Глава 4. Принципы многоканальной передачи

Глава 4. Принципы многоканальной передачи

4.1. Одновременная передача сообщений

В середине XIX в. телеграф широко распространился по всему миру. Достаточно сказать, что общая протяженность телеграфных линий в Европе, например в 1855 г., составляла почти 40 тыс. км, а уже через 10 лет, в 1865 г., она увеличилась до 160 тыс. км, т. е. в 4 раза. Однако темпы строительства телеграфных линий не могли угнаться эд потребностью в услугах телеграфной связи. За тот же период числа  переданных телеграфных депеш возросло с 2 до 18 млн. шт., т. е. 9 раз.

За счет чего же темпы роста телеграфного обмена (есть такой специальный термин) оказались выше темпов строительства телеграфных линий? Как удалось передать телеграмм в 9 раз больше, и число телеграфных линий увеличилось лишь в 4 раза? В те мена были известны два пути повышения эффективности использования линии связи. Первый - совершенствование организации работы телеграфной службы и телеграфных аппаратов. Другими словами, телеграммы следовало передавать без промедления, одну за другой, и с возможно большей скоростью, т. е. как можно больше букв в минуту. Однако этот способ более эффективного использова­ния линии связи очень быстро оказался исчерпанным. Причина проста и естественна. Как бы не улучшался телеграфный аппарат, скорость работы на нем даже опытного телеграфиста не превышает 240..300 букв/мин. Второй путь требовал гораздо больших материальных затрат. Дело в том, что основным типом линий связи в XIX в. были воздушные линии. Вот что представляла собой такая линия. Ни столбах (их называют опорами) подвешивался стальной провод диаметром 3...6 мм, а вторым проводом служила земля. По мере необходимости, т. е. когда обмен телеграфными депешами возрастал настолько, что передавать их по этому проводу попросту не ус­певали, на эти же столбы подвешивался второй провод, затем тре­тий и т. д. Такие линии связи можно назвать многопроводными. На­пример, в России первая однопроводная телеграфная линия была проложена в 1854 г., а уже через год, в 1855 г., возникла потреб­ность в подвеске второго провода. К 1857 г. в стране существовали пятипроводные телеграфные линии, а на отдельных, особенно загруженных телеграфными депешами участках, число висящих на опорах проводов достигало 8...12.

Все это привело к тому, что в упомянутом выше 1865 г. длина те­леграфных проводов в Европе почти в 3 раза превышала длину теле­графных линий связи и составляла около 450 тыс. км. Между тем из­готовление и подвеска каждого последующего провода требовала огромных по тем временам расходов. Да и подвешивание новых про­водов не могло продолжаться бесконечно. Ставить же рядом новые опоры и дорого, и громоздко.

Применительно к середине XIX в. проблема формулировалась так: нужно было научиться передавать по одному проводу сразу несколь­ко телеграмм.

Надо сказать, что данная проблема актуальна и по сей день. Возьмем, к примеру, современную спутниковую линию связи. Она по­зволяет организовать обмен информацией (а это могут быть либо речевое сообщение, либо сведения из банка данных, либо видео­изображение и т. д.) между двумя любыми точками нашей планеты. Но вряд ли кому придет в голову использовать линию для передачи информации только от одного пользователя к другому. Во-первых, это очень дорого. Во-вторых, это просто-напросто неэффективно: в ли­нию «вложены» колоссальные средства, а предоставляется она каж­дый раз только двум пользователям. Гораздо выгоднее дать возмож­ность как можно большему числу пользователей «арендовать» на время обмена информацией «космический мост» за вполне умерен­ную плату. Но поскольку каждый из них может выразить желание вос­пользоваться линией связи в удобное для него время и не захочет мириться с тем, что кто-то уже занял ее, решение проблемы может быть только таким: все абоненты должны пользоваться линией связи одновременно.

Цепи связи проводных кабельных линий и стволы радиолиний мо­гут обеспечить передачу сигнала в широкой полосе частот: от десят­ков и сотен килогерц до десятков мегагерц в проводных системах и сотен и тысяч мегагерц в радиосистемах. Если сравнить эти цифры с шириной спектра первичных сигналов (см. табл. 1.1), то видно, что по­лоса частот, в которой работает та или иная линия передачи одноканальной системы, используется крайне неэффективно.

