Способы формирования сигналов. Принципы формирования групповых сигналов в многоканальных системах передачи. Создание и формирование

В N-канальной системе число фильтров и их типов равно Nn, где n - число ступеней преобразования. Число фильтров и их типов можно уменьшить, если дополнить многократное преобразование групповым , при котором преобразованию подвергается групповой сигнал. С этой целью N каналов разбивается на m групп по K каналов, т.е. Km=N. В каждой группе сигнал каждого канала подвергается индивидуальному преобразованию с помощью несущих частот w Н1 , w Н2 ,..., w НК (Рис.3.51). Во всех группах преобразование однотипно, поэтому на выходе каждой группы образуется один и тот же спектр частот. Полученные групповые спектры подвергаются затем групповому преобразованию с несущими w ГР1 , w ГР2 ,..., w ГРm , так что после объединения преобразованных групповых сигналов образуется спектр частот N каналов. В рассматриваемом случае общее число фильтров равно N+mn ГР, а число типов фильтров сокращается до K+mn ГР, где n ГР - число групповых ступеней преобразования.

Рис.3.51 Групповое преобразование частоты

Таким образом, применение многократного и группового преобразования позволяет унифицировать фильтровое оборудование системы, т.е. уменьшить его разнотипность. Такая унификация повышает технологичность изготовления узлов аппаратуры и, в конечном счете, удешевляет ее.

Уплотнение - это процесс объединения множества несущих информацию сигналов в подлежащий передаче групповой сигнал, сосредоточенный в одной частотной полосе. Задача решается либо бортовыми, либо земными средствами. Может быть использовано почти любое сочетание:

Методов, применяемых при модуляции в земной аппаратуре;

Уплотнении в земной аппаратуре;

Модуляции несущей на спутниковой линии;

Многостанционном доступе.

Так, в системах INTELSAT, TELESAT, DSCS-1 и ²Молния² используется однополосная амплитудная модуляция при частотном уплотнении и разделении каналов (ЧУ), частотной модуляции на спутниковой линии и различные несущие частоты для каждой ЗС.

Систему ВМДВ можно назвать ИКМ/ВУ/ЧФМ/МДВУ.

Система SPADE с одним каналом на несущую обозначается: ИКМ/ЧФМ/МДЧУ.

В земной аппаратуре наиболее распространено частотное уплотнение и разделение каналов (ЧУ). Системы ЧУ включают в себя:

а) однополосные системы с подавленной несущей (ОБП);

б) однополосные системы с передаваемой несущей (ОБП-ПН);

в) двухполосные системы с подавленной несущей (ДБП);

г) двухполосные системы с передаваемой несущей (ДБП-ПН).

В основном применяется ОБП.

В системах временным разделением применяют:

Дискретные методы;

Цифровые методы.

Обычно ВУ сочетается с МДВУ, а ЧУ - с МДЧУ, но возможны и смешанные системы.

Передача ТВ сигналов и сигналов звукового сопровождения.

Согласно плану ВАКР-77 максимальная скорость передачи в ТВ канале не превышает 20 Мбит/с. Но для передачи высококачественного цветного изображения необходима скорость передачи не менее 34 Мбит/с. Поэтому для первого поколения спутниковых систем ТВ применялись аналого-цифровые методы, когда часть информации передавалась в аналоговой форме, а часть - в цифровой.

Одна из таких систем - система МАС (Multiplexing Analogue Components -составной сигнал с аналоговыми компонентами). В этой системе аналоговый сигнал яркости передается поочередно (методом временного разделения) с сигналами цветности, преобразованными в дискретную форму, что позволяет избежать перекрестных искажений сигналов яркости и цветности, снизить шумы в канале цветности благодаря переводу его в область низких частот. Сигналы звукового сопровождения, синхронизации, данных передаются совместно с сигналами цветности в общем цифровом потоке.

В самом простом варианте сигнал яркости передается в реальном масштабе времени в течение активной части строки, а цифровой поток - в интервале строчного гасящего импульса, причем сигнал цветности предварительно сжимается во времени. На приеме суммарный цифровой поток демультиплексируется. Поток, соответствующий сигналу цветности, растягивается и сдвигается во времени для восстановления первоначальных пропорций, а затем подается на декодирующее устройство.

В более сложной системе сжимаются во времени и сигнал яркости, и сигнал цветности, а разделение производится на периоде не только строки, но и кадра. Это позволяет изменять формат кадра. В результате исследований ЕСР выбран коэффициент сжатия 3/2 для сигнала яркости и 3 для сигналов цветности. На передающей стороне сигнал яркости задерживается на период кадра по отношению к сигналу цветности, на приеме же сигнал яркости проходит без изменений, а сигнал цветности растягивается во времени и задерживается на период кадра, так что восстанавливается их первоначальное соотношение.

Одной из наиболее сложных проблем спутникового телевидения (СТВ) является способ передачи звуковых сигналов в ТВ канале. Теоретические исследования и эксперименты показали, что методом аналоговой ЧМ в диапазоне 12 ГГц удается передать совместно с сигналом изображения не более двух звуковых программ с отношением сигнал/шум порядка 50-55 дБ, причем частота второй поднесущей должна быть подобрана так, чтобы не создавать помех в канале цветности. Например, для TV-SAT были выбраны значения поднесущих 5,5 МГц и 5,746128 0,000003 МГц. Необходимо же иметь как минимум 4-6 звуковых каналов в стволе.

Способ передачи цифрового потока совместно с сигналами изображения должен удовлетворять определенным требованиям: качество передачи изображения не должно ухудшаться; вероятность ошибки при передаче звуковых сигналов не должна превышать 10 -3 при отношении C/N=8 дБ; необходима совместимость с существующими ТВ приемниками.

