Многоканальная электрическая связь

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный  университет путей сообщения

Кафедра: «Системы передачи информации»

МНОГОКАНАЛЬНАЯ  ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Реферат

                                         Студент гр. :

                                                                                         ______________   А.В.Петров

                                           Руководитель:

                                                                           преподаватель кафедры «СПИ»

                                                                                                  ____________  Н.С. Горбачев

Омск 2013

УДК 656.254

Реферат

Реферат содержит  25 страниц,  14 рисунков, 4 источника.

Многоканальная  связь, системы передачи, канал связи, временное разделение, частотное разделение, группы каналов, частотный диапазон.

Реферат содержит основные сведения о многоканальной связи, в часности об истории зарождения многоканальной связи, принципах построения аналоговых систем, об основных аналоговых узлах систем передачи, а также о формировании групп каналов и пр.

Целью написания реферата является укрепление знаний по многоканальной связи.

Реферат выполнен в текстовом редакторе Microsoft Word.

Содержание

Введение

Электрическая связь изначально была проводной. Лишь в конце XIX века была открыта и использована возможность связи без проводов, посредством электромагнитных волн, распространяющихся в свободном пространстве. К настоящему времени беспроводные технологии получили исключительно широкое распространение. Однако, несмотря на использование самых современных средств и методов обработки сигналов, беспроводные средства связи проигрывают по пропускной способности кабельным линиям и вряд ли когда-нибудь их превзойдут.

Оборудование кабельной линии связи – чрезвычайно трудоемкое и дорогостоящее мероприятие. Многие километры кабеля необходимо закопать в землю либо проложить по каналам кабельной канализации. Также следует учесть, что на протяжении большей части истории электросвязи использовались исключительно металлические кабели, для изготовления которых применялись такие дорогостоящие металлы, как медь и свинец.

Все эти  проблемы уже на самых ранних этапах развития средств проводной связи привели к необходимости повышать эффективность использования линейно-кабельных сооружений за счет передачи одновременно нескольких сигналов по одной паре проводов. Разработка таких способов положила начало созданию аппаратуры уплотнения, или мультиплексирования. Технологии уплотнения в ходе своего развития прошли несколько этапов и к настоящему времени обеспечили создание мощной глобальной сети типовых каналов и трактов, то есть так называемой первичной, или транспортной, сети.

1 История  возникновения многоканальной связи

Первые  попытки повышения эффективности использования линий связи относятся к первой половине XIX века. Единственным существовавшим тогда видом электрической связи была телеграфия. В 1860–1870 гг. применялись системы дуплексного, диплексного и квадруплексного телеграфирования. При дуплексном телеграфировании по одному проводу во встречных направлениях посылались две телеграммы. Разделение направлений приема и передачи осуществлялось при помощи развязывающих устройств (дифференциальных схем). Наиболее совершенная схема дуплексного телеграфирования была предложена американским инженером Дж. Стирнсом в 1871 г. При диплексном способе обе телеграммы посылались в одном направлении. В 1858–1859 гг. известный российский математик З. Я. Слонимский предложил схему квадруплексного телеграфирования – самый эффективный, хотя и самым сложный из подобных методов. В этом случае по одному проводу передавались четыре телеграммы – по две во встречных направлениях. Практически эта схема была реализована лишь в 1874 г. Т. А. Эдисоном .

В 1876 г. французский  изобретатель Ж. Бодо предложил способ многократного телеграфирования, позволявший  работать по одной линии сразу  нескольким телеграфным аппаратам. На передающей и приемной станциях устанавливались абсолютно одинаковые устройства – распределители, которые  представляли собой круглые диски  с укрепленными на них неподвижными контактами – ламелями. К каждой ламели подключался свой телеграфный  аппарат. Кроме того, на диске имелся один подвижный контакт – щетка. Этот контакт был связан с телеграфным  проводом и приводился в движение мотором. Вращаясь вокруг своей оси, щетка поочередно касалась каждой ламели и таким образом соединяла  телеграфные аппараты с проводом.

В своей  системе Бодо реализовал принцип  временного разделения каналов, который  лежит в основе практически всей современной цифровой связи.

В XIX веке предпринимались также попытки  использовать явление механического  резонанса для избирательного приема токов различных частот. В 1860 г. французский  учитель физики Эдмонд Лаборд подобрал несколько пар гибких металлических пластинок и настроил передающую и приемную пластинки каждой пары в резонанс на собственную частоту.

