Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Учебное пособие - Разделение каналов по форме в широкополосных системах передачи информации - файл 1.doc


Учебное пособие - Разделение каналов по форме в широкополосных системах передачи информации
скачать (2188.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc2189kb.18.11.2011 18:10скачать

содержание

1.doc

  1   2   3   4   5   6


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Воронежский государственный технический университет


А.А.БЕССАРАБОВА, М.Д.ВЕНЕДИКТОВ, В.И. ЛЕДОВСКИХ
РАЗДЕЛЕНИЕ КАНАЛОВ ПО ФОРМЕ

В ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
Издание второе, исправленное и дополненное
Рекомендовано

Учебно-методическим объединениям по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов 654200 «Радиотехника».

Воронеж 2006

УДК 621.396.49

Бессарабова А.А., Венедиктов М.Д., Ледовских В.И. Разделение каналов по форме в широкополосных системах передачи информации: Учеб.пособие. – 2-е изд., испр. и доп. /А.А. Бессарабова, М.Д. Венедиктов, В.И. Ледовских. – Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2006. 102 с.


Представлена классификация многоканальных РТС передачи информации. Показаны принципы их построения и определена помехоустойчивость. Основное внимание уделено методу разделения каналов по форме сигналов. Приведены классификация и основные характеристики широкополосных сигналов в РТС передачи информации. Рассмотрены основные типы двоичных последовательностей, используемых для формирования широкополосных сигналов.

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 654200 «Радиотехника», специальности 200700 «Радиотехника», дисциплинам «Статистическая теория радиотехнических систем» и «Радиотехнические системы».

Пособие будет полезным для аспирантов и инженерно – технических работников, занимающихся проектированием радиоэлектронной аппаратуры.

Табл. 6. Ил. 38. Библиогр.: 24 назв.
Научный редактор д-р физ. мат. наук, проф. Ю.С. Балашов
Рецензенты: кафедра радиотехнических систем Воронежского института

МВД РФ;

гл. инженер ??????????
Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета


© Бессарабова А.А., Венедиктов М.Д., Ледовских В.И.

© Оформление. Воронежский государственный технический университет , 2006
ОГЛАВЛЕНИЕ





ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………

4

1.

МНОГОКАНАЛЬНЫЕ РАДИОСИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ………………………………………………………


5




1.1.

Классификация многоканальных РТС переучи информации…

5




1.2.

Многоканальные радиосистема при линейном разделении каналов……………………………………………………………


8




1.3.

Комбинационное объединение и многопозиционное кодирование сигналов в РТС ПИ……………………………….


15




1.4.

Основная информация………………………………………...…

25




1.5.

Вопросы для самопроверки и самостоятельной работы………

26




1.6.

Задачи……………………………………………………………..

27

2.

МНОГОКАНАЛЬНЫЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ С РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ ПО ФОРМЕ СИГНАЛОВ…………………………………………………



28




2.1.

Разделение по форме сигналов в асинхронных адресных системах…………………………………………………………..


28




2.2.

Основные характеристики сигналов в РТС ПИ с РКФ………..

33




2.3.

Примеры РТС ПИ с РКФ………………………………………...

37




2.4.

Основная информация…………………………………………...

55




2.5.

Вопросы для самопроверки и самостоятельной работы………

56




2.6.

Задачи……………………………………………………………..

57

3.

СИГНАЛЫ ДЛЯ РТС ПИ С РАЗДЕЛЕНИЕМ ПО ФОРМЕ……….

58




3.1.

Классификация широкополосных систем……………………...

58




3.2.

Квазиортогональные двоичные последовательности………….

63




3.3.

М-последовательности и их свойства…………………………..

66




3.4.

Предпочтительные пары М-последовательностей…………….

76




3.5.

Максимальные связные множества М-последовательностей...

79




3.6.

Составные последовательности на основе двух и более М-последовательностей…………………………………………….


82




3.7.

Примеры применения псевдослучайных последовательностей…………………………………………….


