В основе временного разделения каналов лежит теорема В.А. Котельникова о том, что непрерывный сигнал, спектр которого ограничен максимальной частотой Fc макс полностью определяется его дискретными отсчетами, взятыми через интервалы времени
При этом в промежутках между отсчетами одного канала можно передать отсчеты сигналов других каналов. Таким образом, сигналы от разных источников подключаются к общей линии поочередно, не перекрываясь друг с другом (рисунок 3.4). Такие сигналы удовлетворяют условиям линейной независимости и ортогональности.
T Д - время дискретизации, Т к - канальное время, СИ - синхроимпульс
Рисунок 3.4 - Иллюстрация принципа временного разделения каналов
На рисунке 3.5 показана структурная схема многоканальной измерительной системы с временным разделением каналов и линией связи в виде радиолинии. Вместо радиолинии в ряде случаев может быть использована проводная линия связи.
Для образования разделяемых измерительных каналов работа устройств управления (УУ) ключевыми элементами (КУ) на передающей и приемной стороне должно быть синхронная и синфазная. Поэтому один из каналов отводится для передачи синхроимпульса, существенно отличающийся по одному из параметров от информационных импульсов (отсчетов сигналов) (СИ на рисунке 3.4 имеет амплитуду, большую, чем максимальное значение отсчета измерительного сигнала). СИ выделяется на приемной стороне селектором синхроимпульса (СС), и устанавливает счетчик каналов на приемной стороне в начальное состояние, с которого начинается счет каналов, т.е. обеспечивает синфазность УУ.
Селектор канальных импульсов (СКИ) формирует из принимаемого группового сигнала синхронный канальный импульс, который поступает на счетный вход УУ и осуществляет переключение счетчика каналов в темпе поступления отсчетов соседних каналов.
Как видно из схемы, первичное преобразование измерительных сигналов в СВРК всегда есть преобразование непрерывных сигналов в дискретные, то есть дискретизация. Соответственно, в первой ступени модуляции осуществляется, как правило, АИМ-1.
D - датчик, КУ - ключевое устройство, УУ - устройство управления,
М - модулятор, Г - генератор, ПР - приемник, ДМ - демодулятор,
УВ - устройство восстановления, РУ - регистрирующее устройство,
СС - селектор синхроимпульсов,
СКИ - селектор канальных имульсов
Рисунок 3.5 - Структурная схема измерительной системы с временным разделением каналов
Групповой сигнал с выхода коммутатора каналов может подвергаться вторичному преобразованию. Если пропорционально модулирующему сигналу (сигналу датчика) изменяется ширина канального импульса ф К, то получаем широтно-импульсную модуляцию (ШИМ).
Если по закону изменения сигнала датчика меняется положение переднего фронта импульса относительно начала отсчета (обычно начало канального интервала), то получим время-импульсную модуляцию (ВИМ).
Сигнал с выхода коммутатора каналов может также преобразовываться в цифровой сигнал, т. е. в код. В телеметрии такой вид преобразования называют кодо-импульсной модуляцией (КИМ).
Во второй ступени модуляции последовательности импульсов, образующих сигналы с АИМ, ШИМ или ВИМ, может модулировать несущую по амплитуде (АМ), частоте (ЧМ) или фазе (ФМ).
Лекция 4. Достоинства и недостатки многоканальных измерительных систем с частотным и временным разделением каналов
Измерительные системы с частотным разделением каналов
Достоинства
- 1) Одновременная (параллельная) передача сигналов от каждого датчика, независимо друг от друга. Благодаря этому практически отсутствует задержка получения измерительных сигналов на приемной стороне (если не учитывать время распространения сигнала в линии связи, которое увеличивается при увеличении дальности передачи).
- 2) «Живучесть» системы, которая обеспечивается опять же независимой передачей сигналов по каждому измерительному каналу.
Недостатки
1) Ограниченное число измерительных каналов.
Нелинейностью характеристик общего тракта передачи сигналов в СЧРК вызывает ограничение максимального количества каналов, которое может быть реализовано.
