/>Введение
Длявсех РТМС характерна многоканальная передача. Число уплотняемых каналов всовременных РТМС достигает 100-10000. при этом применяются различные видыопераций уплотнения и разделения каналов, а также различные процедурыорганизации этих операций. На выбор метода разделения каналов влияет:
— числоуплотняемых каналов;
— скорость передачи информации;
— требованияк помехоустойчивости и скрытности передаваемой информации;
— условияиспользования многоканальной системы;
— возможностиунификации и стандартизации аппаратуры.
/>
1Классификация методов разделения каналов
Всеиспользуемые методы разделения каналов можно классифицировать на линейные инелинейные (рисунок 1).
/>
Рисунок 1
Клинейным относятся методы, при которых операции разделения осуществляютсялинейными устройствами. Для осуществления линейного разделения каналов необходимои достаточно, чтобы канальные сигналы составляли ансамбль линейно независимыхсигналов. В качестве таких сигналов часто используют ансамбль ортогональныхсигналов. Обычно используют следующие линейные методы разделения каналов:частотное разделение каналов — ЧРК, временное разделение каналов — ВРК,разделение каналов по форме — РКФ. Для пояснения принципа линейного разделенияканалов рассмотрим структурную схему многоканальной системы (рисунок 2).
/>
Рисунок 2
Первичныесигналы />/>/> свыхода аппаратуры обработки информации АОИ поступают на канальные модуляторы(КМ), где преобразуются в канальные сигналы />/>/>.
/> , ( 1)
где/> - оператор, осуществляющийвзаимное однозначное преобразование.
Дляобразования группового сигнала все Nканальных сигналов складываются:
/>. ( 2)
Впередатчике этот сигнал преобразует в высокочастотное колебание:
/> , ( 3)
гдеM – оператор преобразования.
Передатчик(ПрД), приемник (ПрМ), линия связи (ЛС) образуют канал связи (КС). На входеприемника принимается сигнал:
/> , ( 4)
где/> - мультипликативные иаддитивные помехи. В приемнике (ПрМ) происходит обратное преобразованиесигнала:
/>. ( 5)
Действиеканального селектора характеризуется оператором />.Процесс разделения каналов можно представить следующим образом:
/>. ( 6)
Т.е.l-ый селектор реагирует лишь насигнал /> и не реагирует на сигналыдругих каналов. В демодуляторах (Д) происходит обратное преобразованиеканального сигнала /> в сообщение />. Необходимым условиемнормальной работы многоканальной системы является взаимное однозначноепреобразование, осуществляемое операторами />.
ПриВРК канальные сигналы представляют собой последовательности прямоугольныхимпульсов, не пересекающихся во времени.
ПриЧРК канальные сигналы представляют собой гармонические колебания с не перекрывающимисячастотными спектрами.
ПриРКФ канальные сигналы перекрываются по времени и частоте, оставаясьортогональными за счет их формы.
Известнобольшое число нелинейных методов уплотнения и разделения каналов. В некоторыхслучаях при нелинейном уплотнении возможно использование линейного разделенияканалов. Например, если операция уплотнения состоит в перемножении канальныхсигналов:
/> , ( 7)
причемканальные 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 кизвестной задаче линейного разделения.
/>. ( 8)
Изнелинейных методов уплотнения в настоящее время используется логическое(мажоритарное) уплотнение, имеющее ряд достоинств по сравнению с другимиметодами. К достоинствам мажоритарного уплотнения относятся:
1. Отсутствиебуферной памяти, необходимой для согласования потока информации с пропускающейспособностью канала связи.
2. Отсутствиепри передаче служебной (адресной) информации.
3. Информационнаяскрытность.
