книги / Многоканальная связь и РРЛ

ного сигнала системы передачи с ВРК, использующей сдвоенные синхроимпульсы. Здесь Тк— канальный интервал, ТСс— интервал времени, отводимый на передачу синхросигнала, Гси — интер­ вал времени между сдвоенными импульсами синхросигнала, Ти — длительность канальных импульсов группового АИМ сигнала, Т3— защитный интервал между импульсами.

Селектор синхроимпульсов показан на рис. 6.7, а временные диаграммы его р.аботы на рис. 6.8. На сумматор селектора, по­ ступает принимаемый сигнал, содержащий СИ, и также сигнал,

задержанный на время			Тси	(см. диаграммы 1 и 2, рис. 6.8).
За. счет	наложения	СИ	друг	на друга на выходе сумматора в
точке 3	появляется	импульс		удвоенной амплитуды, который от­

сутствует в модулированном сигнале, (см. диаграмму 3, рис. 6.8).

си .	2		* .	Кл
^ 1 1 .
	1	2	■ -	£
1СИ	,		3
*11	ш	1	_■ *	t

mI Порог ограничения		\
1	1 1 . . П . 7	J'	t
ц	^.ЗапускРИК
m1 приемники

й

Р и с. 6.9

Рис. 6.8

Порог ограничения ограничителя амплитуд ОА по минимуму вы­

бирается равным				и,п. На		входе ОА появляются импульсы, высота
которых ыи> « т .				Такими		являются только импульсы, соответству­
ющие синхросигналу на						выходе схемы СС, для которых u„=2«jn.
Эти импульсы			проходят			на выход ОА схемы СС (см. диаграм­
му 4, рис. 6.8)			и	запускают РИК приемника			(см. рис. 6.3).
Выясним		назначение				устройств Ау и Аг	в схеме СП с ВРК
и АИМ. Для		этого рассмотрим упрощенную эквивалентную схему
канала	(рис.	6.9). На			этой схеме ключи передатчика Xjiy и при­
емника	Клг показаны				одним ключом Кл, что допустимо, так как

работают ключи синхронно и синфазно. На схеме не показаны групповые устройства ГУ и цепь передачи, так как предполагает­ ся, что искажения, вносимые цепью, .компенсируются ГУ приемни­ ка и на передачу сигнала не влияют.

Процесс передачи и восстановления аналогового сигнала рас­ смотрим одновременно с временной и спектральной точек зрения, путем построения и анализа соответствующих временных диаграмм в наиболее характерных точках эквивалентной схемы канала. Эти диаграммы приведены на рис. 6.10.

Временная диаграмма 1 (рис. 6.10) соответствует точке 1 (рис. 6.9). На ней изображен непрерывный (аналоговый) сигнал, который поступает на ключ передатчика: Импульсы, управляющие ключом Кл, подаются в точку 2 схемы рис. 6.9. Они изображены на временной диаграмме 2 (рис. 6.10). В момент появления управляющего импульса ключ Кл замыкается и пропускает со-

ответствующее мгновенное значение сигнала на выход. В про­ межутках между импульсами ключ разомкнут и сигнал на выходе •ключа отсутствует. Сформированный таким образом сигнал в точ­ ке 3 схемы рис. 6.9 представляет собой последовательность им­ пульсов, амплитуда которых пропорциональна мгновенным значе­ ниям входного сигнала. Такой сигнал (см. временную диаграм­ му 3, рис. 6.10) называют АИМ сигналом. Поэтому ключ Кл является, по существу, амплитудно-импульсным модулятором.

Задача устройств Аг заключается в том, чтобы преобразовать импульсный АИМ сигнал ttAIfA1 (t), который формируется ключом Клг, в непрерывный аналоговый сигнал, (см. пунктирную кривую на временной диаграмме 3—4, рис. 6.10), совпадающий с исход­ ным сигналом u(t).