Пусть нелинейность характеристики общего тракта СЧРК описывается нелинейным уравнением:
U ВЫХ - сигнал с выхода группового тракта, U - сигнал на выходе сумматора. (Нелинейным элементом, в частности может являться модулятор несущей).
Сигнал U (t ) образуется суммированием сигналов всех поднесущих в сумматоре:
Пусть для всех поднесущих амплитуды Е к =1.
Подставляя (4.2) в (4.1) получим в выходном сигнале следующие составляющие:
Проведем замену.
Таким образом, сигнал на выходе группового тракта, а соответственно на входах всех разделительных полосовых фильтров на приемной стороне, содержит не только составляющие входного сигнала, но и большой набор комбинационных частот типа. Чем больше число каналов N , тем больше комбинационных частот появляется в спектре сигнала.
При малом числе каналов (N 6) еще можно подобрать поднесущие частоты F 1 , F 2 ,…, F N так, чтобы комбинационные частоты не попадали в полосы пропускания разделительных фильтров. С увеличением числа каналов этого сделать уже не удается.
Если ограничиться тремя слагаемыми в выражении (4.1), то число комбинационных частот вида щ 1 ±щ 2 ±щ 3 равно 480 при числе каналов N =10 и 1820 при N =15. Эти комбинационные частоты попадают в полосу пропускания канальных полосовых фильтров и создают помехи, которые называют перекрестными помехами. При большом числе каналов перекрестные помехи по своему характеру приближаются к флуктуационным шумам. Поэтому и бороться с этими помехами надо теми же способами, как и при борьбе с шумами. Один их путей - применение широкополосных видов модуляции, т. е. в поднесущих надо применять не АМ, а ЧМ. Применение ЧМ позволяет снизить требования к линейности характеристик общего тракта, поэтому в СЧРК наиболее широко применяется ЧМ поднесущих.
При временном разделении каналов (ВРК) сигналы каждого канала дискретизируются и их мгновенные значения передаются последовательно во времени. Таким образом, каждое сообщение передается короткими импульсами - дискретами. По одной линии связи за определенный промежуток времени - период повторения, который отводится для передачи, можно передать соответствующее число таких сообщений.
Структурная схема системы передачи информации с ВРК. На рис. 4.3 представлена упрощенная структурная схема системы с ВРК. Сообщение, например, при телефонной связи в виде звуковых сигналов, поступает во П вх, где звуковые колебания преобразуются в электрические. Распределители передающей Р1 и приемной Р2 сторон должны работать синхронно и синфазно. Переключение распределителей осуществляется от импульсов, поступающих от ГТИ. В конце каждого цикла в линию связи поступает фазирующий импульс для обеспечения синфазности работы обоих распределителей. Синхронность их работы обеспечивается стабильностью частоты ГТИ передающей и приемной сторон.
Распределитель последовательно подключает цепи для передачи сообщений по соответствующему каналу. Поскольку для передачи сообщений отводится незначительное время, то по линии связи будут следовать короткие импульсы, длительность которых определяется временем подключения распределителем данной цепи. На приемной стороне вследствие синхронной и синфазной работы распределителей, короткие импульсы поступают на П ВЫ х, где происходит обратное преобразование электрических сигналов в звуковые.
При ВРК между сигналами каждого канала, передаваемыми последовательно во времени по линии связи, вводится защитный временной интервал (рис. 4.4), который необходим для устранения взаимного влияния (перекрытия) каналов. Последнее возникает из-за наличия фазочастотных искажений в линии связи, чем вызывается неравномерность времени распространения сигналов различных частот.
Число каналов при ВРК зависит от длительности канальных импульсов и частоты их повторения, которая при передаче непрерывных сообщений определяется теоремой Котельникова о преобразовании непрерывных сигналов в дискретные .
Таким образом, общее число каналов при ВРК
(4.1)
где Т п
- период повторения;
-
длительность синфазирующего импульса;
- длительность защитного промежутка;
- длительность канального импульса.
Полоса частот, необходимая
для организации п
каналов при ВРК,
определяется минимальной длительностью
канального импульса
,
которая зависит от числа организуемых
каналов связи и характера сообщения,
определяется из выражения
(4.2)
где К п - коэффициент, зависящий от формы импульса (для прямоугольного импульса К п ~0,7).
Определим полосу частот, необходимую, например, для организации 12 телефонных каналов при ВРК. Длительность импульса при организации по линии связи 12 телефонных каналов определится из следующих соображений. Период повторения Т п =1/f п, где f п - частота повторения, которая определяется выражением f п = 2f max = 2 3400 = 6800 Гц. Здесь f max = 3400 Гц - максимальная частота при передаче телефонных сообщений. Для передачи принимают f п = 8000 Гц. Тогда f п =1/8000=125 мкс.
Из выражения (4.1)
Подставив в последнее
выражение значения Т п
= 125 мкс и n=12,
получим
1
мкс. Зная длительность канального
импульса
и принимая K п
= 0,7 из выражения (4.2), находим
Таким образом, полоса частот для организации 12 телефонных каналов при ВРК значительно превышает полосу частот, требуемую для организации такого же числа каналов при ЧРК, которая равна 48 кГц (12(3400 + 600) =48000 Гц, где 600 Гц -полоса частот, отводимая на расфильтровку соседних каналов).
Следовательно, использование ВРК для передачи аналоговых сообщений (например, телефонных, факсимильных, телевизионных) имеет ряд ограничений. В то же время передача дискретных сообщений (телеграфных, телемеханики, передачи данных) при ВРК дает существенные преимущества. Это объясняется тем, что дискретные сигналы при данных видах сообщений имеют значительную длительность, а спектр частот таких сигналов располагается в нижней части частотного диапазона, следовательно, длительность и период повторения канальных импульсов могут быть сравнительно большими, что значительно снижает требуемую полосу частот.
При ВРК для согласования сообщения с каналом связи могут использоваться различные виды канальной модуляции.
К недостаткам ВРК следует отнести сравнительно широкую полосу частот, требуемую для передачи сообщений; сложность коммутационного оборудования (распределителей) при организации значительного числа каналов связи и необходимость коррекции фазочастотных характеристик линии связи для устранения взаимного влияния каналов связи.
Системы передачи с временным разделением каналов.
Построение систем передачи с временным разделением каналов (ВРК).Сущность временного разделения каналов, структурная схема СП с ВРК. Теорема Котельникова. Виды импульсной модуляции. Сравнительный анализ видов импульсной модуляции и область их применения.
Идея временного разделения каналов заключается в том, что элементы первичного сигнала принадлежащему i-му каналу, передаются в неперекрывающихся интервалах времени свободных от сигналов других каналов по общей линии.
В большинстве своем первичные сигналы являются аналоговыми (непрерывными) и идея ВРК определяет необходимость проведения операции дискретизации.
Эта операция выполняется в соответствии с теоремой Котельникова. Она формулируется так: всякий непрерывный во времени сигнал со спектром ограниченным по частоте может быть представлен последовательностью его отсчетов (мгновенных значений), в взятых через интервал времени:
Т Д = 1/F Д , F Д ≥ 2F B .
Каждому сигналу предоставляется свой канальный интервал.
Операция дискретизации осуществляется с помощью канальных электронных ключей
Рис. 8.1. Структурная схема системы передачи с временным разделением каналов
Интервал времени между ближайшими импульсами группового сигнала Т K называется канальным интервалом или тайм-слотом (Time Slot). Из принципа временного объединения сигналов следует, что передача в таких системах осуществляется циклами, то есть периодически в виде групп изN гр = N + n импульсов, гдеN – количество информационных сигналов,n – количество служебных сигналов (импульсов синхронизации – ИС, служебной связи, управления и вызовов). Тогда величина канального интервала:
Δt K = Т Д /N гр .
Рис.8.2. К пояснению метода временного разделения каналов.
