6.2 Многостанционный доступ с частотным разделением каналов

Метод частотного разделения каналов для передачи сигналов с использованием общей среды основан на традиционных методах радиотехники и начал широко применяться в начале 20 века после изобретения удобного прибора для усиления сигналов – электронной лампы.

Как уже было сказано, поднесущие – это гармонические колебания разных частот. Поэтому при передаче непрерывных сигналов можно использовать АМ, АМ ОБП, ЧМ (разд. 2.10), а для передачи цифровых сигналов – методы, описанные в разд. 2.8. После каждого канального модулятора, как правило, включают полосовой канальный фильтр, идентичный канальному фильтру в приемнике, служащий для устранения нежелательных продуктов модуляции, частоты которых оказались вне полосы, отведенной для данного канала.

Отметим две особенности, характерные для систем, использующих АМ ОБП. Во-первых, сам процесс модуляции обычно осуществляют в два приема: сначала формируют сигнал с обычной двухполосной АМ, а затем при помощи канального полосового фильтра в спектре этого сигнала оставляют лишь одну (чаще нижнюю) боковую полосу, подавляя несущую и вторую боковую полосу. Во-вторых, в приемнике в качестве демодулятора следует использовать фазовый детектор, на второй вход которого нужно подавать гармоническое колебание с частотой несущей. Это колебание вырабатывается местным генератором, поэтому его частота может несколько отличаться от частоты несущей данного канала в передатчике. В итоге при демодуляции возникает характерное искажение сообщения: все составляющие в его спектре вместе сдвигаются вверх или вниз, причем величина и направление сдвига равны соответственно величине и знаку разности несущих частот. Поэтому при многоканальной передаче телефонных сигналов существует норма: отличие несущих частот не должно превышать 10 Гц.

Отметим две главные причины возникновения междуканальных помех.

1) Неидеальность (непрямоугольность) частотной характеристики канального полосового фильтра, например, в приемнике либо смещение его центральной частоты, превышающее ширину защитного частотного интервала. Тогда на вход демодулятора наряду с сигналом данного канала будут поступать некоторые частотные составляющие, принадлежащие одному или двум соседним канальным сигналам. Влияние более далеких каналов, конечно, будет намного слабее, поэтому такая помеха называется помехой по соседнему каналу. Для уменьшения уровня такой помехи можно, во-первых, использовать более совершенные фильтры, что заметно повышает их стоимость и массогабаритные характеристики, и, во-вторых, увеличивать защитные частотные интервалы, что, очевидно, приведет к увеличению полосы частот, необходимой для передачи группового сигнала.

2) Нелинейность амплитудной характеристики группового тракта. Как известно, нелинейные искажения даже при передаче колебания одной частоты приводят к появлению дополнительных колебаний кратных частот (высших гармоник). Групповой сигнал, как видно на рис. 6.4, это сумма колебаний разных частот, поэтому нелинейные искажения приводят к появлению множества новых колебаний с различными суммарными и разностными частотами (комбинационных составляющих), которых не было в спектре передаваемого сигнала. Ясно, что при большом числе каналов в полосу пропускания канального полосового фильтра в приемнике будет попадать большое количество таких комбинационных составляющих, образованных из сигналов других каналов. После демодуляции они будут восприниматься как дополнительный шум. Такая помеха называется комбинационной помехой.

Назовем два способа уменьшения комбинационных помех.

1) Уменьшение амплитуд канальных сигналов и, в итоге, амплитуды группового сигнала, чтобы работать в пределах сравнительно линейного участка амплитудной характеристики группового тракта. Платой за это является уменьшение отношения сигнал/шум в каждом канале (полезный сигнал на входе приемника уменьшили, а шум остался прежним). Кроме того, работа усилителя мощности в линейном режиме обычно приводит к снижению его КПД, что крайне нежелательно, например, в спутниковых ретрансляторах, где мощность источника питания (солнечной батареи) ограничена.

2) Выбор частот поднесущих таким образом, чтобы наиболее сильные комбинационные составляющие оказались за пределами полосы, используемой для передачи группового сигнала. Это сделать тем проще, чем меньше число каналов. Поэтому при большом числе каналов выгодно использовать многоступенчатую, древовидную, иерархическую структуру устройства уплотнения каналов, чтобы на каждом уровне блок уплотнения имел малое число входов.

Эти принципы закреплены в действующем стандарте, определяющем структуру и параметры устройства частотного уплотнения аналоговых телефонных сигналов для их передачи по медному кабелю. Предусмотрены четыре ступени уплотнения, при этом во всех ступенях применяется амплитудная модуляция с нижней боковой полосой.

Н а 12 входов первой ступени уплотнения поступают 12 стандартных аналоговых телефонных сигналов с полосой 300-3400 Гц каждый. Блок содержит 12 генераторов поднесущих с частотами 64, 68, 72, … ,104, 108 кГц (отсюда видно, что на каждый канал отводится полоса 4 кГц), 12 канальных модуляторов для формирования АМ канальных сигналов, разнесенных по оси частот, и 12 канальных полосовых фильтров для преобразования АМ в АМ ОБП. В итоге (см. рис. 2.17) на выходе блока первый канальный сигнал занимает полосу 60,4-63,7 кГц, второй канальный сигнал – полосу 64,4-67,7 кГц и т.д. (рис. 6.5). Между канальными сигналами предусмотрены защитные интервалы шириной по 0,9 кГц каждый. Вместе 12 канальных сигналов образуют первичный групповой сигнал, занимающий полосу 60,4-107,7 кГц. Обычно указывают округленные значения 60-108 кГц, то есть ширина спектра первичного группового сигнала равна 4∙12=48 кГц.

Три последующие ступени организованы по тому же принципу и имеют по 5 входов каждая (Приложение 4). В частности, на входы второй ступени уплотнения поступают 5 первичных групповых сигналов, занимающих полосу 60-108 кГц каждый, а на выходе получается вторичный групповой сигнал, спектр которого лежит в полосе 312-352 кГц (60 телефонных каналов на 240 кГц).