Многостанционные и многоканальные системы передачи информации

МНОГОСТАНЦИОННЫЕ И МНОГОКАНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

1. Понятие о многостанционном доступе

Существующие в настоящее время и проектируемые СПИ должны обеспечивать одновременной связью большое число стационарных и подвижных объектов, произвольно расположенных на некоторой территории. Вследствие этого перспективными являются многостанционные СПИ. В таких системах необходимо осуществлять многостанционный доступ (МСД) в общий частотный канал, при котором корреспонденты передают (и принимают) независимо друг от друга информацию тогда, когда в этом возникает необходимость. Многостанционные СПИ играют основную роль при построении систем связи с подвижными объектами (самолетами, кораблями, автомобилями). Многостанционный доступ в общий частотный канал является наиболее целесообразным методом построения спутниковых систем.

В состав таких систем входит обычно l корреспондентов, каждый из которых является источником дискретной или непрерывной информации ( где ). Сообщение каждого корреспондента преобразуется в сигнал . Однако системы МСД имеют ряд существенных отличий от многоканальных систем. Так, групповой сигнал образуется в результате сложения радиосигналов корреспондентов непосредственно в канале (рис.1), отсутствует временная синхронизация источников информации, уровни принимаемых сигналов могут существенно различаться, например, из-за различной протяженности трасс распространения.

Наряду с помехами канала в системах МСД действуют специфические для этих систем искажения, связанные с влиянием сигналов корреспондентов друг на друга при выделении их из группового сигнала (межстанционные помехи). Уменьшение этого влияния и соответственно ослабление искажений передаваемых сообщений могут быть достигнуты правильным выбором сигналов и методов их выделения из группового сигнала.

В системах МСД все сигналы , называемые адресными, могут или заранее распределяться и закрепляться за конкретными корреспондентами, или выделяться им только на время сеанса связи, после которого эти сигналы используются другими корреспондентами системы. Метод распределения сигналов между корреспондентами определяется взаимодействием станций в системе МСД и активностью корреспондентов.

По характеру организации совместной работы станций различают системы МСД с ограниченным доступом (контролируемые) и со свободным доступом корреспондентов в общий частотный канал (неконтролируемые).

В неконтролируемых системах МСД адресные сигналы жестко закрепляются за определенными корреспондентами. Это обеспечивает возможность связи каждой пары корреспондентов независимо от других. В таких системах число сигналов примерно равно общему числу корреспондентов.

Рисунок 1 - Структурная схема многостанционной РСПИ

В контролируемых системах МСД сигналы не закрепляются жестко за корреспондентами, а выделяются им по мере необходимости выхода на связь. Число сигналов в контролируемой системе МСД может быть гораздо меньше общего числа корреспондентов, обслуживаемых системой: . Объясняется это тем, что о контролируемых системах учитывается статистика работы от дельных корреспондентов, т. е. тот факт, что корреспонденты в системе передают информацию не непрерывно и число активных корреспондентов обычно значительно меньше .

2. Системы с временным разделением

В системах многостанционного доступа с временным разделением (МДВР) каждый корреспондент передает (или принимает) информацию в течение специально для него отведенных интервалов времени. Метод МДВР широко распространен в спутниковых системах связи, представляющих собой сети с радиальным объединением корреспондентов. Ретранслятор на спутнике поочередно предоставляется для передачи сигналов каждой земной станции системы МСД. Чтобы исключить наложение сигналов различных станций друг на друга из-за ошибок временной синхронизации, между ними предусматриваются защитные временные интервалы. Принцип формирования группового сигнала на входе ретранслятора РТР при работе передатчиков трех земных станций ЗС поясняется рис.2, где -- время, в течение которого каждая ЗС излучает свои сигнал. , -- период следования этих сигналов, -- защитный интервал, -- длительность сигнала, обеспечивающего синхронизацию в системе МДВР.

