55

6 Многоканальная передача и многостанционный доступ

6.1 Методы многостанционного доступа

Система передачи информации из одного пункта в другой называется многоканальной (n-канальной), если в ней по одному кабелю осуществляется одновременная передача n сообщений.

Многостанционным доступом (МД) называется метод, позволяющий n станциям радиосвязи (возможно, разбросанным на большой территории) совместно использовать ресурсы одного ретранслятора.

В сущности, оба определения совпадают; различие, определяющее область использования каждого из них, заключается лишь в том, какая среда передачи сигналов используется: кабель или эфир. Поэтому нет ничего удивительного в том, что возможные методы реализации обеих технологий одинаковы.

На рис. 6.1 изображена упрощенная (содержащая лишь принципиально необходимые элементы) схема передающей и приемной частей многоканальной СПИ, предназначенной для передачи в одном направлении, где обозначено: И₁, …, И_n – источники информации (сообщений); ГП – генераторы поднесущих; М₁, …, М_n – канальные модуляторы; УУК – устройство уплотнения каналов; УРК – устройство разделения каналов; Д₁, …, Д_n – канальные демодуляторы; П₁, …, П_n – получатели сообщений.

Г енератор поднесущих выдает n периодических сигналов (гармонических, последовательностей импульсов и т.п.), имеющих разную форму в разных каналах. Вид поднесущих и, следовательно, возможные способы их модуляции определяются методом уплотнения каналов. Модулированные поднесущие s₁(t), …, s_n(t) называются канальными сигналами. Операция уплотнения каналов – это обычное суммирование канальных сигналов

.

(6.1)

В результате этого получается групповой сигнал .

Для разделения каналов, как правило, применяются также линейные устройства. Считают, что в приемнике происходит разделение канальных сигналов без возникновения междуканальных помех, если выполняется следующее условие: при любых значениях сообщений, передаваемых в каналах, напряжение на j-м выходе линейного устройства разделения каналов равно нулю тогда и только тогда, когда =0.

Известно, что для выполнения этого условия необходимо и достаточно, чтобы система n функций, описывающих канальные сигналы, была линейно независимой при любых значениях передаваемых сообщений. Формально это условие проверяется так: система линейно независима, если равен нулю определитель матрицы Грама

,

(6.2)

где .

Если выполняется лишь это условие, устройство разделения каналов может оказаться достаточно сложным. Поэтому обычно выдвигают еще одно, дополнительное требование: канальные сигналы должны быть к тому же попарно ортогональны

(6.3)

где – энергия j-го канального сигнала. При этом матрица Грама становится диагональной.

Приведем примеры типичных СПИ, использующих ортогональные канальные сигналы.

1) Канальные сигналы не перекрываются во времени (рис. 6.2). Условие ортогональности (6.3) здесь, несомненно, выполняется, так как при любом t подынтегральное выражение равно нулю при . Это метод временного разделения каналов (ВРК). Используются также термины: временное мультиплексирование, многостанционный доступ с временным разделением каналов (МДВР), Time Division Multiple Access (TDMA).

Фактически линия связи поочередно подключается на короткое время к каждому из источников. Поэтому принципиальными элементами такой СПИ являются мультиплексор (устройство уплотнения каналов) и демультиплексор (устройство разделения каналов), всегда работающие синхронно (рис. 6.3). Поэтому неотъемлемой составной частью любой СПИ с ВРК является система синхронизации приемного устройства.

В ажно отметить, что длительность канального интервала (слота) мала (в противном случае у пользователей исчезнет эффект “одновременности” передачи), поэтому за время одного подключения к линии удается передать лишь малую часть сообщения: один бит, один байт, один отсчет либо пакет, то есть небольшую группу подобных элементов. Чтобы успеть опросить все источники и неоднократно повторять этот процесс, все перечисленные элементы сигналов источников должны быть сжаты во времени по крайней мере в n раз.

2) Спектры канальных сигналов не перекрываются на оси частот. Спектр группового сигнала (сумма спектров канальных сигналов) показан на рис. 6.4. Условие ортогональности (6.3) здесь выполняется для спектров, следовательно, и для функций времени. Это метод частотного разделения каналов (ЧРК). Используются также термины: частотное мультиплексирование, многостанционный доступ с частотным разделением каналов (МДЧР), Frequency Division Multiple Access (FDMA).

К аждой паре “источник-получатель” выделена своя полоса частот. Поэтому принципиальными элементами такой СПИ являются блок n генераторов гармонических колебаний разных частот-поднесущих в передатчике и набор полосовых фильтров для разделения канальных сигналов в приемнике. Поскольку невозможно построить канальные полосовые фильтры с идеальной прямоугольной частотной характеристикой, между полосами, занятыми канальными сигналами, всегда предусматривают пустые защитные частотные интервалы.

3) Все канальные сигналы передаются одновременно (перекрываются во времени) в одной общей полосе частот (их спектры также перекрываются), но взаимная ортогональность сигналов обеспечена тем, что все они имеют разную форму. Тогда устройство разделения каналов – это набор n параллельно включенных корреляционных приемников или согласованных фильтров (разд. 2.9), на входы которых подается принимаемый групповой сигнал. В каждом приемнике весовая функция w(t) совпадает по форме с соответствующим канальным сигналом, поэтому он реагирует лишь на сигнал данного канала. Последнее требование удается выполнить лишь в цифровой СПИ.

Такой метод называется многоканальной передачей с разделением по форме сигналов. В качестве набора канальных сигналов можно использовать любую известную из курса математики систему ортогональных функций (функции Эрмита, Лагерра, Чебышева и т.п.), но все эти функции имеют довольно сложную форму. Поэтому для практического использования предложен более простой вариант метода, когда в качестве канальных сигналов применяются импульсы с внутриимпульсной фазовой модуляцией, причем закон модуляции каждого канального сигнала задается индивидуальной двоичной кодовой комбинацией.

В таком виде метод получил название кодового разделения каналов (КРК). Используются также термины: кодовое мультиплексирование, многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (МДКР), Code Division Multiple Access (CDMA).

На практике при использовании любого метода уплотнения канальных сигналов после их разделения в приемнике возникают междуканальные помехи, то есть сигнал на выходе канального демодулятора зависит не только от того, что было передано в данном канале (это норма), но и от того, что передавалось в других каналах (иначе говорят, что отсутствует полная развязка между каналами). Если канальные сигналы во всех звеньях сквозного тракта передачи остаются ортогональными, это, по определению, гарантирует отсутствие междуканальных помех. Поэтому общей причиной возникновения междуканальных помех являются такие искажения канальных сигналов в процессе их передачи, которые приводят к нарушению их ортогональности.

В разд. 6.2-6.4 более подробно рассмотрены особенности каждого из трех методов передачи.