Существующие направляющие системы по своим свойствам способны пропустить значительный объём информации. При этом линейные сооружения являются самой дорогостоящей частью в составе систем связи. Из вышесказанного можно сделать вывод, что использование направляющих систем для передачи по каждой из них информации от одного источника до одного потребителя является экономически нецелесообразным. Таким образом, задачей современной связи является передача по одной направляющей системе нескольких независимых сообщений одновременно.
Поскольку источниками сообщений зачастую являются одинаковые технические устройства, то параметры всех сообщений, подлежащих передаче по системе связи, изначально одинаковы. Следовательно, простое объединение этих сигналов в направляющей системе невозможно, поскольку невозможно разделение их на приёмном конце тракта связи. Для уверенного разделения сигналов их необходимо снабдить дополнительными, изначально отсутствующими признаками, по которым будут производиться идентификация и разделение сигналов различных сообщений на приёме. Существуют несколько способов разделения каналов: частотный, временнόй, фазовый и амплитудный.
Хронологически первым возник частотный способ разделения каналов (ЧРК). При этом способе идентификационным признаком является частотный диапазон передаваемых сигналов. Следовательно, при ЧРК информацию каждого канала требуется передавать в своём частотном диапазоне. В простейшем случае каждый информационный сигнал должен управлять работой своего собственного генератора.
Рис. 5.1. Схема переноса сигнала в другой частотный диапазон.
При этом базовые частоты этих генераторов не должны совпадать между собой в рамках одной системы связи. Сигнал управляемого генератора получил наименование несущего сигнала либо несущей частоты (сокращённо несущей). Процесс изменения какого либо параметра высокочастотного несущего сигнала в соответствии с низкочастотным информационным сигналом называется модуляцией. В зависимости от того, какой параметр несущей содержит в себе информацию о передаваемом информационном сигнале, различают амплитудный (АМ), частотный (ЧМ) и фазовый (ФМ) виды модуляции.
Рассмотрим амплитудную модуляцию сигнала. Допустим, что управление генератором несущего сигнала осуществляется одночастотным синусоидальным информационным сигналом. Процесс получения амплитудно-модулированного аналогового сигнала представлен на рис. 5.2.
Рис. 5.2. Амплитудная модуляция.
Закон изменения амплитуды информационного сигнала выражается формулой:
. (5.1.)
Закон изменения амплитуды сигнала несущей:
. (5.2.)
Тогда выражение для модулированного тока будет иметь вид:
(5.3.)
где – коэффициент модуляции, определяющий отношение тока информационного сигнала к
току несущей.
Учитывая, что , выражение (5.3.) приобретает следующий вид:
(5.4.)
Из выражения (5.4.) следует, что ток амплитудно-модулированного сигнала состоит из независимой от информационного сигнала составляющей тока несущей частоты и двух составляющих, содержащих в себе сведения об информационном сигнале. Зависимости от частоты токов сигналов при амплитудной модуляции представлены на рис. 5.3.
Рис. 5.3. Спектральные характеристики одночастотной передачи.
Поскольку коэффициент модуляции при амплитудной модуляции всегда должен быть меньше единицы, то значения амплитуд токов информационных составляющих модулированного сигнала всегда будет меньше половины амплитуды тока несущей.
В случае передачи по каналу многочастотного сигнала значение тока информационного сигнала из формулы (5.1.) будет иметь вид:
, (5.5.)
а значение тока модулированного сигнала при многочастотной передаче будет представлено согласно формуле (5.4.):
(5.6.)
Рис. 5.4. Спектральные характеристики многочастотной передачи.
Из рис. 5.2. и рис. 5.4. видно, что для реализации требования, предъявляемого к коэффициенту модуляции, необходимо, чтобы значение амплитуды колебаний несущего сигнала было больше амплитуды колебаний любой составляющей спектра полезного сигнала.
Таким образом, значение частот информационных составляющих модулированного сигнала находится в жёсткой зависимости от значения частоты несущей. Воздействуя различными информационными сообщениями на разные по частоте несущие, можно производить передачу этих сообщений в разных зонах частотного диапазона направляющей системы. В результате становится возможной одновременная передача большого количества сообщений между различными абонентами, т.е. многоканальная передача.
Возможны четыре варианта передачи модулированного сигнала по направляющей системе: передача всего модулированного сигнала целиком (НДБП АМ), передача несущей и одной из информационных составляющих (НОБП АМ), передача обеих информационных составляющих без передачи сигнала несущей (ДБП АМ), передача только одной информационной составляющей (ОБП АМ).
Рис. 5.5. Варианты передачи амплитудно-модулированного сигнала.