87




3.8.

Основная информация…………………………………………...

90




3.9.

Вопросы для самопроверки и самостоятельной работы………

92




3.10.

Задачи……………………………………………………………..

94







Ответы на задачи…………………………………………………

95




ПРИЛОЖЕНИЕ 1………………………………………………..........

97




ПРИЛОЖЕНИЕ 2………………………………………………..........

98




БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………………………..

101


Введение
Широкополосные сигналы (ШПС) все более внедряются в нашу жизнь благодаря тем преимуществам, которые дает их применение.

Это прежде всего возможность обеспечения энергетической скрытности, т.е. работы “под шумом”, когда уровень шума на входе приемника может на несколько порядков превышать уровень сигнала. Это также возможность работы в многолучевом канале и повышения разрешающей способности по дальности радиолокационных сигналов. И наконец, широкополосные сигналы дали путевку в жизнь особому виду многоканальных сигналов, в которых сигналы перекрываются по времени и частоте, но различаются по своей структуре (форме). Это отличие в форме сигналов разных абонентов и обусловило название принципа разделения – РКФ: разделение каналов по форме, которое иногда называют кодовым разделением. Совместное использование РКФ и ШПС позволяет обеспечить асинхронный принцип организации связи в многоканальных системах, при котором связи между абонентами устанавливаются по принципу “каждый с каждым”, без центральной станции, по мере необходимости. В этих системах обеспечивается свободный доступ большого числа абонентов в систему без поиска свободного канала и подстройки по частоте, без ожидания в очереди.

РКФ находит широкое применение в низовой радиосвязи, а также в спутниковых системах связи. Широкое использование таких систем стало возможным в результате больших успехов в разработке и изготовлении малогабаритных функциональных элементов и узлов, специализированных БИС и микропроцессоров и т.п., а также в результате создания новых принципов обработки широкополосных сигналов на основе современной элементной базе цифровой техники.

Пособие содержит основные сведения о принципах РКФ, применении его в асинхронных адресных системах, сигналах, которые при этом используются. Приводится сравнение с традиционными методами разделения–частотным и временным. Особое внимание уделяется применению РКФ в ААСС. Приводятся примеры ААСС с РКФ.

При подготовке пособия использовались сведения из литературных источников отечественных и зарубежных авторов, а также оригинальные работы авторов по принципам построения ААСС с РКФ, в частности по исследованию корреляционных функций двоичных последовательностей /1/. Главы 1 и 2 (разделы 2.1, 2.2 и 2.4-2.6) и главу (3.1-3.6, 3.8-3.10) написал и совместно А.А. Бессарабова и М.Д. Венедиктов, раздел 2.3 - А.А. Бессарабова и В.И. Ледовских, раздел 3.7 написал В.И. Ледовских.


4

  1. ^ МНОГОКАНАЛЬНЫЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ




    1. Классификация многоканальных РТС передачи информации



Главнейшей чертой человечества является взаимное общение людей. Системы связи, объединенные в сети связи, являются своеобразными нервами общества. Пропускная способность и разветвленность сетей связи, интенсивность и дальность обмена сообщениями, количество услуг, предоставляемых потребителям, и т.д. в значительной мере характеризуют уровень развития той или иной страны.

Радиотехническая система (РТС) передачи информации определяется целым комплексом взаимно связанных свойств, особенностей, характеристик. К ним относятся:

вид передаваемых сообщений и критерии их качества;

количество обслуживаемых абонентов;

особенности их физического размещения и конфигурация обмена сообщениями между абонентами в системе;

виды сигналов, передаваемых в общем тракте.

Помимо означенных выше свойств РТС должны характеризоваться надежностью, живучестью, обеспечением негласности переговоров, стоимостью оборудования, видом аппаратуры (терминалов) у абонентов и т.д.

Обсудим кратко перечисленные классификационные характеристики РТС передачи информации.