Можно выделит три способа передачи сигналов изображения и цифрового потока:

С разделением по частоте (система МАС-А);

С разделением по времени на видеочастоте (МАС-В);

С разделением по времени на несущей частоте (МАС-С).

Система МАС-А. Цифровой поток передается на поднесущей частоте, превышающей верхнюю частоту спектра видеосигнала. Частота поднесущей выбирается из соотношения , где F B - верхняя частота видеосигнала, R - скорость потока в Мбит/с.

Среди методов цифровой модуляции предпочтение отдано двухпозиционной фазовой манипуляции с частично подавленной боковой полосой, называемой также “ упрощенной MSK” (Minimum Shift Keying), благодаря ее простоте и применимости когерентного демодулятора на приеме.

Система МАС-В. Уплотнение видеосигнала цифровым потоком на видеочастоте основано на использовании некоторой избыточности ТВ сигнала - наличии в каждой строке интервалов обратного хода лучей, в которых передаются только сигналы синхронизации. Вводя ИКМ последовательность в указанные интервалы, можно передать от двух до четырех звуковых программ, не увеличивая общую полосу частот, занимаемую видеосигналом. Преимуществом такого способа передачи является отсутствие отдельного демодулятора для звуковых сигналов, так как цифровая последовательность получается на выходе общего частотного детектора.

Сигнал на выходе ПП пропорционален измеряемой величине, и его нужно сравнивать с эталонным сигналом. В качестве эталонных используются специально сформированные сигналы или, как это делается в механических и электромеханических приборах, позиционные М П, скоростные М С, ускорительные М УС моменты, т. е. моменты, пропорциональные положению, скорости и ускорению подвижной системы указателя. Эталонные сигналы могут быть созданы упругими (пружинами, мембранами), демпфирующими и инерционными элементами, а также сформированы с помощью обратной связи или функциональных устройств.

Рис. 3.5. Обобщенная функциональная схема прибора

На схеме прибора (рис. 3.5) сигнал х преобразуется в первичном преобразователе ПП в сигнал F x , который сравнивается с эталонным сигналом , где создаются соответственно пружиной П , демпфером Д, инерционными силами подвижных элементов и устройством обратной связи (преобразователь Пр, усилитель Ус и моментный двигатель МД). Выходным сигналом прибора является угол φ отклонения стрелки.

Из структуры выражения видно, что любой из моментов может быть заменен моментом обратной связи, имеющим ту же зависимость от . Так, например, если , то он может заменить М П, и тогда получаем прибор с электрической пружиной. Если , то он заменяет момент М с, и прибор имеет электрический демпфер и т. д.

Уравнение движения прибора представим в виде

Для движущего и эталонных моментов можно написать

где - коэффициенты движущего, позиционного, скоростного и инерционного моментов; - оператор, формируемый в контуре обратной связи.

Подставляя (3.14) в (3.13), получим

На рис. 3.6 представлена структурная схема, эквивалентная уравнению (3.15). Звено с бесконечно большим коэффициентом усиления соответствует точному выполнению условия компенсации F x = F y .

Рис. 3.6. Структурная схема прибора

В соответствии с уравнением (3.15) передаточная функция W(р) и чувствительность S прибора будут

Рассмотрим частные случаи. В электромеханическом приборе без обратной связи (k(p)= 0) получаем

где - чувствительность прибора; - собственная частота; - относительное затухание.

Система, имеющая передаточную функцию вида (3.17), называется колебательным звеном, параметрами которого являются

Если в выражении (3.17) k П = 0 (отсутствие пружины), то прибор становится интегрирующим

где - чувствительность; - постоянная времени.

Выражение (3.18) получено в предположении, что выходом прибора является угол φ . Если в качестве выходного сигнала взять угловую скорость φ , то передаточная функция примет вид

(3.19)

Система, имеющая передаточную функцию вида (3.19), называется инерционным звеном.

При отсутствии в приборе пружины и демпфера (k П = k С = 0) получаем дважды интегрирующий прибор

(3.20)

Оператор k(p) можно сформировать в различном виде. Если k(p)=k 0 , то, как следует из выражения (3.16), коэффициенты k 0 и k П равнозначны. Поэтому, как отмечено выше, можно считать k П = 0и получить требуемый позиционный сигнал за счет обратной связи, которая в этом случае выполняет роль электрической пружины. Если взять k(p)=k 0 + kp, то можно обойтись в приборе без пружины и без механического демпфера.

Преимущество приборов с электрическими пружиной и демпфером состоит в том, что обеспечивается высокая стабильность параметров прибора и упрощается его настройка и регулировка. Возможности приборов с электрической обратной связью этим не исчерпываются. Если в цепь обратной связи включить корректирующий контур, то можно получить требуемую частотную характеристику прибора. Можно, например, скорректировать динамические погрешности в заданном диапазоне частот. Если в приборе необходимо реализовать зависимость φ = F(x), то в цепь обратной связи следует включить функциональный элемент , где f - функция, обратная требуемой функции F x .

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Измерительные цепи прямого преобразования состоят из преобразователей, соединенных последовательно или параллельно согласно (см. рис. 3.4, а, б).

Приборы с этими цепями просты, надежны, имеют малые массу, габаритные размеры и стоимость, обладают хорошим быстродействием. Однако погрешности их велики. Основной путь снижения погрешностей цепей прямого преобразования - снижение погрешностей каждого преобразователя, что сложно, дорого и трудоемко. Цепи прямого преобразования применяются с генераторными, параметрическими ирадиационными первичными преобразователями.