Рассмотрим эти варианты. Передача двух боковых полос приводит к ухудшению использования частотного диапазона направляющей системы, поскольку полоса частот, занимаемая одним модулированным сообщением, более чем в два раза превосходит полосу частот изначального сообщения. Учитывая тот факт, что обе боковые полосы несут в себе идентичную информацию о передаваемом сообщении, как это следует из формулы (5.6.) и рис. 5.5., использование этих видов модуляции является технически нецелесообразным.
Передача несущей частоты значительно упрощает генераторное оборудование канала связи, поскольку отпадает необходимость в его высокой стабильности. В этом случае работа генераторного оборудования на приёме синхронизируется с работой генераторного оборудования передатчика самой передаваемой несущей. Но, как уже отмечалось выше, амплитуда несущей более чем в два раза превосходит амплитуды боковых полос, а значение амплитуды передаваемого сигнала находится в прямой зависимости со степенью влияния этого сигнала на сигналы соседних каналов в рамках одной направляющей системы. Таким образом, передача сигнала несущей по любому каналу приводит к ухудшению качества связи во всей многоканальной системе в целом и уменьшению возможной дальности передачи системы. Кроме того, передача несущей так же увеличивает ширину спектра одного канала, что является недостатком по вышеуказанным причинам. В существующих системах многоканальной связи принята передача одной боковой полосы(ОБП АМ).
Операции выделения необходимых составляющих из исходных амплитудно-модулированных сигналов и подавление ненужных составляющих осуществляется при помощи электрических фильтров. В технике связи используется четыре типа фильтров: фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые фильтры (ПФ) и заградительные, иначе режекторные фильтры (ЗФ). Основной характеристикой любого фильтра является значение частот на границах между пропускаемым и подавляемым сигналами. Эти границы называются границами среза или частотами среза. Диапазон частот пропускаемых фильтрами сигналов называется полосой(зоной)пропускания, а диапазон подавляемых частот - полосой(зоной)подавления(заграждения).
Фильтр нижних частот пропускает через себя все сигналы, частоты которых меньше частоты среза и задерживает все остальные сигналы. Фильтр верхних частот наоборот пропускает сигналы с частотами большими частоты среза. Зона (полоса) пропускания полосового фильтра находится между двумя границами среза. Задачей заградительного фильтра является подавление сигналов, чьи частоты находятся между двумя границами среза.
Рис. 5.6. Типы электрических фильтров и их характеристики.
Следует отметить, что характеристики реальных фильтров отличаются от характеристик идеальных. Это проявляется наличием отличного от нуля затухания в полосах пропускания фильтров и не бесконечным затуханием в полосах подавления. Последнее обстоятельство приводит к неполному уничтожению побочных сигналов, например несущих и неиспользуемых боковых полос.
Управление работой генератора с помощью информационного сигнала согласно рис. 5.1 является на практике труднореализуемым. Поэтому принцип действия существующих модуляторов основан на управлении с помощью сигнала несущей частоты сопротивлением нелинейного элемента.
Основной характеристикой нелинейного элемента является зависимость протекающего через него тока от значения и направления приложенного напряжения.
Характеристика нелинейного элемента может быть представлена также в виде зависимости внутреннего сопротивления элемента от приложенного напряжения.
Рис. 5.8. Характеристика сопротивления нелинейного элемента.
Таким образом, амплитуда колебаний несущей должна иметь диапазон, достаточный для управления нелинейным элементом во всей рабочей области.
В зависимости от применяемых в преобразователе нелинейных элементов различают пассивные и активные преобразователи. Пассивные преобразователи не увеличивают амплитуды проходящих через них колебаний. В состав таких преобразователей входят пассивные нелинейные элементы. В отличие от пассивных активные преобразователи увеличивают амплитуды сигналов и используют в своём составе усиливающие нелинейные элементы.
При использовании в схемах модуляторов нелинейных элементов, побочным эффектом преобразований является появление в выходном сигнале помимо слагаемых из формулы (5.4.) ряда дополнительных побочных гармоник высших порядков, частоты которых могут находиться в полосах, отведённых для передачи сообщений других каналов системы многоканальной связи. Это приводит к появлению в этих каналах внятных переходных разговоров, что ухудшает качество передачи и является нежелательным процессом. Поэтому на выходе модулятора должно быть как можно меньше побочных продуктов преобразования (гармонических и комбинационных составляющих), а амплитуды неизбежно существующих также должны быть как можно меньшими. Существует значительное количество схем реализации модуляторов. Они отличаются количеством и схемами включения нелинейных элементов и, как следствие, спектральными составами выходных модулированных сигналов. Простейшей является схема однотактного модулятора.
Рис. 5.9. Схемы однотактных модуляторов.
Как видно из приведённых рисунков, в различных вариантах данной схемы возможны различные способы введения информационного сигнала и несущей частоты и снятия модулированного сигнала, не изменяющие сущность работы схемы.
Получаемый на выходе такой схемы модулированный сигнал содержит в своём составе чрезмерно большое количество побочных составляющих, что можно проиллюстрировать следующей спектрограммой.
Рис. 5.10. Спектральные характеристики однотактного модулятора.
Несколько лучшие результаты получаются в случае использования в качестве модулятора двухтактного преобразователя.
Рис. 5.11. Схемы двухтактных модуляторов.
В случае подачи информационного сигнала на Тр.1, а сигнала несущей частоты на Тр.2 спектр модулированного сигнала на Тр.3 не содержит в себе сигнала несущей, что значительно упрощает получение сигнала ОБП АМ. Такая разновидность амплитудной модуляции получила название балансной модуляции. Кроме того, спектр содержит в себе значительно меньшее количество комбинационных составляющих, чем спектр сигнала на выходе однотактной схемы.
Рис. 5.12. Спектральные характеристики двухтактного модулятора.
Двойная двухтактная (кольцевая) схема модулятора представляет собой две двухтактные схемы, объединённые в единое целое.
Для нормальной работы схемы необходима возможно более полная идентичность характеристик всех четырёх нелинейных элементов. Анализ работы схемы показывает, что в спектре модулированного сигнала на её выходе будет отсутствовать как составляющая несущей частоты, так и составляющая информационного сигнала.
Рис. 5.14. Спектральные характеристики двойного двухтактного модулятора.
Как видно из спектрограммы, кольцевая схема даёт наилучшие результаты по сравнению со всеми приведёнными выше схемами. Благодаря своим преимуществам перед другими схемами кольцевая схема используется практически во всех системах передачи с частотным разделением каналов.
При частотной (ЧМ) и фазовой (ФМ) видах модуляции по закону передаваемого сообщения изменяются частота либо фаза несущей. Эти два вида модуляции близки по смыслу между собой и часто в обобщённом виде называются угловой модуляцией.
Рис. 5.15. Угловая модуляция.
Если информационный сигнал и несущая выражаются формулами (5.1.) и (5.2.) соответственно, то выражение для сигнала угловой модуляции имеет вид:
. (5.7.)
Следующим этапом развития систем связи является передача дискретных сигналов. Такая передача является более выгодной по сравнению с аналоговой по критериям помехозащищённости и энергетической целесообразности. Процесс дискретизации непрерывного сигнала заключается в том, что вместо самого сигнала передаётся информация о значении его амплитуды в определённые моменты времени. Эти моменты получили название моментов дискретизации, а сама информация называется выборками или отсчётами.
При передаче дискретизированного сигнала по системам связи основной задачей является его безошибочное восстановление на приёмном конце тракта. Условие безошибочного восстановления на приёмном конце передаваемого дискретизированного сигнала сформулировано в теореме Котельникова, которая гласит: любой передаваемый аналоговый сигнал конечного наперёд известного спектра частот fmin - fmax, подвергшийся дискретизации на передающем конце тракта связи, может быть восстановлен на приёмном конце безошибочно, если частота его дискретизации fд не менее чем в два раза превосходит fmax:
fд ≥ 2 · fmax. (5.8.)
В системах связи, предназначенных для передачи речевой информации, в качестве расчётной ширины основной полосы стандартного телефонного канала принято использовать полосу в 4000 Гц, при спектре передаваемого сигнала 3100 Гц и защитной полосе между соседними каналами 900 Гц. Откуда получаем, что для стандартного канала с полосой fmax=4 кГц частота дискретизации должна составлять:
fд= 2 · fmax =2 · 4 = 8 кГц, (5.9.)
а время между передачей двух соседних выборок (период дискретизации) должно составлять:
Дальнейшим развитием способов преобразования сигналов является переход от непрерывных методов модуляции к дискретным, иначе называемым импульсными. Эти методы позволяют осуществить временное разделение каналов. При импульсных методах передачи в качестве сигнала несущей используются прямоугольные импульсы. Различают амплитудно-импульсный (АИМ), фазоимпульсный (ФИМ) и широтно-импульсный (ШИМ) виды модуляции.
При амплитудно-импульсной модуляции величина амплитуды импульсов несущей изменяется в соответствии с мгновенными значениями амплитуды информационного сигнала. При этом возможны два варианта трансформации исходного несущего сигнала. В первом варианте амплитуда каждого импульса несущей в течение всего времени его существования следит за изменением амплитуды информационного сигнала. Этот вариант получил наименование АИМ-1. При АИМ-2 амплитуда каждого импульса определяется значением информационного сигнала в фиксированный момент времени на протяжении срока существования импульса. Наиболее распространённым является способ, при котором амплитуда импульса определяется значением информационного сигнала в момент начала импульса. Однако, возможны и другие варианты.