Сообщения по своей форме бывают аналоговыми и цифровыми. Соответственно они характеризуются либо шириной спектра, либо скоростью передачи. Эти характеристики связаны между собой.

Качество восстановленного на приемной стороне сообщения может характеризоваться отношением С/Ш, разборчивостью речи, средней вероятностью ошибочного приема символа сообщения.

По конфигурации обмена сообщениями многоканальные системы могут быть следующих видов.

1. Связь из точки в точку. Примером такой системы может быть магистраль, соединяющая два населенных пункта (рис. 1.1а). Обобщением является магистраль радиорелейная линия, соединяющая последовательность нескольких населенных пунктов.

2. Радиальная система связи, состоящая из центральной станции ЦС и абонентских (АС) (рис. 1.1б). Передача сообщений между абонентами ведется только через центральную станцию. Абоненты могут

5

быть “привязаны” только к терминалам или же некоторые из них к центральной станции.



Рис. 1.1. Конфигурация обмена сообщениями между абонентами

Такой принцип объединения сигналов абонентов называется централизованным. Он используется часто при организации связи в народном хозяйстве (в строительстве, сельском хозяйстве, на предприятиях и т.д.).

3. Близко к радиальным системам подходят спутниковые системы связи с ретрансляторами сигналов, расположенными на ИСЗ. Здесь и ЦС, и абонентские терминалы находятся на земле, а в космосе – только ретранслятор (рис.1.1в). Геометрическое размещение этого ретранслятора резко расширяет возможности передачи сообщений – и по дальности, и по пропускной способности, и по качеству связи, и по доступу в самые отдаленные районы земного шара.

Примером может служить система для передачи сигналов бедствия САРСАТ – КОСПАС, где абонентскими терминалами являются аварийные буи, автоматически включающиеся в критических ситуациях.

4. Система типа “каждый с каждым”. Здесь в группе абонентов устанавливается некоторая совокупность попарных связей без особой регламентации (рис. 1.2). Этот принцип объединения сигналов абонентов называется автономным /2/ и широко используется в низовой радиосвязи.

Фундаментом системы связи являются используемые сигналы и их преобразования. Важным для РТС является выделенный диапазон частот. Он определяет те искажения, которые получает радиосигнал в процессе распространения, возможную ширину спектра группового сигнала, т.е. число абонентов в системе и т.д.

Многоканальные системы занимают большую полосу частот, чем одноканальные. Они характеризуются спектральной ценой, которая
6

показывает, во сколько раз следует увеличить ширину спектра сигнала, чтобы от одноканального сообщения перейти к многоканальному. Наряду со спектральной ценой важна ещё и энергетическая цена /5/.


  • Рис. 1.2. Система типа “каждый с каждым”


Многоканальные системы можно классифицировать по методам объединения и разделения сигналов абонентов. Объединение определяет формирование группового сигнала, а разделение – способ выделения отдельных сигналов на приемной стороне. Тот или иной способ объединения однозначно определяет метод разделения, поэтому РТС можно классифицировать по методам разделения.

Широко известны три метода разделения сигналов различных абонентов: частотное, временное и разделение по форме.

Метод частотного разделения каналов (ЧРК) заключается в том, что каждому абоненту отводится определенная полоса частот в пределах общей полосы частот системы. Сигналы абонентов не перекрываются по спектру, но перекрываются во времени, передаются одновременно. Разделение сигналов в приемнике осуществляется частотными фильтрами.

При временном разделении каналов (ВРК) каждый абонент работает в своем интервале времени, в течении которого сигналы других абонентов отсутствуют. Спектры сигналов абонентов занимают всю общую полосу частот, полностью перекрываются по частоте. В приемнике разделение сигналов различных абонентов осуществляется с использованием временных коммутаторов.

При разделении каналов по форме сигналов (РКФ) сигналы различных абонентов занимают общую полосу частот, передаются одновременно, т.е. перекрываются по частоте и во времени, но
7

различаются структурой (формой) сигналов, которая выбирается так, что бы обеспечить ортогональность или квазиортогональность используемых сигналов. На приемной стороне для разделения сигналов различных абонентов должны использоваться устройства, различающие сигналы различной структуры (формы): корреляторы или согласованные фильтры.