При построении измерительных цепей используются: 1) принцип согласования сопротивлений, при котором обеспечивается передача максимальной мощности от предыдущего преобразователя к последующему; 2) принцип холостого хода, когда входное сопротивление последующего преобразователя значительно больше выходного сопротивления предыдущего преобразователя, при этом обеспечиваются минимальные потери информации.

Оба эти принципа находят применение в приборостроении. В последнее время при создании точных приборов второй принцип находит преимущественное распространение.

Для передачи и последующей обработки первичное сообщение нанести на подходящий материальный носитель, чаще всего для этого используются процессы электромагнитной природы информации необходимо, имеющие непрерывный (гармонический) или же дискретный характер в виде последовательности импульсов.

Процесс нанесения информации на переносчик заключается или сводится к изменению характеристик используемого процесса в соответствии с первичным сообщением.

Параметры, которые используются для нанесения информации наз0ываются информационными.

Процесс управления информационными параметрами переносчика, называется модуляцией.

Обратная операция, заключающаяся в восстановлении исходного сообщения, называется демодуляцией.

Физическая реализация этих операций осуществляется с помощью функциональных преобразователей сигналов, называемых модуляторами и демодуляторами. Обычно эти устройства, рамках используемой информационной системы, образует взаимосвязанную пару, т.е. модель, работающую совместно с генератором сигналов переносчиков.

В зависимости от вида и числа используемых информационных параметров, процесса-переносчика, могут применяться различные виды модуляции.

В зависимости от числа возможных информационных параметров и характера их поведения во времени, переносчики информации можно поделить на три типа:

1. Стационарные – это переносчики, которые характеризуются наличием в отсутствии модуляции постоянства во времени своего исходного состояния.

Такие переносчики имеют фактически один информационный параметр, а именно уровень.

2. Гармонические процессы (колебания или волны) к которым относятся процессы, происходящие в отсутствии модуляции по гармоническому закону.

Утаких носителей в качестве информационных параметров могут использоваться амплитуда, частота и фаза. В соответствии с этим различают амплитудную модуляцию и частотную модуляцию.

3. Импульсные последовательности.

При использовании переносчиков третьего типа возникает вероятность наиболее широкого ассортимента использования методов модуляции.

Квантование сигналов

Передача информации в информационных управляющих системах может осуществляться, как с помощью непрерывных, так и дискретных сигналов.

Использование дискретных сигналов в некоторых случаях оказывается более предпочтительным, так как дискретные сигналы меньше подвижны искажениям при передаче, эти искажения легче обнаруживаются.

А самое главное дискретные сигналы более удобны для использования и обработки цифровыми устройствами информационных систем.

С другой стороны большинство первичных сигналов, снимаемых с датчиков, являются непрерывными, в связи с этим возникает проблема эффективного преобразования непрерывных сигналов в дискретных и наоборот.

Процесс процедуры преобразования непрерывной физической величины в дискретную, называется квантованием.

Лекция № 5

Принято различать следующие виды квантования.

1) Квантование по уровню, при этом непрерывная функция, описывающая первичный сигнал заменяется ее отдельными значениями, отстоящим друг от друга на некоторый конечный интервал (уровень). Соответственно, мгновенные значения функции заменяются ее ближайшими дискретными значениями, называемыми уровнями квантования, интервал между двумя соседними значениями уровнями, называется шагом квантования. Шаг квантования может быть как постоянным (равномерное квантование), либо переменным (неравномерным квантованием). Точность преобразования непрерывного дискретного сигнала зависит от величины шага квантования. Эта точность оценивается расхождением между истинным значением функции и квантованным. Величина этого расхождения называется ошибкой (шум квантования).

При передаче сигнала по каналу связи на этот сигнал могут воздействовать те или иные помехи, искажающие этот первичный сигнал. Если при этом известно максимальное значение этой помехи
, то можно выбрать шаг квантования
и вторично проквантовать сигнал по прием стороне, то можно очистить принятый сигнал от влияния помех, поскольку
.

Таким образом, повторное квантование позволяет восстановить искаженный помехой сигнал. Однако надо иметь в виду, что при этом ошибка квантования сохраняется. Положительным моментом при этом является то, что ошибка квантования заранее известна. Таким образом, удается избежать накопления помех и качество передачи сигналов возрастает.

2) Квантование по времени (дискретизация). В этом случае непрерывная функция
заменяется ее отдельными значениями времени в фиксированные моменты времени. Отчеты значений первичного сигнала производятся через некоторый промежуток
, этот интервал называется шагом квантования. Чем меньше выбран интервал
, тем больше точка на приемной стороне сможет быть восстановлена передаваемая функция. С другой стороны, при смешанном мелком шаге дискретизация
снижается скорость передачи данных, также повышается требования к полосе пропускания канала связи.

,

,

,

.

При смешанном крупном шаге квантования существенно уменьшается точность воспроизведения функции на приеме.

3) Квантование по уровню и времени. В ряде случаев, оказывается, целесообразно использовать смешанный вид квантования по уровню. В этом случае сигнал предварительно квантуется по уровню, а отчеты получившегося квантования сообщения производят через заданный промежуток времени. При этом запишем:

В телекоммуникационных сетях широкое применение нашли многоканальные системы с частотным и временным разделением каналов.

5.2.1. Принципы формирования групповых сигналов в многоканальных системах с частотным разделением каналов

Во всех многоканальных системакх с частотным разделением каналов (МКС с ЧРК) применяется АМ сигналов с выделением одной боковой полосы (АМ-ОБП). Методы построения МКС с ЧРК отличаются способом формирования группового сигнала и особенностями передачи его в линейном тракте. По первому признаку различают вариан­ты:

– с индивидуальным преобразованием сигналов;

– с групповым пре­образованием сигналов.

По способу усиления группового (линейного) сиг­нала в промежуточных пунктах (второй признак) выделяют варианты с усиле­нием каждого индивидуального сигнала или линейного сигнала в целом.

При индивидуальном преобразовании сигналов формирование группового (линейного) спектра частот производится путем отдельного независимого пре­образования каждого из N сигналов. На рис. 5.3 показана структурная схема, поясняющая этот метод. Каждый канал содержит канальный полосовой фильтр (КПФ i ), канальный модулятор (М i ) и демодулятор (ДМ i ), а на промежу­точных станциях (ПС) – индивидуальное усилительное устройство (Ус i ).

Достоинствами этого метода являются:

– простое решение проблемы выделения (ответвления) любого сигнала в любом промежуточном пункте;

– к индивидуальному усилительному устройству не предъявляются высо­кие требования к показателям качества: каждый усилитель сравнительно узкополосный и может работать с большими нелинейными искажениями, поскольку на выходе они подавляются полосовым фильтром;

– минимум преобразований сигнала на оконечных пунктах;

– высокая надежность связи, так как выход из строя одного из усилителей промежуточного пункта не отражается на работе остальных.

Рис. 5.3. Структурная схема МКС с ЧРК с индивидуальным

преобразованием сигналов

– громоздкость и большое потребление энергии оборудования промежу­точных станций из-за наличия канальных усилителей;

– наличие большого числа избирательных устройств (КПФ) и, как следствие этого, увеличение объёма и стоимости оборудо­вания;

– плохое использование пропускной способности линейного тракта, поскольку из-за недостаточной избирательности КПФ приходится увеличивать разнос частот между соседними канальными сигналами, что ухудшает «плотность упаковки» линейного сигнала; в итоге увеличивается верхняя частота линейного сигнала и уменьшается допустимая длина участка линии между соседними усилительными пунктами.

В основе метода с групповым преобразованием сигналов лежит принцип фор­мирования линейного сигнала на оконечном пункте передачи (ОП пд) системы с помощью нескольких ступеней преобразования. На каждой сту­пени объединяется несколько канальных сигналов, т.е. линейный сигнал пред­ставляет собой сумму нескольких промежуточных групповых сигналов. На око­нечном пункте приёма (ОП пр) осуществляются обратные операции.

Преимуществом этого метода является упрощение промежуточных пунктов и, как следствие, уменьшение их стоимости и габаритов.

К недостаткам группового метода усиления относятся:

– высокие требования к показателям качества линейного усилителя про­межуточной станции: он должен иметь точно определенную частотную харак­теристику усиления в полосе частот линейного спектра и очень малые нели­нейные искажения;

– трудность выделения канальных сигналов.

Вплотную разместить каналы в линейном спектре частот невозможно, так как с ростом несущей частоты ухудшаются избирательные свойства полосовых фильт­ров (полоса пропускания резонан­сного контура равна ∆f = f 0 /Q k ). Следовательно, с ростом частоты f необходимо увеличивать защитный интервал ∆f зи между соседними каналами. В современных МКС c ЧРК каждому каналу выделяется полоса частот 4 кГц, хотя полоса пропускания КТЧ равна 3,1 кГц. В данном случае = 0,9 кГц. Следовательно, в МКС с ЧРК эффективно используется примерно 80% полосы пропускания тракта передачи. Кроме того, групповой тракт должен обладать высокой линейностью.

Это одна из основных причин перехода к группо­вому методу преобразования. При этом преобразование индивидуального сиг­нала осуществляется несколькими ступенями. На каждой ступени происходит объединение нескольких преобразованных сигналов, сформированных на пре­дыдущих ступенях. Принцип этого метода поясняет рис. 5.4. На первой ступени производят индивидуальное преобразование в спектр группового вспомога­тельного сигнала, называемого первичным; на второй ступени получают вторич­ный сигнал путём объединения нескольких преобразованных первичных груп­повых сигналов и т.д. Последняя ступень называется ступенью системногопреобразования. На приёмной стороне осуществляются обратные операции.

На рис. 5.5, а , б данные преобразования представлены в спектральной области, рис. 5.5, а поясняет формирование группового сигнала первичной стандартной группы (ПСГ) с по­мощью индивидуальных несущих частот f н1 – f н12 , а рис. 5.4 – вторичной стандартной группы (ВСГ) с помощью группо­вых несущих f н1 – f н5.

Рис. 5.4. Принцип метода группового преобразования сигналов

Рис. 5.5. Формирование спектров групповых сигналов

первичной (а ) и вторичной стандартной группы (б )

Достоинства метода:

– высокая «плотность упаковки» спектра линейного сигнала и, соответ­ственно, уменьшение полосы пропускания линейного сигнала при одном и том же количестве каналов;

– упрощение промежуточных станций, увеличение рас­стояния между промежуточными пунктами и удешевление системы в целом;

– уменьшение числа различных типов преобразований и фильтров, приводящее к удешевлению аппаратура, повышению её серийности и унифика­ции;

– уменьшение количества разных несущих частот, используемых при групповом преобразовании, и упрощение генераторного оборудования;

– упрощается проблема выделения групп каналов и сопряжения разных типов аппаратуры МКС.

Недостатки метода:

– большое число преобразований над каждым сигналом, в результате увели­чиваются искажения сигнала и соответственно ужесточаются требования к аппа­ратуре;

– возможное увеличение габаритов и стоимости оконечных пунктов.

Основные параметры стандартных групп каналов МКС с ЧРК приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Основные параметры стандартных групп каналов

5.2.2. Принципы формирования многоканальных сигналов в МКС с временным разделением каналов

При временном разделении каналов (ВРК) групповой тракт с помощью синхронных коммутаторов передатчика и приёмника поочередно предоставляется для передачи сигналов каждого канала МКС. Структурная схема МКС с ВРК приведена на рис. 5.6, где введены следующие обозначения: ИС i , ПС i – i -ый источник и получатель сообщений, ИМ – импульсный модулятор, ГТИ – генератор тактовых импульсов, ЛС – линия связи, ИД i – импульсный детектор i -го канала. В качестве канальных сигналов в системах с ВРК используются неперекрывающиеся во времени последовательности модулированных импульсов. Совокупность канальных сигналов образует групповой сигнал.

ИМ

ЛС

ГТИ

ИС N

N

ИС 1

ИС 2

K

K пр

ИД N

ПС N

N

ИД 2

ПС 2

ИД 1

ПС 1

Рис. 5.6. Структурная схема МКС с ВРК

Цифровые системы передачи (ЦСП) с ВРК, используемые в телекоммуникационных сетях, строятся на основе определенной иерархии, которая должна удовлетворять следующим основным требованиям:

– передача по каналам и трактам ЦСП всех видов аналоговых, дискретных и цифровых сигналов;

– соответствующая кратность скоростей обработки и передачи сигналов на различных ступенях передачи;

– возможность достаточного простого объединения, разделения, выделения и транзита передаваемых цифровых потоков;

– параметры ЦСП должны выбираться с учётом характеристик существующих и перспективных направляющих систем;

– возможность взаимодействия ЦСП с аналоговыми системами передачи и различными системами коммутации;

– при передаче сигналов типовых сообщений пропускная способность ЦСП должна использоваться наилучшим образом.

Формирование иерархии ЦСП осуществляется на основе объединения цифровых потоков низкого порядка, называемых компонентными, в единый цифровой, называемый групповым. Формирование группового цифрового сигнала возможно следующими способами объединения цифровых потоков:

– посимвольное (рис. 5.7, а );

– поканальное (рис. 5.7, б ).

В обоих случаях объединяются 4 потока.

Рис. 5.7. Структура цикла цифровой системы передачи с посимвольным (а ) и поканальным (б ) объединением цифровых потоков

При посимвольном объединении импульсы цифровых сигналов объединяемых цифровых потоков укорачиваются и распределяются во времени так, чтобы в освободившихся интервалах могли размес­титься объединяемые импульсы других потоков. При поканальном объединении цифровых потоков сужаются и распределяются во времени интервалы, отводимые для кодовых групп. Синхросигнал необходим для правильного распределения цифровых потоков на приёмном конце.

Возможно объединение цифровых потоков по циклам, кото­рое аналогично поканальному объединению: обрабатывается (сжимается) во времени и передается полностью цикл одного цифро­вого потока, затем следующих.

Наиболее простым и широко приме­няемым способом является способ посимвольного объединения.

При ВРК возможны переходные помехи между каналами, которые в основном обусловлены двумя причинами:

– неидеальностью АЧХ и ФЧХ тракта передачи;

– неидеальностью синхронизации коммутаторов на передающей и приёмной стороне.

Для снижения уровня взаимных помех при ВРК также приходится вводить защитные временные интервалы, что приводит к уменьшению длительности импульса каждого канала и, как следствие, расширения спектра сигналов. В соответствие с теоремой Котельникова для КТЧ минимальная частота дискретизации должна быть f д = 2F в = 6,8 кГц. Однако в реальных МКС с ВРК f д = 8 кГц.

Реальные МКС с ВРК уступают МКС с ЧРК по эффективности использования частотного спектра. Однако системы с ВРК имеют ряд преимуществ:

– отсутствуют переходные помехи нелинейного происхождения;

– ниже пик-фактор;

– аппаратура ВРК значительно проще аппаратуры ЧРК.

Наиболее широкое применение ВРК находит в цифровых системах передачи с ИКМ.

5.3. Фазовое, нелинейное, комбинационное и другие методы разделения каналов

5.3.1. Фазовое разделение каналов

В качестве переносчиков в системах передачи с фазовым разделением каналов (ФРК) используются гармонические колебания (несущие) с одинаковыми частотами и с начальными фазами, отличающимися друг от друга на π/2:

Канальные сигналы в системе формируются путем ампли­тудной модуляции несущих колебаний. Спектр каждого канального сигнала содержит две боковые полосы относительно несущей частоты ω н. При ФРК спектры канальных сигналов перекрывают друг друга. Тем не менее, разде­ление сигналов на приёме воз­можно вследствие взаимной орто­гональности переносчиков и . Разделение канальных сигналов и выделение информа­ционных сигналов осуществляются одновременно при разделении ортогональных сигналов. При этом групповой сигнал перемножается с переносчиком данного канала и интегрируется с помощью ФНЧ. На приёме в качестве перемножителя в каждом канале используется демодулятор, на который подается несущее колебание, когерентное с соответствующим колебанием на передаче. Необходимость когерентного приёма усложняет аппаратуру фазового разделения, так как требования к генераторному оборудо­ванию ужесточаются.

5.3.2. Разделение сигналов, передаваемых на кратных несущих частотах

В системах передачи дискретной информации находят практи­ческое применение МКС, в которых ортого­нальные переносчики выражаются членами тригонометрического ряда: Ψ k = k cosω н t , . Струк­турная схема такой системы соответствует схеме разделения орто­гональных сигналов. В системе используется амплитудная модуляция.

Нули спектра одиночного импульса передаваемого двоичного сигнала кратны частоте f 0 = 1/τ и, где τ и – длительность импульса. Если уравнять частоты f 0 и f н = ω н /2π, то выбранная система переносчиков будет ортогональна на протяжении интервала длительностью τ и. Так как k- й канальный сигнал равен u k (t ) = c k (t )cos(k ω н t ), то его спектр содержит две боковые полосы отно­сительно несущей f k = k f н. При f н = f 0 = 1/ τ и несущие частоты (k +1), (k + 2)-го и т. д. каналов, а также несущие предшествующих (k – 1), (k – 2)-го и т. д. каналов совпадают с нулями спектра k -го канала. Хотя спектры всех канальных сиг­налов перекрываются, тем не менее, различия в форме переносчи­ков позволяют разделить эти сигналы на приёме методом разделе­ния ортогональных сигналов.

Метод передачи на кратных несущих можно сочетать с методом фазового разделения сигналов: на каждой несущей k ω н можно осу­ществлять передачу двух сигналов с переносчиками cosk ω н t и sink ω н t. В этом случае при той же ширине спектра группового сигнала можно в два раза увеличить число каналов.

Известны многоканальные системы передачи дискретной информации, в которых в качестве переносчиков используются другие системы ортогональных функций: полиномы Лежандра, полиномы Лагерра и др. Все эти системы характеризуются следующим:

1) формирование и разделение канальных сигналов осуществляются с помощью простых интегрирующих уст­ройств, а не сложными канальными полосовыми фильтрами;

2) системы обладают высокой помехоустойчивостью;

3) на переходы между каналами оказывают влияние линейные и нелинейные искажения в групповом тракте;

4) требования к генераторному оборудованию ужесточаются вследствие необходимости когерентного приёма.

5.3.3. Нелинейное разделение сигналов

При построении некоторых систем передачи двоичных сигналов применяются следующие методы нелинейного разделения сигналов:

– комбинационный;

– разделение сигналов по уровню;

– кодовое разделение сигналов.

Комбинационный метод разделения сигналов . При передаче N независимых дискретных сооб­щений по общему групповому тракту, если элемент i -го сообщения может принимать одно из m i возможных значений (i = 1, 2, ..., N ), общее число значений, которое может принимать элемент N -канального источника, объединяющего исходные N источников, будет равно . При одинаковых значениях m i = m имеем M = m N . Таким образом, используя основание кода M = m N , можно одновременно передавать информацию от N индивидуальных источников, работающих с ос­нованием кода т. В частности, при т = 2 (двоичные коды), числе каналов N = 2, групповое сообщение b г может принимать четыре возможных значе­ния, соответствующих различным комбинациям нулей и единиц в обоих кана­лах, при N = 3 число различных комбинаций будет равно М = 8 и т.д. Задача теперь сводится к передаче некоторых чисел b г, определяющих номер комби­нации. Эти числа могут передаваться посредством сигналов дискретной моду­ляции любого вида. Разделение сигналов, основанное на различии в комбина­циях сигналов разных каналов, называется комбинационным. Структурная схема МКС с комбинационным (кодовым) разделением представлена на рис. 5.8. Здесь первичные сообщения b 1 (t ), b 2 (t ), ..., b N (t ) от N источников поступают на вход кодера, выполняющего роль устройства объединения каналов (УОК). Полученное групповое сообщение b г (t ) преобразуется с помощью модулятора М в групповой сигнал u г (t ), поступающий в групповой тракт (линию связи). На приёмной стороне после демодуля­ции и декодирования в приёмнике (П) в устройстве разделения каналов (УРК) формируются канальные сообщения, соответствующие N первичным сообщениям.

Типич­ными примерами комбинационного уплотнения являются сис­темы двукратного частотного телеграфирования (ДЧТ) и двукратного фазового телеграфирования (ДФТ), в которых для передачи четырёх комбинаций сигналов двух источников (каналов) используют соответственно четыре разные частоты f k , k = 1, 2, 3, 4 и четыре частоты с различными начальными фазами (табл. 5.2).

Рис. 5.8. Структурная схема многоканальной системы

с комбинационным уплотнением

Таблица 5.2

Параметры сигналов двухканальной системы

Комбинационная система выгодна при небольшом числе каналов, так как увеличение числа каналов (кратности системы) резко уве­личивает необходимое количество передаваемых сигналов, что при­водит к усложнению системы. В настоящее время применяются двукратные системы с ЧМ и AM, трёхкратные системы с ФМ и многократные комбинированные системы типа АФМ (амплитудно-фазовая модуляция).

Разделение сигналов по уровню . В системе разделения сигналов по уровню сигналы одинаковой формы могут передаваться одновременно, а групповой сигнал яв­ляется суммой канальных сиг­налов. Разделение сигналов на приёме осуществляется с помо­щью нелинейных пороговых ус­тройств. В простейшем случае при разделении двух сигналов u 1 (t ) и u 2 (t ) с амплитудами A 1 и А 2 пороговое устройство выделяет сигнал с большей ам­плитудой путём ограничения сверху и снизу (рис. 5.9, а ). Схема приёмного устройства показана на рис. 5.9, б .

Рис. 5.9. Структурная схема приёмного устройства МКС

с нелинейным разделением сигналов (б ) и эпюры сигналов (а )

На выход порогового уст­ройства проходит сигнал, соот­ветствующий сигналу u 1 (t ), но с уменьшенной амплитудой, равной (A 1 – А 2). Этот сигнал усиливается до номинального значения амплитуды (A 1) и по­ступает на выход первого ка­нала. Сигнал u 2 (t ) на выходе второго канала выделяется пу­тем вычитания u 1 (t ) из сум­марного сигнала.

