63414

Мультиплексирование по времени

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Принцип временного объединения каналов удобно пояснить с помощью коммутаторов в виде синхронно вращающихся распределителей на передающей и приемной стороне рисунок...

Русский

2014-06-20

162.82 KB

4 чел.

Лекция 7   Мультиплексирование по времени

Принцип временного разделения каналов; характеристики группового сигнала систем с ВРК; цифровые методы передачи непрерывных сообщений; передача сигналов с дельта модуляцией

7.1 Принцип временного разделения каналов

Многоканальные системы с ВРК широко используются для передачи аналоговой и дискретной информации.

Принцип временного объединения каналов удобно пояснить с помощью коммутаторов в виде синхронно вращающихся распределителей на передающей и приемной стороне (рисунок 7.1).

Рисунок 7.1 – Упрощенная схема СЭС с ВРК

Основные этапы образования группового сигнала SΣ(t)  показаны на рисунке 7.2.

Рисунок 7.2 – Сигналы при временном разделении каналов

Информация от N источников аналоговых сигналов поступает на входы соответствующих индивидуальных импульсных модуляторов АИМ (ШИМ, ФИМ). Формируемые отсчеты сигналов S1(t)  на выходе первого импульсного модулятора (ИМ1) (рисунок 7.2,в), S2(t) на выходе второго импульсного модулятора (ИМ2) (рисунок 7.2,г) берутся через одинаковый интервал Δt=1/(2Fmax) , но с таким сдвигом Δ во времени, чтобы они не перекрывались.

Затем передающий распределитель считывает импульсы от всех источников, формируя сигнал SΣ(t) (рисунок 7.2,д), спектр которого с помощью группового модулятора (ГМ) переносится в область частот, отведенных для данной линии связи. Групповой сигнал SΣ(t), передаваемый по линии связи, несет информацию как от первого, так и о второго источника одновременно. На приемной стороне с выхода группового демодулятора (ГД) импульсы группового сигнала SΣ(t) поступают на вращающиеся контакты приемного распределителя для формирования канальных последовательностей S1(t), S2(t)  и т.д. из которых на выходе импульсных детекторов формируются непрерывные сигналы поступающие к получателям сообщений.

Рисунок 7.1 служит лишь для иллюстрации идеи временного уплотнения и не отражает современных технических методов коммутации. В действительности аппаратура временного уплотнения обходится без механических распределителей, которые заменены электронными распределителями, выполняющими те же функции (рисунок 7.3).

Рисунок 7.3 - Схема многоканальной связи с ВРК.

Выходы всех импульсных модуляторов подключены к «своим» электронным ключам, работой которых управляет распределитель коммутирующих импульсов. В свою очередь, распределитель запускается от генератора тактовых импульсов.

Временное разделение сигналов осуществляется устройством, упрощенная структурная схема которого представлена на рисунке 7.3. Принятый групповой радиосигнал в групповом демодуляторе преобразуется в групповую импульсную видеопоследовательность и поступает одновременно на входы выделителя синхросигнала и канальные электронные коммутаторы.

Процесс временного разделения производится в два этапа. На первом – этапе вхождения системы в синхронизм происходят поиск, обнаружение и выделение сигналов синхронизации, после чего запускается распределитель канальных коммутирующих импульсов. Распределитель формирует на своих выходах импульсы требуемой длительности и такой очередности, при которой в каждый канальный интервал открывается лишь один электронный коммутатор соответствующего канала.

На втором этапе производится демодуляция каждого канального импульса, после чего сигналы принимаемых каналов подаются к получателям аналоговой информации.

При временном разделении каналов важнейшую роль играет система синхронизации, алгоритм работы которой каждый раз выбирается индивидуально для принятого способа импульсной модуляции, способа временного объединения каналов, структуры сигналов синхронизации и т.д.