Все рассмотренные методы разделения и соответствующие им методы объединения могут использоваться как при передаче многоканального сообщения через один передатчик центральной станции, так и при использовании каждым абонентом своего передатчика, что имеет место в системах типа “каждый с каждым”. При этом групповой сигнал в передатчике ЦС или сигнал на входе приемника в системах типа “каждый с каждым” формируется путем линейного суммирования абонентских сигналов.

Интересен ещё один метод объединения – комбинационный, который может использоваться только в системах с ЦС. Абоненты должны иметь дискретные источники, например, двоичные. При этом все источники должны работать синхронно на одинаковых или кратных скоростях. Групповой сигнал является отображением комбинаций символов источников.

Очень важной характеристикой является свободный доступ абонентов в систему, когда абоненты могут связываться по мере необходимости. Этот принцип реализуется в системе типа “каждый с каждым”, а также при других способах организации связи, в том числе при использовании спутника-ретранслятора /7, 14/. В общем случае организация обмена сообщениями в группе радиостанций называется многостанционным доступом (МСД). Задача МСД сводится к минимизации взаимных помех между сигналами различных станций, а также к оперативности установления контактов, удобству вхождения в связь, повышению эффективности использования спектра, энергетики, времени и т.д.

1.2. Многоканальные РТС при линейном разделении каналов
При линейных методах объединения и разделения каналов групповой сигнал формируется как линейная сумма канальных сигналов. Известные методы линейного разделения: частотное, временное и по форме сигналов – используется для построения многоканальных систем как при передачи группового сигнала многих абонентов одним передатчиком, так и при использовании каждым абонентом своего передатчика, что имеет место в радиорелейных системах и системах низовой радиосвязи, соответственно.

8

При ЧРК для разделения спектров сообщений используется какой-то вид модуляции, чаще всего однополосная модуляция. При этом поднесущие частоты выбираются таким образом, чтобы спектры соседних сигналов были распределены по оси частот с некоторым защитным интервалом. Защитные интервалы вводятся для уменьшения переходных помех и занимают от 10 до 30 % отведенной полосы частот. При объединении речевых сообщений с шириной спектра от 0,3 до 3,4 кГц каждому каналу отводится полоса 4кГц и защитный интервал равен 0,9 кГц. С использованием такого принципа реализованы устройства объединения на 1920, а также 2700 телефонных каналов, которые использовались в спутниковой системе связи с ИСЗ “Молния”.

В системах низовой радиосвязи частотное разделение используется как с закрепленными, так и с незакрепленными частотами. При работе с закрепленными частотами значения несущих частот являются адресным признаком сигнала. Однако при этом, как правило, имеет место неэффективное использование полосы частот, отведенной для системы, из – за малой активности абонентов.

Для более эффективного использования полосы частот применяют режим работы с незакрепленными частотами. Для системы выделяется некоторое число частотных каналов, которое гораздо меньше числа абонентов в системе. Несущие частоты уже не могут быть адресным признаком сигнала. Для адресации используются вызывные сигналы. Такой принцип частотного разделения называют иногда адаптивным частотным разделением /2/. Поиск свободной частоты связан с дополнительными затратами времени, а некоторые абоненты должны “стоять в очереди”.

Эффективное использование отведенной полосы частот обусловило широкое использование адаптивного частотного разделения каналов в системах связи для народного хозяйства. Например, в системе “Алтай” связь 200 абонентов осуществляется по 8 частотным каналам. Для упрощения поиска свободного канала вводится центральная станция. Вызывной сигнал представляется комбинацией тональных частот.

