того или иного параметра высокочастотного переносчика сооб­щений. Совокупность всех элементов радиолинии, начиная с модуля­тора передатчика и кончая демодулятором приемника (Пр), называют линейным трактом (ЛТ) радиосистемы. В многоканальных системах до и после ЛТ включаются элементы группового тракта (ГрТ). При необходимости на участке между передающей и приемной антеннами (А) используются один или несколько активных или пассивных ре­трансляторов (Р) (на рис. 2.1 показан один ретранслятор). Заметим, что в общем случае структура ГрТ и ЛТ может быть весьма разнообразной. Но во всех случаях на выходе группового тракта образуется сообще­ние , подобное входному  (в общем случае  отличает­ся от  за счет помех и искажений в ГрТ и ЛТ).

В аппаратуре разделения каналов (АРК) осуществляется переход от двухпроводной системы к 2 N -проводной. Сообщения с N выходов АРК поступают к абонентам (получателям) сообщений (Аб'1, Аб'2,...,...,Aб'N).

В качестве  обычно используют ансамбли ортогональных сигналов. К ним, в частности, относятся сигналы с неперекрывающи­мися спектрами и сигналы, неперекрывающиеся во времени. Системы, использующие такие сиг­налы, характеризуются наибольшей простотой и получили широкое рас­пространение.

Рис. 2.1. Структурная схема многоканальной системы радиосвязи

 

Сигналы с неперекры­вающимися спектрами применяются в системах с частотным разделением ка­налов (ЧРК). Для этих систем характерно, что со­общения от N источников передаются одновременно, для каждого источника отводится свой частотный канал, т. е. часть полосы в ГрТ. Такой метод передачи называется параллельным. Существенно, что сообщения от каждого источника могут поступать в ГрТ в произвольный момент времени, т. е. система является асинхронной.

Принцип формирования сообщения  в системах с ЧРК пояс­няется рис. 2.2. Спектры   N абонентов (исполь­зованы модели сообщений с треугольными энергетическими спектрами) после транспонирования на различные частотные интервалы и инверсирования (эта операция в принципе необязательна, но обычно выполняется для упрощения оборудования) складываются и образуют групповой спектр . С целью уменьшения взаимного влияния соседних каналов (уменьшения переходных помех), обусловленного неидеальностью АЧХ фильтров, между спектрами канальных сообще­ний вводят специальные защитные частотные интервалы  (см. рис. 2.2).

Рис. 2.2. К пояснению принципа формирования сигнала линейного тракта в системах с ЧРК

 

Сообщение с групповым спектром  формируется в аппаратуре объединения каналов (АОК). На приемной стороне сообщения, пред­назначенные различным абонентам, выделяются в аппаратуре разде­ления каналов (АРК). Этот процесс реализуется в порядке, обратном тому, который имеет место в АОК. Сначала с помощью фильтра выделяется соответствующее канальное сообщение, затем его спектр транспонируется в область нижних частот. При этом величина частотного сдвига для данного канала должна быть такой же, как и в АОК. При двусторонней связи АОК и АРК образуют единый ком­плекс — аппаратуру объеди­нения и разделения каналов. Сигналы, не перекрываю­щиеся во времени, применяю­тся в системах с временным разделением каналов (ВРК). Особенностью этих систем является то, что сообщения от разных абонентов (источ­ников) передаются по линии связи поочередно (последова­тельный метод передачи), но в общей полосе частот. Чере­доваться могут только сиг­налы, дискретные во времени. Поэтому непрерывное сообще­ние ГрТ должно быть преоб­разовано в сообщение, диск­ретное во времени. Эта опе­рация осуществляется в АОК. В соответствии с теоремой Котельникова шаг дискретизации , где — верхняя частота в спектре сигнала.

Рис. 2.3. К пояснению принципа формирования сигнала линейного тракта в системах с ВРК

 

Принцип формирования сообщения   в системах с ВРК пояс­няется рис. 2.3. Для наглядности выбран вариант, когда общее число временных каналов невелико (  = 3). На рис. 2.3, а, б, в показаны при­меры реализаций сообщений  и   трех абонентов, штри­ховой линией отмечены отсчеты этих сообщений, взятые с шагом дис­кретизации  (предполагается, что спектры всех трех сообщений ог­раничены сверху одной и той же частотой , а дискретизация произво­дится равномерно). Как показано на рис. 2.3, моменты взятия отсчетов в соседних каналах сдвинуты на время .

Таким образом, импульсы, отображающие отсчеты, оказываются разнесенными во времени, что позволяет получить   путем про­стого сложения импульсов-отсчетов всех N каналов. Сообщение   в рассмотренном примере состоит из трех сигналов АИМ (см. рис. 2.3, г).

В течение интервалов   вместо АИМ можно использовать и другие виды импульсных сигналов, способные отображать мгновенные зна­чения отсчетов, например ШИМ и ФИМ. Такие сигналы нередко ис­пользуются в системах с ВРК из соображений помехоустойчивости. Для обеспечения более простой реализации АОК и АРК между канальными импульсами вводят защитные интервалы (см.  на рис. 2.3, г). Образование канальных сигналов в АОК и выделение их в АРК осуществляется обычно с помощью коммутируемых электрон­ных ключей, выполняемых на базе современной микросхемотехники. Эти электронные коммутаторы играют роль «временных» параметри­ческих фильтров. Они отличаются от фильтров, используемых в системах с ЧРК, лучшей технологичностью изготовления и более близкими к идеальным характеристиками, что значительно облегчает процесс ввода и вывода информации в любом канале и на любом участке линейного тракта.

Следует отметить, что при увеличении числа каналов в системах с АИМ, ШИМ и ФИМ длительность канальных импульсов уменьшается и соответственно увеличивается требуемая полоса частот линейного тракта. Она оказывается значительно больше, чем при ЧРК. В этих условиях, с целью экономии радиоспектра, приходится идти на сокра­щение числа каналов. Поэтому в настоящее время на сетях связи сис­темы с АИМ, ШИМ и ФИМ используются лишь для организации отно­сительно небольшого числа каналов.

Отметим, что системы связи с АИМ, ШИМ и ФИМ являются ана­логовыми. В настоящее время широкое распространение получили цифровые системы связи, в которых для передачи непрерывных сооб­щений наряду с дискретизацией во времени используется также и дискретизация по уровням (квантование).

 

ЧАСТОТНОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ КАНАЛОВ

Принципы построения аппаратуры ЧРК. В многоканальных радио­системах передачи с ЧРК, в частности в радиорелейных и спутнико­вых, обычно используют аппаратуру объединения и разделения ка­налов, применяемую в проводных системах. Это обеспечивает простоту сопряжения тех и других систем и отражает общую тенденцию к уни­фикации оборудования на сетях связи.

В системах ЧРК с числом каналов 12 и более реализуется принцип многократного преобразования частоты. В основу построения много­канальной системы положен стандартный канал тональной частоты (ТЧ). В соответствии с рекомендациями МККТТ оконечное оборудова­ние (включающее АОК и АРК) строится с таким расчетом, чтобы на каждом этапе преобразования частоты с помощью унифицированных блоков формировались все более и более укрупненные группы каналов ТЧ. Причем в любой группе число каналов кратно 12.

Вначале каждый из каналов ТЧ «привязывается» к той или иной 12-канальной группе, называемой первичной группой (ПГ). Разнесе­ние сигналов 12 различных телефонных сообщений по спектру (фор­мирование ПГ) осуществляется с помощью индивидуального преобра­зования частоты в стандартном 12-канальном блоке. Эти блоки обес­печивают как прямую, так и обратную связь в каждом из 12 дуплекс­ных каналов. Групповой спектр ПГ можно представить с помощью рис. 2.2, если принять, что кГц, кГц и  кГц. Так как один канал ТЧ занимает полосу частот 3,1 кГц, то с учетом   на каждый канал в ПГ приходится полоса 4 кГц.

Упрощенная структурная схема универсального 12-канального блока формирования ПГ представлена на рис. 2.4. Поскольку индиви­дуальное оборудование во всех 12 каналах однотипно, на данном ри­сунке приведены лишь устройства, относящиеся к одному каналу (первому). Прежде всего заметим, что при организации телефонной связи можно использовать либо двухполосную двухпроводную, либо однополосную четырехпроводную систему передачи. Схема, изобра­женная на рис. 2.4, относится ко второму варианту. Здесь каждый канал имеет отдельные тракт передачи и тракт приема (действующие в одной и той же полосе частот), т. е. каждый канал является четырех-проводным. Если канал используется для телефонной связи, то двух-проводный участок цепи от абонента соединяется с четырех-проводным каналом через дифференциальную систему (ДС). В случае передачи других сигналов (телеграфных, данных, звукового вещания и т. п.), для которых необходим один или два односторонних канала, ДС отключается.

В режиме передачи сообщение от абонента (Аб) через ДС, гнезда четырех-проводной коммутации (ЧК) (используемые для измерения сигналов и переключения каналов) и амплитудный ограничитель (ОА) поступает на один из входов индивидуального преобразователя час­тоты ИП_1,1. На другой вход ИП_1,1 подается сигнал поднесущей с частотой F ₁. В результате перемножения этих сигналов образуется сигнал, спектр которого состоит из двух боковых (относительно F ₁) полос с час­тотами 108 — (0,3...3,4) = 104,6...107,7 кГц и 108 + (0,3...3,4) = 108,3... 111,4 кГц. Сигнал нижней из этих полос выделяется филь­тром ПФ_1,1 и подается на один из входов сумматора. На другие входы сумматора поступают сигналы с выхода аналогичных трактов передачи 11 других каналов.

Амплитудные ограничители предотвращают перегрузку групповых усилителей (а следовательно, уменьшают вероятность возникновения нелинейных помех) в моменты появления пиковых значений напряже­ний нескольких речевых сигналов.

Рис. 2.4. Структурная схема индивидуального оборудования ПГ

 

В режиме приема канальный сигнал выделяется с помощью полосового фильтра ПФ_1,2 из спектра первичной группы (с полосой 60......108 кГц) и подается на индивидуальный преобразователь ИП_1,2. На другой вход ИП_1,2 поступает тот же сигнал поднесущей частоты F ₁, который питает и ИП_1,1. Спектр выходного сигнала ИП_1,2 состоит из двух боковых (относительно F₁) полос с частотами 108— (104,6...107,7) = 0,3...3,4 кГц и 108+(104,6...107,7) = 212,6...215,7 кГц. Сигнал нижней из этих полос выделяется ФНЧ, усиливается и через ЧК и ДС поступает к абоненту. Приемные тракты 11 других каналов построены аналогично. В аппаратуре с числом каналов 60 и более индивидуальное оборудование размещается в специальных стойках индивидуальных преобразователей СИП-60 или СИП-300.

Дальнейший процесс укрупнения групп каналов происходит в групповом оборудовании и поясняется рис. 2.5. Одинаковые полосы частот пяти ПГ с помощью первичного группового преобразования раз­носятся по частоте в полосе 312...552 кГц и образуют 60-канальную (вторичную) группу (ВГ), затем с помощью вторичного группового преобразования одинаковые полосы частот пяти ВГ разносятся по час­тоте в полосе 812...2044 кГц и образуют 300-канальную (третичную) группу (ТГ). При этом между транспонированными спектрами ВГ вводятся защитные частотные интервалы кГц. Для систем с весьма большим числом каналов МККТТ рекомендует использовать четверичную 1500-канальную группу (ЧГ), образуемую путем третич­ного преобразования пяти сигналов ТГ. Спектр ЧГ занимает полосу частот 2108...8524 кГц, защитные интервалы между транспонированны­ми спектрами ТГ  кГц.

Принцип формирования групп каналов с числом более 12 рассмот­рим на примере образования 60-канальной группы (ВГ). На рис. 2.6 изображена упрощенная структурная схема группового оборудования ВГ. Сообщения пяти первичных групп ПГ₁ — ПГ₅ подаются на пять групповых преобразователей ГП₁ — ГП₅, на вторые входы которых из генераторного оборудования поступают сигналы поднесущих частот.

Рис. 2.5. Пояснение группообразования в многоканальных системах с ЧРК

Рис. 2.6. Структурная схема группового оборудования ВГ

С помощью полосовых фильтров ПФ₁ — ПФ₅, подключенных к выхо­дам групповых преобразователей, образуются сигналы вида ОБП с полосой частот 48 кГц каждый. В результате сложения этих непере­крывающихся по спектру пяти сигналов образуется спектр ВГ с поло­сой частот 240 кГц (312...552 кГц).

Отметим, что для снижения переходных влияний между сигналами ВГ, передаваемыми по смежным трактам, в спектре ВГ могут исполь­зоваться как прямые, так и инверсные спектры ПГ₂ — ПГ₅. В первом случае на ГП₂ — ГП₅ подаются несущие частоты 468, 516, 564, 612 кГц, а соответствующие полосовые фильтры выделяют нижние боковые полосы (как показано на рис. 2.6). Во втором случае на ГП₂ — ГП₅ подаются несущие частоты 300, 348, 396, 444 кГц, а полосовыми фильтрами ПФ₂ — ПФ₅ выделяются верхние боковые полосы. Несущая частота для ПГ₁ в обоих случаях одинаковая (420 кГц), и спектр ПГ₁ не инверсируется. Оборудование первичного группового преобразова­ния размещается в специальных стойках первичных преобразователей УСПП или СПП. Следующие ступени группового преобразования вы­полняются аналогично.

Аппаратура образования групповых трактов может состоять из различных комбинаций стандартных блоков, в которых осуществляется тот или иной этап преобразования частоты. Например, в широко ис­пользуемой в настоящее время аппаратуре системы К-1920 каналы ТЧ объединяются в две 60-канальные группы (ВГ) и шесть 300-канальных групп (ТГ). При этом общее число каналов .

После того как путем последовательного объединения достигает­ся номинальное число каналов, обычно осуществляется еще одно преоб­разование частоты: суммарный (групповой) спектр преобразуется в линейный спектр, т. е. в ту полосу частот, в которой многоканальный сигнал этой системы передается по линии. При этом учитываются осо­бенности каждой линии.

Если индивидуальное и групповое преобразования обычно осущест­вляются в типовых блоках и стойках, то сопряжение этой аппаратуры (в частности, формирование линейного спектра) с линейным трактом выполняется в оборудовании, специфичном для каждой данной про­водной или радиосистемы.

Основные характеристики групповых сообщений. При проектиро­вании и разработке многоканальных систем передачи возникает необ­ходимость количественной оценки параметров групповых сообщений на различных ступенях преобразования, в частности сигналов на вхо­де линейного тракта. Эти параметры как и для любых сигналов связи определяются соответствующими частотными, информационными и энергетическими характеристиками. Первые две группы характеристик и связанные с ними параметры могут находиться в системах с ЧРК на основе принципа «пропорционального роста». Так, например, сопо­ставляя сообщения, получающиеся в результате объединения 12 и 60 каналов ТЧ, можно утверждать, что сообщение ВГ по сравнению с сообщением ПГ занимает в 5 раз более широкую полосу, и соответст­венно его максимальная информационная нагрузка в 5 раз выше, чем у сообщения ПГ (в более укрупненных группах некоторые отклонения от указанного принципа обусловлены применением других защитных интервалов). Это является естественным следствием того, что спектры сообщений в соседних каналах не перекрываются, а источники сооб­щений считаются однородными по своим параметрам.

Упомянутый принцип «пропорционального роста» нельзя распро­странить на целый ряд энергетических характеристик, таких как мгно­венная мощность группового сообщения, его пик-фактор, динамический диапазон и др. Это связано со следующими особенностями многока­нальных систем с ЧРК.

1. Мгновенные значения групповых сообщений являются продук­том «взаимодействия» (сложения) мгновенных значений сообщений всех объединяемых каналов.

2. Расчет общей мощности группового сообщения обычно произво­дится в предположении, что не менее 95 % каналов используются только для телефонной связи. Это означает, что в расчет приходится принимать мгновенные значения канальных сигналов, случайно из­меняющиеся в широких пределах (аналоговая случайная величина).

3. Мгновенная мощность группового сообщения определяется не общим числом N объединяемых каналов, а числом л так называемых «активных» каналов. Если один из абонентов молчит (например, слу­шает другого абонента) или имеет место пауза между словами или фра­зами, то соответствующий канал в данный момент времени к числу активных не относится; канал считается активным лишь в те интервалы вре­мени, когда по нему передается сооб­щение. Очевидно, что в общем случае коэффициент активности   яв­ляется случайной величиной, завися­щей как от числа объединяемых кана­лов N, так и от времени суток.

Рис. 2.7. Модель группового сообщения при ЧРК

 

Из рассмотренных особенностей следует, что при оценке энергети­ческих показателей групповых сообщений можно руководствоваться лишь некоторыми усредненными характеристиками, найденными с уче­том соответствующих статистических закономерностей.

Среди различных энергетических параметров групповых сообщений наиболее важными являются средняя () и пиковая ()мощности этих сообщений (или соответствующие уровни мощности, выраженные в дБ). Если среднюю мощность необходимо учитывать при проектировании устройств, предназначенных для обработки сиг­налов любого вида, то контроль пиковой мощности весьма специфичен для систем с ЧРК, так как общие элементы в этом случае, например групповые усилители, характеризуются порогом перегрузки, превыше­ние которого вызывает резкое возрастание продуктов нелинейности амплитудной характеристики.

Для расчета   и  необходимо прежде всего выбрать удобную и достаточно близкую к реальности модель сообщения. Для систем с ЧРК обычно применяют весьма простую и наглядную модель группового сообщения в виде равномерного в пределах соответствую­щей полосы энергетического спектра   (рис. 2.7). При этом пола­гают, что защитные частотные интервалы отсутствуют, и энергети­ческие спектры сообщений соседних каналов, тоже равномерные, не­посредственно примыкают один к другому.

В соответствии с рекомендациями МККТТ среднюю мощность груп­пового сообщения полагают прямо пропорциональной числу каналов N, но величину средней мощности сообщения в одном канале   кор­ректируют с учетом активности каналов. Поскольку коэффициент активности зависит от N,в качестве расчетной величины   принимают различные значения, определяемые на основе соответствующих статистических исследований. По рекомендации МККТТ средняя мощность сообщения в активном канале в точке с нулевым относительным уров­нем устанавливается равной 88 мкВт (— 10,6 дБм). Однако при расчете Р_ср МККТТ рекомендует принимать величину  — 31,6 мкВт (— 15 дБм) (при этом кроме активности каналов учитываются и другие факторы, например, организация в некоторых каналах ТЧ каналов ТТ, неидеальность индивидуального оборудования и т. п.). Если , то средняя мощность группового сообщения в точке нулевого относительного уровня

, мкВт0,

а соответствующий уровень средней мощности

, дБм.

По нормам, при

мкВт (—13дБм); р_ср = — 13 + 10lg N, дБм.

Если N< 240, то приходится учитывать существенную зависимость коэффициента активности от N. В этом случае   представляют как функцию N, и уровень средней мощности группового сообщения определяют иначе:

, дБм.

Из предыдущих рассуждений видно, что для расчета средней мощ­ности группового сообщения в принципе не требуется делать какие-либо допущения относительно закона распределения   его мгно­венных значений. Заметим, что принятый в модели сообщения равно­мерный энергетический спектр   не определяет автоматически конкретный вид функции . Задание функции распределения  необходимо для оценки другого энергетического параметра группового сообщения — его пиковой мощности. Это следует из самого определения .

Так как мгновенные значения группового сообщения обычно являются суммой большого числа случайных величин — мгновенных значений канальных сигналов, то согласно теореме Ляпунова можно считать, что значения   распределены по нормальному закону. Рассматривая теперь групповое сообщение как нормальный стационарный случайный процесс с нулевым математическим ожиданием, одномерную функцию распределения в любом сечении можно представить в виде

.                                                 (2.1)

где  - среднеквадратическое значение сигнала . Величина  легко определяется, если известна мощность  на нагрузке R:

Уровень пиковой мощности может быть определен из формулы (1.4); в соответствии с этим

                                                                      (2.2)

Здесь  - пик-фактор многоканального сообщения, дБ, который при определяется следующими значениями:

дБ, дБ, дБ.

При  аналогичные значения составляют 10,4; 14,3; 17,1 дБ.