Рис. 5.16. Амплитудно-импульсная модуляция.
При широтно-импульсной модуляции по закону модулирующего сообщения изменяется ширина (длительность) импульсов несущей. Амплитуда и частота следования импульсов при широтно-импульсной модуляции остаются постоянными. Величина длительности импульсов также определяется мгновенным значением амплитуды информационного сигнала в фиксированный момент времени на протяжении срока существования импульса. При этом изменение может происходить за счёт смещения какого либо одного среза импульса (односторонняя ШИМ), или за счёт смещения обоих срезов (двухсторонняя ШИМ). При односторонней ШИМ, как и в АИМ, система может отслеживать изменение амплитуды информационного сигнала (ШИМ-1) или не отслеживать (ШИМ-2).
Рис. 5.17. Широтно-импульсная модуляция.
При фазоимпульсной модуляции по закону модулирующего сообщения изменяется временное положение импульсов несущей. Амплитуда и длительность импульсов остаются постоянными. Для облегчения процесса демодуляции часто ФИМ представляется в виде серии чередующихся опорных и информационных импульсов. Моменты появления опорных импульсов фиксированы во времени. Временной интервал между опорными и информационными импульсами пропорционален значению амплитуды выборки. Фазоимпульсная модуляция разделяется на ФИМ-1, при которой вышеуказанный интервал пропорционален значению информационного сигнала в момент возникновения информационного импульса, и ФИМ-2, при которой отсчёт создаётся в фиксированные моменты возникновения опорных импульсов.
Рис. 5.18. Фазоимпульсная модуляция.
Следует отметить, тесную связь ШИМ и ФИМ, поскольку передний фронт импульса, при односторонней ШИМ, аналогичен опорному импульсу ФИМ, а задний фронт – информационному.
При передаче сообщений амплитуда передаваемого сигнала, а, следовательно, и амплитуда передаваемых дискретных отсчётов может быть любой, в пределах всего динамического диапазона. Это не позволяет передавать её значения в цифровой форме, поскольку число символов, используемых для передачи значения амплитуды одного отсчёта, стремится к бесконечности. Эта проблема устраняется путём квантования, т.е. замены истинного значения амплитуды каждого отсчёта на наиболее близкое к нему значение из шкалы фиксированных уровней по определённому алгоритму. Выборка, значение которой находится между двумя уровнями квантования, может приниматься равной либо нижнему, либо верхнему уровню. Но наиболее распространён алгоритм, при котором значение отсчёта принимается равным нижнему уровню, если оно не превышает половины величины между двумя соседними уровнями квантования; и верхнему уровню в остальных случаях. Шкала квантования выбирается таким образом, чтобы разница между истинным и квантованным значениями (называемая погрешностью квантования, ошибкой квантования или шумом квантования) не вносила существенных искажений в точность восстановления сигнала на приёмном конце тракта. В современных системах передачи используются шкалы в 128 (27) и 256 (28) уровней квантования
По аналогии с неквантованными, различают квантованную амплитудно-импульсную модуляцию (КАИМ), квантованную широтно-импульсную модуляцию (КШИМ) и квантованную фазоимпульсную модуляцию (КФИМ).
Как можно заметить из рис. 5.16, 5.17., 5.18., 5.19., сигналы, получаемые при импульсных видах модуляции, имеют различный вид для каждого отсчёта. Это вызывает усложнение при их распознавании на приёмном конце тракта связи и другие технические затруднения. В КАИМ это приводит к значительному увеличению динамического диапазона системы, а в КФИМ и в КШИМ к увеличению времени передачи одного отсчёта. Для устранения этого недостатка применяется кодирование с использованием кодов различных оснований, при котором информация о любой выборке передаётся комбинацией одинаковых сигналов. Совокупность процессов квантованной импульсной модуляции и кодирования получили название импульсно кодовой модуляции (ИКМАМ, ИКМШМ, ИКМФМ), а системы их реализующие наименование цифровых систем передачи (ЦСП).
На сегодняшний момент основной является двоичная система кодирования. Учитывая (5.9.) всё вышесказанное, скорость передачи двоичного кода для каждого отсчёта должна составлять:
8 кГц · 7 бит/отсчёт =56 кбит/с, либо
8 кГц · 8 бит/отсчёт = 64 кбит/с. (5.11.)
Такие каналы получили название: основной цифровой канал (ОЦК), либо первичный цифровой канал (ПЦК).
. (5.1.)
. (5.2.)
(5.3.)
– коэффициент модуляции, определяющий отношение тока информационного сигнала к
, выражение (5.3.) приобретает следующий вид:
(5.4.)
, (5.5.)
(5.6.)
. (5.7.)