При временном разделении каналов возможны следующие виды модуляции:
1.АИМ -амплитудно-импульсная модуляция;
2.ШИМ - широтно-импульсная модуляция;
3.ФИМ –фазоимпульсная модуляция;
4.ЧИМ – частотно-импульсная модуляция.
При АИМ периодическая последовательность импульсов изменяется в соответствии с изменением модулирующего сигнала.Различают (АИМ -1) амплитудно-импульсную модуляцию первого рода (при ней вершины импульсов изменяются в соответствии с модулирующим сигналом) При (АИМ -2) амплитудной модуляции второго рода вершина импульсов плоская и равна амплитуде импульса в момнент дискритизации. При скаважности импульсов больше десяти различия между АИМ-1 и АИМ-2 исчезают. АИМ модуляция проста в реализации, но имеет низкую помехоустойчивость, так как любая помеха изменяет амплитуду импульса и искажает форму восстанавливаемого сигнала.АИМ обычно используется как промежуточный вид модуляции при реобразовании аналогового сигнала в цифровой.
При ШИМ спектр сигнала меняется взависимости от длительности сигнала.Минимальному уровню сигнала соответствует минимальная длительность импульса и, соответственно, максимальный спектр сигнала.
При этом амплитуда импульсов остается неизменной. При односторонней ШИМ (ОШИМ) изменение длительности происходит только за счет перемещения
одного из фронтов заднего или переднего. При двухсторонней ШИМ изменения длительности происходит относительно тактовой точки. Более помехоустойчивый способ передачи в сравнении с АИМ. Для избавления от амплитудных искажений применяется ограничитель амплитуд. ШИМ используется в МСП импульсной радиосвязи, а так же в некоторых радиотелеметрических системах, системах телеконтроля и телемеханики.
ФИМ представляет собой разновидность временной импульсной модуляции.
Существует несколько разновидностей ФИМ
ФИМ 1-го рода ПРИ ней временной сдвиг импульсов пропорционален значению модулирующего сигнала в момент появления импульса. ФИМ-2 импульсная модуляция при которой временной сдвиг пропорционален значению модулирующего сигнала в тактовых точках. Обычно применяется ФИМ-2 .При отрицательных значениях модулирующего сигнала импульсы смещаются влево, а при положительных вправо.
В аппаратуре с ВРК и аналоговыми методами модуляции наибольшее применение получила ФИМ, так как при её использовании можно уменьшить мешающее действие аддитивных шумов и помех путём двухстороннего ограничения импульсов по амплитуде, а также оптимальным образом согласовать неизменную длительность импульсов с полосой пропускания канала. Именно в системах передачи с ВРК используется, в основном, ФИМ.
При ЧИМ изменяется частота следования импульсов в зависимости от амплитуды модулирующего сигнала.
Вопросы для самоконтроля.
1.Как звучит теорема Котельникова?
2.Почемк теорема Котельникова применима только к непрерывным сигналам с ограниченным спектром?
3.Что такое АИМ-1 и АИМ-2, в чем их отличие?
4.ШИМ –модуляция,способы реализации преимущества и недостатки?
5.ФИМ- модуляция, способы реализации преимущества и недостатки?
6.Назначение фильтров нижних частот, включаемых на входе канальных амплитудно-импульсных модуляторов.
7.Назначение фильтров нижних частот, включаемых на выходе канальных селекторов.
8.Необходимость синхронной работы канальных амплитудно- импульсных модуляторов и канальных селекторов.
Тема № 7
Принципы построения многоканальных систем передачи
Тема занятие № 2
Временное разделение каналов
Первый учебный вопрос
Временное разделение каналов
Многоканальные системы передачи с временным разделением каналов (ВРК) широко применяются для передачи аналоговой и дискретной информации.
Временное разделение каналов возможно лишь в случае импульсной модуляции.
При большой скважности между импульсами одного канала остается большой промежуток времени, в котором можно разместить импульсы других каналов. Все каналы занимают одну и ту же полосу частот, но линия связи используется поочередно для периодической передачи канальных сигналов. Частоту повторения канальных сигналов выбирают согласно теореме Котельникова. Для синхронизации работы переключателей передатчика и приемника передают вспомогательные синхронизирующие импульсы, для которых отводят один или несколько каналов. При ВРК используют различные виды импульсной модуляции в каналах: ФИМ, ШИМ, ИКМ, ДМ и др. Для радиолиний применяют двойную модуляцию: ИКМ-ОФМн, ФИМ-ЧМ и др.