Кодовое разделение сигналов . Принципы кодового разделения каналов основаны на использовании широкополосных сигналов (ШПС), полоса которых значительно превышает полосу частот, необходимую для обычной передачи сообщений, например, в узкополосных системах с ЧРК. Основной характеристикой ШПС является база сигнала, определяемая как произведение В = ∆FT ширины его спектра ∆F на его длительность Т . В цифровых системах связи, передающих информацию в виде двоичных символов, длительность ШПС Т и скорость передачи сообщений v связаны соотношением Т = 1/v . Поэтому база сигнала В = ∆F/v характеризует расширение спектра ШПС (S шпс) относительно спектра сообщения.

Расширение спектра частот передаваемых цифровых сообщений может осуществляться двумя методами или их комбинацией:

– прямым расширением спектра частот;

– скачкообразным изменением частоты несущей.

При первом способе узкополосный сигнал умножается на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом повторения Т , включающую N бит последовательности длительностью t 0 каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП: В = Т/t 0 = N .

Скачкообразное изменение частоты несущей, как правило, осуществляется за счет быстрой перестройки выходной частоты синтезатора в соответствии с законом формирования псевдослучайной последовательности.

Приём ШПС осуществляется оптимальным приёмником, который для сигнала с полностью известными параметрами вычисляет корреляционный интеграл

где x (t ) – входной сигнал, представляющий собой сумму полезного сигнала u (t ) и помехи n (t ) (в данном случае белый шум).

Затем величина z сравнивается с порогом Z 0 . Значение корреляционного интеграла находится с помощью коррелятора или согласованного фильтра. Коррелятор осуществляет «сжатие» спектра широкополосного входного сигнала путем умножения его на эталонную копию u (t ) с последующей фильтрацией в полосе 1/Т , что и приводит к улучшению ОСШ на выходе коррелятора в В раз по отношению ко входу. При возникновении задержки между принимаемым и опорным сигналами амплитуда выходного сигнала коррелятора уменьшается и приближается к нулю, когда задержка становится равной длительности элемента ПСП t 0 . Это изменение амплитуды выходного сигнала коррелятора определяется видом автокореляционной функции (при совпадающих входной и опорной ПСП) и взаимнокорреляционной функции (при отличающихся входной и опорной ПСП). Выбирая определенный ансамбль сигналов с «хорошими» взаимными и автокорреляционными свойствами можно обеспечить в процессе корреляционной обработки (свёртки ШПС) разделение сигналов. На этом основан принцип кодового разделения каналов связи.

5.3.4. Статистические методы уплотнения

В статистических методах уплотнения используются статистические особенности канальных сигналов в системах ЧРК или ВРК. В многоканальных телефонных си­стемах этот метод позволяет организовать дополнительные связи по существующим уже каналам в паузах речевых сигналов. В про­цессе телефонного разговора каждое из направлений передачи занято в среднем в течение 25 % времени продолжительности разговора. Число каналов, занятых непрерывной передачей речи, так называемых активных каналов, в многоканальной телефонной системе всегда меньше общего числа каналов N и при большом числе каналов N > 4000 отно­шение n/N становится равным 0,25 – 0,35. Наличие временно свободных каналов дает возможность строить системы уплотнения, в которых число передач m превышает номинальное число кана­лов N. В таких системах канал предоставляется абоненту только па время непрерывной передачи речи, т. е. на время активного со­стояния канала. Во время пауз в речи канал отключается от данного абонента и подключается к другому говорящему абоненту. Когда первый абонент вновь начинает говорить, он подключается к любому свободному каналу в системе.

Другим видом систем статистического уплотнения являются системы, в которых паузы в передаче речи по телефонным каналам используются для передачи данных.

5.4. Системы передачи и распределения информации

С целью организации обмена информацией между многими источниками и получателями информации каналы и системы передачи объединяются в сети связи – системы передачи и распределения информации (СПРИ).

Система АВ

Первой системой, получившей практическое применение в процессе развития стереофонии, стала система АВ.

Структурная схема звукопередачи по системе АВ показана на рис. 2. При этом имеются два микрофона: левый Мл и правый Мп, расставленные по фронту перед исполнителями, например перед оркестром. Звуковые волны, исходящие от одних и тех же инструментов, воздействуют на микрофоны с различными фазами и интенсивностью, в зависимости от того, на каком расстоянии от источника расположен данный микрофон, поэтому система АB называется фазово-интенсивностной.

При использовании системы АВ следует учитывать следующее. Во-первых, при слишком большом расстоянии между микрофонами у слушателя может возникнуть впечатление «разрыва» образа, скачка звука от одного громкоговогорителя к другому, «провала центра», отсутствия не прерывности звуковой картины по азимуту, невозможности различать в этой картине отдельные источники звука.

Рис2.Стереофоническая система АВ

Чем больше расстояние между микрофонами, тем меньшим оказывается угол восприятия стереофонической картины. Во-вторых, при чрезмерно близком расположении источников звуков к линии микрофонов может возникнуть такой же нежелательный эффект, причем еще в большей степени. В-третьих, чем меньше расстояние между микрофонами, тем более правильной получается звукопередача источников, расположенных под различными углами к оси симметрии микрофонов. Однако слишком сближать микрофоны тоже нельзя. Минимальное расстояние ограничивается необходимостью приема каждым из микрофонов различной информации. При помещении обоих микрофонов в одну точку пространства они в системе АВ воспринимают одинаковую информацию, и стереоэффект исчезает.