    7.2  Характеристики группового сигнала систем с ВРК

Коммутирующие импульсы на выходах распределителя появляются в определенной последовательности (рисунок 7.4): каждому каналу отведен временной интервал Tk, в течение которого передается информация только данного канала. Следующий канал будет подключен лишь после того, как отключится предыдущий, что достигается с помощью электронных ключей, управляемых коммутирующими импульсами.

Рисунок 7.4 – Параметры группового сигнала

Каждый импульсный модулятор будет подключаться через электронный ключ к схеме временного объединения только в канальные интервалы времени длительностью Tk=Ti /N, выделенные в групповом цикле для передачи информации по данному каналу. Период повторения этих интервалов для Ti  одного и того же канала называют периодом дискретизации по времени или тактовым интервалом. Очевидно, коммутация каналов должна происходить синхронно и синфазно на передающей и приемной сторонах линии связи.

В настоящее время применяются два способа коммутации каналов в схеме временного объединения. Первый способ заключается в том, что каждый канал подключается периодически и переход от одного канала к другому происходит в строго заданной очередности. Системы с таким способом опроса называют синхронными. При втором способе опрос производится непериодически и не в заранее заданной очередности, а произвольным образом. В этом случае система является асинхронной.

В рассматриваемой синхронной системе для безошибочного опознавания и разделения информационных (канальных) импульсов на приемной стороне в групповой многоканальный сигнал вводятся специальные импульсы, называемые импульсами синхронизации. Синхросигнал формируется специальным устройством и вводится в групповой видеосигнал на строго определенную временную позицию (рисунок 7.4), благодаря чему на приемной стороне каждый информационный импульс попадает на вход только своего тракта обработки. Обычно синхросигнал – отличается от информационных видеоимпульсов каким-либо параметром (амплитудой, длительностью, фазой и т.д.), что необходимо для его надежного обнаружения и выделения.

Группу видеоимпульсов (информационных и синхронизирующих), полученных на выходе схемы временного объединения в результате однократного опроса всех источников, сигналов, называют циклом, а соответствующий этому временной интервал – длительностью цикла Tц (рисунок 7.4). Заштрихованный на рисунке 7.4 импульс называют сигналом цикловой (групповой) синхронизации. Поскольку видеоимпульсы различных каналов следуют друг за другом в строгой очередности, в их временном положении заключена информация о номере канала. В дальнейшем групповой видеосигнал подается на вход группового модулятора, где преобразуется в линейный радиосигнал, пригодный для передачи по линии связи.

При временном объединении предполагается, что каждый элемент индивидуального сигнала локализован во времени; вне интервала передачи данного сигнала он должен быть равен нулю. Но сигналы конечной длительности имеют бесконечно протяженный спектр. Реальные каналы связи ограничивают спектр последовательности импульсов, что приводит к растяжению импульсов во времени и создает возможность попадания их в соседние временные интервалы, предназначенные для других каналов (рисунок 7.5). В результате возникают переходные помехи.

Рисунок 7.5 – Взаимное перекрытие импульсов

Для снижения переходных помех требуется либо расширять полосу пропускания группового тракта, либо уменьшать N, что приводит к неполному использованию пропускной способности канала. Применяют также защитные интервалы времени между индивидуальными сигналами (рисунок 7.6). Это позволяет снизить влияние переходных помех до допустимого уровня, но соответственно увеличивает спектральную цену уплотнения.

Рисунок 7.6 – Введение защитного интервала для снижения переходных помех

Необходимо отметить, что причиной переходных помех может быть и многолучевое распространение, в результате которого сигнал одного источника накладывается на сигнал последующего источника. С этим приходится считаться главным образом в коротковолновых радиоканалах. Для защиты от таких переходных помех целесообразно также применять защитные интервалы, длительность которых должна быть не меньше максимального времени запаздывания между лучами.