Линия передачи большой протяженности представляет собой до­рогое и громоздкое сооружение, требующее больших затрат сил, средств и времени на строительство. Для содержания линий в ис­правном состоянии также необходимы значительные силы и средст­ва. Подавляющая часть капитальных затрат приходится на линей­ные сооружения и лишь незначительная часть - на аппаратуру. Ес­тественно, возникает проблема наиболее эффективного использо­вания линейных сооружений. Техническим решением этой экономи­ческой проблемы является одновременная передача по одной цепи большого числа первичных сигналов от разных источников сообщений т. е. создание на одной цепи большого количества независимых каналов.

Первые образцы многоканальной системы появились в России в 30-е годы XX в. В 1934 г. был налажен выпуск 3-канальной системы многократного телефонирования СМТ-34, которая выпускалась вплоть до Великой Отечественной войны. В 1940 г. была введена в опытную эксплуатацию первая в стране 12-канальная аппаратура для воздушных линий. В настоящее время существуют проводные и радиосистемы передачи, позволяющие организовать на одной цепи (и одном стволе) от десятков до тысяч каналов передачи.

Рис. 4.1 иллюстрирует принцип одновременной передачи нескольких сообщений с помощью системы передачи. Сообщения a1(t), a2(t), …, aN(t) от N источников преобразуются на переда­че в первичные сигналы s1(t), s2(t), …, sN(t). Последние посту­пают в систему передачи на преобразователь сигналов, где под­вергаются специальной обработке и объединяются в групповой сигнал v(t), направляемый в цепь связи. В приемной части систе­мы передачи из искаженного помехой группового сигнала вы­деляются индивидуальные первичные сигналы отдельных каналов . В приемных первичных преобразователях эти сигналы преобразуются в сообщения .

Ранее уже описывались методы передачи первичных сигналов: выбирается переносчик (гармоническое несущее колебание или по­следовательность узких импульсов), и его параметры модулируются первичным сигналом по амплитуде (AM или АИМ), частоте (ЧМ или ЧИМ), фазе (ФМ или ФИМ) и т. д.

Однако первичные сигналы s1(t), s2(t), …, sN(t) от N источ­ников сообщений могут существовать одновременно и занимать одинаковые полосы частот (например, это могут быть сигналы ре­чи, занимающие полосу частот 0,3...3,4 кГц). Необходимо, чтобы после преобразования на передаче сигналы отличались друг от друга. Только в этом случае удастся выделить из группового сиг­нала канальные.

4.2. Частотное разделение каналов

Один из способов разделения канальных сигналов (или разделе­ния каналов) заключается в следующем. В качестве переносчиков выбирают гармонические несущие колебания с различными часто­тами. В результате каждый первичный сигнал после преобразования в канальный сигнал (т. е. после модуляции) будет размещаться в своей полосе частот. В качестве примера на рис. 4.2 показано преобразование N первичных сигналов, имеющих одинаковые спек­тры, путем модуляции по амплитуде (AM) несущих колебаний с раз­личными частотами. Интервал между несущими частотами соседних каналов должен быть таким, чтобы полосы частот канальных сигна­лов не перекрывались.

На рис. 4.3 представлена структурная схема многоканальной сис­темы передачи. Первичные сигналы s1(t), s2(t), …, sN(t) преобра­зуются устройствами М1 М2..... MN; модулированные несущие ко­лебания v1(t), v2(t), …, vN(t), полученные на выходе этих уст­ройств, называются канальными сигналами. В отличие от первичных сигналов, имеющих общий спектр, канальные разнесены по спектру (рис. 4.2). Групповой сигнал v(t) получается объединением канальных сигналов v1(t), v2(t), …, vN(t) в устройстве объединения (УО).

Рис. 4.3. Многоканальная система передачи с частотным разделением каналов

На приемном конце канальные сигналы выделяются из группового с помощью разделительных частотных фильтров Ф1, Ф2, …, ФN, пропускающих сигналы своего канала и подавляющих остальные. Восстановление первичных сигналов из канальных производится с помощью демодуляторов Д1, …,ДN. Системы передачи, в которых канальные сигналы размещаются в неперекрывающихся частотных полосах, получили название системы передачи с частотным разделением каналов (ЧРК).

4.3. Временное разделение каналов

Пусть в качестве переносчика первичного сигнала s1(t) выбрана периодическая последовательность узких импульсов и осуществлена модуляция этой последовательности по амплитуде. Полученный в результате АИМ-сигнал - канальный сигнал v1(t) первого канала - показан на рис. 4.4, а. Выберем последовательность импульсов в ка­честве переносчика второго первичного сигнала s2(t) таким образом, чтобы импульсы АИМ-сигнала v2(t) второго канала передава­лись в те промежутки времени, когда цепь свободна от передачи импульсов первого канала (см. рис. 4.4, б). Канальные импульсы четьего (см. рис. 4.4, в) и других каналов также должны быть сдвинуты во времени относительно импульсов первых двух каналов и друг друга. Групповой сигнал v(t) получается после объединения канальных сигналов v1(t), v2(t), …, vN(t) (рис. 4.4, г).

