Принцип частотного разделения каналов

КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева

Военная кафедра

«УТВЕРЖДАЮ»

Начальник военной кафедры

полковник В. Шевченко

«___» ______________ 2015 г.

ПЛАН ПРОВЕДЕНИЯ ЗАНЯТИЙ СО СТУДЕНТАМИ

ПО ВОЕННО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ

Вводная часть занятия - 5 минут

- Принять рапорт дежурного по взводу.

- Проверить присутствующих по списку.

- Провести контрольный опрос.

- Объявить тему, цель, время и учебные вопросы занятия.

Основная часть занятия - 80 минут

Содержание учебных вопросов

Учебные вопросы, время и содержание занятия

Методические приемы и указания

Введение Обычно под информацией понимают совокупность сведений, данных о каких-либо событиях, явлениях или предметах. Все, что мы видим, слышим, помним, знаем, переживаем, - все это различные формы информации. В таком понимании информация является важнейшим ресурсом научно-технического и социально-экономического и военного, в том числе, развития общества. Функционирование систем управления и связи в Вооруженных Силах и в государстве в целом немыслимо без обмена информацией. Информационный ресурс накапливается со временем, сравнительно легко и просто с помощью технических средств обрабатывается, хранится и передается на значительные расстояния. Для передачи информации на расстояние создается система электросвязи. Одной из важных составляющих системы электросвязи являются системы передачи, к которым предъявляются высокие требования по доставке информации с большой скоростью, высокой надежностью и достоверностью. В лекции рассматриваются основные понятия и определения электросвязи, структура многоканальной системы передачи (МСП) и принципы разделения каналов, используемые при построении МСП. 1 Вопрос. Многоканальные системы передачи информации. – 30 минут Многоканальная система передачи представляет собой сложный комплекс, включающий линейные и станционные устройства, предназначенные для получения определенного числа каналов на заданную дальность. Системы связи стремятся строить таким образом, чтобы наиболее эффективно использовать дорогостоящие и достаточно сложные линейные сооружения, добиваясь получения максимальной пропускной способности этих линий при минимальных затратах материальных средств, людских ресурсов и времени, необходимых для их развертывания. При проектировании систем передачи приходиться учитывать целый ряд противоречивых требований и находить оптимальные решения.     Военные системы передачи должны прежде всего отвечать современным требованиям эффективности, среди которых на первый план выступают такие требования, как уменьшение громоздкости материальной части, снижение расхода транспортных средств и численности личного состава, необходимого для развертывания и обслуживания линии, повышение их мобильности, живучести и надежности. При этом, естественно, подразумевается выполнение требований, налагаемых системой связи и включающих необходимую дальность связи, число каналов и их качество, определяемое целым рядом электрических параметров. Электрические параметры устанавливаются с учетом использования систем передачи на сети связи, содержащей заданное максимальное число сетевых узлов и станций, на которых производятся транзитные соединения каналов и групповых трактов.   Характерные особенности в свойствах построении той или иной системы передачи определяются, прежде всего, типом и свойствами среды передачи сигналов. По этому признаку системы передачи (рис. 1) подразделяются на системы передачи по радиорелейным, тропосферным, спутниковым и проводным (кабельным) линиям, которые в свою очередь подразделяются на системы передачи, функционирующие по электрическим (симметричным и коаксиальным кабелям), оптическим кабельным линиям и по воздушным линиям связи. Последние практически уже утратили свое значение из-за ряда недостатков, к которым, прежде всего, относится низкая надежность и живучесть, высокая стоимость (в расчете на канало-километр), сильная подверженность влиянию атмосферных шумов и внешних помех. В самом общем виде многоканальная система передачи может быть представлена структурной схемой, приведенной на рис. 2. Сигналы связи Ci(t) от n независимых источников поступают на n входов системы передачи. Как правило, эти сигналы не имеют признаков, по которым их можно было бы разделять на приемном конце системы. Поэтому они предварительно подвергаются некоторому преобразованию в преобразователях Пi тракта передачи. Преобразование осуществляем таким образом, что каждому сигналу передается некоторый различный параметр li, где i =1, 2,... n, который и позволяет производить их разделение. Таким образом, первичные информационные сигналы Ci(t) преобразуются в так называемые канальные сигналы Si(t, li), где i=1, 2,...n. После получения разделительных параметров li канальные сигналы объединяются в устройстве объединения в единый групповой сигнал Så , который после дополнительных преобразований и передается по линейному тракту системы передачи. Под линейным трактом (трактом передачи) понимают совокупность технических средств, обеспечивающих передачу групповых сигналов электросвязи в пределах одной системы передачи. Групповой сигнал, передаваемый по линейному тракту, называют линейным сигналом. На приемном конце системы передачи линейный групповой сигнал Så разделяют на n канальных сигналов S¢ i(t, li) в устройстве разделения Р, на основе использования разделительных параметров li, наложенных на первичные информационные сигналы при передаче. Выделенные канальные сигналы S¢ i(t, li) подвергается преобразованию в преобразователях приема П¢ i с целью исключения разделительных параметров li и восстановления информационных сигналов. Полученные первичные информационные сигналы C¢ i(t) так же, как и сигналы Så и S¢ i(t, li), несколько отличаются от соответствующих передаваемых сигналов Ci(t), Så и S¢ i(t, li) за счет искажений и помех в линейном тракте, несовершенства устройств объединения и разъединения и преобразователей Пi и П¢ i. Ясно, что различия в сигналах Ci(t) и C¢ i(t) которые можно оценить функцией ошибки x(t)=F(C¢ i(t)- Ci(t)) не должны превосходить некоторых допустимых значений, при которых выполняются нормы на параметры каналов и обеспечивается требуемая достоверность при передаче сигналов.   По физическому принципу уплотнения и разделения каналов (сигналов) многоканальные системы передачи делятся на системы связи:   § с частотным уплотнением (разделением); § с временным уплотнением (разделением); § со структурным уплотнением (или разделением сигналов по форме).   Эффективность МСП может быть оценена помехоустойчивостью и пропускной способностью ее каналов связи. Очевидно, указанные характеристики зависят от конкрет­ной структуры системы многоканальной связи, в частности от при­меняемых способов уплотнения (преобразования сигналов индиви­дуальных каналов в групповой сигнал) и разделения каналов в ней. Практическая реализация этих способов имеет свои особен­ности в различных системах радио- и проводной связи. В современных МСП наиболее широкое применение 2 метода способа разделения канальных сигналов.   Первый способ предусматривает такое преобразование полосы частот исходных сигналов, при котором каждый канальный сигнал занимает свою полосу частот в линейном спектре, отличную от полос частот всех других канальных сигналов. В этом случае в приемной аппаратуре МСП осуществляется разделение сигналов по частоте с помощью специальных устройств, например, фильтров, после чего каждый принятый сигнал вновь преобразуется в исходный сигнал. Системы, в которых используется такой способ разделения сигналов, называются системами с частотным разделением каналов (ЧРК).   Второй способ преобразования, принятый в системах передачи, предусматривает такое преобразование сигналов в передающей аппаратуре, при котором канальные сигналы передаются в периодически повторяемые отрезки времени. В этом случае в приемной аппаратуре осуществляется разделение сигналов во времени с помощью специальных устройств-распределителей, после чего каждый преобразованный во времени сигнал вновь преобразуется в исходный. Системы, в которых применяется такой способ разделения сигналов, называют системами с временным разделением каналов (ВРК).   Вывод: Для построения систем связи в различных звеньях управления Вооруженных Сил РФ используются МСП с различными способами разделения каналов. Выбор средств МСП определяется их наличием и выполнением требований предъявляемых к управлению войсками (силами). 2 Вопрос. Принцип построения многоканальных систем передачи информации с ЧРК. – 40 минут Принцип построения многоканальных систем определяется в первую очередь методом разделения каналов. Существуют линейные и нелинейные методы разделения. К линейным относятся такие, при которых разделение сигналов отдельных каналов производится линейными устройствами. При использовании для разделения сигналов нелинейных устройств и методы разделения считаются нелинейными. В системах передачи, использующих линейные методы разделения сигналов, групповой сигнал является линейной функцией канальных сигналов и может быть представлен в виде: (2.1) Для линейного разделения сигналов должна быть обеспечена линейная независимость канальных сигналов, т.е. ни один из них не должен представляться линейной комбинацией других канальных сигналов. Это требование выполняется, если сигналы составляют ортогональные функции. Следовательно канальные сигналы на некотором интервале 0 < t < Т должны отвечать условиям ортогональности (2.2)   Указанным условиям удовлетворяют: - любые функции, имеющие не перекрывающиеся между собой частотные спектры; - последовательность неперекрывающихся импульсов; - ортогональные системы тригонометрических функций, функции Уолша, полиномы Лежандра, Чебышева и др.   В связи с этим системы передачи, использующие линейные методов разделения каналов можно классифицировать как показано на рис. 3.   При ЧРК исходные сигналы переносятся при помощи преобразователя (модулятора) в верх по спектру в один из участков рабочей полосы тракта многоканальной системы. Расположение преобразованного спектра определяется номиналом несущей частоты, а на приемном конце полосы отдельных каналов разделяются электрическими фильтрами и с помощью демодуляторов образуются в исходные сигналы. При ВРК (данный принцип основан на теореме В.А. Котельникова) непрерывный сигнал может быть передан с помощью своих дискретных отсчетов, взятых через интервалы времени Т £ 1/2 Fмакс, где Fмакс - максимальная частота передаваемого спектра. При ВРК сигналы отдельных каналов передаются не одновременно как при ЧРК, а по очереди. АИМ (амплитудно-импульсная модуляция) в чистом виде для передачи дискретных сигналов непригодна, и поэтому в системах с ВРК применяют более сложные виды модуляции - это импульсно-кодовая модуляция, дельта модуляция и их разновидности.

