Разделение каналов в радиолинии

Размещено на /

Введение

Для всех РТМС характерна многоканальная передача. Число уплотняемых каналов в современных РТМС достигает 100-10000. при этом применяются различные виды операций уплотнения и разделения каналов, а также различные процедуры организации этих операций. На выбор метода разделения каналов влияет:

число уплотняемых каналов;

скорость передачи информации;

требования к помехоустойчивости и скрытности передаваемой информации;

условия использования многоканальной системы;

возможности унификации и стандартизации аппаратуры.

1 Классификация методов разделения каналов

Все используемые методы разделения каналов можно классифицировать на линейные и нелинейные (рисунок 1).

Рисунок 1

К линейным относятся методы, при которых операции разделения осуществляются линейными устройствами. Для осуществления линейного разделения каналов необходимо и достаточно, чтобы канальные сигналы составляли ансамбль линейно независимых сигналов. В качестве таких сигналов часто используют ансамбль ортогональных сигналов. Обычно используют следующие линейные методы разделения каналов: частотное разделение каналов - ЧРК, временное разделение каналов - ВРК, разделение каналов по форме - РКФ. Для пояснения принципа линейного разделения каналов рассмотрим структурную схему многоканальной системы (рисунок 2).

Рисунок 2

Первичные сигналы с выхода аппаратуры обработки информации АОИ поступают на канальные модуляторы (КМ), где преобразуются в канальные сигналы .

, ( 1)

где - оператор, осуществляющий взаимное однозначное преобразование.

Для образования группового сигнала все N канальных сигналов складываются:

. ( 2)

В передатчике этот сигнал преобразует в высокочастотное колебание:

, ( 3)

где M – оператор преобразования.

Передатчик (ПрД), приемник (ПрМ), линия связи (ЛС) образуют канал связи (КС). На входе приемника принимается сигнал:

, ( 4)

где - мультипликативные и аддитивные помехи. В приемнике (ПрМ) происходит обратное преобразование сигнала:

. ( 5)

Действие канального селектора характеризуется оператором . Процесс разделения каналов можно представить следующим образом:

. ( 6)

Т.е. l-ый селектор реагирует лишь на сигнал и не реагирует на сигналы других каналов. В демодуляторах (Д) происходит обратное преобразование канального сигнала в сообщение . Необходимым условием нормальной работы многоканальной системы является взаимное однозначное преобразование, осуществляемое операторами .

При ВРК канальные сигналы представляют собой последовательности прямоугольных импульсов, не пересекающихся во времени.

При ЧРК канальные сигналы представляют собой гармонические колебания с не перекрывающимися частотными спектрами.

При РКФ канальные сигналы перекрываются по времени и частоте, оставаясь ортогональными за счет их формы.

Известно большое число нелинейных методов уплотнения и разделения каналов. В некоторых случаях при нелинейном уплотнении возможно использование линейного разделения каналов. Например, если операция уплотнения состоит в перемножении канальных сигналов:

, ( 7)

причем канальные сигналы обладают тем свойством, что их логарифмы образуют ансамбль линейно независимых сигналов. То путем логарифмирования группового сигнала, т.е. его нелинейной обработкой можно привести задачу нелинейного разделения к известной задаче линейного разделения.

. ( 8)

Из нелинейных методов уплотнения в настоящее время используется логическое (мажоритарное) уплотнение, имеющее ряд достоинств по сравнению с другими методами. К достоинствам мажоритарного уплотнения относятся:

Отсутствие буферной памяти, необходимой для согласования потока информации с пропускающей способностью канала связи.

Отсутствие при передаче служебной (адресной) информации.

Информационная скрытность.

2 Условия линейной разделимости сигналов

Для линейной разделимости каналов необходимо, чтобы с помощью оператора выполнялась следующая операция:

( 9)

При этом сигналы должны удовлетворять определенным условиям. Пусть - множество канальных сигналов к-го канала. Назовем - линейно разделимыми множествами, если для них справедливо выражение ( 9).