На рис.7.2.1 приведена структурная схема многоканальной системы (МКС) с временнвым разделением каналов (ВРК), где обозначено:
М- модулятор, ПБ - промежуточный блок, ГИ- генератор импульсов, СТ - счетчик, ДС - декодер, ГН - генератор несущей, ПРД - передатчик, ЛС - линия связи, ИП - источник помех, ПРМ - приемник, Д - детектор, ВСИ - выделитель синхроимпульса, И - схема совпадения.
Рис.7.2.1. Структурная схема многоканальной системы с временным разделением канала
Блоки ТИ, СТ, ДС образуют распределительную линию РЛ, которая обведена штриховой пунктирной линией.
Первый импульс ГИ появляется на первом отводе ДС, второй - на втором и т. д., N-й импульс - на N-м (последнем). Следующий импульс N + 1 появится вновь на первом входе ДС и далее процесс повторяется. На отводах ДС образуются периодические последовательности импульсов, сдвинутые во времени друг относительно друга. Первая последовательность импульсов поступает на управляющий вход формирователя синхроимпульсов ФСИ, остальные - на входы канальных модуляторов М (первая ступень модуляции). На их вторые входы поступают передаваемые информационные сигналы, которыми модулируются высокочастотные импульсы с ДС по одному из их параметров (амплитуде, длительности и т. д.).
Принцип функционирования представленной схемы поясняется временными диаграммами (рис.7.2.2 а-г) для случая АИМ в канальных модуляторах Мi.
Рис.7.2.2. Временная диаграмма работы схемы МКС с ВРК
Последние представляют собой дискретизаторы, выполненные на ключевых схемах или мультиплексорах. Рассмотрим сначала модуляторы АИМ на ключах, число которых N = 4. Причем первый канал отведен под синхроимпульс, а три остальных - под информационные сигналы. Синхросигнал СС отличается от информационных импульсов каким-либо параметром, например длительностью или амплитудой. Первый импульс с ГИ (рис.7.2.2 д) открывает первый ключ, формируя СС на его выходе, второй импульс - второй ключ и пропускает на свой выход соответствующую часть сигнала первого канала, третий импульс - часть сигнала второго канала и так до четвертого импульса. Пятый импульс вновь формирует СС и т. д. Поскольку выходы всех ключей соединены между собой параллельно, то суммарный (групповой) сигнал состоит из неперекрывающихся во времени импульсов. В этом случае говорят, что каналы уплотнены во времени. Далее групповой сигнал (рис.7.2.2 д) после усиления в блоке ПБ поступает в качестве модулирующего на вторую ступень модуляции М, после чего он усиливается в блоке ПРД и по линии связи поступает на приемную сторону.
На практике чаще всего используется не АИМ, а ИКМ, в состав которой входит и АИМ. Остальные же операции ИКМ (квантование по уровню, кодирование) должны осуществляться в блоке ПБ.
На приемной стороне сигнал с линии поступает в ПРМ, где он фильтруется, усиливается, а затем детектируется в блоке Д (см. рис. 12.5) для получения группового сигнала (см. рис.7.2.2 е). Если в каналах использована АИМ, то групповой сигнал после усиления в блоке ПБ поступает сразу на одни входы всех схем совпадения И, на другие входы которых подаются импульсы синхросигнала СС (рис.7.2.2 ж) с выхода распределителя РЛ. Работа последнего такая же, как и на передающей стороне, за исключением того, что ГИ синхронизирован импульсами СИ, выделенными из группового сигнала. Каждая схема совпадения И открывается на время, определяемое длительностью импульса распределителя, и пропускает на свой выход сигнал своего канала. В схемах И и осуществляется ВРК (рис.7.2.2 з-к). На выходе каждой такой схемы имеется ФНЧ, который выполняет функции второй ступени демодуляции, преобразуя сигнал АИМ в передаваемый аналоговый сигнал. Если же канальные сигналы цифровые (с ИКМ), то в блоке ПБ приемника должно иметь место декодирование, преобразующее ИКМ в АИМ. Далее групповой сигнал с АИМ разделяется описанным выше способом.
