Особенности дискретных (цифровых) систем связи

Частотное разделение каналов (ЧРК). Временное разделение каналов (ВРК). Структурные схемы систем с ЧРК и ВРК.

Сумматор по модулю два – это логический элемент Исключающее ИЛИ, который дает логическую единицу на выходе, когда на одном входе логическая единица, а на другом – логический ноль. Когда на обоих входах одинаковое значение, логический элемент дает на выходе логический ноль.

При сложении по модулю два количество входов не ограничивается двумя. Можно сложить любое количество бинарных чисел. Если в строке нечетное число логических единиц, то на выходе будет логическая 1, во всех остальных случаях на выходе 0.

Схема реализации М-последовательности, представленной на рис.1.5.1,в, состоящей из 7 элементов (n=7), приведена на рис.1.5.3 [6].

Рис.1.5.3. Схема реализации М-последовательности

Схема формирования такой М-последовательности (рис. 1.5.3): генератор тактовых импульсов (ГТИ) управляет работой регистра сдвига, состоящего из триггеров Тг1 - Тг3. Обратная связь осуществляется с помощью сумматора по модулю два. Период повторения тактовых импульсов равен длительности элементарного сигнала, а период псевдослучайной =7.

База ШПС определяется величиной Nс= n = /, где n – число видеоимпульсов в последовательности. Шумоподобные сигналы с большой базой (до нескольких тысяч) применяются для синхронизации каналов и кодирования адресов команд в цифровых радиолиниях. Декодирование таких сигналов производится либо на радиочастоте с помощью многоотводной линии задержки, либо на видеочастоте после демодуляции.

После декодирования длительность видеоимпульса на выходе схемы равна, т. е. длительность сигнала уменьшается в n раз по сравнению с периодом последовательности. Таким образом, происходит сжатие сигнала во времени.

Малое значение коэффициента взаимной корреляции псевдослучайных видеосигналов позволяет осуществить кодовое разделение каналов. Например, для М-последовательностей величина этого коэффициента составляет, т. е. уменьшается с ростом базы. Автокорреляционная функция псевдослучайного сигнала имеет узкий центральный пик длительностью. Уровень боковых лепестков автокорреляционной функции достаточно мал.

Шумоподобные сигналы с фазовой манипуляцией используются для разделения лучей при многолучевом распространении радиоволн в системах связи и радионавигации, для подавления сосредоточенных помех и построения систем скрытой связи. Прием таких сигналов производится с помощью согласованных фильтров.

При согласованной фильтрации все гармонические составляющие сигнала становятся синфазными. Согласованный фильтр устраняет сложную внутриимпульсную модуляцию сигнала. Отношение сигнал/шум на выходе фильтра определяется выражением

q₀²=2Ес/Nп, (1.5.1)

где E_C – энергия сигнала, N_П – спектральная плотность помехи.

Согласованная фильтрация ШПС позволяет успешно бороться с целым рядом помех. Мощные узкополосные помехи в широкой полосе частот ШПС Fc >>1/Tc устраняются режекторными фильтрами. При применении шумоподобных сигналов эти помехи приводят к уменьшению отношения сигнал/шум на выходе фильтра. В случае использования простых сигналов с полосой частот Fc ≈1/Tc узкополосные помехи привели бы к нарушению связи.

При наличии помех, отличающихся по форме от принимаемого ШПС, происходит разрушение фазовой структуры помехи. При этом сжатия помехи согласованным фильтром не происходит. Выделение полезного сигнала на фоне помехи осуществляется тем лучше, чем выше база сигнала N_c=F_сT _с.

Рассмотрим действие на систему радиосвязи организованной прицельной помехи с конечной мощностью P_П

Рп= NпFc (1.5.2)

Энергия шумоподобного сигнала определяется выражением

Ес= РсТс (1.5.3)

Учитывая предыдущие формулы, получим

q₀²=2(Рс/Рп)Nc, (1.5.4)

где N_С - величина базы сигнала.