При разделении во времени сигналы различных абонентов должны передаваться в неперекрывающиеся интервалы времени, что достигается поочередной передачей их символов. Предварительно сообщения должны быть дискретизированы во времени. Для передачи значений сообщений в моменты дискретизации используются различные методы импульсной модуляции, чаще всего фазово-импульсная (ФИМ), импульсно-кодовая (ИКМ), дельта-модуляция (ДМ), которые обеспечивают высокую помехоустойчивость.

При ФИМ информация заложена в смещении импульса относительно тактовой точки. При ИКМ и ДМ проводится ещё и квантование по уровням. При ИКМ информация передается в виде кодовой
9

комбинация, которая отражает номер уровня, к которому ближе всего лежит значение отсчета в момент дискретизации.

Для ФИМ и ИКМ частота дискретизации выбирается несколько больше частоты отсчетов в соответствии с теоремой В.А. Котельникова из – за погрешности расфильтровки. Для речевых сообщений с шириной спектра от 0,3 до 3,4 кГц она равна 8 кГц. Число уровней квантования при ИКМ равно 128 или 256. При таком числе уровней квантования длительность кодового символа равна 16 – 18 мкс, длина кодовой комбинации – 7 – 8 двоичных символов и ширина спектра сигнала 56 – 64 кГц. Полоса пропускания канала выбирается в три раза больше для снижения переходных помех за счет расширения импульсного сигнала.

Основной недостаток систем с ВРК – малое число объединяемых каналов. В настоящие время широко используется аппаратура объединения с ИКМ на 24 и 30 телефонных каналов. Но в телеметрии низкоскоростные источники позволяют увеличить число объединяемых каналов до несколько сот.

Энергетическая цена и ЧКР, и ВРК примерно равна числу объединяемых абонентов. Однако при ЧРК эта цена характеризует только среднюю мощность передатчика. Пиковая мощность будет значительно превосходить среднюю мощность вследствие большого пикфактора группового сигнала, и с увеличением числа объединяемых сообщений эта разница будет увеличиваться. При ЧРК имеет место неэффективное использование пиковой мощности передатчика. Спектральная цена ВРК также равна числу объединяемых абонентов.

В современных системах передачи информации часто стали использовать разделение каналов по форме сигналов.

Многоканальные РТС, использующие разделение каналов по форме сигналов (РКФ), обычно предназначаются для передачи цифровой информации. Чаще всего источники вырабатывают только два возможных символа: 1 и 0. В принципе могут использоваться и m – ичные источники.

В системах о РКФ двоичные символы информации 1 и 0 передаются с использованием множества сигналов , где - номер абонента, , K – число абонентов, объединенных в систему. В общем случае сигналы различных абонентов должны быть попарно ортогональны на интервале длительности двоичных символов Т:
. (1.1)

10

Передача символов сообщения с помощью сигналов показывает, что это сообщение предназначено - му абоненту, т.е. сигнал является одновременно и адресом сообщения. Поэтому системы с РКФ часто называют адресными системами. Сигналы часто формируют в виде двоичных кодовых последовательностей. Вследствие этого разделение каналов по форме сигналов иногда называют кодовым разделением каналов (КРК).

Разделение по форме может использоваться как в системах с центральной станцией (при централизованном объединении сигналов абонентов), так и в автономных многоканальных системах. В системах с ЦС все источники информации работают синхронно, существует временная синхронизация между ними, и такие системы называют синхронными адресными. При автономном объединении сигналов абоненты работают по принципу “каждый с каждым”, необходимости в синхронизации источников информации по времени и частоте нет, и такие системы называют асинхронными адресными системами связи (ААСС). В синхронных адресных системах можно обеспечить высококачественную работу большого количества абонентов, но необходимость их синхронизации обусловливает сложность всей системы и организации связи. Асинхронные адресные системы связи обеспечивают одновременную работу большого количества абонентов, разбросанных по значительной территории, но качество связи в них хуже. На вход приемника приходят сигналы абонентов, работающих в данный момент времени с различными случайными временными сдвигами, и условие ортогональности между сигналами абонентов обычно нарушается:

(1.2)

так как невозможно выбрать большой ансамбль сигналов, которые был бы ортогональны при любых временных сдвигах. Отсутствие ортогональности приводит к тому, что на выходе приемника наряду с полезным сигналом будут присутствовать отклики сигналов других, работающих в данный момент времени, абонентов. Эти отклики создают дополнительные помехи, которые называются внутрисистемными.