Схемы И приемника выполняют роль временных параметрических фильтров или ключей.
При ВРК тоже имеют место взаимные помехи, которые обусловлены двумя причинами: линейными искажениями и несовершенством синхронизации. Действительно, при ограничении спектра импульсов (линейные искажения) их фронты "заваливаются", и импульсы одного канала накладываются на импульсы другого, от чего и образуются переходные помехи. Для снижения их уровня вводят защитные интервалы, что соответствует некоторому расширению спектра сигнала.
Эффективность использования частотного спектра при ВРК практически (не теоретически) хуже, чем при ЧРК: с увеличением числа каналов растет полоса частот. Зато при ВРК отсутствуют помехи нелинейного происхождения и аппаратура значительно проще, а пик-фактор сигнала меньше, чем при ЧРК. Существенным преимуществом ВРК является высокая помехоустойчивость импульсных методов передачи (ИКМ, ФИМ и др.).
При ВРК просто выделить каналы на приемной стороне без какого-либо ограничения их качества. Аппаратура имеет малые размеры, массу, что обусловлено широким использованием интегральных микросхем, элементов цифровой вычислительной техники, микропроцессоров.
Основной недостаток ВРК - необходимость обеспечения синхронизации передающей и приемной сторон системы передачи.
Отметим, что при ВРК канальные сигналы ортогональны между собой, поскольку они не перекрываются во времени. Это значит, что при их передаче может быть использовано и фазовое разделение каналов (ВФРК). Примером тому может являться однополосная передача цифровых сигналов, минимальная частотная манипуляция и др.
Временное разделение каналов (временное уплотнение линии связи)
Метод временного уплотнения используется в многоканальных линиях связи с временным разделением каналов. По таким линиям связи передаются импульсные сигналы, в то время как непрерывные сигналы типичны для линий связи с частотным разделением. При медленно изменяющихся телеметрических данных сигнал будет узкополосным (например, данные о температуре можно передавать с малой скоростью; скажем, один раз в 10 с), и крайне неэкономно занимать таким сигналом всю линию радиосвязи. Для увеличения эффективности передачи эту же линию связи можно использовать для передачи других измерений в паузах между передачей значений температуры. Ясно, что эффективное использование линии связи может быть достигнуто за счет временного разделения канала связи между несколькими измеряемыми параметрами, каждый из которых передается с частотой, соответствующей скорости его изменения. При таком временном разделении каждой измеряемой величине отводится свой повторяющийся временной интервал. В нашем примере в течение 10 с должно быть передано некоторое число разнообразных групп данных. Значения различных измеряемых величин. передаются одна за другой через одну и ту же линию связи, каждая величина в свои промежутки времени. Приемное устройство должно быть в состоянии разделить поток значений по каналам так, чтобы в каждом из каналов образовались последовательности значений, соответствующие первичной измеряемой величине. Для этого необходимо обеспечить временную синхронизацию или метить каждый временной промежуток для того, чтобы на приемном конце можно было распознать каждый источник данных. На рис. 16 показаны временное уплотнение каналов и функциональная схема типичной телеметрической системы с разделением каналов по времени.
Общим методом опознавания каждого временного промежутка является отсчет его положения по отношению к синхронизующим импульсам, которые имеются в начале цикла передаваемых значений данных, -«тактовые импульсы». На рис. 17,а показаны более подробные функциональные схемы коммутатора и декоммутатора.
Рис. 16.
а-распределение временных интервалов (10 каналов); б-упрощенная функциональная схема системы.
