Частотное разделение каналов (ЧРК)

Частотное разделение каналов (ЧРК)

Частотное разделение каналов (ЧРК) — разделение каналов по частоте, при котором каждому каналу выделяется определённый диапазон частот. В многоканальных системах связи (МКС) с ЧРК канальные сигналы отличаются друг от друга положением своих спектров на оси частот. Обычно системы с ЧРК используются для передачи аналоговых сигналов. На рис. 1 представлена структурная схема простейшей МКС с ЧРК. В зарубежных источниках для обозначения принципа частотного разделения каналов (ЧРК) используется термин Frequency Division Multiply Access (FDMA).

Многоканальная система с ЧРК

Рис. 1. Структурная схема многоканальной системы с ЧРК

Наиболее часто в отдельных каналах при ЧРК применяется однополосная модуляция с соответственно подобранными частотами пилот-сигналов, которые выдаются генератором несущих частот (ГНЧ). Данный способ модуляции обеспечивает минимальную полосу частот группового сигнала. Подавление несущих достигается в индивидуальных модуляторах (M1, М2. ... МN), которые, как правило, строятся по балансной схеме, а выделение одной боковой полосы (ОБП) осуществляется в полосовых фильтрах (Ф1, Ф2, ... ФN). Совокупность канальных сигналов на выходе суммирующего устройства Σ образует групповой сигнал. В групповом передатчике М групповой сигнал преобразуется в линейный сигнал, который и поступает в линию связи ЛС.

На приемной стороне линии связи линейный сигнал с помощью группового приемника П вновь преобразуется в групповой сигнал, из которого полосовыми фильтрами (Ф1, Ф2, ... ФN) выделяются канальные сигналы. После детектирования в канальных демодуляторах (Д1, Д2, ... ДN) сигналы преобразуются в предназначенные получателям сообщения приемниками сообщений (ПС1, ПС2, ... ПСN). Опорные колебания в канальных демодуляторах создаются с помощью генератора (ГНЧ). Сообщения, передаваемые по различным каналам, выделяются при помощи ФНЧ. .

Канальные передатчики вместе с суммирующим устройством образуют аппаратуру объединения. Групповой передатчик М, линия связи ЛС и групповой приемник П составляют групповой канал связи (тракт передачи), который вместе с аппаратурой объединения и индивидуальными приемниками составляет систему многоканальной связи. В составе технических устройств на передающей стороне многоканальной системы должна быть предусмотрена аппаратура объединения, а на приемной стороне - аппаратура разделения.

В общем случае групповой сигнал может формироваться не только простейшим суммированием канальных сигналов, но также и определенной логической обработкой, в результате которой каждый элемент группового сигнала несет информацию о сообщениях источников. Это так называемые системы с комбинационным разделением.

Чтобы разделяющие устройства были в состоянии различать сигналы отдельных каналов, должны существовать определенные признаки, присущие только данному сигналу. Такими признаками в общем случае могут быть параметры переносчика, например амплитуда, частота или фаза в случае непрерывной модуляции гармонического переносчика. При дискретных видах модуляции различающим признаком может служить и форма сигналов. Соответственно различаются и способы разделения сигналов: частотный, временной, фазовый и др.

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 должен пропустить без ослабления лишь те частоты, которые принадлежат сигналу данного канала; частоты сигналов всех других каналов 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, 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.

Для снижения переходных помех до допустимого уровня приходится вводить защитные частотные интервалы (Рис. 2)

Спектр группового сигнала

Рис. 2. Спектр группового сигнала с защитными интервалами

Так, например, в современных системах многоканальной телефонной связи каждому телефонному каналу выделяется полоса частот 4 кГц, хотя частотный спектр передаваемых звуковых сигналов ограничивается полосой от 300 до 3400 Гц, т.е. ширина спектра составляет 3,1 кГц. Между полосами частот соседних каналов предусмотрены интервалы шириной по 0,9 кГц, предназначенные для снижения уровня взаимных помех при расфильтровке сигналов. Это означает, что в многоканальных системах связи с частотным разделением каналов эффективно используется лишь около 80% полосы пропускания линии связи. Кроме того, необходимо обеспечить высокую степень линейности всего тракта группового сигнала.

В настоящее время при построении аппаратуры МКС с ЧРК, как правило, используется многократное преобразование частоты.

На рис. 3 в качестве примера показано преобразование спектра первичного сигнала 0,3…3,4 кГц в диапазон частот 104,3…107,4 кГц.

Формирование ОБП

Рис. 3. Формирование ОБП

При однократном преобразовании спектра сигнала (fн = 104 кГц) необходим специальный фильтр. При двукратном преобразовании спектра в первом модуляторе выбирается несущая до 30 кГц, например, f1 = 12 кГц. При этом фильтр легко реализуется на LC-элементах. На второй модулятор сигнал подается уже в полосе частот 12,3…15,4 кГц, и для переноса этого сигнала в заданную полосу частот необходимо использовать несущую f2 = 104 - f1 = 92 кГц. Фильтр второго преобразователя частоты также легкореализуется на LC-элементах.

Методы построения многоканальной аппаратуры с ЧРК отличаются способом формирования группового сигнала и особенностями передачи его в линейном тракте. По способу формирования группового сигнала (первый признак) различают:
1. метод с индивидуальным преобразованием сигналов;
2. метод с групповым преобразованием сигналов.
По способу усиления группового (линейного) сигнала (второй признак) выделяют:
1. метод с усилением каждого индивидуального сигнала;
2. метод с усилением линейного сигнала в целом.

При индивидуальном преобразовании сигналов формирование группового (линейного) спектра частот производится путем отдельного независимого преобразования каждого из N сигналов. Другими словами, при индивидуальном методе преобразователи, фильтры, усилители и другие элементы для каждого канала являются отдельными и повторяются в составе оконечной промежуточной аппаратуры столько раз, на сколько каналов рассчитана система передачи. Индивидуальные методы преобразования в оконечных и усиления в промежуточных станциях поясняются на рис. 4.

Индивидуальный метод преобразования

Рис. 4. Индивидуальный метод преобразования

В основу метода группового преобразования сигналов положен принцип формирования линейного спектра в оконечном пункте МКС с помощью нескольких ступеней преобразования. На каждой ступени объединяются несколько канальных сигналов, т.е. линейный сигнал представляет собой сумму нескольких промежуточных групповых сигналов. При этом, в отличие от индивидуального метода, отдельной для каждого канала является только часть аппаратуры, а остальное оборудование – общее для всех каналов.

Принципы многократного группового преобразования поясняются с помощью рис. 5.

Многократное групповое преобразование

Рис. 5. Многократное групповое преобразование

В системах ЧРК с числом каналов 12 и более реализуется принцип многократного преобразования частоты. В основу построения МКС положен стандартный канал тональной частоты (ТЧ). В соответствии с рекомендациями МСЭ оконечное оборудование (включающее аппаратуру объединения каналов и аппаратуру разделения каналов) строится с таким расчётом, чтобы на каждом этапе преобразования частоты с помощью унифицированных блоков формировались всё более и более укрупнённые группы каналов ТЧ. Причём в любой группе число каналов кратно 12.

Вначале каждый из каналов ТЧ «привязывается» к той или иной 12-канальной группе, называемой первичной группой (ПГ). Разнесение сигналов 12 различных телефонных сообщений по спектру (формирование ПГ) осуществляется с помощью индивидуального преобразования частоты в стандартном 12-канальном блоке. Эти блоки обеспечивают как прямую, так и обратную связь в каждом из 12 дуплексных каналов.

Каждый канал содержит следующие индивидуальные устройства: на передаче ограничитель амплитуд ОА, модулятор М и полосовой фильтр ПФ; на приёме полосовой фильтр ПФ, демодулятор ДМ, фильтр нижних частот ФНЧ и усилитель низкой частоты УНЧ.

Для преобразования исходного сигнала на модуляторы и демодуляторы каждого канала подаются несущие частоты, кратные 4 кГц.

Спектр группового сигнала ПГ представлен на рис. 6 б.

В приведённом варианте формирования ПГ использован принцип однократного преобразования спектра канала ТЧ (рис. 6 а).

Формирование первичной группы

Рис. 6. Структурная схема блока индивидуального преобразования (а) и схема формирования первичной группы (б)

Международными нормами определены значения ni, используемые на разных ступенях группообразования. На первой ступени объединяется 12 сигналов (n1 = 12), причем формирование ПГ может производиться с помощью предварительной группы (ПрГ), включающей 3 канала ТЧ (n1' = 3). На второй и третьей ступенях группообразования объединяется 5 сигналов (n2 = n3 = 5), а на четвертой и пятой ступенях – 3 сигнала (n4 = n5 = 3).

Основные параметры стандартных групп каналов приведены в таблице 1.

Таблица 1
Основные параметры стандартных групп
 Группа  Число каналов  Δf, кГц  fн, кГц  fв, кГц  Δfз, кГц  Число объединяемых групп
 ПрГ  3  12  12  24  0  -
 ПГ  12  48  60  108  0  4ПрГ
 ВГ  60  240  312  552  0  5ПГ
 ТГ  300  1232  812  2044  8  5ПГ
ЧГ  900  3872  8516  12388  88  3ТГ

Таким образом, многократное и групповое преобразование частоты позволяет снизить требования к канальным фильтрам, уменьшить разнотипность фильтрового и генераторного оборудования МКС и в значительной степени унифицировать аппаратуру разнотипных систем, что резко повышает их экономичность.

После того как путём последовательного объединения достигается номинальное число каналов, обычно осуществляется ещё одно преобразование частоты: суммарный (групповой) спектр преобразуется в линейный спектр, то есть в ту полосу частот, в которой многоканальный сигнал этой системы передаётся по линии. При этом учитываются особенности каждой линии передачи.

Если индивидуальное и групповое преобразования обычно осуществляются в типовых блоках и стойках, то сопряжение этой аппаратуры (в частности, формирование линейного спектра) с линейным трактом выполняется в оборудовании, специфичном для каждой системы, будь то проводная или радио.

Некоторые параметры и область применения типовой аппаратуры кабельных систем передачи с ЧРК приведены в таблице 2.

Таблица 2
Параметры типовой аппаратуры кабельных систем передачи с ЧРК
 Система передачи  Область применения  Кабель  Число каналов  Длина усилительного участка, км  Линейный спектр, кГц
 К-60П  Внутризоновая сеть  Симметричный  60  19  12 … 252
 К-120  То же  Коаксиальный  120  10  60… 552;
812 … 1304
 К-300  Магистральная и зоновые сети  То же  300  6  60 … 1300
 ВК-960-2  Магистральная сеть  - // -  960  4  60 … 4028
 К-1020Р  То же  - //  1020  3  312 … 4636
 К-1800  - //  - //  1800  6  312 … 8204
 К-1920П  - //  - //  1920  6  312 … 8544
 К-3600  - //  - //  3600  3  812 … 17596
 К-5400  - //  - //  5400  3  4300 … 31000
 К-10800  - //  - //  10800  1,5  4300 … 60000

В зависимости от протяженности кабельной магистрали и используемой аппаратуры ЧРК на том или ином расстоянии кабельная магистраль оборудуется обслуживаемыми и необслуживаемыми усилительными пунктами: ОУП и НУП соответственно. На рис. 7 в качестве примера представлен внешний вид одного из распространенных НУП, которые обычно располагаются вдоль транспортных магистралей.

НУП-необслуживаемый усилительный пункт

Рис. 7. НУП - необслуживаемый усилительный пункт

 

Так, для симметричных кабелей МКС 4X4 и 7X4, уплотняемых ламповой аппаратурой систем К-60 и К-24, НУП представляет собой подземную вертикальную стальную камеру (рис. 8). Между стальными стенками камеры размещается термоизоляция из мипоры, благодаря чему тепло, выделяемое лампами, поддерживает в НУП положительную температуру в течение всего года.

Подземный НУП

Рис. 8. Подземный НУП


ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

Кириллов В.И. Многоканальные системы передачи. - M.: Новое знание, 2002