Из предыдущего выражения следует, что расширение полосы частот ШПС за счет увеличения его базы N_С позволяет повысить помехоустойчивость системы. При этом предполагается, что мощность помехи P_П имеет постоянное значении. Следует отметить, что увеличение P_П в ряде случаев затруднительно, так как средства радиопротиводействия имеют ограниченную мощность.

Применение ШПС позволяет осуществить их прием при входном отношении сигнал/помеха, много меньшем единицы, т. е. при весьма низком уровне сигнала. Например, при и N_С = 500 из последнего выражения следует, что величина Рс/Рп=0,01. Очевидно, что при таком значении P_С обеспечение требуемой энергии сигнала достигается увеличением длительности.

Уменьшение мощности принимаемого сигнала позволяет при заданной дальности действия уменьшить излучаемую мощность, т. е., в принципе, затрудняется разведка излучения передатчика противником и повышается скрытность передачи. Помехозащищенность системы повышается за счет уменьшения вероятности организации радиопротиводействия.

Выражение получено в предположении, что прием осуществляется согласованным фильтром. Если противник не знает тонкой структуры ШПС, то прием будет неоптимальным. Поэтому отношение сигнал/шум на выходе разведывательного приемника оказывается значительно меньшим, чем его значение определяемое по формуле.

Частотное разделение каналов (ЧРК). Частотное разделение широко применяется в аналоговых системах [6]. Одновременная передача нескольких сообщений осуществляется путем размещения их в разных полосах частот. Для этого используют разнесенные по частоте поднесущие гармонические колебания f 1, f 2, …., f n, каждое из которых модулируется своим сообщением с полосой частот Ωн –Ωв. В результате около каждой поднесущей получают полосу частот (рис.1.5.4).

Рис.1.5.4. Частотное разделение каналов

При правильно выбранном разносе между отдельными поднесущими спектры канальных сигналов не перекрываются. Структурная схема системы с частотным разделением каналов приведена на рис. 1.5.5

Рис.1.5.5. Структурная схема системы с частотным разделением каналов

Сообщение S _i (t) модулируют по амплитуде или частоте поднесущие в канальных передатчиках. В аппаратуре уплотнения (АУ) образуется суммарный групповой сигнал, который модулирует несущие колебания передатчика. Наиболее часто применяется частотная модуляция несущей. Частоту несущего колебания выбирают значительно выше максимальной частоты спектра группового сигнала. Полученный линейный сигнал передается по радиолинии связи Л.

На приемном конце производится демодуляция несущего колебания. Полученный групповой сигнал, состоящий из более низких поднесущих частот, поступает на полосовые фильтры ПФ _i. Полосы пропускания этих фильтров соответствуют канальным сигналам. Полосовые фильтры осуществляют разделение каналов по частоте. Сигналы отдельных каналов поступают на соответствующие приемники Ппр _i.. Здесь канальные сигналы усиливаются, детектируются и преобразуются в сообщения S _i (t).

В системах с ЧРК применяются различные виды модуляции: АМ- ЧМ, ЧМ- ФМ и т.д. В радиорелейных линиях при уплотнении телефонных каналов количество каналов может достигать 2700.

Временное разделение каналов. Временной способ разделения каналов применяется в аналоговых импульсных и особенно широко в цифровых системах [6]. При временном разделении радиолиния посредством коммутации поочередно предоставляется для передачи сигналов по каждому каналу. Для синхронизации работы коммутаторов в передающей и приемной частях системы должны передаваться специальные сигналы синхронизации. Частота канальных импульсов при передаче аналоговых сообщений выбирается в соответствии с теоремой Котельникова. Синхронная коммутация каналов на передающем и приемном концах радиолинии обеспечивает разделение каналов.

В аналоговых линиях квантование сообщений по времени осуществляется с помощью последовательности видеоимпульсов с посто- янным периодом повторения (импульсная поднесущая). В первой ступени модуляции производится изменение одного из параметров импульсной последовательности в соответствии со значениями сообщений в моменты появления импульсов. При этом используются импульсные виды модуляции АИМ, ШИМ или ВИМ (рис.1.4.1).

В промежутках времени между импульсами одного сообщения в общий тракт поступают импульсы других каналов и сигналы синхронизации. Таким образом, образуется групповой сигнал. Вторая ступень модуляции производится посредством модуляции несущего колебания импульсной последовательностью группового сигнала. Модуляция несущей осуществляется по амплитуде или частоте.

В командных и телеметрических линиях широко применяются системы с модуляциями ВИМ-АМ, ШИМ-ЧМ, АИМ-ЧМ. В радиорелейной связи применяются системы с модуляцией ВИМ-АМ.

Структурная схема аналоговой радиолинии с временным разделением каналов (ВРК) приведена на рис.1.5.6.

Рис.1.5.6. Структурная схема системы с временным разделением каналов

Сообщения S _i (t) поступают на канальные модуляторы – квантователи М _i. Период и моменты квантования сообщений различных каналов определяются импульсами, поступающими с канального распределения КР.

Распределитель образует ряд импульсных поднесущих, каждая из которых модулируется своим сообщением. В результате модуляции на выходе М _i образуется последовательность канальных импульсов i -го канала, где i =1,2, …, n. Переключение каналов производится последовательно во времени. Распределитель КР управляется синхронизирующими импульсами генератора ГСИ.

В аппаратуре уплотнения производится суммирование синхронизирующих и канальных импульсов и их нормализация по амплитуде (при модуляции ВИМ или ШИМ) или по длительности (при модуляции АИМ). Образованный групповой сигнал модулирует в передатчике П_пер несущее колебание и излучается.

На другом конце радиолинии принятый радиосигнал усиливается и детектируется, в результате чего образуется групповой сигнал. Синхронизирующие импульсы отличаются по форме (ИВК) или по длительности от канальных. В каскаде ФСС осуществляется формирование принятых синхронизирующих сигналов, которые управляют работой распределителя каналов КР приемной части.

Таким образом, коммутаторы КР на приемном и передающем концах линии работают синхронно. Групповой сигнал поступает на разделение каналов с помощью канальных демодуляторов Д _i. Демодуляция канальных импульсов осуществляется в строго отведенный каждому каналу интервал времени по сигналам распределителя КР.

Преимущество систем с ШИМ по сравнению с АИМ заключается в возможности применения ограничения импульсов по минимуму и максимуму. При этом исключается влияние помех, искажающих амплитуду импульсов.

Время-импульсная модуляция (ВИМ) обладает наибольшей помехоустойчивостью из всех видов импульсной модуляции. При демодуляции сигналов с ВИМ с целью увеличения амплитуды выходного сигнала предварительно производится преобразование ВИМ и ШИМ. В дальнейшем осуществляется демодуляция сигналов, имеющих широтно-импульсную модуляцию. В системах с ВИМ синхронизирующие и канальные импульсы могут быть представлены в виде импульсно-временных кодов, что повышает помехоустойчивость радиолинии.

Системы с ВРК имеют до 100 каналов, т. е. гораздо меньше, чем при частотном разделении. С ростом числа каналов при ВРК сложность аппаратуры уплотнения и разделения каналов существенно возрастает. Однако эта аппаратура в системах с ВРК значительно проще, чем в системах с ЧРК. При этом широко применяются логические элементы цифровой техники.

В радиолиниях с ВРК предъявляются высокие требования к точности синхронизации каналов. Аналоговые системы с ВРК применяются в телеметрических и командных радиолиниях. Преимущество использования ВРК в радиорелейных линиях связи является возможность выделения любого числа каналов на промежуточных станциях. Требования к приемным устройствам и нелинейности тракта в системах с ВРК менее жестки, чем при частотном разделении.