Система XY

В этой системе локализация источников звука обеспечивается только различием интенсивности звука, воспринимаемой обоими микрофонами, поэтому система называется интенсивностной. Фазовые сдвиги между сигналами микрофонов Мл и Мп отсутствуют.

Схема стереофонической звукопередачи по системе ХУ приведена на рис.3. Два микрофона направленного действия (в данном случае -- двусторонненаправленные) объединяются в единой конструкции так, чтобы их диафрагмы находились по возможности ближе друг к другу, напри- мер рядом или на одной вертикали друг над другом.

Рис.3

Оси максимальной чувствительности располагаются по двум ортогональным направлениям таким образом, что образуют равные углы с плоскостью симметрии, делящей звуковое поле пополам (чаще всего 45°).

С учетом характеристик направленности микрофонов источник звука И1 будет восприниматься только микрофоном Мл, источник звука ИЗ -- только микрофоном Мп, имеющими в этих направлениях максимальную чувствительность. Источник звука И2, находящийся в центре звукового поля, в одинаковой степени воспринимается микрофонами Мл и Мп и при воспроизведении будет слышен звучащим из центра. Источники звука, расположенные между источниками И1 и И2, будут создавать больший по уровню сигнал на микрофоне Мл и при прослушивании будут восприниматься слева от центра. Источники звука, расположенные между источниками И2 и ИЗ, будут слышны при воспроизведении справа.

Система MS

Эта система является фактически одной из разновидностей системы ХУ, например, когда один из микрофонов Мм имеет круговую характеристику направленности, а второй микрофон Ms -- косинусоидальную характеристику, как это показано на рис. 2.3,г.

В системе MS стереофонический сигнал делится на «сигнал звука» , или сигнал М (от немецкого слова Mittel --середина) и на «сигнал направления», или сигнал S (от немецкого слова Seite -- сторона). Сигнал М представляет собой обычную суммарную монофоническую информацию, т. е. сумму левого и правого сигналов. Сигнал S содержит информацию о звуковом поле слева и справа от микрофона, т. е. информацию о расположении источников звука вдоль фронта. Сигнал S представляет собой разность интенсивностей звуковых волн, воздействующих от одного и того же источника на диафрагму микрофона с двух сторон -- слева и справа.

Для получения информации левого X и правого У каналов системы стереопередачи необходимо произвести преобразования сигналов с помощью суммарно-разностных преобразователей СРП (рис. 4). Сигнал левого канала стереопары представляет собой сумму сигналов M и S, т. е. X=M+S, а сигнал правого канала -- разность сигналов М и S, т. е. У=М--S. В этом легко убедиться, изобразив характеристики направленности микрофонов М (круг) и S (косинусоида) в декартовой системе координат (рис. 5а). В декартовой системе зависимость чувствительности микрофона Е от угла падения M и S (а) круговой характеристики имеет вид прямой линии М, а для косинусоидальной характеристики -- отрезок косинусоиды S.

Рис.4

Рис. 5

Если в одном канале напряжения сигналов М и S сложить (M+S), а в другом канале из напряжения сигнала М вычесть напряжение сигнала S (т. е. М--S), то для каждого из каналов стереопередачи зависимость выходного напряжения от угла падения звуковой волны на микрофон представляется кривыми M+S =X и М--S = Y, как это показано на рис. 5б. Таким образом, видно, что системы ХУ и MS эквивалентны, и переход от одной из них к другой осуществляется с помощью простейшей операции суммарно-разностного преобразования сигналов.

Система MS требует наличия в составе звукорежиссерского пульта дополнительных узлов: суммарно-разностных преобразователей, стереорегуляторов направления и базы. Преимущество системы MS перед системой ХУ заключается в том, что при этой системе техника регулирования проще, она во многом идентична технике регулирования обычной монофонической передачи. В этой системе легко регулировать как общую ширину базы, так и ширину участков базы, занятых отдельными группами исполнителей, а также регулировать направления на источники.

Комбинированные системы

Рассмотренные выше системы АВ, ХУ и MS основаны на использовании двух обычных монофонических микрофонов либо применительно к системам ХУ и MS -- одного стереофонического микрофона, представляющего собой два монофонических микрофона, скомпонованных в одном корпусе. Однако по мере развития стереофонии, особенно с появлением многоканальной звукозаписи, системы стереофонической звукопередачи стали постепенно усложняться. Микрофоны стали устанавливать около каждой группы инструментов, каждой группы исполнителей, отдельно для солиста, отдельно для некоторых инструментов и т. д. Все эти сигналы сначала записываются, а затем «сводятся». Получается стереофонический оригинал, с которого потом снимают стереофонические и монофонические вещательные дубли. Системы стереофонической звукопередачи, с использованием большого числа микрофонов, получили название полимикрофонных систем. Некоторые из них:

Полимикрофонная система AB

Полимикрофонная система XY

Смешанная система AB и XY

Система MS c несколькими одиночными микрофонами

Система с двойным преобразованием сигналов

Выводы о стереосигналах

Для формирования стереосигнала требуется не менее двух микрофонов, расположенных как в разных точках (Система AB) первичного помещения (студии, зала), так и в одной точке, но расположенных под некоторым углом друг к другу (Система XY), либо с различной диаграммой направленности (Система MS).

Принцип системы MS, заключающийся в том, что передаются сумма и разность сигналов Л и П, применяется для формирования сигнала стереофонического радиовещания, что позволяет обеспечить прием стереопередач на монофонические устройства.

Для воспроизведения стереосигнала, полученного при помощи системы MS, необходим дополнительный блок суммарно-разностного преобразования, который будет преобразовывать сигналы M и S в сигналы Л и П, и при определенной доработке на нем можно выполнять регулировку ширины стереобазы.