Более совершенную  схему предложил в 1869 г. профессор  физики Харьковского университета Григорий Иванович Морозов. В его схеме  предусматривались жидкостный передатчик и электромагнитный приемник. В сосуд  с жидкостью опускались две металлические  пластинки – подвижная и неподвижная. Ток от батареи подводился к подвижной  пластинке. При ее колебаниях изменялись сопротивление слоя жидкости и, соответственно, сила тока, идущего в линию от неподвижной пластинки. Постоянный ток превращался в пульсирующий соответственно частоте колебаний пластинки. Приемник состоял из двух стержневых электромагнитов, над которыми располагался якорь в виде железной пластинки, настроенной в резонанс с подвижной пластинкой передатчика. Если по линии посылать одновременно сигналы от нескольких передатчиков, то каждый приемник реагирует на сигналы только своего передатчика и воспроизводит исходный сигнал. Ни схема Лаборда, ни схема Морозова так и не были реализованы .

Первые  телефонные линии, также как и  телеграфные, были воздушными и работали по однопроводной системе. По причине  взаимных и внешних влияний пришлось отказаться от несимметричных однопроводных  цепей и перейти на симметричные – двухпроводные цепи. Скрутка  изолированных жил в пары начала применяться в 1882 г. Законодательно решение о переходе на двухпроводные  телефонные цепи было принято на втором Международном электротехническом конгрессе, состоявшемся в Париже в 1889 г.

В 1882 г. инженер  фирмы Siemens Brothers в Лондоне Франк Джекоб показал, что на каждых двух парах жил в кабеле можно получить, кроме двух физических цепей, еще одну – третью цепь путем включения на концах линии специальных дифференциальных трансформаторов. Эта третья цепь была названа фантомной, или призрачной. Физически она не существует: ее прямым проводом служат обе жилы первой пары, а обратным проводом – обе жилы второй пары. В отечественной послевоенной литературе фантомные цепи были переименованы в искусственные. Благодаря дифференциальным трансформаторам, разговоры по искусственной цепи не оказывают влияния на разговоры по основным цепям. В результате, вместо двух по линии можно было одновременно вести три телефонных разговора; следовательно, эффективность ее использования возросла на 50 %. Это был исторически первый шаг на пути уплотнения физических цепей.

Идею  использования дифференциальных трансформаторов  применил в одно время с Джекобом и Пикар в своей схеме одновременного телефонирования и телеграфирования по одной двухпроводной цепи. К средним точкам вторичных обмоток дифференциальных трансформаторов подводились провода от двух телеграфных аппаратов. При работе телеграфных аппаратов через дифференциальные обмотки трансформаторов проходят токи разных направлений, и влияние их на вторичные (линейные) обмотки трансформаторов будут взаимно уничтожаться. Благодаря этому телеграфная передача не создает помех ни в одной ни в другой телефонной цепи. В тот же период – в начале 1880-х гг. – были разработаны схемы одновременного телефонирования и телеграфирования бельгийским инженером Риссельберге и независимо от него капитаном русской армии Григорием Григорьевичем Игнатьевым.

В 1886 г. Сидней Шелбурн в Нью-Йорке предложил скручивать одновременно четыре жилы, но составлять цепи не из рядом лежащих, а из противолежащих жил, расположенных по диагонали образованного в поперечном сечении квадрата. Такая четверка напоминает четырехлучевую звезду и называется звездной. Она обеспечивает более устойчивую цилиндрическую форму кабеля, а также удобство формирования искусственных цепей. Но главное достоинство звездной четверки в том, что расстояние между диагонально расположенными жилами в 1,4 раза больше, чем между рядом ле­жащими. Следовательно, несколько уменьшается электрическая емкость цепи, а значит, и ее коэффициент затухания. В результате незначительно, но все же возрастает дальность связи.

Решающего влияния на эффективность использования  телефонных линий эти полезные усовершенствования не оказали. Успех был достигнут  в XX веке на базе достижений радиотехники и электроники .

В начале XX в. великий русский ученый В. А. Котельников доказал свою знаменитую теорему о дискретизации, показав  принципиальную возможность представления  непрерывного сигнала в виде последовательности отсчетов, взятых через определенный промежуток времени, и полного восстановления по этой последовательности исходного  сигнала. В 1937 году французский инженер  А. Ривс предложил принципы импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Импульсные методы модуляции интенсивно развивались в связи с развитием радиолокации начиная с 40-х годов. Таким образом, предпосылки к созданию цифровых систем передачи были созданы еще в первой половине XX века.

2 Разделение  электрических сигналов

2.1 Частотное разделение сигналов

Функциональная  схема простейшей системы многоканальной связи с разделением каналов по частоте представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Функциональная схема системы многоканальной связи с частотным разделением каналов

В зарубежных источниках для обозначения принципа частотного разделения каналов (ЧРК) используется термин Frequency Division Multiply Access (FDMA).

Сначала в соответствии с передаваемыми  сообщениями первичные (индивидуальные) сигналы, имеющие энергетические спектры G1(w), G2(w), ..., GN(w) модулируют поднесущие частоты wK каждого канала. Эту операцию выполняют модуляторы М1, М2, ..., МN канальных передатчиков. Полученные на выходе частотных фильтров Ф1, Ф2, ..., ФN спектры gK(w) канальных сигналов занимают соответственно полосы частот Dw1, Dw2, ..., DwN, которые в общем случае могут отличаться по ширине от спектров сообщений W1, W2, ..., WN. При широкополосных видах модуляции, например, ЧМ ширина спектра Dw K» 2(b +1) WK, т.е. в общем случае Dw³ W K. Для упрощения будем считать, что используется АМ-ОБП (как это принято в аналоговых СП с ЧРК), т.е. DwК =W и Dw =NW.

Проследим основные этапы образования сигналов, а также изменение этих сигналов в процессе передачи (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Преобразование спектров в системе с частотным разделением каналов

Будем полагать, что спектры индивидуальных сигналов конечны. Тогда можно подобрать  поднесущие частоты wK так, что полосы Dw1, ...,  Dw K попарно не перекрываются. При этом условии сигналы sК(t) (k=1,...,N) взаимноортогональны.

Затем спектры g1(w), g2(w),..., gN(w) суммируются (S ) и их совокупность g(w) поступает на групповой модулятор (М). Здесь спектр g(w) с помощью колебания несущей частоты w0 переносится в область частот, отведенную для передачи данной группы каналов, т.е. групповой сигнал s(t) преобразуется в линейный сигнал sЛ(t). При этом может использоваться любой вид модуляции.

На приемном конце линейный сигнал поступает  на групповой демодулятор (приемник П), который преобразует спектр линейного  сигнала в спектр группового сигнала  g¢ (w). Спектр группового сигнала затем с помощью частотных фильтров Ф1, Ф2,...,ФN вновь разделяется на отдельные полосы DwK, соответствующие отдельным каналам. Наконец, канальные демодуляторы Д преобразуют спектры сигналов gK(w) в спектры сообщений G¢ K(w), предназначенные получателям.

Из приведенных  пояснений легко понять смысл  частотного способа разделения каналов. Поскольку всякая реальная линия  связи обладает ограниченной полосой  пропускания, то при многоканальной передаче каждому отдельному каналу отводится определенная часть общей  полосы пропускания.

На приемной стороне одновременно действуют  сигналы всех каналов, различающиеся  положением их частотных спектров на шкале частот. Чтобы без взаимных помех разделить такие сигналы, приемные устройства должны содержать  частотные фильтры. Каждый из фильтров ФK должен пропустить без ослабления лишь те частоты wÎDwK, которые принадлежат сигналу данного канала; частоты сигналов всех других каналов wÏ DwK фильтр должен подавить.

На практике это невыполнимо. Результатом являются взаимные помехи между каналами. Они  возникают как за счет неполного  сосредоточения энергии сигнала k-го канала в пределах заданной полосы частот DwK, так и за счет неидеальности реальных полосовых фильтров. В реальных условиях приходится учитывать также взаимные помехи нелинейного происхождения, например за счет нелинейности характеристик группового канала.

2.2 Временное  разделение сигналов

Принцип временного разделения каналов (ВРК) состоит  в том, что групповой тракт  предоставляется поочередно для  передачи сигналов каждого канала многоканальной системы (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 - Принцип временного разделения каналов

В зарубежных источниках для обозначения принципа временного разделения каналов используется термин Time Division Multiply Access (TDMA).

При передаче используется дискретизация во времени (импульсная модуляция). Сначала передается импульс 1-го канала, затем следующего канала и т.д. до последнего канала за номером N, после чего опять передается импульс 1-го канала и процесс повторяется  периодически. На приеме устанавливается  аналогичный коммутатор, который  поочередно подключает групповой тракт  к соответствующим приемникам. В  определенный короткий промежуток времени  к групповой линии связи оказывается подключена только одна пара приемник/передатчик.

На рисунке 2.4 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип ВРК. На рисунке 2.4, а-в приведены графики трех непрерывных аналоговых сигналов u1(t), u2(t) и u3(t) и соответствующие им АИМ-сигналы. Импульсы разных АИМ-сигналов сдвинуты друг относительно друга по времени. При объединении индивидуальных каналов в канале (линии) связи образуется групповой сигнал с частотой следования импульсов в N раз большей частоты следования индивидуальных импульсов. Это означает, что для нормальной работы многоканальной системы с ВРК необходима синхронная и синфазная работа коммутаторов на приемной и передающей сторонах. Для этого один из каналов занимают под передачу специальных импульсов синхронизации.

Рисунок 2.4 - Преобразование сигналов при ВРК.

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

При временном  разделении 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 неидеальности амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик всякой физически осуществимой системы связи, 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.

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

В силу данных причин временное разделение каналов  на основе АИМ не получило практического  применения. Временное разделение широко используют в цифровых системах передачи плезиохронной и синхронной иерархий, которые будут подробно рассмотрены ниже.

В общем  случае для снижения уровня взаимных помех приходится вводить "защитные" временные интервалы, что соответствует  некоторому расширению спектра сигналов. Так, в СП полоса эффективно передаваемых частот F=3100 Гц; в соответствии с теоремой Котельникова (см. подраздел 8.2) минимальное  значение частоты дискретизации f0=1/ТД=2F=6200 Гц. Однако в реальных системах частоту  дискретизации выбирают с некоторым  запасом: f0=8 кГц. При временном разделении каналов сигнал каждого канала занимает одинаковую полосу частот, определяемую в идеальных условиях согласно теореме  Котельникова из соотношения (без учета  канала синхронизации) DtK=T0/N=1/(2NF)= 1/(2FОБЩ), где FОБЩ=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 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.

2.3Разделение сигналов по форме

Для разделения сигналов могут использоваться не только такие очевидные признаки, как  частота, время и фаза. Наиболее общим  признаком является форма сигналов. Различающиеся по форме сигналы  могут передаваться одновременно и  иметь перекрывающиеся частотные  спектры, и тем не менее такие сигналы можно разделить, если выполняется условие их ортогональности. Пусть в качестве переносчиков выбраны импульсы, последовательность которых образует, например, степенной ряд.

В предположении, что информация содержится в коэффициентах  с1,с2, ..., для группового сигнала запишем s(t)=c11+c2t+...+cNtN-1.

Члены ряда линейно независимы, и, следовательно, ни один из канальных сигналов cKtK-1 не может быть образован линейной суммой всех других сигналов. Это легко  понять, обратив внимание на то, что  многочлен от t может быть тождественно равен нулю только в том случае, когда все его коэффициенты равны нулю.

В последние  годы успешно развиваются цифровые методы разделения сигналов по их форме, в частности, в качестве переносчиков различных каналов используются дискретные ортогональные последовательности в виде функций Уолша, Радемахера и другие. Широкое развитие методов разделения по форме сигналов привело к созданию систем связи с разделением "почти ортогональных" сигналов, представляющих собой псевдослучайные последовательности, корреляционные функции и энергетические спектры которых близки к аналогичным характеристикам "ограниченного" белого шума. Такие сигналы называют шумоподобными (ШПС). Основной характеристикой ШПС является база сигнала В, определяемая как произведение ширины его спектра F на его длительность Т.

База  ШПС характеризует расширение его  спектра по сравнению со спектром исходного сигнала. Расширение спектра  частот может осуществляться умножением исходного сигнала (например, двухчастотной  ЧМ) на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом повторения Т (равным длительности интервала модуляции исходного ЧМ-сигнала), включающую N бит ПСП длительностью t 0 каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП В=Т/t 0=N.

Поскольку параметры сигнала ШПС (значения бит ПСП - два набора значений в  случае двухчастотной ЧМ) известны, то прием ШПС может производится приемниками, рассчитанными на прием сигналов с известными параметрами. В результате отношение сигнал/шум на выходе приемника улучшается в В раз по отношению ко входу.

В зарубежных источниках для обозначения данного  принципа применяется понятие кодового разделения каналов Code Division Multiply Access (CDMA).

3  Принципы  построения аналоговых систем

Отличительным признаком канальных сигналов в  аналоговых системах

передачи  с частотным разделением каналов (АСП с ЧРК) является частотный

диапазон, занимаемый спектром сигналов Ui (t). С помощью системы несущих колебаний  fн1, … , fнN (рис. 1.7) модуляторы М1, … , МN формируют канальные сигналы, спектры которых занимают взаимно непересекающиеся диапазоны частот (рисунок 3.1). Спектры первичных сигналов идентичны и занимают диапазон 0,3 … 3,4 кГц. Здесь используется стандартное обозначение спектра первичного сигнала в виде прямоугольного треугольника. В результате модуляции формируются канальные сигналы со спектрами S1(ω), … , SN(ω). На приёмном конце разделение канальных сигналов осуществляется  системой канальных фильтров КФ1, … , КФN.

Рисунок 3.1-  Структурная схема системы передачи с ЧРК

Рисунок 3.2 - Схема преобразования спектров сигналов в АСП с ЧРК

3.1 Основные узлы аналоговых систем передачи

Каналообразующее  оборудование.

Современные системы передачи с ЧРК разработаны таким образом, что преобразовательное оборудование, с помощью которого формируются стандартные группы каналов, унифицировано и является типовым для всех систем.

Оборудование  индивидуального преобразования предназначено  для преобразования 12 каналов тональной  частоты в спектре  0,3…3,4 кГц  в полосу частот стандартной первичной  группы 60…108 кГц на передаче и обратного  преобразования на приёме. Размещается  на стойках индивидуального преобразования (СИП), которые выпускаются в различных  вариантах. Для систем передачи с  небольшим числом каналов можно  использовать СИП-60, на которой размещается оборудование для формирования пяти ПГ. Для систем с большим числом каналов может применяться СИП-300, которая содержит оборудование для образования 25 ПГ. Для достижения полной унификации независимо от типа СИП на входе и выходе трактов передачи и приёма устанавливаются определённые измерительные уровни.

Оборудование  группового преобразования предназначено  для преобразования стандартных  групп с меньшим числом каналов  в  стандартные группы с большим  числом каналов. В частности, был  разработан оконечный комплекс типового оборудования преобразования (ОКОП) систем передачи с ЧРК, предназначенный  для дальнейшей унификации преобразовательного  и генераторного оборудования. В  состав комплекса входит оборудование первичного преобразования пяти первичных  групп в спектре 60…108 кГц в полосу частот вторичной группы 312…552 кГц на передаче и обратного преобразования на приёме. Оборудование размещается в стойках первичного преобразования (СПП), рассчитанных на формирование 15 первичных групп. Измерительные уровни на входе и выходе СПП также стандартизированы. Оборудование вторичного преобразования размещается на стойке вторичного преобразования (СВП) и предназначено для преобразования пяти вторичных групп (312…552 кГц) в спектр стандартной третичной группы (812…2044 кГц) на передаче и обратного преобразования на приёме. При помощи СВП можно получить восемь третичных групп.

Применение  унифицированного оборудования СИП, СПП  и СВП позволяет организовывать тракты с любым числом каналов  при минимальной разнотипности  аппаратуры и, следовательно, максимальной  технико-экономической эффективности систем передачи с ЧРК. Кроме того, стандартизация параметров преобразовательного оборудования позволяет легко осуществлять соединение между собой одноимённых каналов или групповых трактов (транзитные соединения).

Оборудование  сопряжения и линейного тракта систем передачи.

Системы передачи с ЧРК отличаются друг от друга лишь оборудованием сопряжения и линейного тракта. Аппаратура сопряжения является специфической для каждой конкретной системы передачи и предназначена  для преобразования стандартных  групп, полученных в аппаратуре преобразования, в линейный спектр системы на передаче и обратного преобразования на приёме.

Линейный  спектр системы передачи с ЧРК сформирован оборудованием сопряжения в тракте передачи, должен быть передан в линию с определённым уровнем, который определяется типом линии, числом каналов в системе передачи. Необходимый уровень сигнала на входе линии передачи обеспечивается усилителем, расположенным на оконечной станции. В тракте приёма оконечной станции также устанавливается усилитель. Его назначение – усилить групповой сигнал, ослабленный при прохождении по линии. Усилители передачи и приёма входят в состав оконечной станции.

Генераторное  оборудование АСП с ЧРК предназначено  для получения 

колебаний индивидуальных и групповых несущих частот, а  также контрольных частот.

Основной  тип  преобразователя частоты, применяемый  в АСП с ЧРК,

представляет  собой амплитудный модулятор  с полосовым фильтром, включенным на его выходе (рис. 1.16). Фильтр выделяет одну из боковых полос частот в  спектре выходного сигнала модулятора и подавляет на 65…70 дБ неиспользуемую полосу частот.

Каждое  из этих колебаний должно удовлетворять ряду требований, важнейшими из которых являются стабильность частоты и амплитуды, помехозащищенность, надежность.

В современных  АСП все колебания несущих и контрольных частот вырабатываются в генераторном оборудовании (ГО), содержащем: задающий генератор (ЗГ), аналоговые перемножители частоты в виде генераторов гармоник (ГГ), делитель частоты (ДЧ), узкополосные фильтры,  выделяющие соответствующие гармоники kf0, pf0, gf0, усилители, обеспечивающие необходимую мощность несущих и контрольных частот.

Рисунок 3.3 - Структурная схема генераторного оборудования