Теорема: Для того, чтобы множества были линейно разделимыми, необходимо и достаточно, чтобы они удовлетворяли условию линейной независимости. Условием линейной независимости сигналов (функций) определенных на отрезке является невозможность тождества:

( 10)

при любых значениях коэффициентов ,,…,, кроме случая . Если окажется, что можно подобрать коэффициенты ,,…,, при которых удовлетворяется соотношение ( 10), то сигналы станут линейно зависимыми и неразделимыми. К линейно независимым сигналам относятся сигналы вида:

( 11)

где и - вещественные числа. В общем случае критерий линейной независимости функций , определенных на интервале дается теоремой Грама: Для того, чтобы функции были линейно независимыми, необходимо и достаточно, чтобы был отличен от нуля определитель матрицы , элементы которой определяются соотношением:

. ( 12)

Т.е. условие линейной независимости функций можно записать в следующей форме:

, ( 13)

где G – определитель Грама. Определитель Грама всегда не равен нулю для ортогональных функций, которые удовлетворяют условию:

( 14)

где - весовая функция. Согласно теории функции действительного переменного систему линейно независимых функций можно свести к некоторой ортогональной системе функций. Использование как правило в качестве канальных сигналов системы ортогональных функций связано с тем обстоятельством, что разделение этих сигналов осуществляется без ухудшения отношения сигнал - шум.

3 Разделение сигнала по форме

При разделении сигналов по форме базисные функции должны быть линейно независимыми и ортогональными. При этом передаваемая информация заключается в амплитуде базисных функций. В случае разделения по форме канальный сигнал имеет вид:

, ( 15)

где - период канального сигнала, - отсчеты первичного сигнала.

Выражение справедливо в случае, когда информация заключена в амплитуде сигнала. В качестве базиса используются функции, удобные с точки зрения технической реализации. В частности полиномы Лежандра, Матье и др. При использовании полиномов Лежандра отдельные базисные функции равны:

( 16)

Условие ортогональности в этом случае имеет вид:

( 17)

Т.о., средняя мощность каждого ортогонального колебания равна (). Для того чтобы выровнять мощность канальных сигналов на передающей стороне каждую базисную функцию умножают на .

При использовании нечетных полиномов в сигнале появляются скачки, для передачи которых потребуется широкая полоса радиоканала (рисунок 3).

Рисунок 3

Для устранения этого недостатка в передаваемом сигнале у нечетных полиномов через период изменяют полярность (рисунок 4).

Рисунок 4

Рассмотрим структурную схему передающей части системы с ортогональными сигналами (рисунок 5).

Рисунок 5

где СМУ – суммарно-масштабирующий усилитель, ГПФ – генератор полиномиальных функций, ГТЧ – генератор тактовой частоты, ГНК – генератор несущего колебания, К – ключ, С – синхронизатор.

Первичный сигнал - непрерывная функция времени. ГТЧ формирует кратковременный импульс с частотой . Ключ К хранит значение отсчетов за весь период, а синхронизатор формирует синхросигнал.

Тогда групповой будет сигнал представлен в следующем виде:

, , ( 18)

Для разделения канальных сигналов используют свойство их ортогональности. Эта операция сводится к вычислению скалярного произведения группового сигнала на базисную функцию выделяемого канала

( 19)

Структурная схема приемной части системы приведена на рисунке 6.

Рисунок 6

Ортогональные полиномы Лежандра, Чебышева и т.д. являются непрерывными аналоговыми сигналами и, следовательно, устройствам их генерирования и обработки свойственны недостатки присущие всем аналоговым устройствам:

невозможность унификации и стандартизации большинства устройств;

высокие требования к температурной стабильности;

сложность технической реализации генераторов полиномиальных функций.

Поэтому в настоящее время в качестве канальных сигналов используются различные типы цифровых сигналов, в частности ансамбль функций Уолша.

4 Частотное разделение каналов (ЧРК)

ЧРК – частный случай разделения ортогональных сигналов. Базисные функции ортогональны в частотной области. Вид базисных функций:

, ( 20)

где - поднесущая частота.

Колебания ( 19) будут оставаться ортогональными при любых значениях параметров , и , если частотные спектры канальных сигналов не перекрываются.

Спектр группового сигнала показан на рисунке 7.

Рисунок 7

Для лучшего разделения каналов между спектрами канальных сигналов вводят защитный интервал