Внутрисистемные помехи появляются вследствие нарушения ортогональности между сигналами “своего” и других абонентов, их иногда называют шумами неортогональности. Наличие внутрисистемных помех является основным недостатком ААСС. Этим они отличаются от синхронных адресных систем, в которых можно обеспечить ортогональность сигналов всех абонентов, а внутрисистемные помехи свести до уровня аппаратурных погрешностей.
11

ААСС обеспечивает простоту организации связи, и они, как многоканальные автономные системы, могут использоваться тогда, когда использование ЦС невозможно по некоторым причинам, как–то: случайное размещение абонентов на большой территории, движение абонентов с относительно большой скоростью, необходимость обеспечения живучести системы.

В системах с РКФ сигналы различных абонентов передаются одновременно в общей полосе частот, равной полосе частот системы. Ширина спектра сигналов F оказывается намного больше ширины спектра сообщения Fсооб . Сигналы, используемые в системах с РКФ, являются широкополосными, т.е. имеют большую базу: B=FT=F/ Fсооб>>1.

Величина базы сигналов определяет возможное число ортогональных сигналов, т.е. объем ансамбля сигналов. При объединении в систему числа абонентов K>>1 потребуется большое число возможных сигналов, равное приблизительно K, т.е. необходимо использовать сигналы с базой ВK. Все сигналы выбранного ансамбля должны формироваться с использованием определенных правил и удовлетворять условию ортогональности (1.1) или почти ортогональности:



(1.3)

где E – энергия сигнала S(t).

Структурная схема синхронной адресной системы с РКФ представлена на рис.1.3.

Сообщения от источников информации поступают на канальные мо­дуляторы. Модулятор представляет символ «0» источника сигналом , а символ «1» - сигналом . Адресные сигналы , вырабатываются генераторами адресных сигналов, работа которых синхронизируется синхронизатором. Сигналы выступают в качестве поднесущих, но эти поднесущие имеют сложную структуру, широкополосный спектр. В модуляторах осуществляется манипуляция этих сложных поднесущих символами источников. При этом может использоваться манипуляция с активной и пассивной паузами. При пассивной паузе символ «1» сообщения передается сигналом , а символу «0» соответствует отсутствию сигнала. При активной паузе можно работать с противоположными и ортогональными сигналами. При манипуляции с противоположными сигналами (аналогом для узкополосных сигналов является ФМ со сдвигом фаг 0,π).


12



Рис. 1.3. Структурная схема синхронной адресной системы с РКФ (ИИ - источник информации, ПИ - потреби­тель информации)

При ортогональных сигналах и модуляция называется ортогональной (для узкополосных сигналов аналогом является частотная манипуляция). На рис. 1.4 иллюстрируется процесс получе­ния канальных сигналов при использовании противоположных, ортого­нальных сигналов, а также сигналов с пассивной паузой.

В качестве адресного сигнала часто используются двоичные по­следовательности длиной N. Для других источников (абонентов) используются двоичные последовательности такой же длины, но другой структуры. Ширина спектра адресного сигнала определяется длительностью элемента двоичной последовательности и равна . База сигнала ^ В будет равна длине последователь­ности B=N независимо от используемого метода модуляции.

Обратимся снова к структурной схеме синхронной адресной сис­темы. Канальные сигналы всех абонентов линейно суммируются, обра­зуя групповой сигнал, который затем модулирует несущую частоту f, по амплитуде, фазе или частоте. При суммировании большого числа канальных, сигналов групповой сигнал будет иметь большой пикфактор, как и при ЧРК. На каждый абонентский сигнал приходится
  1   2   3   4   5   6



Скачать файл (2188.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации