Тема № 2.

Частотное разделение каналов.

Как было отмечено в теме №1, частотный спектр стандартного телефонного канала ограничен диапазоном 300 Гц – 3400 Гц. При этом из курса «ЛАТС» известно, что существующие направляющие системы по своим свойствам способны пропустить значительно большие диапазоны частот. Воздушные линии связи могут использоваться в диапазоне до 150 кГц. На бóльших частотах ВЛС подвержены сильным мешающим воздействиям радиостанций длинноволнового диапазона. Симметричные кабельные линии связи целесообразно использовать в диапазоне от 12 кГц до 250 кГц, поскольку на частотах ниже 12 кГц зависимость затухания линии от частоты передаваемого сигнала имеет значительный нелинейный характер и требует введения в состав тракта сложных корректирующих устройств; а на частотах свыше 250 кГц значительно снижаются переходнóе затухание и защищённость трактов связи.

При этом линейные сооружения являются самой дорогостоящей частью в составе систем связи. Из всего сказанного можно сделать вывод, что использование направляющих систем для передачи по каждой из них одного стандартного телефонного канала является экономически нецелесообразным. Таким образом, задачей многоканальной связи является передача по одной направляющей системе нескольких независимых стандартных каналов одновременно.

Поскольку электроакустические преобразователи, участвующие в формировании частотного диапазона для каждой пары абонентов являются одинаковыми, то и спектры всех разговоров, подлежащих передаче по системе многоканальной связи, изначально находятся в одном и том же частотном диапазоне 0.3 – 3.4 кГц. 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 каналов на приёме. Существуют несколько способов разделения каналов: частотный, временнóй, фазовый и амплитудный.

Хронологически, первым возник частотный способ разделения каналов (ЧРК). При этом способе разделения идентификационным признаком является частота 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. 2.1. Схема организации системы многоканальной связи.

При этом основные частоты этих генераторов не должны совпадать между собой в рамках одной системы многоканальной связи. Собственный 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. В системах уплотнения в подавляющем большинстве случаев используется амплитудная модуляция.

Рассмотрим амплитудную модуляцию сигнала. Допустим, что управление генератором несущей частоты осуществляется одночастотным синусоидальным информационным сигналом. Процесс получения амплитудно-модулированного аналогового сигнала представлен на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Амплитудная модуляция.

Закон изменения амплитуды информационного сигнала выражается формулой:

. (2.1.)

Закон изменения амплитуды несущей:

. (2.2.)

Тогда выражение для модулированного тока будет иметь вид:

(2.3.)

где – коэффициент модуляции, определяющий отношение тока информационного сигнала к

току несущей.

Учитывая, что , выражение (2.3.) приобретает следующий вид:

(2.4.)

Из выражения (2.4.) следует, что ток амплитудно-модулированного сигнала содержит в себе независимую от информационного сигнала составляющую тока несущей частоты и две составляющие, несущие в себе сведения об информационном сигнале. Зависимости от частоты токов сигналов при амплитудной модуляции представлены на рис. 2.3.

Рис. 2.3. 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 (2.1.) будет иметь вид:

, (2.5.)

а значение тока модулированного сигнала при многочастотной передаче будет представлено согласно формуле (2.4.):

(2.6.)

Рис. 2.4. Спектральные характеристики многочастотной передачи.

Из рис. 2.2. и рис. 2.4. видно, что для реализации требования, предъявляемого к коэффициенту модуляции, необходимо, чтобы значение амплитуды колебаний сигнала несущей частоты было больше амплитуды колебаний любой составляющей спектра полезного сигнала.

Таким образом, значения частот информационных составляющих модулированного сигнала находятся 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: 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. 2.5. 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 (2.6.) и рис. 2.4., 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).

Управление работой генератора с помощью информационного сигнала согласно рис. 2.1 является на практике труднореализуемым. Поэтому принцип действия существующих на практике 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.

Рис. 2.6. Вольт-амперная характеристика нелинейного элемента.

Характеристика нелинейного элемента может быть представлена также в виде зависимости внутреннего сопротивления элемента от приложенного напряжения.

Рис. 2.7. 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 (2.4.), 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 в каналах и является нежелательным явлением. Поэтому на выходе модулятора должно быть возможно меньше побочных продуктов преобразования (гармонических и комбинационных составляющих), а амплитуды неизбежно существующих также должны быть как можно меньше. Существует значительное количество схем реализации модуляторов. Они отличаются количеством и схемами включения нелинейных элементов и, как следствие, спектральными составами выходных модулированных сигналов. Простейшими являются схемы однотактного модулятора.

Рис. 2.8. Схемы однотактных модуляторов.

Как видно из приведённых рисунков, в данной схеме возможны различные способы введения информационного сигнала и сигнала несущей частоты, а также снятия модулированного сигнала, не изменяющие сущность работы схемы.

Однако получаемый на выходе такой схемы модулированный сигнал содержит в своём составе чрезмерно большое количество побочных составляющих, что можно проиллюстрировать следующей спектрограммой.

Рис. 2.9. Спектральные характеристики однотактного модулятора.

Несколько лучшие результаты получаются в случае использования в качестве модулятора двухтактного преобразователя.

Рис. 2.10. Схемы двухтактных модуляторов.

В случае подачи информационного сигнала на Тр.1, а сигнала несущей частоты на Тр.2, спектр модулированного сигнала на выходе схемы 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. 2.11. Спектральные характеристики двухтактного модулятора.

Двойная двухтактная (кольцевая) схема модулятора представляет собой две двухтактные схемы, объединённые в единое целое.

Рис. 2.12. Схема двойного двухтактного модулятора.

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. 2.13. Спектральные характеристики двойного двухтактного модулятора.

Как видно из спектрограммы, кольцевая схема даёт наилучшие результаты по сравнению со всеми приведёнными выше схемами. Благодаря своим преимуществам кольцевая схема используется практически во всех системах передачи с частотным разделением каналов.