/>2Условия линейной разделимости сигналов
Длялинейной разделимости каналов необходимо, чтобы с помощью оператора /> выполнялась следующаяоперация:
/> ( 9)
Приэтом сигналы должны удовлетворять определенным условиям. Пусть /> — множество канальныхсигналов 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 условиюлинейной независимости. Условием линейной независимости сигналов (функций)определенных на отрезке /> являетсяневозможность тождества:
/> ( 10)
прилюбых значениях коэффициентов />,/>,…,/>, кроме случая />. Если окажется, что можноподобрать коэффициенты />,/>,…,/>, при которыхудовлетворяется соотношение ( 10), то сигналы станут линейно зависимыми инеразделимыми. К линейно независимым сигналам относятся сигналы вида:
/> ( 11)
где/> и /> — вещественные числа. Вобщем случае критерий линейной независимости функций />, определенных на интервале/> дается теоремой Грама: Длятого, чтобы функции /> были линейнонезависимыми, необходимо и достаточно, чтобы был отличен от нуля определительматрицы />, элементы которойопределяются соотношением:
/>. ( 12)
Т.е.условие линейной независимости функций можно записать в следующей форме:
/>, ( 13)
гдеG – определитель Грама. ОпределительГрама всегда не равен нулю для ортогональных функций, которые удовлетворяютусловию:
/>/>/> ( 14)
где/> - весовая функция.Согласно теории функции действительного переменного систему линейно независимыхфункций можно свести к некоторой ортогональной системе функций. Использованиекак правило в качестве канальных сигналов системы ортогональных функций связанос тем обстоятельством, что разделение этих сигналов осуществляется безухудшения отношения сигнал — шум.
/> 3Разделение сигнала по форме
Приразделении сигналов по форме базисные функции /> должныбыть линейно независимыми и ортогональными. При этом передаваемая информациязаключается в амплитуде базисных функций. В случае разделения по формеканальный сигнал имеет вид:
/> , ( 15)
где/> — период канальногосигнала, /> — отсчеты первичногосигнала.
Выражениесправедливо в случае, когда информация заключена в амплитуде сигнала. Вкачестве базиса используются функции, удобные с точки зрения техническойреализации. В частности полиномы Лежандра, Матье и др. При использованииполиномов Лежандра отдельные базисные функции равны:
/> ( 16)
Условиеортогональности в этом случае имеет вид:
/> ( 17)
Т.о.,средняя мощность каждого ортогонального колебания равна (/>). Для того чтобы выровнятьмощность канальных сигналов на передающей стороне каждую базисную функциюумножают на />.
Прииспользовании нечетных полиномов в сигнале появляются скачки, для передачикоторых потребуется широкая полоса радиоканала (рисунок 3).
/>
Рисунок 3
Дляустранения этого недостатка в передаваемом сигнале у нечетных полиномов черезпериод изменяют полярность (рисунок 4).
/>
Рисунок 4
Рассмотримструктурную схему передающей части системы с ортогональными сигналами (рисунок 5).
/>
Рисунок 5
гдеСМУ – суммарно-масштабирующий усилитель, ГПФ – генератор полиномиальныхфункций, ГТЧ – генератор тактовой частоты, ГНК – генератор несущего колебания,К – ключ, С – синхронизатор.
Первичныйсигнал /> - непрерывная функциявремени. ГТЧ формирует кратковременный импульс с частотой />. Ключ К хранит значениеотсчетов за весь период, а синхронизатор формирует синхросигнал.
Тогдагрупповой будет сигнал представлен в следующем виде:
/>, />, ( 18)
Дляразделения канальных сигналов используют свойство их ортогональности. Этаоперация сводится к вычислению скалярного произведения группового сигнала набазисную функцию выделяемого канала
/> ( 19)
Структурнаясхема приемной части системы приведена на рисунке 6.
/>
Рисунок 6
Ортогональныеполиномы Лежандра, Чебышева и т.д. являются непрерывными аналоговыми сигналамии, следовательно, устройствам их генерирования и обработки свойственнынедостатки присущие всем аналоговым устройствам:
- невозможностьунификации и стандартизации большинства устройств;
- высокиетребования к температурной стабильности;
- сложностьтехнической реализации генераторов полиномиальных функций.