Чтобы лучше уяснить принцип построения преобразующего устройства Л2, рассмотрим спектральные характеристики сигна­ лов в'основных точках эквивалентной схемы канала. Спектр ана­ логового сигнала в точке 1 условно изображен в виде треуголь­ ника и показан на спектральной диаграмме Si (рис. 6.10). Спектр

S 2 периодической последовательности	управляющих	импульсов
<иг(1) является. линейчатым, так как	разложение в	ряд Фурье

любого периодического сигнала позволяет представить его в виде

u2( t) -	3	AkCos2nkfat,	(6.1)
	f e = 1 .2 ,...,o o

Этот спектр изображен на диаграмме S2 '(рис. 6.10). Он содер­ жит постоянную составляющую Ло> а также дискретные состав-

ляющие с частотами /д, 2/д, 3/д,... и амплитудами Ai, А2 , Аз,...

соответственно. Связь между		сигналами:		выходным	U-аш (О»
входным u ( t ) и управляющим		и%( 0	определяется выражением
U A H tJ[(t)= U (t)U 2 (t).					( 6.2)
На рис. 6.11 показан	один	из способов		построения	диодного
ключа. Видно, что схема	(или	эквивалентная схема) ключа пред­
ставляет собой балансный модулятор			БМ систем передачи с ЧРК.

Рис.- 6.11

Поэтому спектр АИМ сигнала ПдимСО во многом аналогичен спектру сигнала на выходе БМ, работающего в ключевом режи­ ме. Напомним, что спектр сигнала на выходе БМ в режиме боль­ ших амплитуд состоит из боковых полос относительно несущей, а также боковых.полос относительно нечетных гармоник несущей, и содержит в своем составе спектр исходного сигнала. Аналогично этому, спектр АИМ сигнала на выходе ключа содержит боковые полосы относительно.основной частоты управляющего сигнала (частоты дискретизации /д), боковые полосы относительно гармо­ ник частоты /д, а также спектр исходного сигнала. Боковые поло­ сы появляются вокруг всех гармоник частоты /д, что связано с разной формой сигнала ih(t), управляющего ключом в системе пе­ редачи с ВРК, и формой несущего колебания, управляющего ба­ лансным модулятором БМ в системе передачи с ЧРК. Покажем, что спектр АИМ сигнала имеет именно такой вид. Для этого под­

ставим (6.2) в (6.1):
«а и м ( 0	=	А0и( t) +A i« ( t) cos 2nfut+AzU( t) cos 2я2fat+
		-ЬАзи ( t ) cos 2 я З Щ -...		(6.3)
Первое слагаемое в (6.3)			.с точностью до постоянного множителя
Л0 совпадает	с	исходным	сигналом u[t), поэтому и спектр	этого

сигнала с точностью до Ао совпадает со спектром Si. Все осталь­ ные слагаемые выражения (6.3) имеют вид:

		uh(t) =Ahu(t) cos 2nkfAt,	(6.4)
где	2, 3,... — номер слагаемого.
	Пусть для	простоты входной сигнал будет гармоническим, т. е.
u(t)=Ac cos 2nfct, тогда
		U h ( t ) =AftAcCOS 2 n f c t c o s 2лА/д/ =
	=	j M c _ {,0 0 s 2 r t ( f c / f l + / c ) H - c o s 2n(kfa—fc)t}.

2 1

Видно, что спектр каждого слагаемого Uh{t) представляет собой две боковые полосы относительно &/д; верхнюю боковую полосу t частотой kfA+fc и нижнюю боковую полосу с частотой 6/A~fc, Спектры всех этих слагаемых изображены в виде треугольников на диаграмме S3 (рис. 6.10). Спектр первого слагаемого (исходно- ю сигнал"а) изображен в виде незаштрнхованного треугольника; спектры боковых полос относительно гармоник частоты /д — в ви­ де заштрихованных треугольников. Полученная спектральная ди­ аграмма S3 сигнала иАИМ(£) позволяет ответить на следующие вопросы: 1) при каких условиях возможно выделить из АИМ сиг­ нала Ыдим(0 исходный непрерывный сигнал u(i) \ 2) каким долж­