Многоканальные дискретные радиолинии связи. Перейдем к рассмотрению особенностей цифровых систем связи [6]. В таких системах широко применяются кодово-импульсная модуляция (КИМ). Для улучшения энергетических характеристик в радиолинии обычно используется временное разделение каналов с последовательной передачей во времени отдельных позиций кодового слова. КИМ представляет собой совокупность амплитудно-импульсной модуляции и кодирования.

В связи с простотой аппаратурной реализации широко применяется двоичное кодирование амплитуды импульсов, полученных в результате временного квантования непрерывного сообщения (см. рис.1.5.7).

Рис.1.5.7. Квантование и кодирование Рис.1.5.8. Манипуляция

сообщений поднесущего колебания

Непрерывное сообщение S(t) квантуется по времени с периодом T₀, который определяется по теореме Котельникова (рис. 1.5.7,а). Полученные сигналы с амплитудно-импульсной модуляцией АИМ (рис. 1.5.7, б) преобразуется в кодирующем устройстве в последовательный двоичный код (рис.1.5.7, в). Длительность кодового слова равна T₀. В приведенном примере каждое кодовое слово состоит из четырех разрядов. Например, импульс с амплитудой в 5 единиц представляется в виде кода 0101.

Каждый элемент кодового слова может быть представлен символом «0» (отрицательные видеоимпульсы) или «1» (положительные видеоимпульсы). Номер позиции кода определяется соответствующим положением символа во времени. Отдельные разряды двоичного кода передаются последовательно во времени. В многоканальной линии видеоимпульсы КИМ используются для манипуляции поднесущего колебания по амплитуде, частоте или фазе (рис. 1.5.8). В режиме передачи сигналов с амплитудой манипуляцией КИМ-АМн с пассивной паузой (рис. 1.5.8, а) при передаче символов «0» сигнал отсутствует.

При передаче с активной паузой символам «0» соответствуют колебания с другой частотой или фазой. При частотной манипуляции КИМ-ЧМн (рис.1.5.8,б) поднесущие частоты для символов «0» и «1» будут различными. Наряду с фазовой манипуляцией ФМн (см.рис.1.5.1, г)широко применяется относительная фазовая манипуляция (ОФМн).

При КИМ-ОФМн (рис.1.5.8, в) изменение фазы колебания на производится лишь при появлении положительных видеоимпульсов, т.е. в случае появления символов «1». В случае появления «0» фаза не изменяется. Применение ОФМн позволяет уменьшить ошибки при демодуляции шумоподобных сигналов, которые могут возникать.

В цифровых системах наряду с информационными кодовыми словами, которые служат для передачи дискретных сообщений, передаются сигналы кадровой, пословной и посимвольной синхронизации. На рис.1.5.9 показаны сигналы синхронизации при временном и кодовом разделении каналов.

Рис.1.5.9. Сигналы синхронизации

При временном разделении (рис.1.5.9, а) каждый канал передается в течении определенного времени T₀. В каждом такте передачи сообщений по n каналам вначале передается кодовое слово кадровой синхронизации длительностью T_С. Для повышения надежности выделения информационных кодовых слов передаются также сигналы пословной синхронизации (заштрихованные импульсы).

При асинхронной передаче каналы могут передаваться в произвольном по времени порядке (см. рис. 1.5.9, б). В данном случае каждое кодовое слово состоит из адресной и информационной части. Код адреса определяет номер передаваемого канала (или адрес получателя). Информационная часть представляет собой двоичный код соответствующего дискретного сообщения.

Обработка информационных сигналов обычно осуществляется поэлементно, т. е. в процессе приема определяется, какое значение («0» или «1») передано на каждой позиции кода.

В качестве слов кадровой синхронизации и адресов часто используют составные сигналы. На рис. 1.5.9, а показано применение псевдослучайного видеосигнала (М - последовательность) при кадровой синхронизации. Для кодирования адресов могут применяться также импульсно – временные коды (рис.1.5.9, б).

Использование составных сигналов повышает помехоустойчивость и точность синхронизации многоканальной системы связи. Обработка сигналов синхронизации осуществляется «в целом» и основана на знании внутренней структуры этих сигналов. Для приема составных сигналов используется пассивные согласованные фильтры.

Следует отметить, что сигналы пословной и посимвольной синхронизации, а также отдельные символы кодового слова могут быть представлены составными сигналами.

Перейдем к рассмотрению структурной схемы многоканальной цифровой радиолинии (рис.1.5.10).

Рис.1.5.10. Структурная схема многоканальной цифровой радиолинии

Система состоит из передающей и приемной частей. Аналоговые сигналы с датчиков (от источников сообщений ИС) U_д(t) поступают в кодирующее устройство КУ. Кодирующее устройство управляется сигналами синхронизации Uc(t), которые поступают с генератора синхроимпульсов ГС. Сигналы синхронизации служат для квантования сообщений по времени и коммутации каналов при временном разделении. В кодирующем устройстве осуществляется уплотнение каналов (путем применения АИМ) и квантование сообщений по уровню.

Преобразование аналог – код обычно осуществляется после уплотнения каналов, так как при этом упрощается техническая реализация системы. Современные кодирующие устройства позволяют преобразовывать плавно изменяющиеся напряжения с ошибкой, не превышающей 0,1%, что соответствует 10 двоичным разрядам. Кодирование синхроимпульсов производится в кодирующем устройстве КС. На выходе суммирующего устройства образуется низкочастотный групповой сигнал G(t), содержащий кодированные сигналы сообщений U_ДК(t) и синхронизации U_СК(t).

При двухступенчатой модуляции в модуляторе М осуществляется модуляция несущего колебания групповым сигналом КИМ по частоте, амплитуде или фазе. Несущее колебание вырабатывается в генераторе ГН. Радиочастотный сигнал a (t) излучается антенной A1 и принимается на приемном тракте антенной А2. Искажение сигнала в радиолинии, влияние помех, окружающей среды и нестабильности аппаратуры системы учитываются в виде помехи n( t ), приведенной к входу преемника Прм.

После демодуляции несущего колебания в демодуляторе Дм групповой сигнал G(t) поступает в декодер синхронизирующего импульса ДС. В декодирующем устройстве ДУ осуществляется разделение каналов и их декодирование с помощью преобразователя код –аналог. Непрерывные сигналы U_Д(t) поступают к получателям сообщений ПС.

Наиболее важными и сложными устройствами в аппаратуре цифровых радиолиний являются кодирующие и декодирующие устройства, включающие преобразователи аналог – код и код –аналог. При кодово-импульсной модуляции (КИМ) резкое ухудшение стабильности работы отдельных элементов и системы в целом может привести к существенному возрастанию ошибок при воспроизведении сообщений, так как цифровые системы обладают пороговым эффектом.

Передающая и приемная части систем с КИМ обычно сложнее, чем при других видах модуляции из-за наличия кодера КУ и декодера ДУ. При передаче по цифровой линии дискретных сообщений, например, данных от ЦВМ, аппаратура существенно упрощается, так как отпадает необходимость в преобразователях аналоговых величин в цифровые и обратно.

Контрольные вопросы

1.Нарисовать временную диаграмму импульсно-временного сигнала. 2.Нарисовать временную диаграмму псевдослучайной последовательности видеоимпульсов.

3.Что представляет собой частотно-временной сигнал.

4.Нарисовать временную диаграмму шумоподобного сигнала с фазовой манипуляцией.

5.Пояснить принцип ЧРК по структурной схеме.

6.Пояснить принцип ВРК по структурной схеме.

7.Что такое кодо-импульсная модуляция?