Принципы многоканальной передачи информации. (Тема 5)

1. Теория Информационных Процессов и Систем

Тема №5: Принципы
многоканальной
передачи информации

2. План

Условие многоканальной передачи
Элементы теории разделения сигналов
Общий принцип построения системы
многоканальной передачи
Частотное разделение сигналов
Временное разделение сигналов
Разделение сигналов по форме

3. Линии связи

Наиболее дорогостоящие звенья трактов
передачи информации – линии связи:
Кабельные
Волоконно-оптические
Сотовой мобильной радиосвязи
Радиорелейные
Спутниковый
и т.д.

4. Условие многоканальной передачи

Экономически целесообразна передача большого числа
сообщений различных источников информации по общей
линии связи
Многоканальная передача возможна в тех случаях, когда
пропускная способность линии C не меньше суммарной
производительности источников информации:
N
C R
x
k 1
x
UK
RUK -производительность k-го источника
N – число каналов (независимых
источников информации)
Многоканальные системы (как и одноканальные) могут быть:
• Аналоговыми
• Цифровыми

5. Элементы теории разделения сигналов (для аналоговых систем)

Основной (стандартный) канал – канал
тональной частоты
(полоса частот 300-3400Гц – основной спектр
телефонного сигнала)
Многоканальные системы формируют
путем объединения стандартных каналов
в группы, обычно кратные 12 каналам.

6. Элементы теории разделения сигналов (для цифровых систем)

Наибольшее распространение получили
основные цифровые каналы со скоростью
64кбит/с
Цифровые многоканальные системы
формируются в соответствии с принятыми
иерархическими структурами

7. Общий принцип построения системы многоканальной передачи

АОК
ИС1
b1(t)
Пр1
АРК
Ф1
M1
Д1
b`1(t)
ПС1
Д2
b`2(t)
ПС2
ДN
b`N(t)
ПСN
u1(t)
ИС2
b2(t)
ИСN
bN(t)
M2
u2(t)
S
uГ(t)
uЛ(t)
М
ЛС
uN(t)
MN
Пр2
sЛ(t)
П
sГ(t)
Ф2
ПрN
Структурная схема
ФN
b1(t), b2(t),… - первичные сигналы каждого источника
M1,M2,… - индивидуальные передатчики (модуляторы)
S - устройство объединения канальных сигналов
UГ(t) -групповой сигнал

8. Общий принцип построения системы многоканальной передачи

Если S - оператор объединения , то
U Г (t ) ui (t )
Для раздельной системы уплотнения объединения
сводится к суммированию:
N
U Г (t ) ui (t )
i 1
UГ(t) с помощью группового передатчика M преобразуется
в линейный сигнал UЛ(t), который поступает в линию связи
(ЛС)
П – групповой приемник

9. Общий принцип построения системы многоканальной передачи

При отсутствии помех и искажений в канале принимаем
линейный сигнал SЛ(t)
S Л (t ) U Л (t )
- коэффициент передачи канала
Групповой приемник преобразует линейный сигнал в групповой
S Г ui (t )
П1,П2,… - канальные приемники. Выделяют канальный сигнал из
группового
Si (t ) ui (t )
(i 1,...N )
Канальные сигналы посредством детектирования преобразуются
в предназначенные индивидуальным получателям сигналы
b1' (t ), b2' (t ),..., bN' (t )

10. Общий принцип построения системы многоканальной передачи

Канальные передатчики + устройства
объединения образуют аппаратуру объединения
(уплотнения) каналов АОК
М+АС+П - групповой тракт передачи
АОК + групповой тракт - система
многоканальной связи
Аппаратуру индивидуальных приемников,
обеспечивающих выделение Si(t) называют
аппаратурой разделения каналов АРК

11. Общий принцип построения системы многоканальной передачи

Чтобы АРК была в состоянии различать сигналы отдельных
каналов должны существовать признаки, присущие только
сигналам данного канала:
• Амплитуда
При модуляции
синусоидального
• Частота
переносчика
• Фаза
}
Временное положение
Длительность
Форма сигнала
}
При модуляции импульсных
передатчиков
В соответствии с этим различают способы разделения сигналов

12. Частотное разделение сигналов

Спектры сигналов Ui(t) и Si(t) занимают не
перекрывающиеся полосы частот
SN(f)
SbN(f)
0
F
f
0
S2(f)
Sb2(f)
0
F
f
f2
0
Sb1(f)
0
fN
Df
f2+F
Df
fN+F
f
f
S1(f)
F
f
f1+F
0
f1
Df
f1+F
f
SГ(f)
0
f
Df
Спектр
группового
сигнала при
многоканальной
передаче
информации с
частотным
разделением
каналов

13. Частотное разделение сигналов

Используется однополосная модуляция (Dfk=F)
Поднесущая fk выбирается так, чтобы полосы Df1, Df2,…
DfN попарно не перекрывались
Говорят, что при этом сигналы Uk(t) взаимно-ортогональны
Df r NF
- полоса частот группового сигнала
f0 – несущая частота данной группы каналов (групповой
сигнал UГ преобразуется в линейный UЛ(t), при этом
может использоваться *** модуляция, обеспечивающая
необходимую помехоустойчивость передачи)

14. Частотное разделение сигналов

На принимающей стороне групповой
демодулятор (приемник П) преобразует спектр
линейного сигнала в спектр группового. С
помощью канальных приемников Пк и входящих в
них фильтров Фк спектр группового сигнала
разделяется на отдельные полосы Dfk, а затем с
помощью демодуляторов Дк преобразуется в
спектры сообщений, предназначенных
получателям

15. Частотное разделение сигналов

Ki(f)
АЧХ фильтра
fi
Si(f)
fi
Sbi(f)
0
F
fi+F
fi+F
f
f
f
Выделение сигналов отдельных каналов частотной фильтрацией

16. Частотное разделение сигналов

Для идеального выделения сигналов при
частотном разделении необходимо выполнение
условий:
Полное сосредоточение энергии сигналов в пределах
отведенных полос Dfk
Идеальность характеристик разделительных фильтров
Обеспечение высокой линейности тракта группового
сигнала
Для снижения переходных помех между каналами до
допустимого уровня вводятся защитные частотные
интервалы Dfзащ

17. Временной способ разделения каналов

При временном разделении каналов групповой тракт с
помощью коммутатора Кпер предоставляется поочередно
для передачи сигнала каждого канала:
ИС1
2
ИС2
N
1
N
Кпер
ИД1
ПС1
ИД2
ПС2
2
1
Кпр
ИСN
ИМ
ГТ
ЛС
ИДN
ПСN
Структурная схема многоканальной
передачи с разделением каналов

18. Временной способ разделения каналов

С помощью коммутатора Кпр на приемном конце
приемник i-го канала подключается только на
время передачи i-го сигнала
Необходимо обеспечить синхронное и синфазное
подключение каналов передающей и приемной
сторон.

19. Временной способ разделения каналов

В качестве канальных сигналов в системах с временным
разделением каналов используются не перекрывающиеся во
времени последовательности модулированных импульсов
(например по амплитуде)
S1
SГ(t)
a)
0
D
Dtk
t
D
Dtk
t
D
Dtk
t
KP(t)
б)
0
S2(t)
S1
в)
0
Выделение полезного
сигнала при временном
разделении каналов

20. Временной способ разделения каналов

Взаимные помехи обусловлены в основном двумя
причинами:
• Линейные искажения за счет ограничений полосы частот
и неидеальности АЧХ и ФЧХ
• Помехи за счет нарушения синфазности
SГ(t)
a)
0
t
S’Г(t)
б)
0
t
Искажения группового
сигнала, приводящие к
взаимным помехам
между каналами при
временном разделении

21. Временной способ разделения каналов

Для снижения уровня взаимных помех вводятся
«защитные» временные интервалы.
Это требует уменьшения длительности каждого
импульса
Следствие: расширение спектра сигнала

22. Временной способ разделения каналов (Пример)

В многоканальных системах телефонии эффективная
полоса частот FВ=3100Гц
В соответствии с теоремой отсчетов минимальное значение
частоты дискретизации:
1
f Д 2 FВ 6200 Гц
D
D - интервал между импульсами
В реальных системах частоту следования импульсов
делают больше 8 кГц
Для передачи таких импульсов в одноканальном режиме
требуется полоса частот не менее FВ = 4 кГц