Рисунок 2 - Диаграммы формирования группового сигнала в системе МДВР

Рисунок 3 - Диаграмма, поясняющая программный метод синхронизации при МДВР

3. Системы с частотным разделением

В системах многостанционного доступа с частотным разделением (МДЧР) сигналу каждого корреспондента предоставляется отдельная полоса частот. Число этих полос определяется шириной общей полосы частот, выделяемой системе МДЧР. При таком методе все сигналы корреспондентов имеют одинаковую форму и могут передаваться одновременно и непрерывно. Значения несущих частот передатчиков станций в системе выбирают так, чтобы между спектрами отдельных сигналов оставались защитные интервалы для уменьшения межстанционных помех.

Для организации связи в системе МДЧР может использоваться так называемый метод приемной полны. Это означает, что каждому приемнику присваивается определенная несущая частота (волна). Передатчики перестраиваются по всему диапазону в зависимости от номера частоты корреспондента, с которым они хотят связаться.

Основными достоинствами систем МДЧР являются: простота реализации и возможность совместимости с существующими РСПИ, а также отсутствие необходимости синхронизации работы станций, входящих в систему.

4. Cистемы с кодовым разделением

В системах с кодовым разделением сигнал каждого корреспондента кодируется таким образом, чтобы сигналы были ортогональными. Кодовое уплотнение позволяет создавать как синхронные, так и асинхронные системы МСД. Достоинством синхронных систем является возможность достижения полной ортогональности адресных сигналов. В асинхронных системах не требуется синхронизации по времени между сигналами корреспондентов. Однако при асинхронной работе передатчиков в каждом приёмнике при разделении сигналов возникают межстанционные помехи, что является основным недостатком данных систем. Этот недостаток не снижает того интереса, который проявляется к подобным системам в связи с возможностью независимой друг от друга во времени работы корреспондентов. Поскольку форма каждого сигнала является адресом корреспондента, которому предназначена заключённая в этом сигнале информация, такие системы называют асинхронно-адресными.

5. Асинхронно-адресные системы передачи информации (ААС)

В ААС для разделения сигналов корреспондентов можно использовать время-интервальные и частотно-временные коды. В первом случаи коды различных адресов отличаются друг от друга интервалами между импульсами. Во втором дополнительными признаками кодообразования является частота заполнения импульсов.

Однако в настоящее время в ААС для разделения сигналов корреспондентов, входящих в систему, используются сложные фазоманипулированные сигналы, алгоритмы формирования которых легко реализуются современной цифровой техникой.

Сигналы в ААС этого типа состоят из элементарных импульсов, имеющих одинаковую несущую частоту и отличающихся по какому-либо параметру, например по фазе. Фаза изменяется по закону некоторого модулирующего кода (рис. 4.а), причем наиболее распространена двухфазная манипуляция со сдвигом фазы на 180° (рис. 4.б). Если определить полосу сигнала на рис. 4.а известным соотношением, то при длительности сигнала его база где N -- число символов в модулирующей кодовой последовательности.

Системой сигналов называется множество сигналов, определяемых единым правилом построения (алгоритмом). Возможное число адресных сигналов представляется как объем системы сигналов. Принято сравнивать объем системы сложных сигналов с базой В. Различают малые системы сигналов с , нормальные (ортогональные или квазиортогональные) с и большие с . Большинство известных систем сигналов является малыми или нормальными.

Сигналы, входящие в систему, должны обеспечивать минимально возможный уровень взаимных помех, который для систем сложных фазоманипулированных сигналов зависит от вида модулирующей кодовой последовательности. Среди множества кодовых последовательностей особый интерес для применения в ААС рассматриваемого типа представляют линейные рекуррентные последовательности максимальной длины, или сокращенно М-последовательности, формируемые с помощью весьма простых генераторов на основе сдвигающих регистров с линейными обратными связями. Они обладают рядом важных свойств, позволяющих формировать на их основе квазиортогональные системы сигналов, характеризуемые достаточно, слабыми взаимными помехами.