На рисунке 7.7 приведена упрощённая структурная схема оконечной станции многоканальной системы с ВРК. Непрерывное сообщение от каждого из абонентов u1(t) … uN(t) через соответствующие дифференциальные системы ДС1 … ДСN подаются на входы канальных модуляторов КМ1 … КМN. В канальных модуляторах в соответствии с передаваемым сообщением производятся модуляции импульсов, следующих через период дискретизации Тд, по одному из параметров, например, ФИМ. В соответствии со значением передаваемого непрерывного сообщения (рисунок 7.2, а) в момент отсчёта при ФИМ происходит изменение положения импульса постоянной амплитуды и длительности относительно середины канального интервала от +∆tm до – ∆tm (рисунок 7.2, г). Промодулированные импульсы с выхода КМ, импульсы синхронизации от генератора синхронизации (ГИС), а также импульсы датчика служебной связи (ДСС), датчика сигналов управления и вызовов (ДУВ) объединяются. В результате получается групповой сигнал uгр(t). Для обеспечения работы канальных модуляторов и дополнительных устройств последовательности импульсов с частотой дискретизации Fд, сдвинутые относительно первого канала на i∆tк, где i – номер канала. Таким образом, моменты начала работы КМ определяются запускающими импульсами от РК, который определяет моменты подключения к общему широкополосному каналу соответствующего абонента или дополнительного устройства.

Рисунок 7.7 – Упрощённая структурная схема оконечной станции системы связи с ВРК

Полученный групповой сигнал uгр(t) подаётся на вход регенератора (Р), который придаёт дискретным сигналам различных каналов одинаковые характеристики, например одинаковую форму импульса. Все устройства, предназначенные для образования сигнала uгр(t): КМ1 … КМN, РК, ГИС, ДУВ, ДСС, Р – входят в аппаратуру объединения сигналов (АО), которая осуществляет объединение во времени всех сигналов и формирует групповой сигнал. Далее сигнал может передаваться на следующую станцию по проводным соединительным линиям или с помощью радиосвязи.

На приёме выделенный сигнал u*гр(t) подаётся на входы всех канальных демодуляторов КД1 … КДN и приемников служебной связи (ПСС), управления и вызова (ПУВ).

Канальные демодуляторы осуществляют разделение u*гр(t) на отдельные канальные сигналы, представляющие собой дискретные отсчёты, и восстановление по этим отсчётам непрерывных сообщений u*1(t) … u*N(t), соответствующих поданным на входы КМ в АО. Для обеспечения временного разделения канальных сигналов необходимо, чтобы каждый из КД открывался поочерёдно только (!) в соответствующие данному каналу интервалы времени ∆tк. Это обеспечивается импульсами, снимаемыми с выходов РК′ аппаратуры разделения сигналов (АР), работающего аналогично РК в АО на передающем конце линии связи. Для обеспечения правильного разделения каналов РК′, который находится в АР, должен работать синхронно и синфазно с РК АО, что осуществляется с помощью импульсов синхронизации (ИС), выделяемых соответствующими селекторами (СИС) и блоком синхронизации (БС). Сообщения с выходов КД поступают к соответствующим абонентам через дифференциальные системы.

Помехоустойчивость систем передачи с ВРК во многом определяется точностью и надёжностью работы системы синхронизации и распределителей каналов, установленных в аппаратуре объединения и разделения каналов. Для обеспечения точности работы системы синхронизации импульсы синхронизации (ИС) должны иметь параметры, позволяющие наиболее просто и надёжно выделять их из последовательности импульсов группового сигнала u*гр(t). Наиболее целесообразным при ФИМ оказалось применение сдвоенных ИС, для передачи которых выделяют один из канальных интервалов ∆tк в каждом периоде дискретизации Тд (рисунок 7.4).

Определим число каналов, которое можно получить в системе с ФИМ. На рисунке 7.4 показана последовательность импульсов при многоканальной передаче с ФИМ. Из рисунка следует, что

Тд = (2∆τмакс + τз)Nгр,                                                    (4.9)

где τз – защитный интервал; ∆τмакс – максимальное смещение (девиация) импульсов. При этом полагаем, что длительность импульсов мала по сравнению с τз и ∆τмакс.