23. Временной способ разделения каналов (Пример)

При временном разделении каналов сигнал каждого канала
занимает одинаковый интервал времени, определяемый (по
теореме отсчетов) из
DN
Т.е.
Fобщ N FВ
D
1
1
N 2 NFВ 2 Fобщ
Равно общей полосе частот системы с
частотным разделением каналов
Т.е эффективность использования частотного спектра в этих
двух системах одинакова.
Однако, с системах с временным разделением:
• отсутствуют переходные помехи нелинейного происхождения
• более простая аппаратура

24. Разделение сигналов по форме (линейно-независимых сигналы)

Различающиеся по форме сигналы могут
передаваться единовременно, иметь не
перекрывающиеся частотные спектры. Их
можно разделить, если выполняется
условие линейной независимости или
условие ортогональности.

25. Разделение сигналов по форме (линейно-независимых сигналы)

Определяют взаимную энергию принятого
сигнала x(t) и передаваемых сигналов Si(t)
Для случайных передатчиков взаимная
энергия пропорциональна
взаимокорреляционной функции
Решение: Передавать тот сигнал,
взаимная энергия которого с принятым
максимальна

26. Разделение сигналов по форме (линейно-независимых сигналы)

Например, если
T
T
S (t ) x(t )dt S
i
0
k
(t ) x(t )dt
0
То принимается решение, что передавали
сигнал Si
В качестве переносчиков при формировании
различающихся по форме сигналов находят
применение различные ортогональные
функции, полученные на основе
ортогонализации дискретных
последовательностей в виде функций Уолша

27. Разделение сигналов по форме (шумоподобные сигналы)

В ряде случаев осуществить синхронизацию
затруднительно:
Совпадение спектра сигнала с полосой пропускания при
частотном разделении
Точного совпадения временных интервалов передачи
сигналов отдельных каналов при временном
разделении
И т.д.
Например:
организация оперативной связи между подвижными
объектами
оперативная связь через спутники

28. Разделение сигналов по форме (шумоподобные сигналы)

В этих случаях используют системы асинхронной
многоканальной связи: сигналы всех объектов
передаются в общей полосе частот, а каналы не
синхронизированы между собой по времени
Такие системы называются системами со
свободным доступом к линии связи (СС1)
В СС1 каждому каналу (абоненту) присваивается
определенная форма сигнала, которая и
является отличительным признаком (адресом)
данного абонента.

29. Разделение сигналов по форме (шумоподобные сигналы)

В отличие от обычного разделения по форме, когда условие
ортогональности сигналов выполняется лишь тогда, когда
тактовые интервалы всех каналов синхронизированы, в СС1
ортогональность сохраняется при любых временных сдвигах
сигналов.
Это означает, что для любой пары сигналов должно
выполняться условие
TSi (t ) S k (t )
t T
Si (t )Sk (t )dt 0
t
при 0 T
где T-длительность
сигнала
Строго говоря, это условие выполняется когда сигналы Sk(t)
представляют собой белый шум, т.е. имеют неограниченную ширину
спектра и бесконечную дисперсию

30. Разделение сигналов по форме (шумоподобные сигналы)

Для реальных сигналов это невыполнимо
Используются почти ортогональные сигналы, которые по
своим свойствам приближаются к белому шуму.
Шумоподобные сигналы относятся к классу сплошных
сигналов, база которых
B 2 FT 1
Пример: Определенным образом сформированные
псевдослучайные последовательности дискретных, в
частности двоичных, радиоимпульсов. База сигнала
определяется числом импульсов в последовательности.
Каждому каналу присваивается одна из множества почти
ортогональных двоичных последовательностей, которая
служит «адресом» канала

31. Разделение сигналов по форме (шумоподобные сигналы)

Асинхронноадресная система
связи ААСС
Абонент i
Приемопере
датчик i
Генератор
адресного
сигнала i
Общий
тракт передачи
Приемопере
датчик k
Абонент k
Генератор
адресного
сигнала k