Принцип частотного разделения каналов

Частотное разделение каналов находит наиболее широкое применение в современных многоканальных системах передачи. Это объясняется тем, что при таком методе разделения обеспечивается возможность получения чрезвычайно большого числа каналов при относительной простоте всего оборудования. Принцип частотного разделения каналов легко уяснить по упрощенной структурной схеме системы передачи с ЧРК (рис. 4, плакаты № 107, 119).

Отличительными признаками канальных сигналов в этой системе передачи являются разные неперекрывающиеся полосы частот, которые занимают эти сигналы. Такое различие позволяет разделить канальные сигналы в приемной части аппаратуры с помощью электрических фильтров. Первичные информационные сигналы C_i(t) могут быть различного вида. Некоторые из них могут иметь спектр, в основном сосредоточенный в тональном диапазоне частот.

При передаче таких сигналов используются каналы ТЧ. Другие сигналы характеризуются более широким спектром. Эти сигналы передаются по широкополосным каналам. На структурной схеме показано, что сигналы C_i(t) - C_n(t) передаются по каналам ТЧ, а С _шк (t) - по каналу ШК.

Спектральные диаграммы этих сигналов показаны на рис. 5.

В передающей части системы передачи первичные информационные сигналы С_i(t) поступают на входы преобразователей частоты, в которых и происходит смещение спектров. Для преобразования спектров сигналов используются модуляции колебаний несущих частот f _i - различных в различных каналах.

Диапазоны частот, занимаемые канальными сигналами S ₁(t; f _i) также показаны на спектральной диаграмме. Там же приведен план частот группового сигнала S _å (t; f), передаваемого по линейному тракту.

В приемной части системы передачи канальные сигналы с выхода линейного тракта поступают на устройство разделения, состоящее из параллельно включенных полосовых фильтров Ф_i, каждый из которых пропускает канальный сигнал в диапазоне f _i - f _i^’ и подавляет все остальные канальные сигналы.

Выделенные полосовыми фильтрами канальные сигналы поступают на преобразователи частоты - демодуляторы, которые осуществляют преобразование канальных сигналов S_i(t; f _i ) в первичные информационные сигналы С_i(t).

В принципе в рассмотренной системе передачи с ЧРК возможно полное разделение каналов, если предположить, что преобразователи частоты и фильтры имеют идеальные характеристики, а линейный тракт идеальные линии, Это объясняется тем, что используемые канальные сигналы являются ортогональными функциями.

Однако, как уже отмечалось, реально между каналами имеет место взаимное влияние.

При разработке систем передачи принимают специальные меры (защитные интервалы, показать графически), позволяющие свести эти влияния к минимуму.

В частности для обеспечения требований к полосовым фильтрам применяют такие преобразователи частоты, которые позволяют получить минимальное количество и небольшие амплитуды поточных колебаний, Между полосами частот, занимаемыми каждым канальным сигналом, предусматривают защитные промежутки, а линейность линейных усилителей делают достаточно высокой.