Поэтомув настоящее время в качестве канальных сигналов используются различные типыцифровых сигналов, в частности ансамбль функций Уолша.
/> 4Частотное разделение каналов (ЧРК)
ЧРК– частный случай разделения ортогональных сигналов. Базисные функцииортогональны в частотной области. Вид базисных функций:
/>, ( 20)
где /> - поднесущая частота.
Колебания( 19) будут оставаться ортогональными при любых значениях параметров />, /> и />, если частотные спектрыканальных сигналов не перекрываются.
Спектргруппового сигнала показан на рисунке 7.
/>
Рисунок 7
Длялучшего разделения каналов между спектрами канальных сигналов вводят защитныйинтервал />. Общая ширина спектрагруппового сигнала />:
/>. ( 21)
Ширинаспектра />зависит от вида модуляции иширины спектра первичного сигнала.
/> , ( 22)
где/> — ширина спектра первичногосигнала,
/> - коэффициент,зависящий от вида модуляции, для амплитудной модуляции (АМ) />.
Длячастотной (ЧМ) и фазовой (ФМ) модуляции /> зависитот девиации частоты и индекса модуляции.
Основнымнедостатком системы с ЧРК является то, что с ростом числа каналов возрастаетширина спектра группового сигнала. При ЧРК сообщения можно передаватьамплитудной, частотной и фазовой модуляцией. Модуляция осуществляетсянепрерывно при передаче всего сообщения. Обычно используют две ступени модуляции.В первой ступени каждая поднесущая может быть промодулирована по амплитуде,частоте или фазе. Возможна одновременная модуляция поднесущей по амплитуде ичастоте. Эта операция удваивает число каналов без существенного расширенияполосы частот тракта, но создает значительные взаимные помехи. Кроме того,можно увеличить общее число каналов, применяя однополосную модуляцию с полнымподавлением одной боковой и поднесущей. Сумма модулируемых поднесущихмодулирует несущую частоту передатчика по амплитуде, фазе и частоте во второйступени модуляции. Возможны различные комбинации способов модуляции поднесущихчастот и несущих колебаний:
АМ– АМ; АМ – ЧМ; ОБП – ЧМ; АМ – ОБП; ИКМ – ЧМ – ЧМ
Выборопределенного варианта построения системы с ЧРК зависти от требований кэффективности и помехоустойчивости.
Структурапередающей части системы с ЧРК приведена на рисунке 8,
/>
Рисунок 8
гдеПР – преобразователь, КМ – канальный модулятор, ГНК – генератор несущегоколебания, ПФ – полосовой фильтр.
Переносспектров осуществляет КМ, а ПФ пропускают все спектральные компонентымодулированного сообщения и задерживают их гармоники. Гармоники возникаютиз-за нелинейности модуляционной характеристики КМ. После сумматора сигналподается на модулятор передатчика, где происходит модуляция несущей. На первой ступени осуществляется модуляция канальных сигналов, а на второй модуляциянесущей частоты. Сигнал, полученный на приемной стороне, поступает на общийдемодулятор, а затем на систему из Nфильтров (рисунок 9).
/>
Рисунок 9
Амплитудно-частотныехарактеристики (АЧХ) фильтров аналогичны АЧХ фильтров, используемых напередающей стороне. После фильтров включены канальные демодуляторы (КД).
5Временное разделение каналов
Привременном разделении каналов (ВРК) сигналы, принадлежащие отдельным каналам, неперекрываются по времени. Импульс i-гоканала группового сигнала /> можетнаходиться только в i-м интервалевремени (рисунок 10). Такие сигналы ортогональны независимо от формыимпульсов, если только временное положение этих импульсов находится в пределахсвоего канального интервала. Частота переключения каналов выбирается так, чтобыдля всех возможных реализаций сообщений удовлетворялся заданный показательверности. Для выделения канального сигнала на приемной стороне используютсябазисные функции /> и />.