но быть устройство, выделяющее непрерывный сигнал						и{1) из
АИМ сигнала.			из импульсного		АИМ сиг­
Выделить непрерывный сигнал u(t)
нала означает выделить спектр Si		из спектра S 3. Для этого необ­
ходим фильтр нижних частот ФНЧ. На			спектральной		диаграмме
S3 (рис. 6.10) показана частотная характеристика затухания ФНЧ
(сплошная линия со штриховкой).		Спектральные		составляющие
Si, соответствующие исходному сигналу u(t), должны					попасть в
полосу пропускания ФНЧ,	а все остальные компоненты					спектра
S3 — в полосу запирания	ФНЧ.-Интервал частот			между		верхней

границей спектра исходного сигнала [стах и минимальным значе­ нием частоты ближайшей нижней боковой /д—[стах определяет переходную область фильтра Л[п.0. При этом А/п.о=(/д—[отх)- -—[с.т&х—[дг—2fcmax. Чем больше Afn.o, тем легче выполнить ФНЧ.

Рассмотрим три варианта выбора частоты дискретизации f* Для варианта 1 [д>2[СТваХу при этом Д/П.о>0; для варианта 2 /я=

—2/стах, при ЭТОМ Д/п.о'=0; ДЛЯ ВарИЭНТа 3 /д<2/стахг при этом

Afn.o<0.

Понятно, что в третьем варианте при [д<2[стах спектр исход­ ного сигнала Si перекрывается с нижней боковой [д—/с и поэтому его нельзя выделить с помощью ФНЧ. Выделение непрерывного сигнала u(t) из АИМ возможно только в первом и втором вариан­ тах, т. е. если

2/сmax-	(6.5)
Это неравенство соответствует теореме Котельникова,	которая

формулируется следующим образом: непрерывный сигнал, опектр которого ограничен найвысшей частотой [сшах, можно однозначно описать последовательностью отсчетов этого сигнала, если частота следования отсчетов (частота дискретизации) /д удовлетворяет не­ равенству (6.5). Действительно, предыдущий анализ построенного спектра S3 сигнала uAm (t) (отсчетов. !непреры1виюго сигнала «■(/)) показал, что такое «однозначное описание», т. е. восстановление непрерывного сигнала в приемнике, возможно при выполнении ус­ ловия (6.5) с помощью ФНЧ. Таким образом, устройством Аг в приемнике является ФНЧ. Чтобы выполнялось условие теоремы Котельникова, спектр S* исходного непрерывного сигнала u[t) должен быть ограничен наивысшей частотой /стах. Следовательно

устройством А[ в передатчике также является ФНЧ. Эти ФНЧ по­ казаны на эквивалентной схеме канала (рис. 6.12).

Известно, что для телефонного сигнала, передаваемого по ка­ налу ТЧ, /с шах=3,4 кГц. Поэтому в соответствии с теоремой Ко­ тельникова /д^ 6 ,8 кГц. Выбирают /д= 8 кГц с тем, чтобы не ус­ ложнять ФНЧ. При этом переходная область ФНЧ для канала ТЧ

ОО	оО	0— R	■HZf
		и{Ш	-~иМ)
		0—	~0 1
Рис.	о.12

Р и с . 6.13

равна Д/п.о=1,2 кГц. Сложность фильтра определяется относи­ тельной переходной областью г|ф=Д/п.о//о100%, где [о=0,5[я— се­ редина переходной области. Фильтр считается простым, если г|ф^> >3%. В нашем случае Г1ф=30%. Если считать целесообразным сохранять такую сложность ФНЧ (т. е. величину Т1ф=30%) и\цля других сигналов, то необходимо частоту дискретизации вычислять по следующей приближенной формуле

2,3fc шах-

(6*6)

6.2. Переходные влияния между каналами

Прохождение сигнала по тракту всегда связано с его искаже­ ниями. В многоканальных системах передачи особенно опасны та­ кие искажения, которые приводят к нарушению независимой пе­ редачи 'сигналов в каналах, т. е. к взаимным влияниям между каналами.