Получить канальные АИМ-сигналы практически очень легко. Ропь АИМ-модуляторов могут выполнять электронные ключи (ЭК) (рис. 4.5), на которые нужно подать первичные сигналы. Ключи управляются импульсными переносчиками. Работа АИМ-модуляторов сводится к следующему: импульсы переносчиков поочередно откры­вают ключи, на выходах которых появляются первичные сигналы.

Нужно позаботиться лишь о том, чтобы последовательности импуль­сов, подаваемые на ключи ЭК, были сдвинуты во времени относи­тельно друг друга (рис. 4.6). Эту задачу (см. рис. 4.5) выполняет рас­пределитель импульсов каналов (РИК), управляемый генератором импульсов (ГИ). Таким образом, импульсы каждого канала, несущие в своей амплитуде информацию о первичном сигнале, передаются по цепи только в определенные промежутки времени. Разделение кана­лов на приеме (т. е. выделение канальных импульсов из группового сигнала) можно легко осуществить также с помощью ЭК, которые должны работать синхронно и синфазно с ключами передающей части. Другими словами, ключ каждого канала должен открываться тогда, когда по цепи приходят импульсы данного канала, и быть за­крытым во время прихода импульсов других каналов. Это достигает­ся с помощью управления ключами ЭК импульсными последова­тельностями (такими же, как и на передаче), вырабатываемыми в РИК приемной части и синхронизированными с импульсами пере­датчика с помощью схемы синхронизации СС (см. рис. 4.5). Каналь­ные импульсы v1(t), v2(t), …, vN(t) с помощью УО объединяются в групповой сигнал v(t).

Итак, электронные ключи приемной части выполняют роль каналь­ных селекторов.

Демодуляция канальных сигналов (т. е. выделение из них первич­ных сигналов) заключается в восстановлении непрерывных сигналов по дискретным (импульсным) значениям .

На рис. 4.7 показаны первичный сигнал, импульсный переносчик, канальный АИМ-сигнал i-го канала и их спектры. Спектр канального ЛИМ-сигнала содержит спектр исходного первичного сигнала si(t). Значит, первичный сигнал легко выделить с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ). Такие фильтры включаются в каждый канал и выполняют роль демодуляторов (см. рис. 4.5). Из рис. 4.7 видно, что частота следования импульсных последовательностей - переносчиков - должна быть не ниже удвоенной максимальной частоты спектра первичного сигнала, т. е. fД > 2Fmax, иначе невозможно будет выделить с помощью фильтра первичный сигнал. Напри­мер, этот же результат вытекает и из теоремы , в соответствии с которой частоту следова­ния импульсов необходимо выби­рать не меньше удвоенной гранич­ной частоты Fmax спектра сигнала s(t). Чтобы спектр передаваемых сигналов si(t) был ограничен, в каждом канале на передаче ставят фильтры нижних частот.

Описанные системы передачи (см. рис. 4.5), в которых канальные сигналы передаются по цепи в непе­рекрывающиеся промежутки времени, называются системами передачи с временном разделением ка­налов (ВРК).

Рис. 4.7. Сигналы i-го канала (слева) и их спектры (справа) а - первичный, б - импульсный переносчик, в - канальный АИМ-сигнал

Контрольные вопросы

1.  В чем состоит принцип частотного разделения каналов?

2.  Зачем используются фильтры в системах передачи с ЧРК?

3.  В чем состоит принцип временного разделения каналов?

4.  С помощью каких устройств выделяются исходные сигналы на приемной стороне в системе передачи с ВРК?

5.  Какой должна выбираться частота следования импульсов, управляющих электронными ключами в системе передачи с ВРК, и почему?

Список литературы

1.  Системы электросвязи: Учеб. для вузов / , , и др.; Под ред. :- М.: Радио и связь, 1987. - 512 с.

2.  , Лев основы многоканальной связи: Учеб. посо­бие для вузов. - М.: Радио и связь, 1985. - 248 с.

3.  , , и др. Электросвязь. Введение в специаль­ность. - М.: Радио и связь, 1988. - 240 с.

4.  Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник для вузов / , , и др. - М.: Радио и связь, 1995.