/>
Рисунок 10
Такиефункции ортогональны:
/> ( 23)
Дляразделения каналов при ВРК необходимо производить следующие операции:
/> ( 24)
ПриВРК необходима многоступенчатая модуляция, минимальное число ступеней которойравняется двум. В первой ступени какой – либо параметр периодическойпоследовательности видеоимпульсов моделируется сообщением />. Число канальных импульсовравняется числу каналов. Определим периодическую последовательность импульсовследующим образом:
/> , ( 25)
где/> — функция, характеризующаяформу импульсов, /> - амплитудаимпульсов,
/> , ( 26)
определяютначало переднего фронта k-гоимпульса, />, /> - период следованияимпульсов, /> - начало отсчетапоследовательности, /> - сдвиг k-гоимпульса относительно момента времени /> ,/> - длительность k-гоимпульса.
Впервой ступени часто применяют следующие виды параметрической модуляции:
/> ( 27)
Возможнакомбинированная модуляция, при которой одновременно меняются несколькопараметров (АИМ-ШИМ, АИМ-ВИМ).
Применяюттакие виды непараметрической модуляции, как КИМ,/>-модуляция.
Вовторой ступени параметр синусоидального колебания высокой частоты модулируетсясуммой канальных импульсов. Обычно используется амплитудная, фазовая, частотнаямодуляция. В названии системы с ВРК первые буквы определяют вид модулированнойпоследовательности импульсов, а последние – способ модуляции несущей суммыканальных импульсов (ШИМ-ЧМ, АИМ-АМ).
Рассмотримструктурную схему передающей части системы с ВРК (рисунок 11):
/>
Рисунок 11
ГТИвырабатывают последовательность импульсов с частотой />. Построим эпюры вуказанных точках (рисунок 12). Для синхронизации устройства разделенияиспользуют нулевой или /> канал.В устройстве формирования синхроимпульса (УФСИ) эти импульсы кодируются.Синхроимпульсы должны отличаться по форме от канального импульса. Перваяступень модуляции реализуется в канальном модуляторе (КМ), на которыйпоступает первичный сигнал и периодическая последовательность канальныхимпульсов (в). Промодулированные в каждом канале импульсы складываются всумматоре />. Вторая ступень модуляцииосуществляется в модуляторе (М) передатчика (ПрД).
/>
Рисунок 12
Наприемной стороне системы с ВРК принятое колебание усиливается в приемнике (ПрМ)и демодулируется (ДМ) (рисунок 13).
/>
Рисунок 13
Далеепоследовательность импульсов поступает на селектор синхроимпульсов ССИ и на N-ыйвход временных селекторов (ВС). Простейшая схема ССИ имеет вид (рисунок 14).
/>
Рисунок 14
Сигнална схему «и» подается с двух отводов линии задержки (ЛЗ). Задержкаосуществляется на время />. Сигналсо схемы ССИ используется для запуска генератора селекторных импульсов (ГСИ).Импульсы с ГСИ открывают ВСiсоответствующего канала на время существования i-гоканального импульса. Далее сигнал поступает на i-ыйканальный демодулятор КД. Рассмотрим эпюры напряжения в различных точках схемы( 15).
/>
Рисунок 15
/> 6Мажоритарное уплотнение каналов
линейноеразделение канал импульс
Примажоритарном уплотнении на входе устройства установлен АЦП. В результате такогоуплотнения каждой комбинации двоичного кода с блоковой длиной Nв параллельной форме, поступившей от Nуплотняемых источников в устройстве уплотнения ставится в соответствиекомбинация двоичного кода группового сигнала с блоковой длиной n
/> . ( 28)
Приданном нелинейном методе уплотнения оказывается возможным линейное разделениеканалов просто реализуемое на цифровом устройстве. Рассмотрим структурную схемуустройств уплотнения Nканалов (рисунок 16).