Реальные тракты передачи вносят как линейные, так и нели­

нейные искажения.	Линейные	искажения	определяются неравно­
мерностью АЧХ «	ГВП, а	нелинейные	искажения — нелиней­

ностью амплитудной характеристики тракта передачи. В системах передачи с ВРК нелинейные искажения не приводят к взаимным влияниям между каналами. При временном разделении каналов более опасными^ являются линейные искажения тракта передачи.

Пусть средой распространения является кабель. Упрощенная эквивалентная схема кабеля, учитывающая его искажающие свой­ ства, может быть представлена RC цепочкой (см. рис. 6.13,а), где

R — омическое сопротивление жил кабеля, а С — емкость между парами кабеля. Такая упрощенная схема хорошо отображает ка­ бель длиной приблизительно 100 м; при больших длинах необхо­ димо рассматривать каскадное соединение соответствующего чис- ла RC цепей. Качественная картина искажающего действия таких цепей иллюстрируется рис. 6.13,6. Видно, что на выходе цепи вре­ мя нарастания импульса увеличивается и становится равным дли­ тельности импульса, а также резко увеличивается длительность заднего фронта — «хвоста» импульса (за счет медленного разряда емкости). Увеличение длительности импульса на выходе цепи зз счет переходных процессов приводит к влиянию данного импуль­ са на последующие. В системах передачи с ВРК каждый из им­ пульсов группового АИМ сигнала характеризует мгновенное зна­ чение сигнала в соответствующем канале: первыйимпульс -- мгно­ венное значение сигнала первого канала, второй импульс — второ­ го канала и т. д. Поэтому влияние импульсов друг на друга, вы­ званное увеличением их длительности, приводит к влиянию меж­ ду каналами.

Нелинейные искажения тракта изменяют форму передаваемого сигнала, но не увеличивают его длительность. Сказанное иллю­ стрируется графиками рис. 6.14, на которых показан процесс про-

Р и с. 6.15

хождения импульса трапецеидальной формы u\{t) через тракт с линейной (штриховая линия 1) и нелинейной (сплошная линия 2) амплитудными характеристиками. Сигнал на выходе тракта u2{t) не изменяется по форме при прохождении через линейный четы­ рехполюсник (кривая 3). Нелинейная амплитудная характеристи­ ка искажает форму выходного сигнала u2(t) (график 4), однако моменты времени, соответствующие началу импульса tu времени окончания переднего t2 и заднего U фронтов, не изменяются. По­ этому длительности импульсов на входе и выходе тракта переда*

qu T„-U—ti одинаковы. Так как нелинейные искажения не изме­

няют длительности импульса	Тп, то к влиянию между	каналами
они не приводят.	импульсами, вызванное	линейными
Взаимное влияние между

искажениями тракта, часто называют интерференционными иска­ жениями. Изменение величины передаваемых импульсов является случайным процессом, поэтому интерференционные искажения фиксированного тракта передачи тоже случайны. Действия этих искажений можно уподобить действию некоторой помехи, которую называют интерференционной, помехой.

Рассмотрим некоторые методы уменьшения интерференционных

помех в системах передачи с ВРК.			увеличения
1. Уменьшение интерференционных помех путем
защитного интервала времени между импульсами. Идея				метода
очевидна: чем больше	интервал времени	между импульсами			Т3
(см. рис. 6.13,6), тем	меньше величина	мешающего	«хвоста»,		а
значит, величина интерференционных помех. Однако			увеличение
защитного интервала	между импульсами	Т3 увеличивает		каналь-"
ный интервал Тк (см. рис. 6.6). Количество каналов N в				системе
передачи с ВРК определяется выражением
	N= (TJTK)—(TccfTK)..			(6.7)

Здесь (см. рис. 6.6) время цикла передачи ГЦ=ГД— периоду дис­

кретизации, который	определяется	теоремой Котельникова (6.5)
или (6.6). Отношение	TCcjT1{ равно	количеству канальных интерва­

лов Тк, отводимых на передачу сигнала синхронизации. Видно, что увеличение канального интервала Тк уменьшает количество кана­ лов N.

2. Уменьшение интерференционных помех путем использования устройств преобразования временного масштаба (УПВМ) и за­ щитного интервала времени между группами импульсов. Идея ме­ тода иллюстрируется временными диаграммами рис. 6.15, на кото­ ром показан принцип формирования трехканального группового сигнала. Для уяснения сущности метода необходимо вспомнить классический метод формирования группового сигнала в системе передачи с ВРК, который иллюстрируется рис. 6.2. На диаграм­ мах 1, 2 и 3 рис. 6.15, как и на аналогичных диаграммах рис. 6.2, показаны три разных аналоговых сигнала (пунктиром) и соответ­ ствующие им импульсные канальные сигналы, которые формиру­ ются ключом из аналоговых путем дискретизации их по времени. Частота дискретизации каждого канального сигнала /д выбирается в соответствии с теоремой Котельникова (6.5). При классическом методе построения системы передачи с ВРК (рис. 6.2) объедине­ ние импульсов канальных сигналов в групповой происходило по­ очередно и посимвольно: в групповом сигнале п2 (Ь сначала шел импульс первого канала, затем второго, третьего и т. д. При ис­ пользовании УПВМ сначала передается группа импульсов, соот­ ветствующая сигналу первого канала, а затем второго, третьего и т. д. Чтобы сформировать такие группы импульсов, канальные снг-

налы U\\[k], u $ [ k ]	и т. д. подаются на устройства УПВМЬ УПВМ2
и т. д. (см. рис. 6.16), в которых .осуществляется			запись	сигнала
со скоростью Vu запоминание его,		а затем считывание		со ско­
ростью V2. При этом 1/2>1/'ь Считывание ведет9я			прерывисто. С
Запись	Считывание	|	|	|

помощью коммутатора к выходу подключается сначала	УПВМ[ и
в режиме считывания передает на большой скорости	V2	группу
импульсов канального сигнала U \ [ k ] . Затем коммутатор		подклю­

чается к УПВМ2 и т. д. В результате формируется групповой сиг­ нал Ui{t), показанный на рис. 6.15. Конечно, при такой переста­ новке импульсов канальных сигналов переходные процессы в трак­ те передачи и вызванные ими интерференционные помехи не ис­ чезают. Однако, если ввести защитный интервал времени между

группами Га, то можно существенно уменьшить	влияние	между
каналами. Влияние между импульсами данного	канала	внутри
группы приводит к искажению каждого из передаваемых		сигна­

лов, но к влиянию между каналами не приводит. Рассмотренный метод УПВМ позволяет существенно увеличить количество кана­ лов по сравнению с классическим при том же уровне межканаль­ ных помех, так как защитный интервал Т3 вводится не в каждый канальный интервал Гк, а в группу канальных интервалов. Однако УПВМ усложняет аппаратуру и увеличивает время задержки сиг­ нала в канале.

3. Уменьшение интерференционных помех путем формирования линейного сигнала с малым значением энергетического спектра на тех частотных интервалах, где неравномерность АЧХ или ГВП значительна, а также путем коррекции формы импульсов этого сигнала в приемнике. Этот метод в основном и применяется как в системах передачи с ВРК, так и в цифровых системах передачи ДСП. Поэтому он будет рассмотрен подробно в гл. 7.

6.3. Импульсные методы модуляции

Амплитудно-импульсная модуляция, будучи самым простым из импульсных методов модуляции, характеризуется самой низкой по­ мехоустойчивостью. Поэтому АИМ обычно заменяют другой более помехоустойчивой модуляцией. Более помехоустойчивыми являют­ ся угловые методы импульсной модуляции (УИМ): широтно-им-

пульсная модуляция ШИМ (см. диаграмму 1, рис. 6.17), фазоимлульсная модуляция ФИМ (см. диаграмму 2, рис. 6.17) и др.

При всех методах импульсной модуляции несущими являются импульсные последовательности. При АИМ мгновенным измене­ ниям значения сигнала соответствуют изменения амплитуды им­ пульсов несущей, при УИМ — изменения.-положений фронтов этих импульсов.

На рис. 6.18,а показан один из импульсов несущей трапецеи­ дальной формы (сплошная линия 1), а также границы отклонений мгновенных значений этого импульса в сторону увеличения (штри­ ховая кривая 2) и уменьшения (штриховая кривая 3), которые

происходят за счет наложения помехи величиной ип. Видно, что под действием этой помехи изменяется амплитуда и положение фронтов несущей, что соответственно при АИМ и всех видах УИМ воспринимается как шум. Величина изменения амплитуды импуль­ сов несущей равна по величине помехе, а величина изменения фронта помехи ДГф.п пропорциональна помехе, но зависит также от крутизны фронта этого импульса Яф. На рис. 6.18,6 показан сигнал на выходе порогового устройства (усилителя-ограничителя или схемы типа триггера с эмиттерной обратной связью), у кото­ рого пороговое напряжение мПор равно половине амплитудного зна­ чения импульса. Сплошной линией показан импульс, соответствую- щий-сигналу 1 (рис. 6.18,а) на входе порогового устройства, а пунктиром — сигналам. 2 и 3 соответственно. Из треугольника АВС (рис. 6.18,а) видно, что ВС = пп, АС=ДТф.п, а крутизна 5ф=^0ф = =ВС/АС = цп/ДТф.п т. е.

(6.8)

где 0ф — угол, характеризующий крутизну нарастания фронта им­ пульса; для прямоугольного импульса 0ф=я/2.

Известно, что помехоустойчивость характеризуют защищен­ ностью, дБ,

A3 = 201g п.с	(6.9)
ып
где «п.с — напряжение полезного сигнала; мп — напряжение	поме­

хи. Нас будет интересовать полезный сигнал на выходе демодуля­ тора Ивых=Ып.с- Выходной сигнал

| т аис при АИМ

Мвых— 1/ПуМс при УИМ,

где т а — коэффициент амплитудной модуляции, ту — индекс уг­ ловой модуляции, ис— передаваемый сигнал.

Учитывая (6.8) — (6.10), имеем, что

при АИМ
А3 АИМ= A0+201gm a,	(6.11)
при УИМ
А з у и м = А ) + 2 0 ^ т у5ф ,	(6.12)
где Ao=201g(Mc/wn)— защищенность немодулированного	сигнала
от той же помехи. Приведенные зависимости не являются	исчер­

пывающими, так как не учитывают энергетических и статистиче­ ских характеристик передаваемого сигнала и помехи, однако уже из них видно, что помехоустойчивость УИМ выше помехоустойчи­ вости АИМ. Низкая помехоустойчивость АИМ следует непосред­ ственно из (6.11). Как правило, коэффициент амплитудной моду­

ляции т а<1, поэтому Азаим< А о.	АИМ
Обозначим превышение помехоустойчивости УИМ над
через ДАУИМ. Это превышение равно
ААуим= Ауим — Адим=201 g 7Па 5ф.	(6.13)

Если форма импульсов несущей приближается к прямоуголь­ ной, то 0ф->л/2; 5ф-»-оо, а значит ААУИМ-*-оо.

Из (6.12) следует, что при одинаковой амплитуде импульсов на входе демодуляторов помехоустойчивость ШИМ и ФИМ равны. Однако, как это видно из сравнения диаграмм А и 2, рис. 6.17, мощность передатчика ФИМ меньше мощности передатчика ШИМ, так как энергия ФЙМ сигнала, состоящего из последова­ тельности импульсов постоянной и малой длительности, меньше энергии ШИМ сигнала, состоящего из соответствующих широких импульсов. Поэтому ФИМ предпочтительнее.

Рассмотрим способы построения модуляторов и демодуляторовФИМ. На рис.-6.19 приведена структурная схема М о д у л ято р а ФИМ. Видно, что формирование ФИМ сигнала осуществляется с помощью модулятора ШИМ (1) и преобразователя ШИМ сигна­ ла в ФИМ сигнал (2). Функциональная схема одного из возмож­ ных вариантов построения модулятора ШИМ приведена на рис. 6.20,а, на рис. 6.20,5 приведены временные диаграммы, поясняю­ щие его работу. Приведенная схема модулятора ШИМ состоит и»