Из формулы (4.9) получаем

Nгр=TД/(2Δτмаксз).                                               (4.10)

Максимальная девиация импульсов при заданном количестве каналов

Δτмакс Д/(2Nгр)- τз/2.                                              (4.11)

Принимаем τз=(2/3)Δτмакс , поэтому

Δτмакс=2ТД /(7Nгр).                                             (4.11, а)

Учитывая, что при телефонной передаче Тд = 125 мкс, получим при Nгр = 6 ∆τмакс = 8 мкс, при Nгр = 12 ∆τмакс = 3 мкс и при Nгр = 24 ∆τмакс = 1,5 мкс. Помехоустойчивость системы с ФИМ тем выше, чем больше ∆τмакс.

При передаче сигналов с ФИМ по радиоканалам на второй ступени (в радиопередатчике) может использоваться амплитудная (АМ) или частотная (ЧМ) модуляция. В системах с ФИМ – АМ обычно ограничиваются 24 каналами, а в более помехоустойчивой системе ФИМ – ЧМ – 48 каналами.

     7.3 Цифровые методы передачи непрерывных сообщений

Для передачи непрерывных сигналов можно использовать дискретный канал, преобразуя непрерывный сигнал в цифровой с помощью АЦП, а на приемной стороне цифровой сигнал в непрерывный с помощью ЦАП.

Применение цифровых систем передачи (ЦСП) дает возможность объединения различных видов связи на единой цифровой основе, а также широко использовать современную элементную базу, обеспечивая стабильность характеристик, надежность, и хорошие массо-габаритные показатели.

  Передача сигналов с импульсно-кодовой модуляцией 

Принцип АЦП на основе импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) включает дискретизация во времени, квантование по уровню (амплитуде) и кодирование.

Процесс формирования ИКМ сигнала поясним с помощью упрощенной структурной схемы (рисунок 7.8) и временных диаграмм (рисунок 7.9).

Рисунок 7.8 – Обобщенная схема формирования ИКМ сигнала

Рисунок 7.9 – Формирование ИКМ сигнала

Дискретизация заключается в том, что непрерывный сигнал SM(t) (рисунок 7.9,а) заменяется отсчетами SД(kT) (рисунок 7.9,б), следующими через одинаковые интервалы времени Δt=1/(2Fmax) . Например,  для речевого сигнала, где Fmax =3,4кГц, принят стандартный интервал t=125мкс, 2Fmax=8кГц.

Процесс дискретизации эквивалентен импульсной модуляции. Для примера на рисунке 7.9,б приведен случай АИМ.

Различают равномерное и неравномерное квантование. При квантовании устанавливается количество уровней L разрешенных для передачи. Процесс квантования состоит в следующем текущие значения сигнала соответствующее моменту отсчета SД(kT) заменяется ближайшим дискретным значением Sкв(kT) (уровнем), такая операция подобна округлению и приводит к ошибке:   

εкв(t)= SД(kT) - Sкв(kT),

 

где  εкв(t) – шум квантования, величина которого обычно считается случайной, равномерно распределенной в пределах -0,5δεкв≤0,5δ. Дисперсия шума квантования

σкв2= δ2/12.

Разницу между соседними уровнями sк и sк-1 называют шагом квантования:  

δk= sк - sк-1 = (smax smin)/(L-1).

 

При равномерном квантовании шаг квантования δ имеет постоянную величину. В системе ИКМ с равномерным квантованием как большие, так и малые сигналы кодируются с одним и тем же шагом квантования. Если выбор шага квантования был ориентирован на малые сигналы, то для больших сигналов создается избыточное качество воспроизведения. Кроме того, вероятность появления больших сигналов мала. По этим причинам можно считать, что выбранная разрядность кода n не всегда используется эффективно.

Можно реализовать более высокую точность передачи, если применить неравномерное квантование, предполагающее для больших значений входных сигналов увеличение шага квантования. Выбор характеристики квантователя позволяет добиться одинакового качества восстановления сигналов как малой, так и большой величины.

