МНОГОКАНАЛЬНАЯ СВЯЗЬ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ

ПРИНЦИПЫ МНОГОКАНАЛЬНОЙ СВЯЗИ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Общие положения

Наиболее дорогостоящей частью системы передачи информации (СПИ) являются линии связи – кабельные, волноводные, световодные, радиорелейные и т.п. Естественно возникает задача совместного использования этого оборудования различными пользователями (абонентами), т.е. многоканальной связи или уплотнения. Тем самым повышается эффективность использования ресурсов линии.

Многоканальная связь возможна лишь тогда, когда пропускная способность совместно используемого оборудования больше суммарной информационной производительности всех источников. При этом ресурсы линии связи должны быть некоторым образом распределены между пользователями.

На рисунке 20.1. изображена упрощенная схема передающей и приемной частей многоканальной СПИ, предназначенной для передачи в одном направлении.

Рис. 20.1. Упрощенная схема многоканальной СПИ:

И₁, ..., И_n – источники информации (сообщений); ГП – генераторы поднесущих; М₁, ..., М_n – канальные модуляторы; УУК – устройство уплотнения каналов; УРК – устройство разделения каналов; Д₁, ..., Д_n – канальные демодуляторы; П₁, ..., П_n – получатели сообщений

Генератор поднесущих выдает n периодических сигналов (гармонических, последовательностей импульсов и т.п.), имеющих разную форму в разных каналах. Вид поднесущих и, следовательно, возможные способы их модуляции определяются методом уплотнения каналов. Модулированные поднесущие S₁(t),...,S_n(t) называются канальными сигналами.

Операция уплотнения каналов – это обычное суммирование канальных сигналов

. (20.1)

Для разделения каналов, как правило, применяются также линейные устройства. Считают, что в приемнике происходит разделение канальных сигналов без возникновения междуканальных помех, если выполняется следующее условие: при любых значениях сообщений, передаваемых в каналах, напряжение на j-м выходе линейного устройства разделения каналов равно нулю тогда и только тогда, когда S_j(t) = 0.

Известно, что для выполнения этого условия необходимо и достаточно, чтобы система n функций, описывающих канальные сигналы, была линейно независимой при любых значениях передаваемых сообщений.

Если выполняется лишь это условие, устройство разделения каналов может оказаться достаточно сложным.

Поэтому обычно выдвигают еще одно, дополнительное требование: канальные сигналы должны быть к тому же попарно ортогональны

(20.2)

где E_j – энергия j-го канального сигнала.

Приведем примеры типичных СПИ, использующих ортогональные канальные сигналы.

1. Канальные сигналы не перекрываются во времени (рис. 20.2). Условие ортогональности (20.2) здесь выполняется, так как при любом t подынтегральное выражение равно нулю при j ≠ k. Это метод временного разделения каналов (ВРК). Используются также термины: временное мультиплексирование, многостанционный доступ с временным разделением каналов (МДВР), Time Division Multiple Access (TDMA).

Рис. 20.2. Канальные сигналы, не перекрывающиеся во времени

Фактически линия связи поочередно подключается на короткое время к каждому из источников. Поэтому принципиальными элементами такой СПИ являются мультиплексор (устройство уплотнения каналов) и демультиплексор (устройство разделения каналов), всегда работающие синхронно (рис. 20.3). Поэтому неотъемлемой составной частью любой СПИ с ВРК является система синхронизации приемного устройства.

Рис 20.3. Принципиальные элементы СПИ с ВРК

Важно отметить, что длительность канального интервала (слота) мала (в противном случае у пользователей исчезнет эффект «одновременности» передачи), поэтому за время одного подключения к линии удается передать лишь часть сообщения и необходимо неоднократно повторять этот процесс, а все перечисленные элементы сигналов источников должны быть сжаты во времени.

2. Спектры канальных сигналов не перекрываются на оси частот. Спектр группового сигнала (сумма спектров канальных сигналов) показан на рисунке 20.4. Условие ортогональности (20.2) здесь выполняется для спектров, следовательно, и для функций времени. Это метод частотного разделения каналов (ЧРК). Используются также термины: частотное мультиплексирование, многостанционный доступ с частотным разделением каналов (МДЧР), Frequency Division Multiple Access (FDMA).

Рис. 20.4. Спектры канальных сигналов не перекрывающиеся на оси частот

Каждой паре «источник – получатель» выделена своя полоса частот. Поэтому принципиальными элементами такой СПИ являются блок n генераторов гармонических колебаний разных частот поднесущих в передатчике и набор полосовых фильтров для разделения канальных сигналов в приемнике.

3. Все канальные сигналы передаются одновременно (перекрываются во времени) в одной общей полосе частот (их спектры также перекрываются), но взаимная ортогональность сигналов обеспечена тем, что все они имеют разную форму. Тогда устройство разделения каналов – это набор n параллельно включенных корреляционных приемников или согласованных фильтров, на входы которых подается принимаемый групповой сигнал. В каждом приемнике весовая функция w(t) совпадает по форме с соответствующим канальным сигналом, поэтому он реагирует лишь на сигнал данного канала. Последнее требование удается выполнить лишь в цифровой СПИ.

Такой метод называется многоканальной передачей с разделением по форме сигналов. В качестве набора канальных сигналов можно использовать любую известную из курса математики систему ортогональных функций (функции Эрмита, Лагерра, Чебышева и т. п.), но все эти функции имеют довольно сложную форму. Поэтому для практического использования предложен более простой вариант метода, когда в качестве канальных сигналов применяются импульсы с внутриимпульсной фазовой модуляцией, причем закон модуляции каждого канального сигнала задается индивидуальной двоичной кодовой комбинацией.

В таком виде метод получил название кодового разделения каналов (КРК). Используются также термины: кодовое мультиплексирование, многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (МДКР), Code Division Multiple Access (CDMA).