3. Системи передачі з частотним розподілом каналів

Перенесення спектрів початкових сигналів в смуги частот робочого діапазону ліній зв'язку, що не перекриваються, здійснюється за допомогою модуляції, а зворотне перенесення — демодуляції. Нехай початковий сигнал має вигляд, показаний на рис. 8.1, а, і описується виразом

(8.1)

де — відповідно амплітуда і частота початкового сигналу. Суть процесу модуляції полягає в зміні одного з параметрів (амплітуди, частоти або фази) допоміжного гармонічного коливання, так званого коливання несівної частоти

(8.2)

де— відповідно амплітуда і частота несівної. Часова залежність несівної показана на рис. 8.1 , б.

Припустимо, що змінним параметром є амплітуда несучої, тобто має місце амплітудна модуляція AM. В цьому випадку амплітуда несівної змінюється за законом зміни вихідного сигналу (рис. 8.1, в). Вираз для АМ-сигналу матиме вигляд

,

де — амплітуда AM-сигналу. Останній вираз можна привести до вигляду

, (8.3)

де . Використовуючи формулу добутку косинусів, одержимо

. (8.4)

Таким чином, АМ-сигнал складається з трьох складових: несівної (перший доданок) і двох складових комбінаційних частот і з амплітудами . Складові комбінаційних частот розташовані по обидві сторони від несівної, тому їх називають бічними частотами. Складова зчастотою називаєтьсяверхньою бічною частотою, оскільки вона розташована по спектру вище за частоту , а складова зчастотою —нижньою бічною частотою. Верхня і нижня бічні частоти містять інформацію про сигнал . Якщо початкових сигналів декілька, то, вибираючи різні частоти несівних, можна одержати комбінаційні складові, зміщені щодо один одного за шкалою частот, передати їх по одній лінії, а на прийомі відновити.

Рисунок 8.1 – Часові діаграми при модуляції (а-в), умовне позначення модулятора і демодулятора (г), спектр частот на виході модулятора (д)

Зазначимо, що в AM сигналі міститимуться гармоніки початкового сигналу і несівної, тобто складові з частотами і , а такожкомбінаційні складові з частотами (n і m — коефіцієнти, що дорівнюють 1, 2, 3, 4 ...). Всі гармоніки, а також складові комбінаційних частот з коефіцієнтами більше одиниці називаються побічними (паразитними) продуктами перетворення (рис. 8.1, д).

Передавати в лінійний тракт дві бічні смуги частот недоцільно, оскільки вони в 2 рази перевищують смугу початкового інформаційного сигналу. Тому в системах передачі з ЧРК на виході модулятора включають смугові фільтри, які виділяють тільки одну з бічних смуг і пригнічують другу, а також всі паразитні продукти перетворення.

Демодуляція сигналу зводиться до виділення початкового сигналу з модульованого. Ця операція виконується в демодуляторі. На входи демодулятора подаються несівна з частотою і модульований сигнал — одна з бічних смуг, наприклад. В результаті на виході демодулятора утворюється складний сигнал, що містить серед інших комбінаційні складові з частотами, тобто складові з початковою смугою частот. Спеціальний пристрій — фільтр - виділяє цю смугу частот і пригнічує всі паразитні продукти перетворення.

Таким чином, модулятор сумісно із смуговим фільтром або демодулятор спільно з фільтром нижніх частот здійснюють переносення смуги частот інформаційного сигналу з одного діапазону в інший без її зміни. Пристрій, що здійснює таке перенесення, називається перетворювачем частоти.

Індивідуальний принцип побудови апаратури систем передачі. До складу апаратури систем передачі входять кінцеве і проміжне обладнання, а також обладнанання виділення каналів. Кінцеве обладнання призначене для перетворення початкових сигналів в деякий високочастотний сигнал, який можна передавати по тій або іншій лінії передачі. Проміжне обладнання призначене для посилення ослабленого при проходженні в середовищі розповсюдження сигналу і відновлення його форми. Обладнання виділення каналів застосовується для забезпечення зв’язком населених пунктів, що розташовані вздовж траси проходження лінії зв’язку.

Кінцеве і проміжне обладнання систем передачі може будуватися по індивідуальному і груповому принципам. При індивідуальному способі побудови для кожного каналу всі пристрої є окремими, причому не тільки в кінцевому, але і в проміжному устаткуванні. Таким чином, різні технічні пристрої повторюються стільки разів, на скільки каналів розрахована система передачі. Крім того, враховуючи, що кожному каналу відводиться строго певна смуга частот, однотипні пристрої різних каналів повинні розраховуватися на різні частоти.

Приклад побудови крайового устаткування за індивідуальним принципом приведений на рис. 8.2. В даному випадку система дозволяє організувати одночасну передачу сигналів, відповідних трьом різним повідомленням, по одному ланцюгу з пункту А в пункт Б. Передавач кожного каналу містить модулятор М і смуговий фільтр СФ, а приймач — смуговий фільтр, демодулятор ДМ і фільтр нижніх частот ФНЧ. Нехай на модулятор і демодулятор першого каналу поданий струм несівної частоти 108 кГц, второго— 104 і третього—100 кГц. Припустимо також, що в пункті А на вхід всіх трьох каналів подані інформаційні сигнали тональної частоти 0,3 ... 3,4 кГц (умовно такий складний сигнал зображається на схемі трикутником).

Рисунок 8.2 – Спрощена схема побудови кінцевого обладнання за індивідуальним принципом

Після перетворення на виході модулятора першого каналу виникають струми двох бічних смуг частот: верхньої 108 + (0,3 ... 3,4) = 108,3 ... 111,4 кГц і нижньої 108—(0,3 ... 3,4)= 104,6 ... 107,7 кГц. На схемі трикутник, що зображає нижню бічну смугу частот, показаний інверсованим (перевернутим) по відношенню до трикутника, що зображає початковий сигнал, оскільки гострому куту трикутника відповідає частота початкового сигналу 0,3, а прямому куту — 3,4 кГц.

На виході модулятора другого каналу виникнуть струми верхньої бічної смуги частот 104 + (0,3 ... 3,4) = 104,3 ... 107,4 кГц і нижньої бічної смуги частот 104— (0,3 ... 3,4) = 100,6 ... 103,7 кГц, а на виході модулятора третього каналу — відповідно 100 + (0,3... 3,4) = 100,3... 103,4 кГц і 100-(0,3 ... 3,4)=96,6 ... 99,7 кГц. Смугові фільтри кожного каналу пропускають струми тільки нижніх бічних і затримують струми верхніх бічних смуг частот.

Струм групового сигналу частотою 96,6 ... 107, 8 кГц передається в лінію. В пункті Б в кожний канал включені СФ, які пропускають струми із смугою частот 104,6 ... 107,7 кГц для першого каналу, 100,6 ... 103,7 кГц — для другого і 96,6 ... 99,7 кГц — для третього. Ці струми надходять на демодулятори, на які подаються ті ж несівні частоти, що і на модулятори. На виході демодулятора першого каналу знову з'являються струми двох бічних смуг: верхньої 108+(104,6... 107,7)= 212,6 ... 215,7 кГц і нижньої 108 — (104,6 ... 107,7) =0,3 … 3,4 кГц.Аналогічно в другому каналі та третьому каналі. Таким чином, завдяки подачі на модулятори і демодулятори кожного каналу різних несівних частот вдається перенести струми початкових сигналів з частотою 0,3 ... 3,4 кГц у верхній діапазон і рознести їх за шкалою частот, одночасно передати на станцію Б по одному ланцюгу, а на прийомі виділити із загального спектру початкові сигнали.

Груповий принцип побудови апаратури систем передачі. При розробці сучасних систем передачі широко використовується груповий спосіб побудови кінцевої апаратури. При такому способі побудови в системах передачі окремою для кожного каналу є тільки невелика частина устаткування, а решта пристроїв кінцевої апаратури і всіх пристроїв проміжної апаратури є спільною для всіх каналів системи. Структурна схема, що пояснює принцип побудови систем передачі з використанням багатократного, або групового, перетворення, приведена на рис. 8.3.

В першому ступені перетворення однакові початкові частотні смуги від 12 різних джерел сигналів перетворяться в 12-канальну групу сигналів. Таку групу прийнято називати первинною групою ПГ.

В другому ступені п'ять однакових по ширині частотних смуг первинних груп перетворяться в загальний груповий 60-канальний сигнал, що називається вторинною групою ВГ.

В наступному ступені перетворення утворюється 300-канальний сигнал шляхом перенесення п'яти вторинних 60-канальних груп. Групу з 300-канальних сигналів називають третинною ТГ.

При побудові систем передачі на дуже велике число каналів використовують четвертинні і п’ятинні групи. Кожна з цих груп утворюється об'єднанням відповідно декількох третинних і четвертинних груп. Відповідно до міжнародної домовленості апаратура систем передачі повинна мати число стандартних каналів ТЧ, кратне 12.

Рисунок 8.3 – Принцип групової побудови апаратури систем передачі

Сукупність перетворювального обладнання всіх груп носить назву каналоутворюючої апаратури. Призначення останньої полягає в перетворенні початкових сигналів, що займають смугу частот 0,3 ... 3,4 кГц, в груповий сигнал одного з різновидів стандартних груп. Каналоутворююча апаратура різних систем передачі залежно від загального числа сигналів може складатися тільки з апаратури первинних груп, первинних і вторинних і т.д. Використання каналоутворюючої апаратури дозволяє будувати кінцеву апаратуру систем передачі різної місткості на основі стандартного перетворювального обладнання.

3. Системи передачі з часовим розподілом каналів

Часовий спосіб розподілу каналів заснований на почерговій передачі різних сигналів по одній лінії. Ідея способу ілюструється спрощеною схемою системи передачі, зображеною на рис. 8.4. Система забезпечує передачу сигналів по одній лінії, по черзі з’єднуючи пар телефонних апаратів. Відповідні пари телефонних апаратів підключаються до лінії (каналу) передачі по черзі за допомогою двох спеціальних комутаторів-розподільників, що працюють злагоджено-синхронно і синфазно. Комутатор-розподільник спочатку підключає до лінії першу пару телефонних апаратів, потім другу, третю і т.д. до-ї пари. При цьому кожна пара підключається до лінії на певний короткий проміжок часу. Після підключення до лінії -ї пари телефонних апаратів процес повторюється, тобто знову підключається перша пара, друга і т.д. Отже, системи з ЧасРК працюють безперервно і циклічно. Перемикання проводиться з такою швидкістю, щоб абоненти не помічали перерв в зв'язку.

. Рисунок 8.4 – Принцип часового розподілу каналів

Рисунок 8. 5 – Перетвореннянеперервних сигналів в імпульсні

На рис. 8.5 приведені часові діаграми, що пояснюють принцип ЧасРК. На рис. 8.5, а-в дані графіки трьох неперервних аналогових сигналів ,,. Як видно з графіків, сигнали змінюються неперервно, приймаючи в кожний момент часу певне значення. В цілому таких значень в певному інтервалі буде нескінченна множина.

Академік В. А. Котельников показав, що неперервний сигнал можна передавати окремими значеннями через певні і рівні проміжки часу у вигляді послідовності коротких імпульсів. При цьому частота проходження імпульсів повинна не менше ніж в 2 рази перевищувати максимальну частоту складових спектру сигналу, а амплітуда їх (на малюнку висота) повинна бути рівною відповідним миттєвим значенням сигналу. Отже, для передачі неперервний сигнал перетвориться в імпульсний з амплітудою, що змінюється. Такий сигнал називається амплітудно-імпульсно-модульованим (АІМ-сигналом), а процес перетворення — дискретизацією. На діаграмах а-в рис. 8.5 показані АІМ-сигнали, що відповідають неперервним сигналам ,,.Інтервали часу між імпульсами індивідуальних сигналів дорівнюють.Отже_, частота дискретизації .

Як видно з діаграм, імпульси різних АІМ-сигналів зсунуті щодо один одного в часі (по фазі). Зсув імпульсів забезпечується комутатором-розподільником. При об'єднанні індивідуальних сигналів в лінії (каналі) передачі утворюється груповий імпульсний сигнал з частотою проходження імпульсів в раз більшою за частоту дискретизації . Інтервал часу між найближчими імпульсами групового сигналу називається канальним інтервалом . Проміжокчасу між сусідніми імпульсами одного індивідуального сигналу називається циклом передачі . Очевидно, що. Таким чином, в кожному циклі в певній послідовності розміщується по одному імпульсу всіх індивідуальних сигналів, зміщених один щодо одного на час. Від співвідношення ізалежить число імпульсів, яке можна розмістити в циклі, тобто число часових каналів.

На приймальному пункті системи за допомогою аналогічного комутатора-розподільника імпульси розподіляються по відповідних телефонних апаратах. В кожному приймальному ланцюзі індивідуальні АІМ-сигнали повинні бути перетворені назад в неперервні сигнали первинного вигляду. Ці функції виконують спеціальні пристрої.

Системи передачі, що використовують АІМ-сигнали, не дивлячись на порівняльну простоту реалізації не одержали практичного вживання. Це пов'язано з тим, що АІМ-сигнали вельми чутливі до впливу перешкод, оскільки будь-які перешкоди в каналах зв'язку змінюють амплітуду імпульсів, яка є інформаційним параметром сигналу.