Рисунок 4 - Структура сигналов в ААС со сложными ФМ сигналами

В передатчике ААС со сложными фазоманипулированными (ФМ) сигналами, предназначенной для передачи дискретных сообщений (рис. 5.а), от источника информации (ИИ) Последовательность символов 1 и 0 со скоростью (рис. 6.а) поступает на вход кодера-модулятора. На второй вход кодера подается кодовый сигнал (рис. 6.б) от генератора кода (ГК). Этот сигнал имеет длительность . и число импульсов N. Работой ГК и ИИ управляет синхронизатор (С), который формирует необходимые сигналы управления и тактовые частоты. Модулированная кодовая последовательность (рис. 6.в) манипулирует по фазе в модуляторе (Мод) колебание несущей частоты. В приемнике (рис. 5.б) сигнал переносится на промежуточную частоту, усиливается в усилителе промежуточной частоты (УПЧ) и обрабатывается согласованным фильтром (СФ). Сигнал с выхода СФ поступает на синхронизатор (С) и решающее устройство (РУ). Синхронизатор осуществляет поиск ФМ сигнала по времени и управляет режимом работы решающего устройства. После вхождения в синхронизм на выходе РУ появляется информационная последовательность в виде двоичных символов, которая выдается получателю информации (ПИ).

Рисунок 5 - Структурные схемы передатчика (а) и приемника (б) ААС со сложными ФМ сигналами

Рисунок 6 - Принцип передачи двоичной информации в ААС со сложными ФМ сигналами

6. Многональные системы передачи информации

Задачей многоканальных систем связи является передача сообщений от многих источников одновременно. Общая структурная схема многоканальной РТСПИ представлена на рис.7. Сообщения поступающие от источников подаются на канальные модуляторы и модулируют канальные сигналы, вырабатываемые генератором канальных сигналов ГКС. Нам выходе канальных модуляторов формируются модулированные канальные сигналы которые объединяются в групповой сигнал устройством объединения УО. групповой сигнал поступает на общий модулятор ОМ и модулирует несущую, вырабатываемую передатчиком Пер.

Рисунок 7

Принятый сигнал подвергается обработке (усилению, фильтрации, и т. д. ) в линейной части приемника Прм и демодулируется в общем модуляторе ОД. Выделенная оценка группового сигнала поступает на селекторы канальных сигналов СКС, каждый из которых выделяет из соответствующий модулированный канальный сигнал. В ряде случаев для функционирования СКС необходимы селекторные сигналы, вырабатываемые генератором селекторных сигналов ГСС. Оценки модулированных канальных сигналов демодулируються в канальных демодуляторах КД, в результате чего выделяются оценки сообщений , поступающие к получателям сообщений . Канальные модуляторы, генератор канальных сигналов и устройство объединения образуют на передающей стороне устройство уплотнения каналов УУК. Селекторы канальных сигналов, генератор селекторных сигналов и канальные демодуляторы образуют устройство разделения каналов УРК на приемной стороне.

В многоканальных СПИ для передачи сообщений от многих источников используется один обширный тракт (вход ОМ - выход ОД), который, как правило, является наиболее дорогостоящей частью СПИ. Поэтому передача нескольких сообщений с помощью многоканальных СПИ экономически более целесообразна, чем создание отдельных СПИ для передачи каждого сообщения.

В многоканальных СПИ модулированные канальные сигналы наделяются такими признаками, чтобы в приемной части их можно было разделить. При этом наиболее распространены линейные методы , когда СКС являются линейными устройствами с постоянными или переменными параметрами, а УО - линейный сумматор. Известны также другие методы разделения каналов. При линейном разделении каналов групповой сигнал представляет собой сумму модулированных канальных сигналов:

.

Необходимым и достаточным условием выполнения является условие разделения сигналов , линейная зависимость модулированных канальных сигналов либо их ортогональность.