Методы кодового разделения каналов. Частотно временное и кодовое разделение сигналов

Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте (АТС) Многоканальная телефонная связь и методы разделения каналов

Многоканальная телефонная связь и методы разделения каналов

Многоканальная телефонная связь (МТС)

При обычной телефонной связи число одновременно действующих соединений должно быть меньше или равно числу предоставляемых каналов связи, а это удорожает строительство кабельных линий при большом числе абонентов. Выходом в этом случае является организация многоканальной связи на некоторых участках телефонной сети.

СПИ - система преобразования информации;

ТЛФ - телефон;

ГК - групповой канал;

Д - делитель;

ГС - групповой сигнал.

Каналы тональной частоты ТА имеют диапазон 0,4 - 3,1 кГц и объединяются в групповой сигнал, которые занимают полосу частот N (3,1 кГц + защитный интервал). Защитный интервал примерно равен 0,3 кГц.

Если изобразить сетку частот f, ты мы увидим, что каналы расположены следующим образом

1, 2, …, N - номера телефонных каналов.

Преимущество многоканальной телефонной связи состоит в уменьшении затрат на прокладку линий связи, поскольку по одной паре проводов удается передать одновременно несколько разговоров. Полоса пропускания воздушной линии связи со стальными проводниками составляет 30 кГц, с медными - 150 кГц, для кабельных линий связи - 10 МГц, для коаксиального кабеля примерно - 1000 МГц.

Реально используются следующие варианты по числу каналов:

1-й уровень - 12 телефонных каналов.

2-й уровень - 60 каналов.

3-й уровень - 300 каналов.

Методы разделения каналов

1. Частотное разделение каналов (ЧРК) - FDMA

Данный метод стоится с применением многоканальных фильтров и преобразователей частоты.

ПФ - полосовой фильтр;

ПЧ - преобразователь частоты;

ТЛФ - телефонный аппарат;

С - сумматор.

Преобразователь частоты с номером i производит амплитудную модуляцию с i-го телефонного аппарата, полосовым фильтром выделяется верхняя или нижняя боковые посолы амплитудно-модулированного сигнала. А в сумматоре происходит формирование группового сигнала. После передачи по общему каналу процесс обработки происходит в обратном направлении.

2. Временное разделение каналов (ВРК) - TDMA

При временном разделении каналов сигнал с каждого телефонного аппарата преобразуется в цифровую форму. При этом формируются пакеты данных, содержащие определенное число бит (бит - единица информации в цифровом виде). Сформированные пакеты для каждого телефонного канала передаются в специально отведенные временные слоты, которые делятся на временные каналы. Отдельные слоты разделены защитными временными интервалами.

Принцип временного разделения каналов широко используется в современных системах передачи информации, поскольку позволяет сократить избыточность информации при сжатии данных цифровыми методами. Временное разделение каналов используется не только в проводных сетях общего пользования, но и в сотовых системах связи.

3. Кодовое разделение каналов (КРК) - CDMA

Принцип кодового разделения каналов заключается в разделении каналов по кодам.

4. Спектральное разделение каналов (СРК) - WDMA

Принцип спектрального разделения заключается в разделение каналов по длине волны.

Многоканальные системы с ВРК широко используются для передачи аналоговой и дискретной информации.

Принцип временного объединения каналов удобно пояснить с помощью синхронно вращающихся распределителей на передающей и приемной стороне (рис. 8.9).

Основные этапы образования группового сигнала показаны на рис.8.10.

Информация от источников аналоговых сигналов поступает на входы соответствующих индивидуальных импульсных модуляторов АИМ (ШИМ, ФИМ). Формируемые отсчеты сигналов на выходе первого импульсного модулятора () (рис. 8.10,в), на выходе второго импульсного модулятора () (рис. 8.10,г) берутся через одинаковый интервал , но с таким сдвигом во времени, чтобы они не перекрывались.

Затем передающий распределитель считывает импульсы от всех источников, формируя сигнал (рис. 8.10,д), спектр которого с помощью группового модулятора (ГМ) переносится в область частот, отведенных для данной линии связи. Групповой сигнал , передаваемый по линии связи, несет информацию как от первого, так и о второго источника одновременно. На приемной стороне с выхода группового демодулятора (ГД) импульсы группового сигнала поступают на вращающиеся контакты приемного распределителя для формирования канальных последовательностей , и т.д. из которых на выходе импульсных детекторов формируются непрерывные сигналы поступающие к получателям сообщений .

Следует подчеркнуть, что рис. 8.9 служит лишь для иллюстрации идеи временного уплотнения и не отражает современных технических методов коммутации. В действительности аппаратура временного уплотнения обходится без механических распределителей, которые заменены электронными распределителями, выполняющими те же функции (рис. 8.11).

Рис.8.11. Схема многоканальной связи с ВРК.

Выходы всех импульсных модуляторов подключены к «своим» электронным ключам, работой которых управляет распределитель коммутирующих импульсов. В свою очередь, распределитель запускается от генератора тактовых импульсов.

Временное разделение сигналов осуществляется устройством, упрощенная структурная схема которого представлена на рис. 8.11. Принятый групповой радиосигнал в групповом демодуляторе преобразуется в групповую импульсную видеопоследовательность и поступает одновременно на входы выделителя синхросигнала и канальные электронные коммутаторы.

Процесс временного разделения производится в два этапа. На первом – этапе вхождения системы в синхронизм происходят поиск, обнаружение и выделение сигналов синхронизации, после чего запускается распределитель канальных коммутирующих импульсов. Распределитель формирует на своих выходах импульсы требуемой длительности и такой очередности, при которой в каждый канальный интервал открывается лишь один электронный коммутатор соответствующего канала.

На втором этапе производится демодуляция каждого канального импульса, после чего сигналы принимаемых каналов подаются к получателям аналоговой информации.

При временном разделении каналов важнейшую роль играет система синхронизации, алгоритм работы которой каждый раз выбирается индивидуально для принятого способа импульсной модуляции, способа временного объединения каналов, структуры сигналов синхронизации и т.д.

Итак рассмотрим как осуществляется звонок по мобильному телефону. Лишь только пользователь набирает номер, телефонная трубка (HS - Hand Set) начинает поиск ближайшей базовой станции (BS - Base Station) - приемопередающее, управляющее и коммуникационное оборудование, составляющее сеть. В ее состав входят контроллер базовой станции (BSC -Base Station Controller) и несколько ретрансляторов (BTS - Base Transceiver Station). Базовые станции управляются мобильным коммутирующим центром (MSC - Mobile Service Center). Благодаря сотовой структуре, ретрансляторы покрывают местность зоной уверенного приема в одном или нескольких радиоканалах с дополнительным служебным каналом, по которому происходит синхронизация. Точнее происходит согласование протокола обмена аппарата и базовой станции по аналогии с процедурой модемной синхронизации (handshacking), в процессе которого устройства договариваются о скорости передачи, канале и т.д. Когда мобильный аппарат находит базовую станцию и происходит синхронизация, контроллер базовой станции формирует полнодуплексный канал на мобильный коммутирующий центр через фиксированную сеть. Центр передает информацию о мобильном терминале в четыре регистра: посетительский регистр подвижных абонентов или "гостей" (VLR - Visitor Layer Register), "домашний" регистр местных подвижных абонентов (HRL - Home Register Layer), регистр подписчика или аутентификации (AUC - AUthentiCator) и регистр идентификации оборудования (EIR - Equipment Identification Register). Эта информация уникальна и находится в пластиковой абонентской микроэлектронной телекарточке или модуле (SIM - Subscriber Identity Module), по которому производятся проверка правомочности абонента и тарификация. В отличие от стационарных телефонов, за пользование которыми плата взимается в зависимости от нагрузки (числа занятых каналов), поступающей по фиксированной абонентской линии, плата за пользование подвижной связью взимается не с используемого телефонного аппарата, а с SIM-карты, которую можно вставить в любой аппарат.

Карточка представляет собой не что иное, как обычный флэш-чип, выполненный по смарт-технологии (SmartVoltage) и имеющий необходимый внешний интерфейс. Его можно использовать в любых аппаратах, и главное - чтобы совпадало рабочее напряжение: ранние версии использовали 5.5В интерфейс, а у современных карт обычно 3.3В. Информация хранится в стандарте уникального международного идентификатора абонента (IMSI -International Mobile Subscriber Identification), благодаря чему исключается возможность появления "двойников" - даже если код карты будет случайно подобран, система автоматически исключит фальшивый SIM, и не придется в последствии оплачивать чужие разговоры. При разработке стандарта протокола сотовой связи этот момент был изначально учтен, и теперь каждый абонент имеет свой уникальный и единственный в мире идентификационный номер, кодирующийся при передаче 64 бит ключом. Кроме этого, по аналогии со скремблерами, предназначенными для шифрования/дешифрования разговора в аналоговой телефонии, в сотовой связи применяется 56 бит кодирование.

На основании этих данных формируется представление системы о мобильном пользователе (его местоположение, статус в сети и т. д.) и происходит соединение. Если мобильный пользователь во время разговора перемещается из зоны действия одного ретранслятора в зону действия другого, или даже между зонами действия разных контроллеров, связь не обрывается и не ухудшается, поскольку система автоматически выбирает ту базовую станцию, с которой связь лучше. В зависимости от загруженности каналов телефон выбирает между сетью 900 и 1800 МГц, причем переключение возможно даже во время разговора абсолютно незаметно для говорящего.

Звонок из обычной телефонной сети мобильному пользователю осуществляется в обратной последовательности: сначала определяются местоположение и статус абонента на основании постоянно обновляющихся данных в регистрах, а затем происходят соединение и поддержание связи. Максимальная мощность излучения подвижного аппарата в зависимости от его назначения (автомобильный постоянный или переносный, носимый или карманный) может изменяться в пределах 0.8-20 Вт (соответственно 29-43 dBm). В качестве примера в таблице 4.9. приводятся классы станций и абонентских устройств по применяемой мощности, принятые в системе GSM-900.

Временное разделение каналов

Принцип временного разделения каналов (ВРК) состоит в том, что групповой тракт предоставляется поочередно для передачи сигналов каждого канала многоканальной системы (рисунок 6.5). В зарубежных источниках для обозначения принципа временного разделения каналов используется термин Time Division Multiply Access (TDMA).

Рисунок 6.5 – Принцип временного разделения каналов

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 первого 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 рисунке 6.6, а, б, в приведены графики трех непрерывных аналоговых сигналов S 1 (t ), S 2 (t ) и S 3 (t ) и соответствующие им АИМ-сигналы. Импульсы разных АИМ-сигналов сдвинуты друг относительно друга по времени. При объединении индивидуальных каналов образуется групповой сигнал S г (t ) (рисунок 6.6, г) с частотой следования импульсов в N раз большей частоты следования индивидуальных импульсов. 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.

Рисунок 6.6 – Временные диаграммы преобразования сигналов при ВРК

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.

В общем случае для снижения уровня взаимных помех приходится вводить "защитные" временные интервалы, что соответствует некоторому расширению спектра сигналов. Так, в системах передачи полоса эффективно передаваемых частот F =3100 Гц; в соответствии с теоремой Котельникова минимальное значение частоты дискретизации f 0 =1/Т Д =2F =6200 Гц. Однако в реальных системах частоту дискретизации выбирают с некоторым запасом: f 0 =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) Dt K =T 0 /N= 1/(2NF)= 1/(2F ОБЩ), где F ОБЩ =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, 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.

Для разделения сигналов могут использоваться не только такие очевидные признаки, как частота, время и фаза. Общим признаком сигналов является форма. 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. В зарубежных источниках для обозначения данного принципа применяется понятие кодового разделения каналов Code Division Multiply Access (CDMA ). 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).

При временном разделении каналов (ВРК) сигналы каждого канала дискретизируются и их мгновенные значения передаются последовательно во времени. Таким образом, каждое сообщение передается короткими импульсами - дискретами. По одной линии связи за определенный промежуток времени - период повторения, который отводится для передачи, можно передать соответствующее число таких сообщений.

Структурная схема системы передачи информации с ВРК. На рис. 4.3 представлена упрощенная структурная схема системы с ВРК. Сообщение, например, при телефонной связи в виде звуковых сигналов, поступает во П вх, где звуковые колебания преобразуются в электрические. Распределители передающей Р1 и приемной Р2 сторон должны работать синхронно и синфазно. Переключение распределителей осуществляется от импульсов, поступающих от ГТИ. В конце каждого цикла в линию связи поступает фазирующий импульс для обеспечения синфазности работы обоих распределителей. Синхронность их работы обеспечивается стабильностью частоты ГТИ передающей и приемной сторон.

Распределитель последовательно подключает цепи для передачи сообщений по соответствующему каналу. Поскольку для передачи сообщений отводится незначительное время, то по линии связи будут следовать короткие импульсы, длительность которых определяется временем подключения распределителем данной цепи. На приемной стороне вследствие синхронной и синфазной работы распределителей, короткие импульсы поступают на П ВЫ х, где происходит обратное преобразование электрических сигналов в звуковые.

При ВРК между сигналами каждого канала, передаваемыми последовательно во времени по линии связи, вводится защитный временной интервал (рис. 4.4), который необходим для устранения взаимного влияния (перекрытия) каналов. Последнее возникает из-за наличия фазочастотных искажений в линии связи, чем вызывается неравномерность времени распространения сигналов различных частот.

Число каналов при ВРК зависит от длительности канальных импульсов и частоты их повторения, которая при передаче непрерывных сообщений определяется теоремой Котельникова о преобразовании непрерывных сигналов в дискретные .

Таким образом, общее число каналов при ВРК

(4.1)

где Т п - период повторения;
- длительность синфазирующего импульса; - длительность защитного промежутка; - длительность канального импульса.

Полоса частот, необходимая для организации п каналов при ВРК, определяется минимальной длительностью канального импульса
, которая зависит от числа организуемых каналов связи и характера сообщения, определяется из выражения

(4.2)

где К п - коэффициент, зависящий от формы импульса (для прямоугольного импульса К п ~0,7).

Определим полосу частот, необходимую, например, для организации 12 телефонных каналов при ВРК. Длительность импульса при организации по линии связи 12 телефонных каналов определится из следующих соображений. Период повторения Т п =1/f п, где f п - частота повторения, которая определяется выражением f п = 2f max = 2 3400 = 6800 Гц. Здесь f max = 3400 Гц - максимальная частота при передаче телефонных сообщений. Для передачи принимают f п = 8000 Гц. Тогда f п =1/8000=125 мкс.

Из выражения (4.1)

Подставив в последнее выражение значения Т п = 125 мкс и n=12, получим
1 мкс. Зная длительность канального импульса
и принимая K п = 0,7 из выражения (4.2), находим

Таким образом, полоса частот для организации 12 телефонных каналов при ВРК значительно превышает полосу частот, требуемую для организации такого же числа каналов при ЧРК, которая равна 48 кГц (12(3400 + 600) =48000 Гц, где 600 Гц -полоса частот, отводимая на расфильтровку соседних каналов).

Следовательно, использование ВРК для передачи аналоговых сообщений (например, телефонных, факсимильных, телевизионных) имеет ряд ограничений. В то же время передача дискретных сообщений (телеграфных, телемеханики, передачи данных) при ВРК дает существенные преимущества. Это объясняется тем, что дискретные сигналы при данных видах сообщений имеют значительную длительность, а спектр частот таких сигналов располагается в нижней части частотного диапазона, следовательно, длительность и период повторения канальных импульсов могут быть сравнительно большими, что значительно снижает требуемую полосу частот.

При ВРК для согласования сообщения с каналом связи могут использоваться различные виды канальной модуляции.

К недостаткам ВРК следует отнести сравнительно широкую полосу частот, требуемую для передачи сообщений; сложность коммутационного оборудования (распределителей) при организации значительного числа каналов связи и необходимость коррекции фазочастотных характеристик линии связи для устранения взаимного влияния каналов связи.