Коммутатор собирает множество входных каналов от источников сигналов в одну линию передачи. Счетчик задает каждый временной промежуток и, следовательно, место в цикле для каждого источника данных. Например, пятый канал данных в приведенной схеме подключен к линии радиосвязи в то время, когда счетчик находится в положении 5, или при счете 5. На рис. 17,б показана упрощенная схема коммутации и декоммутации. Когда переключатель коммутатора находится в положении 1, в том же положении находится и переключатель декоммутатора, роль которого играет коммутатор, работающий в обратном направлении. Следовательно, данные первого канала передаются и принимаются.Оба переключателя работают синхронно.
Рис. 17.
а - функциональная схема; б - схема взаимодействия. Синхронизирующий сигнал в приемном устройстве может быть извлечен из передаваемых по линии связи синхроимпульсов или образован местным генератором.
Тактовый синхроимпульс обеспечивает точную синхронизацию начала цикла, гарантирующего согласованные переключения коммутатора и декоммутатора. Отметим, что в коммутаторе и декоммутаторе используется одинаковая аппаратура; различие заключается лишь в направлении движения данных.
Так как коммутация и декоммутация управляются фиксированной частотной синхронизацией, частота переключений также стабильна и длительность каждого временного промежутка одинакова. Однако это может быть невыгодным в случаях, когда для различных источников данных требуются существенно разные полосы частот. Для того чтобы понять связь между полосой частот и частотой переключении, необходимо рассмотреть процесс выборки данных.
Как отмечалось ранее, синусоида может быть восстановлена из последовательности выборок ее мгновенных значений. Для воспроизведения синусоиды частоты 1 кГц с высокой верностью (искажения менее 1%) требуется по меньшей мере 5 выборок из каждого периода сигнала. Следовательно, сигнал с частотой 1 кГц должен быть подвергнут дискретизации со скоростью 5000 значений в секунду, т. е. 5 выборок на период измеряемой величины. Если мы предполагаем коммутировать сигналы от 10 источников данных (имеющих полосы частот по 1 кГц), для каждого из которых требуется скорость дискретизации 5000 выборок в секунду, то необходима скорость коммутации 10×5000 выборка/с = 50000 выборка/с. Коммутатор должен переключаться от источника к источнику с частотой 50 кГц (через 20 мс), так что каждый источник сигналов будет опрошен один раз за каждые 10 переключений, т. е. один раз каждые 20 мс, но с частотой 5 кГц. Частота тактов, т. е. число тактов в секунду, будет равна 5000 такт/с. Частота переключений равна тактовой частоте, умноженной на число источников данных в системе, или тактовой частоте, умноженной на число импульсов в такте (5000×10=50000 имп./с). Линия связи должна быть в состоянии передавать импульсные данные с такой высокой частотой (50000 имп./с) без ощутимых искажений. Это означает, что необходима система связи. с шириной полосы пропускания гораздо больше 50000 Гц.
Выборки данных от различных источников в системе, показанной на рис. 16,б, непосредственно модулируют несущую. Наряду с такой непосредственной модуляцией часто бывает, что выборки данных используются для модуляции поднесущей, которая в свою ечередь модулирует несущую, как это показано штриховыми линиями на рис. 16,б. Выборки данных от группы источников передаются, таким образом, на одной из поднесущих в системе с частотным уплотнением каналов. Это позволяет применять оба метода уплотнения каналов в одной линии связи. Сами по себе выборки данных это не что иное, как импульсные значения сигнала при амплитудно-импульсной модуляции (АИМ), т.е. информация является амплитудно-нмпульсно-модулированной. Так как такие АИМ-сигналы модулируют поднесущую (например, путем ЧМ), которая затем модулирует несущую (к примеру, также путем ЧМ), то в результате получается АИМ/ЧМ/ЧМ-система.
Теперь рассмотрим пример, демонстрирующий влияние дискретизации сигнала на ширину полосы частот системы связи.