/>
Рисунок 16
Моделирующиесообщения от N источниковпредставленные двоичным кодом одновременно во всех каналах поступают на один извходов канального модулятора (КМ). В качестве КМ используется сумматор помодулю два. На другие входы КМ поступает канальный сигнал закрепленный заданным каналом. Канальный сигнал представляет собой комбинацию двоичного кода сблоковой длиной n, котораявыбирается по формуле:
/> , ( 29)
где/> - вероятность ошибки наодин информационный символ. Длительность двоичного символа канального сигналавыбирается равной />, где T– длительность двоичного символа модулирующего сообщения (рисунок 17).
/>Рисунок 17
Свыхода сумматора по модулю два в каждом канале в соответствии с операциямилогического суммирования:
/> ( 30)
имеемили выделенный данному каналу канальный сигнал:
/>, ( 31)
илиего инверсию:
/>. ( 32)
Совокупностьканальных сигналов и их инверсий одновременно поступает на мажоритарныйэлемент. На выходе мажоритарного элемента с тактовой частотой символовканального сигнала формируется двоичное кодовое слово по следующему правилу: i-ыйразряд кода (i от 1 до n)равняется единице, если число единиц поступающих на мажоритарный элемент повсем N каналам в i-ыймомент времени больше или равно N/2,и равен нулю в противном случае:
/> ( 33)
Код,порождаемый данным кодером, будет блочным нелинейным несистематическим кодом.
Рассмотримструктурную схему устройства разделения (рисунок 18).
/>
Рисунок 18
Устройстворазделения каналов является линейным устройством. Кодированные символыгруппового сигнала поступают на набор из Nканальных корреляторов, состоящих из сумматоров по модулю два и накопителейимпульсов (Н). В качестве накопителей можно применять реверсивные счетчики. Наодин вход сумматора по модулю два поступают принимаемые символы групповогосигнала, а на другой – символы соответствующего канального сигнала. Поокончанию счета ncимволов решающее устройство определяет знак накопленной суммы. Если число единиц />, то выносится решение оприеме информационного символа 1, и наоборот
/> ( 34)
Вкачестве канального сигнала обычно используются двоичные ортогональные сигналы,например функции Уолша.
Недостатокмажоритарного уплотнения: даже при отсутствии шумов в канале связи будетошибка, обусловленная методом уплотнения.
Заключение
Телекоммуникацииявляются одной из наиболее быстро развивающихся областей современной науки итехники. Жизнь современного общества уже невозможно представить без техдостижений, которые были сделаны в этой отрасли за немногим более ста летразвития. Отличительная особенность нашего времени — непрерывно возрастающаяпотребность в передаче потоков информации на большие расстояния. Этообусловлено многими причинами, и в первую очередь тем, что связь стала одним изсамых мощных рычагов управления экономикой страны. Одновременно, претерпеваязначительные изменения, становясь многосторонней и всеобъемлющей, электросвязькаждой страны становится все более интегрированной в мировоетелекоммуникационное пространство.
Списоклитературы:
1. КирилловС.Н., Виноградов О.Л., Лоцманов А.А. Алгоритмы адаптации цифровых фильтров врадиотехнических устройствах. Учебное пособие. Рязань. РГРТА, 2004. 80с.
2. КирилловС.Н., Дмитриев В.Т. Алгоритмы защиты речевой информации в телекоммуникационныхсистемах. Учебное пособие с грифом УМО. Рязань. РГРТА, 2005. 128с.
3. Радиотехническиеметоды передачи информации: Учебное пособие для вузов / В.А.Борисов,В.В.Калмыков, Я.М.Ковальчук и др.; Под ред. В.В.Калмыкова. М.: Радио и связь.1990. 304с.
4. Системырадиосвязи: Учебник для вузов / Н.И.Калашников, Э.И.Крупицкий, И.Л.Дороднов,В.И.Носов; Под ред. Н.И.Калашникова. М.: Радио и связь. 1988. 352с.