Временное разделение каналов

В зарубежных источниках для обозначения принципа временного разделения каналов используется термин Time Division Multiply Access (TDMA). Каждому каналу выделяется свой промежуток времени для передачи команды. В качестве переносчика информации используются периодические последовательности импульсов, называемые импульсными поднесущими.

При временном разделении каналов (ВРК) сигналы, принадлежащие отдельным каналам, не перекрываются по времени. Импульс i-го канала группового сигнала может находиться только в i-м интервале времени (рисунок 6.15). Такие сигналы ортогональны независимо от формы импульсов, если только временное положение этих импульсов находится в пределах своего канального интервала. Частота переключения каналов выбирается так, чтобы для всех возможных реализаций сообщений удовлетворялся заданный показатель верности. Для выделения канального сигнала на приемной стороне используются базисные функции и .

Такие функции ортогональны:

Для разделения каналов при ВРК необходимо производить следующие операции:

. (6.7)

При ВРК необходима многоступенчатая модуляция, минимальное число ступеней которой равняется двум. В первой ступени какой – либо параметр периодической последовательности видеоимпульсов модулируется сообщением . Число канальных импульсов равняется числу каналов.

Рисунок 6.15 – Формирование сигналов при ВРК

Определим периодическую последовательность импульсов следующим образом:

(6.8)

где - функция, характеризующая форму импульсов, - амплитуда импульсов,

, (6.9)

определяют начало переднего фронта k-го импульса, - период следования импульсов, - начало отсчета последовательности, - сдвиг k-го импульса относительно момента времени , - длительность k-го импульса.

В первой ступени часто применяют следующие виды параметрической модуляции (см. рис. 6.16):

– амплитудно-импульсная модуляция (АИМ);

– широтно-импульсная модуляция (ШИМ);

– время - импульсная модуляция (ВИМ), разновидностью которой является фазо - импульсная модуляция (ФИМ).

Рассмотренные виды модуляции первой ступени относятся к параметрическим, так как основаны на изменении параметров импульсного потока. На практике используют и непараметрические методы модуляции, при которых значениям отсчетов сообщения ставится в соответствие кодовая комбинация, состоящая из элементов, отличающихся частотой, интервалом и т.п. Сюда относятся импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) и дельта-модуляция (ДМ).

В зависимости от сочетания способов модуляции на первой и второй ступенях выделяют различные классы систем с ВРК, например АИМ-ЧМ, ШИМ-ФМ, ИКМ-ЧМ и т.п. Каждая из систем имеет свои преимущества и недостатки. Наиболее широкое распространение получили системы с ШИМ и ВИМ, а также с ИКМ, поскольку они обеспечивают высокую надежность передачи сообщений при относительной простоте реализации аппаратуры.

Возможна комбинированная модуляция, при которой одновременно меняются несколько параметров (АИМ-ШИМ, АИМ-ВИМ).

Рисунок 6.16 - Модуляция канальных импульсов при ВРК: а) непрерывное сообщение; б) АИМ; в) ШИМ; г) ВИМ

Во второй ступени параметр синусоидального колебания высокой частоты модулируется суммой канальных импульсов. Обычно используется амплитудная, фазовая, частотная модуляция. В названии системы с ВРК первые буквы определяют вид модулированной последовательности импульсов, а последние – способ модуляции сигнала несущей частоты суммой канальных импульсов (ШИМ-ЧМ, АИМ-АМ).

Рассмотрим структурную схему передающей части системы с ВРК (рисунок 6.17). ГТИ вырабатывают последовательность импульсов с частотой . Построим эпюры в указанных точках рисунка 6.17. Для синхронизации устройства разделения используют нулевой или

канал. В устройстве формирования синхроимпульса (УФСИ) эти импульсы кодируются.

Рисунок 6.17 – Передающая часть системы с ВРК: ПП – пункт передачи; КМ- канальный модулятор, М – модулятор несущей; ГТИ – генератор тактовых импульсов; ГКИ- генератор канальных импульсов; УФСИ – устройство формирования синхроимпульсов

Синхроимпульсы должны отличаться по форме от канального импульса. Первая ступень модуляции реализуется в канальном модуляторе (КМ), на который поступает первичный сигнал и периодическая последовательность канальных импульсов (в). Промодулированные в каждом канале импульсы складываются в сумматоре Σ. Вторая ступень модуляции осуществляется в модуляторе (М) передатчика (ПрД).

Рисунок 6.18 – Эпюры напряжений в характерных точках

Интервал времени между ближайшими импульсами группового сигнала T_K называется канальным интервалом или тайм-слотом (Time Slot). Промежуток времени между соседними импульсами одного индивидуального сигнала называется циклом передачи Т_Ц. От соотношения Т_Ц и T_K зависит число импульсов, которое можно разместить в цикле, т.е. число временных каналов.

На приемной стороне системы с ВРК принятое колебание усиливается в приемнике (ПрМ) и демодулируется (ДМ) (рисунок 6.19). Далее последовательность импульсов поступает на селектор синхроимпульсов ССИ и на N-ый вход временных селекторов (ВС).

Рисунок 6.19- Приемная часть системы с ВРК: ДМ – демодулятор, ГСИ – генератор селекторных импульсов, ВС – временной селектор, КД –канальный демодулятор, Ф - фильтр, ССИ – селектор синхроимпульсов

Простейшая схема ССИ имеет вид (рисунок 6.20).

Рисунок 6.20 – Селектор синхроимпульсов

Сигнал на схему «И» подается с двух отводов линии задержки (ЛЗ). Задержка осуществляется на время . Сигнал со схемы ССИ используется для запуска генератора селекторных импульсов (ГСИ). Импульсы с ГСИ открывают ВСi соответствующего канала на время существования i-го канального импульса. Далее сигнал поступает на i-ый канальный демодулятор КД. Рассмотрим эпюры напряжения в различных точках схемы на рис. 6.21.

Рисунок 6.21 – Эпюры напряжений в характерных точках схемы

В отличие от систем с ЧРК системы с ВРК, обладая более высокой помехоустойчивостью, имеют существенный недостаток. С увеличением числа каналов, длительность канального импульса уменьшается, что ведет к расширению спектра частот сигнала. В связи с этим в системах с временным разделением число каналов обычно не превышает 48, но в системах радиоуправления проблема большого числа каналов не стоит.

При временном разделении каналов, так же как и при ЧРК, существуют взаимные помехи, в основном обусловленные двумя причинами.

Первая состоит в том, что линейные искажения, возникающие за счет ограниченности полосы частот и не идеальности амплитудно-частотной и фазо- частотной характеристик всякой физически осуществимой системы, нарушают импульсный характер сигналов. При временном разделении сигналов это приведет к тому, что импульсы одного канала будут накладываться на импульсы других каналов. Иначе говоря, между каналами возникают взаимные переходные помехи или межсимвольная интерференция. Следует различать два рода междуканальных помех, возникающих из-за недостаточной ширины полосы пропускания общего тракта радиолинии:

- междуканальные помехи 1-го рода, появляющиеся из-за амплитудных и фазовых искажений в области низких частот. Характерно, что этот вид помех может возникать как между соседними каналами, так и между каналами, разделенными значительным промежутком времени;

- междуканальные помехи 2-го рода, возникающие из-за амплитудных и фазовых искажений в области высоких частот. Эти помехи возникают главным образом между соседними каналами.

Искажения в области низких частот в первую очередь касаются составляющих спектра на частотах модулирующего сигнала.

Рисунок 6.22 – Низкочастотный участок частотной характеристики общего тракта радиолинии, - частота опроса (переключения) каналов

Из рисунка 6.22 видно, что составляющая с частотой первого канала из-за АЧХ радиолинии относительно уменьшается, в то же время составляющая второго канала (имеющая частоту ) и другие составляющие в спектре передаются без искажений. В этом случае во втором канале могут возникнуть нелинейные искажения, которые получились бы, если бы к общему спектру сигнала прибавить синусоидальную составляющую с частотой . Снижение коэффициента передачи на частоте вызовет смещение импульсов во втором канале линии АИМ-АМ и во всей командной радиолинии относительно истинной нулевой линии по гармоническому закону с частотой [4].

Рисунок 6.23 – Напряжение на входе радиолинии и на ее выходе при условии междуканальных помех 1-го рода

Возникновение междуканальных помех 2-го рода (в области высоких частот) объясняется изменением формы импульса – растягиванием заднего фронта. При этом импульсы каждого предыдущего канала вызывают искажения в последующих каналах, причем наибольшие искажения возникают в соседнем канале. Изменяется форма и амплитуда импульса.

Рисунок 6. 24 – Искажение формы импульса в 1 и во 2 канале

Второе, взаимные помехи могут возникать за счет несовершенства синхронизации тактовых импульсов на передающей и приемной сторонах.

В силу данных причин, например, временное разделение каналов на основе АИМ не получило практического применения.

В общем случае для снижения уровня взаимных помех приходится вводить "защитные" временные интервалы.

При временном разделении каналов сигнал каждого канала занимает одинаковую полосу частот, определяемую в идеальных условиях согласно теореме Котельникова из соотношения (без учета канала синхронизации)

где F_ОБЩ=FN, что совпадает с общей полосой частот системы при частотном разделении.

Хотя теоретически временное и частотное разделения позволяют получить одинаковую эффективность использования частотного спектра, тем не менее, пока что системы временного разделения уступают системам частотного разделения по этому показателю.

Вместе с тем, системы с временным разделением имеют неоспоримое преимущество, связанное с тем, что благодаря разновременности передачи сигналов разных каналов при правильном выборе отсутствуют переходные помехи нелинейного происхождения.

Кроме того, аппаратура временного разделения значительно проще, чем при частотном разделении, где для каждого индивидуального канала требуются соответствующие полосовые фильтры, которые достаточно трудно реализовать средствами микроэлектроники.

Выводы: