Временное разделение каналов (ВРК)

Временное разделение каналов (ВРК)

«По-настоящему владеет информацией только тот,
кто может организовать ее доставку…»

Временное разделение каналов (ВРК) — разделение каналов во времени, при котором каждому каналу выделяется квант времени (таймслот). В другой транскрипции - временное мультиплексирование (англ. Time Division Multiply Access, TDMA)— технология аналогового или цифрового мультиплексирования в котором два и более сигнала или битовых потока передаются одновременно как подканалы в одном коммуникационном канале.

В многоканальных системах (МКС) с ВРК канальные сигналы передаются в строгой очередности без перекрытия по времени. В качестве переносчиков первичных сигналов lk(t) используются периодические последовательности импульсов yk(t), ортогональные по времени.

Отличительной ее особенностью является наличие в ней элементов синхронизации, к которым относятся генератор тактовых импульсов (ГТИ), линии задержки (ЛЗ) обеспечивающие формирование ортогональных по времени опорных импульсных последовательностей на передающей и на приемной стороне, а так же система формирования импульса синхронизации (ФИС) при передаче и селектор импульсов синхронизации (СИС) при приеме.

Выделение канальных сигналов из принятого группового осуществляется при помощи специальных электронных коммутаторов (ЭК1, ЭК2 и ЭК3). Управляются электронные коммутаторы синхронизирующими импульсами с селектора импульсов синхронизации. Необходимость решения проблемы синхронизации является существенным недостатком систем с ВРК.

Схема МКС с ВРК

Рис. 1. Структурная схема МКС с ВРК

В модуляторах осуществляется один из видов импульсной модуляции переносчиков (опорных импульсных последовательностей) yk(t), в результате которой формируются канальные сигналы Sk(t). После линейного сложения последних образуется групповой сигнал Sa(t). Для формирования группового сигнала могут использоваться различные виды импульсной и цифровой модуляции (АИМ, ШИМ,ФИМ, ИКМ, дельта-модуляция и т.д.).

При передаче данных в системе с ВРК используется дискретизация во времени (импульсная модуляция). Групповой канальный тракт разделен на временные интервалы (таймслоты) фиксированной длины, отдельные для каждого индивидуального канала (подканала). Сначала передается импульс 1-го подканала, затем следующего подканала и т.д. После передачи фрейма последнего из подканалов происходит передача фрейма первого подканала и т. д. по порядку. Один фрейм TDMA состоит из одного временного интервала, выделенного одному определенному подканалу. 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.

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.

На рис. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип ВРК. На рис. 2а,б,в приведены графики трех непрерывных аналоговых сигналов U1(t), U2(t) и U3(t) и соответствующие им амплитудно-импульсно-модулируемые (АИМ) сигналы. Импульсы разных АИМ-сигналов сдвинуты друг относительно друга по времени. При объединении индивидуальных каналов в канальном тракте (линии связи) образуется групповой сигнал UГ с частотой следования импульсов в N раз большей частоты следования индивидуальных импульсов.

Групповой сигнал при ВРК

Рис. 2. Создание группового сигнала при ВРК

Интервал времени между ближайшими импульсами группового сигнала называется канальным интервалом (ТК) или тайм-слотом (Time Slot). Промежуток времени между соседними импульсами одного индивидуального сигнала называется циклом передачи - периодом дискретизации (ТД). От соотношения цикла передачи и канальных интервалов 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

В общем случае для снижения уровня взаимных помех приходится вводить "защитные" временные интервалы tЗ между импульсами соседних каналов, что соответствует некоторому расширению спектра сигналов. Так, если полоса эффективно передаваемых частот F=3100 Гц, то в соответствии с теоремой Котельникова 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 вышеуказанной теоремы из соотношения (без учета канала синхронизации) ΔtK=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.

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.

В аппаратуре МКС с ВРК и аналоговыми методами модуляции широкое применение нашли многоканальные цифровые системы связи с импульсно-кодовой, дельта-модуляцией и фазо-импульсной модуляцией (ФИМ), использующие временное разделение. Отличительной особенностью таких систем является высокая помехоустойчивость. Так, при использовании ФИМ можно уменьшить мешающее действие аддитивных шумов и помех путём двухстороннего ограничения импульсов по амплитуде, а также оптимальным образом согласовать неизменную длительность импульсов с полосой пропускания канала, поэтому именно в системах передачи с ВРК используется, в основном, ФИМ (рис. 3).

Групповой сигнал при ВРК с ФИМ

Рис. 3. Групповой сигнал при ВРК с ФИМ

Характерной особенностью спектров сигналов при импульсной модуляции является наличие составляющих с частотами ΩH ... ΩB передаваемого сообщения UK(t). Эта особенность спектра указывает на возможность демодуляции АИМ и ШИМ фильтром нижних частот (ФНЧ) с частотой среза, равной ΩB. Демодуляция не будет сопровождаться искажениями, если в полосу пропускания ФНЧ не попадут составляющие нижней боковой полосы Д - ΩB) ... (ωД - ΩH), а это условие будет выполняться, если выбрать FД > 2FB.

При ФИМ составляющие спектра модулирующего сообщения H ... ΩB) зависят от его частоты и имеют малую амплитуду, поэтому демодуляция ФИМ производится только путём преобразования в АИМ или ШИМ с последующей фильтрацией в ФНЧ.

На рис. 4 приведена упрощённая структурная схема оконечной станции многоканальной системы с ВРК. Непрерывное сообщение от каждого из абонентов U1(t) … UN(t) через соответствующие дифференциальные системы ДС1(t) … ДСN(t) подаются на входы канальных модуляторов КМ1(t) … КМN(t). В канальных модуляторах в соответствии с передаваемым сообщением производятся модуляции импульсов, следующих через период дискретизации ТД, по одному из параметров, например, ФИМ. В соответствии со значением передаваемого непрерывного сообщения в момент отсчёта при ФИМ происходит изменение положения импульса постоянной амплитуды и длительности относительно середины канального интервала от + Δtm до – Δtm. Промодулированные импульсы с выхода КМ, импульсы синхронизации от генератора синхронизации (ГИС), а также импульсы датчика служебной связи (ДСС), датчика сигналов управления и вызовов (ДУВ) объединяются. В результате получается групповой сигнал Uгр(t). Для обеспечения работы канальных модуляторов и дополнительных устройств последовательности импульсов с частотой дискретизации FД, сдвинуты относительно первого канала на iΔtK, где i – номер канала. Таким образом, моменты начала работы КМ определяются запускающими импульсами от РК, который определяет моменты подключения к общему широкополосному групповому каналу соответствующего абонента или дополнительного устройства.

Схема оконечной станции МКС с ВРК

Рис. 4. Упрощённая структурная схема оконечной станции МКС с ВРК

Полученный групповой сигнал Uгр(t) подаётся на вход регенератора (Р), который придаёт дискретным сигналам различных каналов одинаковые характеристики, например одинаковую форму импульса. Все устройства, предназначенные для образования сигнала Uгр(t): КМ1(t) … КМN(t), РК, ГИС, ДУВ, ДСС, Р – входят в аппаратуру объединения сигналов (АО), которая осуществляет объединение во времени всех сигналов и формирует групповой сигнал. Далее сигнал может передаваться на следующую станцию по проводным линиям или с помощью радиосвязи.

На приёме выделенный сигнал U*гр(t) подаётся на входы всех канальных демодуляторов КМ1(t) … КМN(t) и приемников сигналов служебной связи (ПСС), управления и вызова (ПУВ).

Канальные демодуляторы осуществляют разделение U*гр(t) на отдельные канальные сигналы, представляющие собой дискретные отсчёты, и восстановление по этим отсчётам аналоговых непрерывных сообщений U*1(t) … U*N(t), соответствующих поданным на входы КМ в АО. Для обеспечения временного разделения канальных сигналов необходимо, чтобы каждый из КД открывался поочерёдно только (!) в соответствующие данному каналу интервалы времени Δtк. Это обеспечивается импульсами, снимаемыми с выходов РК' аппаратуры разделения сигналов (АР), работающего аналогично РК в АО на передающем конце линии связи. Для обеспечения правильного разделения каналов РК', который находится в АР, должен работать синхронно и синфазно с РК АО, что осуществляется с помощью импульсов синхронизации (ИС), выделяемых соответствующими селекторами (СИС) и блоком синхронизации (БС). Сообщения с выходов КД поступают к соответствующим абонентам через дифференциальные системы.

Помехоустойчивость систем передачи с ВРК во многом определяется точностью и надёжностью работы системы синхронизации и распределителей каналов, установленных в аппаратуре объединения и разделения каналов. Для обеспечения точности работы системы синхронизации импульсы синхронизации (ИС) должны иметь параметры, позволяющие наиболее просто и надёжно выделять их из последовательности импульсов группового сигнала U*гр(t). Наиболее целесообразным при ФИМ оказалось применение сдвоенных ИС, для передачи которых выделяют один из канальных интервалов Δtк в каждом периоде дискретизации Тд (см. рис. 2).

Какое же число индивидуальных каналов можно получить в системе с ФИМ? На рис. 2 представлена последовательность импульсов при многоканальной передаче с ФИМ. Из рисунка следует, что

Тд = (2Δτмакс + τз)Nгр, (1)

где τз – защитный интервал;
Δτмакс – максимальное смещение (девиация) импульсов.

При этом можно допустить, что длительность импульсов мала по сравнению с τз и Δτмакс, тогда из формулы (1) следует

Nгр = Тд/(2Δτмакс + τз). (2)

 

Максимальная девиация импульсов при заданном количестве каналов

Δτмакс = Тд/2Nгр - τз/2 (3)

Если принять τз = 2/3 Δτмакс, то отсюда

Δτмакс = 2Тд/(7Nгр) (3,а)

 

Учитывая, что при телефонной передаче Тд = 125 мкс, получается при Nгр = 6Δτмакс = 8 мкс, при Nгр = 12Δτмакс = 3 мкс и при Nгр = 24Δτмакс = 1.5 мкс. Отсюда можно сделать вывод, что помехоустойчивость системы с ФИМ тем выше, чем больше Δτмакс.

При передаче сигналов с ФИМ по радиоканалам на второй ступени (в радиопередатчике) может использоваться амплитудная (АМ) или частотная (ЧМ) модуляция. В системах с ФИМ – АМ обычно ограничиваются 24 каналами, а в более помехоустойчивой системе ФИМ – ЧМ – 48 каналами.


ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

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