принципы многоканальной связи

ПРИНЦИПЫ
МНОГОКАНАЛЬНОЙ
СВЯЗИ
Презентация лекции по курсу «Общая теория связи»
© Д.т.н., проф. Васюков В.Н., [email protected]
Новосибирский государственный технический
университет, Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Факультет Радиотехники и электроники
Кафедра теоретических основ радиотехники
Во многих случаях необходимость передачи
информации от источника к приемнику существует
не постоянно, а лишь периодически, или возникает
от случая к случаю.
В то же время наиболее дорогостоящими частями
многих систем и сетей передачи информации
являются линии связи – кабельные, волноводные,
световодные, радиорелейные и т.п.
Поэтому естественно возникает задача совместного
использования этого оборудования многими
пользователями (абонентами), т.е. многоканальной
связи или уплотнения. Тем самым повышается
эффективность использования ресурсов линии.
2
Многоканальная связь возможна, очевидно, лишь
тогда, когда пропускная способность совместно
используемого оборудования больше суммарной
информационной производительности всех
источников.
Или – емкость канала должна быть не меньше
суммарного объёма сигналов.
При этом ресурсы линии связи должны быть
некоторым образом распределены между
пользователями.
3
Структура многоканальной системы
связи
ИС1
ИС2
ИСN
a1
a2
aN
М1
М2
u1 (t )
u (t )

uл (t )
М
П1
z (t )
ЛС
П
П2
a1
a2
ПС1
ПС2
aN
МN
u N (t )
ПN
ПСN
Канальные передатчики вместе с устройством объединения образуют
аппаратуру уплотнения каналов, групповой модулятор, линия связи и
групповой приемник составляют групповой канал, канальные приемники
образуют устройство разделения
4
ИС1
ИС2
ИСN
a1
a2
aN
М1
М2
u1 (t )
u (t )

uл (t )
М
П1
z (t )
ЛС
П
П2
a1
a2
ПС1
ПС2
aN
МN
u N (t )
ПN
ПСN
Чтобы канальные сигналы можно было выделить из
группового сигнала, они должны отличаться какими-либо
признаками.
Наиболее распространены линейные методы разделения, когда
устройством объединения является суммирующий усилитель, а
селекторы канальных сигналов, входящие в канальные приемники,
представляют собой линейные устройства с постоянными или
переменными параметрами
5
При линейном разделении групповой сигнал равен сумме
канальных сигналов
N
u (t )   ui (t )
i 1
а j-й селектор канального сигнала, описываемый
линейным оператором L j 
 , должен выделять из
группового сигнала j -й канальный сигнал, т.е.
должно выполняться условие
 N
 N
ui (t ), i  j
L j u (t )  L j  ui (t )    L j ui (t )  
 0, i  j
 i 1
 i 1
означающее линейную независимость сигналов
6
Условие линейной разделимости
 u1, u1   u1, u2   u1, u3 
 u2 , u1   u2 , u2   u2 , u3 
 u3 , u1   u3 , u2   u3 , u3 
...
 u N , u1 
...
 u N , u2 
...
 u N , u3 
...
...
...
...
...
 u1, u N 
 u2 , u N 
 u3 , u N 
0
...
uN , uN 
определитель Грама
7
В отсутствие помех любая линейно независимая
совокупность сигналов одинаково пригодна для
многоканальной связи.
Однако в реальных каналах связи помехи есть
всегда, поэтому наилучшими помехоустойчивыми
свойствами обладают ортогональные системы
сигналов; тогда проекции, выделяемые селекторами
канальных сигналов, совпадают с канальными
сигналами, а реализация самих селекторов
оказывается наиболее простой.
Наиболее очевидными вариантами выбора являются
временной и частотный способы разделения, когда
ортогональность обеспечивается тем, что сигналы не
перекрываются во временной или частотной области
8
Frequency
Multiple
Access
(FDMA)
ЧастотноеDivision
разделение
каналов
(ЧРК)
ИС1
ИС2
ИСN
a1
a2
aN
М1
М2
u1 (t )
u (t )

uл (t )
М
П1
z (t )
ЛС
П
П2
a1
a2
ПС1
ПС2
aN
МN
u N (t )
ПN
ПСN
В канальных модуляторах происходит модуляция гармонических
колебаний с различными частотами, называемых поднесущими.
0
f
9
Частотное разделение каналов
ИС1
ИС2
ИСN
a1
a2
aN
М1
М2
u1 (t )
u (t )

uл (t )
М
П1
z (t )
ЛС
П
П2
a1
a2
ПС1
ПС2
aN
МN
u N (t )
Необходимы защитные интервалы
ПN
ПСN
f
10
Частотное разделение каналов
ИС1
ИС2
ИСN
a1
a2
aN
М1
М2
u1 (t )
u (t )