Трудности реализации неравномерного квантования устраняются предварительным нелинейным преобразованием – компрессией («сжатием») аналогового сигнала.

Компрессированные отсчеты сигнала затем подвергаются равномерному квантованию. Для компенсации нелинейного искажения отсчетов на приемной стороне осуществляют их обратное преобразование – экспандирование («растяжение»). Совместный процесс компрессирования и экспандирования называется компандированием сигнала.

Таким образом, компандирование обеспечивает передачу с меньшими шумами квантования сигналов, обладающих малой средней мощностью (с большим пикфактором), например речевых.

При кодировании происходит преобразование квантованных значений Sкв(kT) в n разрядные кодовые комбинации. Например, при количестве уровней L=8=23, в десятичной системе счисления этим уровням соответствуют номера от 0 до 7 (рисунок 7.9,в). В двоичной системе счисления им соответствуют трехразрядные кодовые комбинации, в данном случае от 000 до 111 (рисунок 7.9,в). Полученная импульсная последовательность представлена на рисунке 7.9,г.

Повышение разрядности, во-первых, связано с определенными трудностями технической реализации быстродействующих многоразрядных кодеков и, во-вторых, требует значительного увеличения пропускной способности систем связи, что не всегда возможно. Преодоление указанных трудностей возможно, например, за счет применения неравномерного квантования.

            7.4 Передача сигналов с дельта модуляцией

Дельта-модуляция (ДМ) – особый вид импульсной модуляции, при которой так же, как и при ИКМ, аналоговый сигнал SM(t) представляется в виде дискретных отсчетов времени, квантованных по амплитуде. ДМ основана на существовании зависимости между отсчетами в речевом сигнале. При ДМ используется только один разряд для квантования разности соседних отсчетов. В этот разряд записывается полярность разности. Важным элементом схемы (рисунок 7.10) при ДМ является компаратор, который разность SM(t) SП(t)  входного сигнала SM(t) и предсказанного SП(t), имеющего ступенчатый вид, квантует на два уровня. На выходе компаратора появляется значение +1 если входной сигнал больше предсказанного (разность положительна); и -1 если он меньше предсказанного сигнала (разность отрицательна).

Рисунок 7.10 – Обобщенная схема формирвания ДМ сигнала

Закон возрастания (уменьшения) величины шага δ  для предсказания  SП(kT)=SП((k-1)Tδ  выбирается исходя из статистических характеристик передаваемых сообщений. В частности, величина  δ  может возрастать по линейному закону, по закону геометрической прогрессии, по экспоненциальному закону и другим законам, обеспечивающим требуемую точность передачи информации. При использовании постоянного шага (рисунок 7.11,б), необходимо иметь высокую тактовую частоту с целью предотвращения перегрузок по крутизне. Наиболее широко применяются методы адаптивной ДМ, один из которых иллюстрируется на рисунке 7.11,в. При таком методе шаг предсказания δ меняется автоматически в соответствии с законом изменения крутизны (производной) сигнала SM(t) . На рисунке 7.11,в показано, что участку сигнала с большой крутизной соответствуют большие шаги квантования, что позволяет устранить искажения.

При создании цифровых систем связи применение ДМ является перспективным благодаря следующим особенностям:

устройства кодирования и декодирования ДМ сигналов характеризуются более простыми, чем при ИКМ, схемными решениями, что важно с точки зрения их надежности и стоимости;

ДМ сигналы по сравнению с ИКМ имеют большую устойчивость к сбою символов в каналах связи, поскольку «вес» каждого символа ограничен лишь значениями δ. Вследствие этого пороговые свойства систем связи с ДМ несколько лучше, чем при ИКМ;

Рисунок 7.11 – Формирование ДМ сигнала

в системах связи с ДМ предъявляются менее жесткие требования к работе системы синхронизации.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

