Реферат: Исследование методов разделения (уплотнения) каналов связи
Министерство образования Российской Федерации
Омский государственный
технический университет
Кафедра «ССИБ»Пояснительная записка
К КУРСОВОЙ РАБОТЕ
на тему «Частотное и временноеуплотнение каналов связи»
Руководитель работы
доцент, к.т.н В.Л. Хазан
Разработалст. гр. РЗ-310
Валентинов А.А.
Омск 2003 г.
Министерство образования Российской Федерации
Омский государственный техническийуниверситет
Кафедра «ССИБ»
ЗАДАНИЕ №__Курсоваяработа по курсу «Радиотехнические цепи и сигналы»
Студентугруппы РЗ-310 Валентинову А.А. 2002/2003 учебный год
Темакурсовой работы: Частотный и временной методы уплотнения каналов связи
Аннотация
В данной курсовойработе изучаются общие методы организации частотного и временного уплотненияканалов связи. Приведена информация относительно частотного и временногометодов разделения каналов связи.
Содержание
1. Введение 5
2. Системыс частотным и временным уплотнением каналов
2.1. Системыс частотным уплотнением каналов 6
2.2. Системыс временным уплотнением каналов 18
3. Заключение 24
1. Введение
Внаши дни радиосвязь получила широкое распространение. В связи с ограниченнымчастотным ресурсом и огромным числом пользователей, которые используютрадиочастоты, приходится применять различные методы уплотнения (разделения)каналов связи. Уплотнение линий связи экономически целесообразно осуществлять,так как это позволяет сократить затраты на организацию новых линий связи вслучае отсутствия уплотнения и сократить расходы на оборудование и эксплуатацию.
Существуют,например, такие методы уплотнения каналов связи:
Частотноеразделение каналов – для каждого канала связи отводится своя полоса частот так,чтобы не происходило перекрытия их частотных полос.
Временноеразделение каналов – сигналы каждого канала дискретизируются и их мгновенныезначения передаются последовательно по времени, таким образом, каждое сообщениепередается короткими импульсами – дискретами.
Фазовоеразделение каналов – по линии связи передаются сигналы одинаковой частоты и амплитудыи с различными фазами. На приемной стороне такие сигналы выделяются с помощьюспециальных устройств.
Пространственноеразделение каналов – метод уплотнения по поляризации сигнала, ортогональныесигналы передаются по одной линии связи, что позволяет сократить полосу частотканала.
Линейноеразделение каналов – или метод разделения по форме, используются линейнонезависимые сигналы. Такие сигналы линейно разделены и могут быть приняты вкачестве канальных сигналов.
Наиболееширокое применение нашли частотное и временное разделения каналов связи. Именноэти методы уплотнения описаны в данной курсовой работе.
2. Системы с частотным и временным уплотнением каналов
2.1. Системы с частотным уплотнением каналов.
В системах с ЧРК используются канальныесигналы, частотные спектры которых располагаются в неперекрывающихся частотныхполосах. Формирование канальных сигналов осуществляется при помощи АМ, ЧМ илиФМ так, чтобы средние частоты спектров канальных сигналов соответствовалисредним частотам отведенных полос каждого канала. В приемной части разделениеканалов осуществляется набором частотных фильтров, каждый из которых пропускаетспектр частот, принадлежащий только данному канальному сигналу. На рис. 2.1.1показаны спектры сообщений, передаваемых по трем каналам (а), спектры канальныхсигналов (б) и спектр сигнала, передаваемого по линии связи (в).
/> Рис. 2.1.1, а
/>
Рис. 2.1.1, б
/>
Рис. 2.1.1, в
Для формирования канальных сигналовс неперекрывающимися спектрами осуществляется перенос спектров сообщений спомощью канальных модуляторов (Мi).На каждый модулятор подаются сообщение λk(t) и колебание sk(t)=akcos(ωkt + φk)от генератора поднесущих частот (ГЧ) (рис. 2.1.2). Канальные сигналы подаютсяна фильтры, полосы которых согласованы со спектрами этих сигналов. Фильтрыподавляют гармоники, образующиеся в канальных модуляторах. В суммирующемустройстве складываются канальные сигналы, и групповой сигнал, спектр которогопоказан на рис. 2.1.1, б, модулирует несущую, вырабатываемую генератором (ГН).На выходе модулятора МΣ образуется радиосигнал с несущей ω0.
