Временное разделение каналов

Временнóе уплотнение (временнóе разделение каналов, ВРК) основано на распределении временнóго ресурса группового канала между различными индивидуальными каналами. Каждый пользователь передающий информацию многократно получает канал в свое пользование на короткое время. Но так можно передавать лишь отсчеты сигнала, взятые с шагом, равным периоду следования тактовых интервалов. Таким образом, в основе ВРК лежит использование теоремы отсчетов, и передавать можно лишь сигналы с финитным спектром.

Для формирования канальных сигналов используются различные виды импульсной модуляции (АИМ, ВИМ, ШИМ). Групповой сигнал может передаваться непосредственно по линии или модулировать гармоническую несущую.

 

 

Рис. 20.5. Упрощенная структурная схема СПИ с ВРК

 

Источники первичных сигналов ИС соединены с коммутатором передатчика К _пер. Коммутатор поочередно подключает источники к импульсному модулятору ИМ, который модулирует сигнал-переносчик – периодическую последовательность импульсов. В результате этого получается групповой сигнал, поступающий в канал связи КС, который может включать модулятор гармонической несущей, линию связи и общий демодулятор. После общей демодуляции групповой сигнал разделяется коммутатором приемника К _пр на канальные сигналы s ₁(t),..., s_N (t), которые после демодуляции в импульсных демодуляторах ИД поступают к получателям сигналов ПС.

Следует отметить, что в системах связи с ВРК во избежание межканальных помех необходима синхронизация приемной и передающей станций, поэтому в линейный сигнал, кроме канальных сигналов, добавляется периодическая последовательность синхроимпульсов, которые должны достаточно сильно отличаться от канальных импульсов, чтобы их можно было легко выделить.

Для снижения уровня взаимных помех приходится вводить защитные временные интервалы между соседними импульсами, что приводит или к уменьшению числа каналов, или к укорочению канальных импульсов, что ведет к расширению требуемой полосы частот группового канала.

Например, при передаче речевых сигналов (ширина спектра 3100 Гц), минимальная частота дискретизации должна быть равна 6200 Гц. Однако в действительности частоту дискретизации принимают равной 8 кГц, что требует для передачи канальной импульсной последовательности полосы частот около 4 кГц.

В результате общая полоса частот группового канала практически совпадает с полосой, требуемой при ЧРК. Если учесть необходимость дополнительной передачи синхроимпульсов, то сравнение получается не в пользу ВРК.

Вместе с тем роль временного разделения возрастает в связи с широчайшим распространением цифровых систем связи.

Режим асинхронной передачи применяется только в цифровых СПИ. При подключении источника к линии передается пакет, то есть небольшая часть сообщения, например файла, содержащая обычно от сотен до нескольких тысяч бит. Порядок подключения источников к линии – произвольный, по мере возникновения необходимости, поэтому циклы, как таковые, здесь отсутствуют. В начальной части каждого пакета имеется заголовок, где, кроме прочего обязательно указан номер получателя.

Параметры цифровых СПИ с временным разделением каналов стандартизованы. Первый из наиболее важных стандартов носит название плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ) – Plesyochronous Digital Hierarchy (PDH) – и определяет способ мультиплексирования стандартных цифровых телефонных сигналов для их передачи по медному кабелю.

Так стандартный цифровой телефонный сигнал (DSO) получается в результате АЦП стандартного аналогового телефонного сигнала и характеризуется скоростью 64 кбит/с.

Первая ступень уплотнения PDH (аппаратура ИКМ-30) рассчитана на организацию 32 каналов методом временного побайтного мультиплексирования, в итоге на выходе формируется цифровой поток Е1 со скоростью 64 × 32 = 2048 кбит/с. Из них 2 канала являются служебными (передача сигналов цикловой синхронизации, передача команд для управления коммутирующими приборами на АТС и др.), а остальные 30 – пользовательскими.

Каждая из ступеней более высокого уровня (аппаратура ИКМ-120, ИКМ-480, ИКМ-1920) рассчитана на уплотнение четырех цифровых потоков низшего уровня методом временного побитного мультиплексирования, а пятый уровень пока не имеет аппаратурной реализации (и, по-видимому, не будет иметь из-за конкуренции с методами передачи по оптическому кабелю).

Другой важный стандарт носит название синхронной цифровой иерархии (СЦИ) – Synchronous Digital Hierarchy (SDH) – и определяет способ мультиплексирования цифровых потоков для их передачи по оптоволоконному кабелю. Аппаратура SDH не предназначена для мультиплексирования мелких цифровых потоков, поступающих от пользователей (для этого используется аппаратура PDH, например ИКМ-30), она применяется для транспортировки более крупных потоков между узлами сети. Синхронная цифровая иерархия создавалась для работы в синхронных сетях связи, где существует синхронизация всех узлов сети из единого центра. Благодаря этому скорости передачи всех однотипных потоков строго одинаковы. Передача цифровых сигналов на каждом уровне мультиплексирования осуществляется блоками длительностью 125 мкс.

 

Кодовое разделение каналов

Этот метод применяется только в двоичных цифровых СПИ с ФМ. В одноканальной СПИ с ФМ для передачи каждого бита от источника используется радиоимпульс прямоугольной формы, начальная фаза которого определяется значением этого бита, например, 0° при передаче единицы и 180° при передаче нуля. Длительность этого информационного импульса τ _и = 1/ V, где V – скорость передачи, бит/с. Ширина спектра такого сигнала примерно равна Δ f ≈ 2/ τ _и = 2 V. При малой скорости передачи сигнал занимает узкую полосу частот.

Для организации кодового разделения каналов в многоканальной СПИ каждый канальный информационный импульс (рис. 20.6 а) подвергается дополнительной внутриимпульсной фазовой модуляции (рис. 20.6 б).

Для этого импульс разбивается на B частей равной длины (на B более коротких импульсов-чипов).

Для данного канала раз и навсегда задана B -разрядная двоичная последовательность, определяющая закон внутриимпульсной фазовой модуляции, причем элементы этой последовательности удобно обозначить как +1 и –1 вместо традиционных 1 и 0. Далее каждый элемент сигнала умножается на соответствующий элемент последовательности, то есть остается без изменений, если множитель равен +1 и инвертируется в случае –1.

В итоге ширина спектра канального сигнала увеличивается в В раз по сравнению с традиционным методом передачи без внутриимпульсной модуляции, так как теперь сигнал фактически состоит из более коротких импульсов. Кстати, метод внутриимпульсной ФМ является самым распространенным методом искусственного расширения спектра сигнала и часто применяется в других областях радиоэлектроники, например в радиолокации.

 

 

Рис. 20.6. Преобразование информационного импульса в сигнал с внутриимпульсной ФМ:

а – до преобразования; б – после преобразования

 

Все канальные сигналы передаются одновременно в одной и той же широкой полосе частот. Каждому канальному сигналу присваивается своя двоичная последовательность, определяющая закон внутриимпульсной ФМ, так, чтобы сигналы всех каналов были взаимно ортогональны. Два канальных ФМ сигнала ортогональны, если в двоичных последовательностях, определяющих законы их внутриимпульсной ФМ, число совпадающих элементов равно числу несовпадений. Например, если одному из каналов присвоена последовательность, показанная на рис. 20.6, то другим каналам можно присвоить, допустим, такие последовательности:

+1, –1, +1, –1, –1, +1, –1, +1, …

+1, –1, –1, +1, +1, –1, –1, +1,...

В системах МДКР операции выделения нужного канального сигнала из суммарного, группового сигнала и демодуляции можно совместить. Для этого можно использовать корреляционный приемник (или заменяющий его согласованный фильтр) и в качестве опорного сигнала использовать целиком импульс с внутриимпульсной ФМ. Таким образом, в системах МДКР устройство разделения каналов и канальные демодуляторы – это набор, состоящий из n корреляционных приемников.

Максимальное число ортогональных последовательностей равно B, следовательно, именно таково количество каналов, работающих без взаимных помех.

Для практического применения подбирают последовательности, обладающие лучшими спектральными свойствами (широкий спектр). Хорошие результаты дает использование отрезков псевдослучайной двоичной последовательности (ПСП).

Так как в системах МДКР не предусматривается взаимная синхронизация каналов, т.е. модулирующие последовательности в разных каналах произвольно сдвинуты во времени, это может привести к нарушению их ортогональности и явиться причиной междуканальных помех.

Метод МДКР используется пока лишь в гражданских и военных системах радиосвязи с подвижными объектами. Следует упомянуть стандарт IS-95, в соответствии с которым построены сотовые системы CDMA и спутниковая система связи с подвижными объектами Globalstar (В = 64, ширина спектра группового и каждого из канальных сигналов равна 1,25 МГц).