8.2. ЧАСТОТНОЕ, ВРЕМЕННОЕ И ФАЗОВОЕ РАЗДЕЛЕНИЯ СИГНАЛОВ

Частотное разделение сигналов. Функциональная схема простейшей системы многоканальной связи с разделением каналов по частоте представлена на рис. 8.2.

Рис. 8.2. Схема многоканальной системы с частотным разделением

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 модулируют поднесущие частоты каждого канала. Эта операция выполняется модуляторами канальных передатчиков. Полученные на выходе частотных фильтров спектры канальных сигналов занимают соответственно полосы частот которые в общем случае могут отличаться по ширине спектров сообщений

Рис. 8.3. Преобразование спектров в системе с частотным разделением сигналов

При широкополосных видцх модуляции, например ЧМ, ширина спектра т. е. в общем случае простоты ради считать, что используется (как это принято в системах многоканальной связи с частотным разделением), т. е.

Будем полагать, что спектры индивидуальных сигналов финитны. Тогда можно подобрать поднесущие частоты так, что полосы Дсвь попарно не перекрываются. При этом условии сигналы взаимно ортогональны. Затем спектры суммируются и их совокупность поступает на групповой модулятор Здесь спектр с помощью колебания несущей частоты переносится в область

частот, отведенную для передачи данной группы каналов, т. е. групповой сигнал преобразуется в линейный сигнал При этом может использоваться любой вид модуляции.

На приемном конце линейный сигнал поступает на групповой демодулятор (приемник Я), который преобразует спектр линейного сигнала в спектр группового сигнала Спектр группового сигнала затем с помощью частотных фильтров вновь разделяется на отдельные полосы Асои, соответствующие отдельным каналам. Наконец, канальные демодуляторы преобразуют спектры сигналов в спектры сообщений 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 должен пропустить без ослабления лишь те частоты которые принадлежат сигналу данного канала; частоты сигналов всех других каналов со фильтр должен подавить. Такой способ разделения сигналов называется частотным разделением.

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

где импульсная реакция идеального полосового фильтра, пропускающего без искажений полосу частот Выражение (8.12) совпадает с (8.6) при весовой функции В спектральной области преобразование (8.12) соответствует умножению спектра группового сигнала на -образную передаточную функцию (см. рис. 8.3).

Итак, с точки зрения возможности полного разделения сигналов различных каналов надо иметь такие фильтры полоса пропускания которых полностью соответствует ширине спектра сигнала на гармонические составляющие за пределами полосы фильтр реагировать не должен. При этом имеется в виду, что энергия сигналов полностью сосредоточена в пределах ограниченной полосы отведенной 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 канала в пределах заданной

полосы частот так и за счет неидеальности реальных полосовых фильтров. В реальных условиях приходится учитывать так же взаимные помехи нелинейного происхождения, например за счет нелинейности характеристик группового канала.

Для снижения переходных помех до допустимого уровня приходится вводить защитные частотные интервалы Дюзащ (рис. 8,4). Так, например, в современных системах многоканальной телефонной связи каждому телефонному каналу выделяется полоса частот хотя частотный спектр передаваемых звуковых сигналов ограничивается полосой от 300 до 3400 Гц, т., е. ширина спектра составляет

Рис. 8.4. Спектр группового сигнала с защитными промежутками

Рис. 8.5. Схема многоканальной системы с временным разделением

Между полосами частот соседних каналов предусмотрены интервалы шириной по 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 групповой тракт предоставляется поочередно для передачи сигналов каждого капала многоканальной системы. При передаче непрерывных сообщений для временного уплотнения используется дискретизация по времени (импульсная модуляция). Сначала передается сигнал (импульс) канала, затем следующего канала и т. д., до последнего канала за номером после чего опять включается 1-й канал и процесс периодически повторяется (рис. 8.5).

На приемном конце устанавливается аналогичный коммутатор который подключает групповой тракт поочередно к приемникам разных каналов. Приемник каждого канала должен быть подключен только на время передачи 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 с этой целью один из каналов занимается под передачу

специальных импульсов синхронизации, предназначенных для согласованной во времени работы

На рис. 8.6 представлены временные диаграммы двухканальной системы с АИМ. Переносчиком сообщений здесь являются следовательности импульсов (с периодом поступающих на импульсный модулятор (ИМ) от генератора тактовых импульсов (ГТИ). Групповой сигнал (рис. 8.6а) поступает на коммутатор

Рис. 8.6. Временное разделение двух сигналов с АИМ

Рис. 8.7. Возникновение переходных помех при временном разделении

Последний выполняет роль «временных» параметрических фильтров или ключей, передаточная функция которых (рис. 8.66) изменяется синхронно (с периодом ) и синфазно с изменениями передаточной функции

Это означает, что к тракту передачи в пределах каждого временного интервала подключен только импульсный детектор Полученные в результате детектирования сообщения поступают к получателю сообщений

Оператор описывающий работу ключевого фильтра, вырезает из сигнала интервалы следующие с периодом и отбрасывает остальную часть сигнала. Легко убедиться, что его можно представить в форме (8.6), если

Здесь, как ранее, обозначает интервал, в течение которого передаются сигналы источника.

При временном разделении взаимные помехи в основном обусловлены двумя причинами. Первая из них 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 мы 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. 8.7). Иначе говоря, между каналами возникают взаимные переходные иомехи или, как их иногда называют, межсимвольная интерференция. Кроме того, взаимные иомехи 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 коммерческой телефонии полоса эффективно передаваемых частот устанавливается равной Гц; в соответствии с теоремой Котельникова минимальное значение Гц. Однако в реальных системах частоту следования импульсов выбирают с некоторым запасом и принимают равной Для передачи таких импульсов в одноканальном режиме потребуется полоса частот не менее При временном разделении каналов сигнал каждого канала занимает одинаковую полосу частот, определяемую в идеальных условиях, согласно теореме Котельникова, из соотношения (без учета канала синхронизации)

где что совпадает с общей полосой частот системы при частотном разделении. Хотя теоретически временное и частотное разделения позволяют достигнуть одинаковой эффективности использования частотного спектра, тем не менее пока что системы временного разделения уступают системам частотного разделения по этому показателю. Поэтому при большом числе каналов и ограниченности используемой полосы частот предпочитают применять частотное разделение.

Вместе с тем, системы с временным разделением имеют неоспоримое преимущество, связанное х тем, что благодаря разновременности передачи сигналов разных каналов отсутствуют переходные помехи нелинейного происхождения. Кроме того, аппаратура временного уплотнения значительно проще, чем при частотном уплотнении, где для каждого индивидуального канала требуются соответствующие полосовые фильтры, которые трудно реализовать средствами микроэлектроники. Немаловажным преимуществом систем временного уплотнения является значительно

меньший пик-фактор. Временное уплотнение широко используется при передаче непрерывных сообщений с аналоговой импульсной модуляцией, а также с ИКМ.

Заметим также, что суммарная мощность принимаемого сигнала 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 раз больше, чем мощность при одноканальной передаче с тем же видом модуляции 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 системе. 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 (амплитудная модуляция), несущая частота сигналов одна и та же, а сигналы различаются Начальными фазами

Среди множества сигналов (8.16) лишь любые два сигнала являются линейно независимыми; любые 2 сигналов оказываются линейно зависимыми. Это означает, что на одной несущей частоте при произвольных значениях амплитуд и фаз можно обеспечить лишь двухканальную передачу.

На практике преимущественно используется значение

При этом сигналы ортогональны, что облегчает техническую реализацию системы и улучшает ее энергетические показатели.