uл (t )
М
П1
z (t )
ЛС
П
П2
a1
a2
ПС1
ПС2
aN
МN
u N (t )
ПN
ПСN
В групповом передатчике происходит модуляция несущего колебания
групповым сигналом, после чего модулированный линейный сигнал
передается в линию связи. Групповой приемник производит
демодуляцию линейного сигнала, после чего каждый канальный
приемник выделяет при помощи полосового фильтра «свой»
канальный сигнал, демодулирует его и выделяет сообщение.
11
Частотное разделение каналов основано на
распределении одного из ресурсов – полосы
пропускания группового канала – между различными
индивидуальными каналами.
Недостатки частотного разделения:
1. Из-за неидеальности полосовых фильтров необходимы
защитные интервалы, которые суммарно составляют
около 20% полосы пропускания группового канала
связи.
2. Предъявляются очень жесткие требования к
линейности канала (в нелинейном канале образуются
кратные и комбинационные составляющие,
попадающие в «чужие» полосы частот)
12
Time
Divisionразделение
Multiple Access
(TDMA)
Временнóе
каналов
(ВРК)
ИС1
ИС2
s1 (t )
a1
u (t )
a2
ИМ
ИСN
ГТИ
ПС1
z (t )
ИД2
КС
Кпр
Кпер
aN
uл (t )
ИД1
a1
a2
ПС2
aN
s N (t )
ИДN
ПСN
Недостатки: необходимость синхронизации и защитных временных
интервалов. Вместе с тем системы с ВРК имеют неоспоримое
преимущество, состоящее в их нечувствительности к нелинейности
группового канала. Кроме того, роль временного разделения
возрастает в последнее время в связи с широчайшим
распространением цифровых систем связи.
13
Разделение каналов по форме сигналов
или кодовое разделение (КРК)
Ортогональность обеспечивается для сигналов,
занимающих один и тот же временной интервал и
общую полосу частот
Разделение обеспечивают селекторы, которые
представляют собой корреляторы или согласованные
фильтры (вычисляются скалярные произведения)
В том и другом случаях необходима синхронизация
Code Division Multiple Access (CDMA)
14
Асинхронные адресные системы связи
Сигналы передаются одновременно в одной среде в
общей полосе частот без синхронизации (системы со
свободным доступом или с незакрепленными
каналами.
Отличительный признак канального сигнала - его
форма. Теперь ортогональность понимается в
усиленном смысле: сигналы должны быть
ортогональны друг другу при любых временных
сдвигах.
Строго говоря, это невозможно, однако можно
получить системы сигналов, удовлетворяющие
этому требованию приближенно. Такие сигналы по
своим корреляционным свойствам напоминают
реализации белого шума, поэтому их называют
шумоподобными сигналами
15
Комбинационное разделение каналов
Предположим, что необходимо передавать по одному
групповому тракту сообщения 3 источников, каждое из
которых состоит из символов некоторого кода по
основанию 2, т.е. из символов 0 и 1.
Очевидно, в произвольный момент времени символы
источников образуют одно из 8 возможных сочетаний.
Можно сопоставить каждому из этих сочетаний один
символ 8-значного кода, так что приняв один такой
символ, на приемной стороне, можно восстановить все
3 символа, относящихся к отдельным каналам.
1
1
0
1
5
5
0
1
16
Комбинационное разделение каналов
Предположим, что необходимо передавать по одному
групповому тракту сообщения N источников, каждое из
которых состоит из символов некоторого кода по
основанию m . Очевидно, в произвольный момент
N
времени символы источников образуют одно из m
возможных сочетаний. Можно сопоставить каждому из
N
этих сочетаний один символ m -значного кода, так
что приняв один такой символ, на приемной стороне
можно восстановить все
к отдельным каналам.
N
символов, относящихся
17
Устройство объединения каналов при комбинационном
разделении представляет собой комбинационную
схему, преобразующую комбинацию входных
значных
N
символов в один выходной символ m
-значного
кода, а устройство разделения – комбинационное
устройство, выполняющее обратное преобразование.
m
18
Эти символы можно считать просто номерами
сочетаний канальных символов, записанных в m-ичном
коде и поэтому возможность их однозначного
восстановления по принятому номеру не представляет
трудности.
Номера (символы кода группового канала) могут
передаваться, например, посредством кодоимпульсной
модуляции. Другой способ основан на использовании
многопозиционных сигналов
19
Многопозиционные сигналы
Многопозиционные сигналы образуются путем
манипуляции различных параметров гармонического
переносчика. Например, четырехпозиционный сигнал,
известный как КАФМ-4, получается манипуляцией
амплитуд квадратурных составляющих значениями +1 и
–1). Очевидно, такой же вид имеет сигнал, полученный
четырехуровневой манипуляцией фазы при постоянной
q
амплитуде (ФМ-4).
1
1, 1
-1, 1
-1
1
-1, -1
s
1, -1
-1
20
амплитудно-фазовая диаграмма сигнала КАФМ-16,
получаемого квадратурной амплитудно-фазовой
манипуляцией с уровнями +1, –1, 0.5 и –0.5.
-1, 1
q
1
1, 1
-1
1
-1, -1
s
1, -1
-1
Рассмотренные сигналы задаются в декартовой
системе координат и формируются путем сложения
квадратурных компонент после их амплитудной
манипуляции (дискретной модуляции).
21
Используя последовательно манипуляцию фазы и
манипуляцию амплитуды, формируют
многопозиционные сигналы, заданные в полярных
координатах
q
q
1
1
-1
-1
1
-1
1
s
s
-1
22