Рассмотрим несущую с частотой 100 МГц, которая модулируется (ЧМ) поднесущей с центральной частотой 70 кГц. Информация переносится с помощью частотной модуляции поднесущей 70 кГц. Таким образом, имеем ЧМ/ЧМ-канал связи. Чтобы соответствовать стандартам, необходимо ограничить девиацию частоты поднесущей до ±15%. Это означает, что при индексе модуляции 5 ширина полосы информации ограничена до 2100 Гц, т. е. получается гораздо уже полосы 50000 Гц, необходимой для предложенной системы с уплотнением каналов. Если число выборок в такте было бы сокращено до одной, что означает оставление одного из источников данных, то потребовалась бы частота переключений 5 кГц, т. е. по-прежнему шире полосы 2100 Гц, которой располагает поднесущая 70 кГц. Отметим, что в случае одного источника данных не требуется никакого уплотнения каналов и, следовательно, возможна прямая непрерывная передача (без выборки). В этом случае ширина полосы 2100 Гц в два раза больше полосы, необходимой для сигнала от одного источника (1 кГц в предыдущем примере). Такое ухудшение эффективности использования полосы частот (при дискретизации требуется полоса 5 кГц, без дискретизации - только 1 кГц) обусловлено свойствами самой дискретизации сигнала. При формировании пяти выборок мгновенных значений сигнала на каждый период непрерывного сигнала мы расширяем полосу частот сигнала более чем в пять раз, а следовательно, и требуемую полосу канала. Хотя при использовании одной поднесущей для передачи сигналов от большого числа источников полоса частот используется неэффективно, но это имеет и свои достоинства, проявляющиеся при узкополосных сигналах от источников. Поэтому временное разделение, требующее дискретизации сигнала, в основном используется в приложениях с низкими требованиями к полосе частот. Однако широкополосные сигналы тоже.могут быть переданы с использованием длительных выборок. Длительность каждой выборки в таком методе гораздо больше, чем период ннформации, и составляет 5 и более ее периодов. Это просто означает, что выборка содержит не одно мгновенное значение, а конечный отрезок значений сигнала, передаваемый в данный тактовый интервал времени. При таком методе необходимо быть уверенным в отсутствии потерь данных за время перерыва передачи ниформацин от определенного источника.
Выше предполагалось, что способом передачи является ЧМ/ЧМ. Следовательно, в каждый отдельный интервал времени изменяющаяся частота поднесущей представляет собой значение измеряемой величины, подвергнувшейся выборке в это время. В течение этого интервала времени отклонение частоты от центра поднесущей соответствует напряжению выборки, которое модулирует частоту поднесущей. Ширина этих временных интервалов фиксирована, а такт их последовательности задается синхроимпульсом. Синхроимпульс вызывает максимальное отклонение частоты и имеет длительность, равную удвоенному обычному временному промежутку. Уширение необходимо для выделения импульса синхронизации из импульсов выборок сигналов.
Установление стандартов и контроль характеристик линий передачи осуществляются различными государственными или международными органами (в зависимости от характера линий: спутниковая телеметрия - международными соглашениями, промышленная телеметрия - органами государственного контроля и т.д.). Например, тактовая частота должна поддерживаться постоянной с точностью ±5% (долговременная стабильность); длина такта ограничена не более 128 временными интервалами и т.д. (IRIG , «Стандарты телеметрии»). Отметим еще, что при высоких частотах поднесущих полоса часто оказывается шире; значит, частота переключении может быть выше.
Для повышения эффективности иногда полезно иметь неодинаковую частоту выборки для разных источников.
Источник широкополосной информации должен опрашиваться чаще, чем узкополосный. Это легко достигается простыми изменениями во внутренних соединениях коммутатора и декоммутатора. Например, если мы соединим положения 1 и 5 в десятиточечном коммутаторе (уплотнителе каналов), то источник данных, соединенный с положениями 1 и 5, будет опрошен дважды за один такт, т. е. с удвоенной частотой. Возможно также произвести подкоммутацию, т.е. выделить один или более временных интервалов, длительность которых разбивается на части для передачи данных от дополнительного ряда источников. Длительность интервала основного такта становится при этом подтактом для подкоммутатора.
Эти методы позволяют легко приспособить систему к широкому диапазону требований к полосе частот.