50713. Ознайомлення з приладами та пристроями для вимірювання витрат енергоносіїв 132 KB
  Витрата рідини що вимірюється в одиницях обєму називається обємною Vτ наприклад м3 с а в одиницях мас масовою Мτ кг с. Звязок між ними Мτ= Vτρ де ρ кг м3 густина рідини. Обєм рідини як правило не є одиницею кількості речовини оскільки для однієї і тієї ж кількості рідини він залежить від температури і тиску або питомого обєму. За необхідності із цього поняття виокремлюють краплинні рідини і гази.
50714. Исследование работы фланцевого соединения 86.5 KB
  Эксперимент начинается со снятия показаний тензодатчиков при разгруженных болтах. Затяжка каждого болта контролируется по изменению показаний прибора ВСТ4. Значения показаний прибора разгруженных Поi и затянутых Пi болтов заносятся в таблицу 3 причем разность показаний для каждого болта не должна отличаться от расчетной более чем 15.
50715. Исследование фазового резонанса в цепи с последовательным соединением активного, индуктивного и емкостного сопротивлений 108 KB
  Цель работы: уяснить условия получения резонанса напряжений экспериментально исследовать явление резонанса напряжений в зависимости от изменения либо реактивного сопротивления либо частоты исследуемой цепи. Резонанс напряжений называется такой пассивной электрической цепи переменного тока с последовательным соединением активного индуктивного и емкостного сопротивлений при котором входное реактивное сопротивление равно нулю. При резонансе напряжений напряжение на входе цепи совпадает по фазе с током т.
50716. Исследование колебаний вращающегося вала 324 KB
  Изза неточности изготовления и сборки центры масс деталей как правило не находятся на оси вращения вала т. При вращении вала вследствие дисбаланса возникают переменные по направлению силы инерции дополнительно нагружающие вал и его опоры и вызывающие механические колебания системы. В связи с этим необходимо исследование колебаний вращающегося вала.
50717. Определение напряжений в днищах, нагруженных внутреннем давлением 216 KB
  Цель работы: Задачи исследования: Теоретический расчет напряжений и деформаций в эллиптическом и плоском днищах нагруженных внутренним давлением; Экспериментальное определение напряжений и деформаций в днищах сравнение их с расчетными значениями; Сравнение днищ различной формы с точки зрения возникающих в них напряжений Теоретическая часть Напряжения и деформации в эллиптических днищах нагруженных внутренним давлением В инженерной практике для расчета напряжений и деформаций пользуются...
50718. Исследование распределения напряжений в эллиптическом и коническом днищах 441.5 KB
  Расчет напряжений и деформаций в днищах нагруженных внутренним давлением. Экспериментальное определение напряжений и деформаций в днищах. Анализ результатов теоретической и экспериментального исследования напряженного...
50719. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ ПРИ СОЕДИНЕНИИ НАГРУЗКИ ЗВЕЗДОЙ 595.5 KB
  Экспериментальное определение основных соотношений между токами, напряжениями и мощностями в симметричных и несимметричных цепях. Исследование различных режимов работы трехфазной цепи. Выяснение практической роли нейтрального провода.
50720. Анализ напряженного состояния аппарата, нагруженного внутренним давлением и изгибающим моментом 253.5 KB
  Из приведенных соотношений видно что напряжения вызванные внутренним давлением р постоянны не зависят от положения сечения на оболочке. При изгибе колонны в её стенках возникают нормальные в меридиональном направлении а также касательные напряжения которыми в виду их малости можно пренебречь. Меридиональные напряжения определяются по...
50721. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА 213.5 KB
  Цель работы Совершенствование навыков снятия вольтамперных характеристик ВАХ нелинейных элементов. Некоторые нелинейные элементы на отдельных участках ВАХ имеют малое стабилитрон или отрицательное терморезистор динамическое сопротивление. Для снятия таких ВАХ необходимо предусмотреть включение в схему эксперимента последовательно с нелинейным элементом добавочного резистора Rд рис. ВАХ линейного резистора проходит через начало координат поэтому для ее построения достаточно экспериментально получить одну точку.