На приемной стороне после усиления ипреобразования сигнала в ЛПр производится выделение группового сигнала спомощью демодулятора (Д). Групповой сигнал подается на устройство разделения,состоящее из параллельно включенных фильтров Ф1, Ф2,…, ФМ.На рис. 2.1.1, б параболами обозначены характеристики затухания фильтров. Навыходе каждого фильтра выделяется соответствующий канальный сигнал вместе спродуктами взаимных помех и шумами. Канальные демодуляторы (КДi) выделяют переданные сообщения,направляемые далее получателям Пi.
Спектральные функции канальныхсигналов не перекрываются, поэтому они удовлетворяют условию ортогональности:
/> (2.1.1)
Из(2.1.1) следует, что канальные сигналы s1(t),…, sM(t) ортогональны:
/> (2.1.2)
чтодоказывается с помощью преобразования Фурье.
/>
/>
Рис. 2.1.2
Определим вид оператора разделения Lk для системы с ЧРК. Прииспользовании линейных фильтров с импульсными реакциями gk(t) и группового сигнала sΣ(t) вид оператора Lk следующий:
/> (2.1.3)
Отсюданаходим комплексный коэффициент передачи Kk(jω) разделительного фильтра Фk:
/> (2.1.4)
Дляидеального разделения каналов необходимо, чтобы затухание фильтров в пределахполосы спектра сигнала sk(t) равнялось нулю и было бесконечным вне пределов полосыспектра (рис. 2.1.3, а). В реальных полосовых фильтрах затухание вне полосыпрозрачности конечно,имеют место переходные области δωk. Эти области определяют величинузащитных интервалов между частотными спектрами соседних канальных сигналов. Сучетом защитных интервалов ширину спектра 2Δƒc многоканального радиосигнала можноопределить выражением:
/> (2.1.5)
гдеzkFвk=2ΔFk – полоса частот, занимаемая k-ым канальным сигналом; zk – коэффициент, определяемыйспособом модуляции поднесущей сообщением λk, спектр которого имеет полосу Fвk; Z – коэффициент, определяемый способом модуляцииподнесущей групповым сигналом; δƒk – защитный интервал между соседнимиспектрами; Δƒ – нижняя граничная частота спектра многоканальногосообщения.
/> Рис. 2.1.3, а
/> Рис. 2.1.3, б
Соотношение(2.1.5) позволяет определить число уплотняемых каналов в системе с ЧРК. Приодинаковых значениях Fв для всех каналов и одинаковыхзащитных интервалах δƒ число каналов равно:
/> (2.1.6)
Каквидно, число каналов зависит от селективных свойств фильтров, определяемыхвеличиной δƒ, а также от видов модуляции z и Z.
Неидеальностьразделительных фильтров (gk(t)≠ğk(t)) приводит к появлению межканальных переходных помех.При этом выражение (2.1.3) принимает вид:
/> (2.1.7)
гдеεk – ошибка выделения канальногосигнала; коэффициент μ≈1 характеризует уровень межканальных помех.При ослаблении переходных сигналов разделительным фильтром в N раз имеем:
/> (2.1.8)
Отсюда,преобразуя по Фурье (2.1.7), можно определить комплексный коэффициент передачиреального фильтра k-го канала:
/> (2.1.9)
Этовыражение позволяет сформулировать требования к затуханию разделительногофильтра k-го канала (рис. 2.1.3, б):
/> (2.1.10)
Выборспособов модуляции (формирования) канальных сигналов позволяет экономичноиспользовать отведенную для передачи полосу частот. На первой ступени модуляции(модуляции поднесущих) применяют АМ, ФМ или ЧМ. Для более эффективногоиспользования поднесущих могут применяться комбинированные способы модуляции:одна и та же поднесущая подвергается АМ сообщением источника одного канала и ФМ(ЧМ) – сообщением другого. При этом число уплотняемых каналов увеличивается,однако возникают взаимные помехи при выделении сообщений. Применениеоднополосной модуляции с полным или частичным подавлением одной боковой иподнесущей (ОБП) позволяет разместить в той же полосе частот примерно вдвоебольше каналов.
Навторой ступени модуляции (модуляции несущей) групповой сигнал модулируетнесущую по амплитуде, фазе или частоте. Таким образом, существуют различныекомбинации способов модуляции первой и второй ступеней, в соответствии скоторыми определяется тип системы с ЧРК, например АМ-АМ, АМ-ОБП, ФМ-АМ, ЧМ-ФМ ит.п. В системах, использующих ОБП, коэффициенты z и Z, определяющие полосы спектров, равныединице, что и позволяет увеличивать число M каналов. При АМ z=Z=2, а при ФМ или ЧМ эти коэффициентызависят от индексов модуляции и всегда больше двух.
/>
Рассмотрим особенности построениясистем с ЧРК при некоторых способах формирования канальных сигналов. Наиболеепростым способом является АМ. Для этого используется амплитудный модулятор(АМд), полосовой фильтр (ПФ). На приемной стороне выделение сообщенияпроизводится синхронным детектором или обычным линейным детектором (Д).Особенности спектров сигналов на разных этапах формирования показаны на рис.2.1.4. Асимметрия амплитудно-частотной характеристики фильтра приводит кискажениям огибающей АМ сигнала и, следовательно, к искажениям выделяемыхсообщений. Снизить искажения можно путем уменьшения коэффициента модуляции. Приэтом снижается уровень квадратурных составляющих модулированного сигнала навходе детектора (Дk), приводящих к искажениям сигнала.Однако уменьшение коэффициента модуляции сопровождается уменьшением мощностибоковых составляющих за счет увеличения мощности несущей. Недостатком АМявляется большая полоса частот, занимаемая каналом (в 2 раза большемаксимальной частоты сообщения). Несмотря на этот недостаток, а такжеотносительно низкую помехоустойчивость, АМ находит применение вследствиепростоты аппаратуры.
/> Рис. 2.1.4
Подавлениеодной боковой (ОБ) при передаче канальных сигналов позволяет увеличить числоуплотняемых каналов в 2 раза. Вместе с тем формирование ОБ представляетдостаточно сложную инженерную задачу из-за необходимости построения сложногоканального фильтра. Очевидно, при подавлении ОБ возникают нелинейные искажениясигнала, обусловленные появлением на выходе линейного детектора нелинейныхсоставляющих сообщения. Указанные недостатки, а также низкая помехоустойчивостьограничивают широкое распространение метода ОБ с неподавленной несущей.
МетодОБП с подавленной несущей оказывается наиболее экономичным с точки зренияиспользования спектра частот, поскольку в этом случае ширина спектра канальногосигнала ΔFk равна ширине спектра сообщения Fвk. Отсутствие поднесущей при ОБП даетвозможность увеличить мощность боковой полосы и тем самым обеспечить наибольшуюпомехоустойчивость по сравнению с другими способами АМ. Недостатком ОБПявляется необходимость построения на приемной стороне генератора поднесущей.Чтобы искажения сообщения были минимальны, требуется точное совпадениеподнесущих на передающей и приемной сторонах. При наличии сдвига частотыδωс в канале происходит смещение спектра восстановленногосообщения на δωс (рис. 2.1.5), приводящее к искажениюсообщения. Для исключения смещения спектра необходимо обеспечивать стабильностьи синхронность генераторов.
/> Рис. 2.1.5
Дляформирования ОБП используют фильтровый и бесфильтровый методы. При фильтровомметоде ненужная боковая на выходе модулятора подавляется при помощи полосовогофильтра. Фильтр должен обеспечивать значительное затухание в полосе подавляемойбоковой и малое – в полосе выделяемой боковой. Полоса расфильтровкиΔωр, определяющая переходную область, не зависит отзначения поднесущей ωk, поэтому при выборе значения ωk исходят из сложности реализациифильтра. С ростом ωk сложность фильтра возрастает, и приΔωр⁄ωk<10-2 необходимоприменять высокодобротные кварцевые фильтры. Чтобы упростить реализациюфильтров, используют многократное преобразование частоты с тем, чтобы прикаждом преобразовании обеспечивалось условие Δωр⁄ωk>10-2, допускающеереализацию полосовых фильтров на LC-элементах.
Бесфильтровыйметод формирования ОБП основан на использовании фазоразностной модуляции.Запишем выражение для колебания одной боковой при гармоническом сообщении счастотой Ω как sk(t)=Аkcos((ωk — Ω)t). Это колебание можно выразить иначе:
sk(t)=Аk[cos(ωkt)cos(Ωt) + cos(ωkt+0,5π)cos(Ωt+0,5π)].
Наосновании полученного выражения представим схему формирования ОБП (рис. 2.1.6).Схема содержит перемножители, фазовращатель, генератор поднесущей (ГЧ) исумматор. Для работы схемы требуется, чтобы фазовращатель обеспечивал поворотфазы всех частотных составляющих сообщения на 180 о (рис. 2.1.7, а).Гораздо проще реализовать постоянную разность фаз φ1 — φ2=π/2 в заданном диапазоне частот (рис. 2.1.7, б). В схему формирования ОБПв этом случае перед перемножителями включаются фазовращатели на φ1и φ2.
/> Рис. 2.1.6
/> Рис. 2.1.7, а
/> Рис. 2.1.7, б
Помехоустойчивостьпередачи сообщений повышается при переходе к широкополосным видам модуляции (ЧМи ФМ). Помехоустойчивость ЧМ и ФМ растет с увеличением индекса модуляции.Однако при этом увеличивается полоса частотного канала. Например, при индексемодуляции 5-20 ширина полосы ФМ (ЧМ) канального сигнала в 8-24 раза ширеспектра АМ сигнала и в 16-48 раз шире спектра сообщения. В связи с этим ЧМ и ФМприменяют в многоканальных системах, как правило, на второй ступени модуляции,чтобы обеспечить высокую помехоустойчивость, например в радиорелейных линиях, всистемах связи через ИСЗ.
Рассмотримосновные виды искажений в групповом тракте системы с ЧРК. Групповой трактдолжен обеспечивать неискаженную передачу группового сигнала. Это достигаетсялинейностью амплитудной характеристики, а также постоянством амплитудно-частотнойи линейностью фазовой характеристик. Амплитудная характеристика определяетнелинейные искажения группового сигнала, а амплитудно-частотная и фазовая –линейные искажения. Линейные искажения группового тракта отсутствуют, еслимодуль комплексного коэффициента передачи тракта |K(jω)|=const в полосе группового сигнала, а зависимость фазовыхсдвигов от частоты φ(ω) = τω – линейная функция частоты.Здесь τ=∂φ(ω)/∂ω – групповое время запаздывания(величина постоянная). Отклонение указанных характеристик от идеальных приводитк деформации спектра группового сигнала (рис. 2.1.8). Однако условиеортогональности канальных сигналов при этом сохраняется. Неравномерностькоэффициента передачи тракта и группового запаздывания приводит к изменениямамплитудных и фазовых соотношений в спектрах канальных сигналов. При условииΔF∑ >>ΔFk эти искажения становятсянезначительными.
/> Рис. 2.1.8, а
/> Рис. 2.1.8, б
Нелинейныеискажения, обусловленные отклонениями амплитудной характеристики групповоготракта от линейной, связаны с появлением межканальных помех. Действительно,если представить нелинейную амплитудную характеристику степенным рядом:
/> (2.1.11)
топервое слагаемое в (2.1.11) представляет неискаженный сигнал, а остальные –нелинейную функцию сигнала, т.е. помеху. Преобразовав по Фурье правую и левуючасти равенства (2.1.11), можно убедиться в том, что второе слагаемое в правойчасти приводит к образованию вторых гармоник составляющих группового сигнала2ωk и комбинационных составляющихвторого порядка ωk ± ωi. Третье слагаемое в (2.1.11)соответствует третьим гармоникам 3ωk и комбинационным составляющимтретьего порядка и т.п. Таким образом, наблюдается расширение спектраканального сигнала за счет нелинейности амплитудной характеристики групповоготракта. Спектр нелинейных помех каждого из каналов перекрывается со спектрамисоседних каналов, что приводит к возникновению перекрестных помех в соседнихканалах. Мощность Рε перекрестных помех, попадающих в полосугруппового сигнала ΔF∑, можно оценить по приближеннойформуле:
/> (2.1.12)
гдеМ – число каналов; Аk0– амплитуда поднесущей.
Спектральнаяплотность перекрестных помех Nп.п распределена в пределах полосыΔF∑ со слабовыраженной неравномерностью, поэтому,учитывая, что основной вклад в Рε определяется вторым слагаемым(2.1.12), получим:
/> (2.1.13)
Коэффициентα3 определяется экспериментально, путем снятия амплитуднойхарактеристики и ее аппроксимации полиномом.
Кромеуказанных причин, перекрестные искажения в многоканальных системах возникаютиз-за интерференционных явлений. При сложении сигнала с колебаниями,появляющимися на входе приемника и имеющими частоты, близкие к частоте сигнала,амплитуда и фаза полезного сигнала изменяются, что приводит к искажениямпринятых сообщений. Особенно сильно такие помехи проявляются в условияходновременной работы мощных сторонних радиосредств.