книги / Физические основы получения информации

темах возникает проблема разделения каналов между соответст­ вующими источниками и потребителями информации. Сигналы от всех абонентов сводятся воедино и поступают на общий пе­ редатчик. На приемной стороне радиолинии решается обратная задача: каналы разделяются, чтобы сигнал от каждого из або­ нентов получил тот абонент, которому он адресован. Рассмот­ рим, как осуществляется уплотнение каналов.

Передаваемый аналоговый сигнал, преобразованный в на­ пряжение электрического тока, необязательно передавать в не­ прерывной форме. Достаточно последовательности отсчетов (значений непрерывного сигнала), разделенных небольшим ин­ тервалом времени. Выгода очевидна: паузу между соседними отсчетами можно заполнить сигналами других каналов.

Выбор интервала времени между отсчетами - его называ­ ют квантом времени - зависит от двух противоречивых требо­ ваний. Очевидно, что увеличение кванта времени позволяет разместить большее число каналов в общем сигнала радиоли­ нии. Но тогда снизится точность воспроизведения исходных сигналов, так как при больших промежутках между соседними отсчетами могут оказаться незамеченными быстрые изменения сигналов.

Квантованные сигналы по уровню передаются не ступен­ чатыми изменениями амплитуды, а двоичным кодом. Процесс кодирования осуществляется до того, как сигнал поступает в ра­ диоканал, значит, помех он еще не содержит. Стало быть, поме­ хоустойчивость будет определяться не выбором кванта уровня, а выбором кода, хорошо защищенного от помех. Можно умень­ шить квант уровня и повысить точность передачи исходного сигнала без ущерба для помехоустойчивости. Именно так по­ строены современные линии радиосвязи. Используются способы уплотнения линии связи: частотный и временной.

8.3. Частотное уплотнение канала связи

Традиционно во многих радиотехнических системах пере­ дачи информации широкое применение находит частотное уп­ лотнение сигналов, осуществляемое дополнительной (перед ос-

161

новной модуляцией) модуляцией на так называемых поднесу­ щих (предварительных) частотах / |, / 2, ..., f n .

Поднесущие частоты значительно превышают частоту пе­ редаваемого сигнала, но они во много раз меньше несущей час­ тоты.

При частотном уплотнении передаваемые сигналы пред­ варительно поступают на модуляторы поднесущих частот, с по­ мощью которых осуществляется амплитудная, частотная или фазовая модуляция. Затем промодулированные сигналы, спектр которых перенесен в сравнительно низкочастотную область, подаются на основной модулятор, работающий на несущей частоте.

Структурная схема передатчика с частотным уплотнением сигналов приведена на рис. 8.2.

Рис. 8.2. Частотное уплотнение радиоканала

Сущность способа заключается в том, что полоса пропус­ кания линии связи AF делится на п частей и каждому каналу выделяется свой диапазон частот Д/J (рис. 8.3).

Передача информации в канале осуществляется путем не­ прерывной модуляции (амплитудной, частотной или фазовой) соответствующей поднесущей частотой f i , вырабатываемой специальным генератором поднесущей. При этом спектр частот,

162

занимаемый сигналом каждого канала после модуляции, должен быть меньше диапазона частот Afi , выделенного каналу.

AF

Рис. 8.3. Деление полосы пропускания линии связи на каналы

Сигналы отдельных каналов uf(t) суммируются, и промодулированный групповой сигнал поступает в линию связи.

На приемной стороне (рис. 8.4) после демодуляции разделение сигналов по каналам происходит при помощи поло­ совых фильтров (ПФ), каждый из которых настроен на частоту поднесущей соответствующего канала.

Рис. 8.4. Разделение сигналов в приемнике

После разделения сигналы детектируют, выделяя исход­ ное сообщение.

Таким образом, при частотном уплотнении по линии связи одновременно передаются сигналы всех каналов.

163

г

поднес,

Рис. 8.5. Канал с частотным уплотнением сигналов

При использовании высокоточных проводных линий и ра­ диолиний связи производится двойное преобразование сигна­ лов, например AM - ЧМ или ЧМ - AM (рис. 8.5).

8.4. Временное уплотнение сигналов

При временном уплотнении, благодаря тому, что сигналы передаются не непрерывно, а только их отсчетами (выборками) в очень короткие временные интервалы, на одной и той же не­ сущей частоте можно передавать ряд различных сигналов. Для этого сигналы и,(/), м2(/),..., un{t), отражающие группу переда­ ваемых сообщений, подключают к передатчику через аналого­ вый мультиплексор (селектор). Сигналы сообщений, дискрети­ зированные по времени, передаются с помощью одного из видов импульсной модуляции (АИМ, ШИМ, ФИМ или импульсно­ кодовой - ИКМ).

При этом способе сигналы отдельных каналов передаются через линии связи последовательно во времени. Каждому каналу выделяется короткий канальный промежуток времени Д/,, в те­

164

чение которого канал занимает линию связи целиком, т.е. всю полосу пропускания.

За время цикла Ти происходит последовательный опрос

всех каналов, после чего цикл повторяется. Время цикла выби­ рается в соответствии с теоремой Котельникова в зависимости от максимальной частоты f max передаваемых сигналов.

Для последовательного подключения к линии связи соот­ ветствующей пары источника и получателя информации ис­ пользуют специальные устройства, называемые коммутаторами

(К) (рис. 8.6).

Рис. 8.6. Канал с временным уплотнением сигналов

Один коммутатор на передающей стороне подключает к линии связи источники информации (ИИ), а другой на прием­ ном конце - получателей информации (ПИ). В результате каж­ дая пара - источник и получатель информации - оказывается связанной лишь на короткое время, т.е. происходит коммутация каналов.

Кроме рассмотренных, возможны различные довольно сложные комбинации способов коммутации каналов и модуля­ ции сообщений (рис. 8.7).

165

Рис. 8.7. Коммутация радиосигналов

Для образования большого числа каналов (тысячи и де­ сятки тысяч) используется многократное уплотнение линий связи. Первичные каналы объединяют в группы (обычно 12-120 каналов), которые затем подвергают вторичному объединению. При этом первичное уплотнение может производиться, напри­ мер, временным методом, а вторичное - частотным.

Для управления процессами радиопередачи применяют вычислительные устройства различной степени сложности - от простейших концентраторов каналов и мультиплексоров до микропроцессоров и даже больших ЭВМ.

8.5.Цифровая обработка сигналов

Вцифровой радиосвязи непрерывный процесс, являю­ щийся математической моделью непрерывных сообщений, пре­ образуется в дискретную форму. Такой процесс представляет собой последовательность отсчетов, каждый из которых может принять любое значение из конечного множества возможных целых значений, соответствующих выбранным уровням кванто­ вания. Таким образом, передача непрерывных сообщений заме­ няется передачей последовательности чисел. Эти числа можно выразить в удобной системе счисления и передать по линии свя­ зи в виде последовательности некоторых кодовых комбинаций.

Для этого, прежде всего, необходимо выбрать удобную систему счисления. При выборе основания системы счисления в

166

первую очередь следует учитывать простоту, экономичность и удобство реализации цифрового представления информации.

В настоящее время известно много простых и надежных устройств (реле, триггеры и т.п.), способных принимать два ус­ тойчивых состояния, соответствующие двум цифрам двоичной системы счисления. На этом основании отдается предпочтение цифровому представлению дискретной информации, основан­ ному на двоичной системе счисления.

Соответствующий ей код называется естественным или натуральным двоичным кодом. Это наиболее распространенный вид взвешенных равномерных первичных кодов. Однако такому коду присущ существенный недостаток. Суть его состоит в том, что при последовательном считывании кодовых комбинаций может измениться сразу несколько разрядов (позиций). Напри­ мер, при переходе от числа 7, которому соответствует комбина­ ция 0111, к числу 8 (1000) происходит изменение состояния во всех разрядах (позициях) по сравнению с предыдущей комбина­ цией. Стремление повысить быстродействие кодирующего уст­ ройства может привести к появлению ошибок считывания.

Кроме того, если при использовании взвешенного кода неверно принят элемент старшего разряда, то ошибка в кодовой комбинации оказывается значительно большей. С этой точки зрения лучше применять невзвешенный код.

Широкое распространение получили рефлексные коды (лат. reflexio - отражение). Характерной особенностью таких кодов является то, что в них любые кодовые комбинации отли­ чаются друг от друга лишь в одной или двух позициях. Наибо­ лее часто применяется рефлексный код Грея.

Для получения комбинации в коде Грея следует кодовую комбинацию натурального кода сложить по модулю 2 с такой же комбинацией, сдвинутой на один разряд вправо, при этом младший разряд сдвинутой комбинации отбрасывается.

Например, десятичному числу 12, натуральный код которого 1100, в коде Грея соответствует комбинация 1010.

Кроме рассмотренных двух важных видов первичных ко­ дов широкое применение находит двоично-десятичный код.

Число, которое необходимо представить в этом коде, ко­ дируется цифра за цифрой, т.е. каждая из цифр десятичного

167

числа заменяется кодовой комбинацией, состоящей из четырех символов двоичного натурального кода. Например, число 1975 представляет собой последовательность тетрад в виде 0001 1001 0111 0101.

Недостатки двоично-десятичного кода:

-он уступает другим кодам по экономичности;

-необходимы разграничительные интервалы между тет­ радами, что приводит к уменьшению быстродействия аппарату­ ры и скорости передачи информации.

Используется импульсная модуляция - преобразование аналоговых сигналов в импульсы двоичного кода в передатчи­ ках и преобразование импульсных сигналов в аналоговые в при­ емниках.

Непрерывный (аналоговый) электрический сигнал, несу­ щий информацию, преобразуется в дискретные сигналы, пред­ ставляющие собой набор коротких по времени импульсов.

При дискретизации по времени производится квантование импульсов по уровню, а затем квантованные по уровню импуль­ сы преобразуются в последовательности импульсов, соответст­ вующих двоичным числам, т.е. в цифровой сигнал.

После амплитудной модуляции цифровой сигнал подается на излучающую антенну.

Преобразование аналоговых сигналов в цифровые являет­ ся измерительным процессом, основанным на сравнении анало­ гового сигнала с эталонным напряжением. При этом непрерыв­ ное мгновенное значение напряжения сигнала заменяется дис­ кретным значением эталонного напряжения, т.е. происходит квантование сигнала по уровню (рис. 8.8).

V;

12

9

6 5ц

3

Рис. 8.8. Преобразование аналоговых сигналов в цифровые

168

повторителя и контактного переключателя. Оно выполнено в виде конденсатора С, который с помощью ключа подключается на короткое время к источнику сигнала t/BX(0 и заряжается до

значения напряжения сигнала в этот момент времени. После этого производится переключение конденсатора на вход опера­ ционного усилителя (ОУ). Операционный усилитель включен по схеме повторителя с коэффициентом передачи К = 1 и имеет очень высокое входное сопротивление Вследствие этого

напряжение сигнала на конденсаторе хранится практически не­ изменным.

Дискретный сигнал с выхода устройства выборки-хране­ ния подается на вход АЦП.

Дальнейшее преобразование сигнала в двоичный код вы­ полняется в соответствии с логическими действиями булевой алгебры, основными из которых являются:

-логическое сложение (ИЛИ) (рис. 8.10);

-логическое умножение (И);

-логическое отрицание (НЕ) (инвертор).

Рис. 8.10. Обозначения логических элементов

Входной сигнал поступает в устройство сравнения (рис. 8.11), состоящее из набора отдельных компараторов (схем

169

Рис. 8.11. Схема двухразрядного АЦП

сравнения), выполненных обычно в виде операционного усили­ теля с дифференциальным входом.

На неинвертирующие входы всех компараторов одновре­ менно подается сигнал (Увх (/), а на инвертирующие входы - эта­ лонные напряжения. Компаратор срабатывает (т.е. напряжение на выходе изменяет знак), если напряжение сигнала оказывается больше эталонного напряжения. При этом на выходах компара­ торов появляются напряжения, отображающие логическую еди­ ницу, которая затем поступает в устройство кодирования, и на выход АЦП подается цифровой код.

На рис. 8.11 показана схема простейшего двухразрядного АЦП. На сигнальные неинвертирующие входы компараторов У, 2 и 3 (в качестве которых используются ОУ) подается напряже­ ние сигнала 0 < UBX< 4 В , на инвертирующие входы - эталон­

ные напряжения 1,2 и 3 В соответственно.

При отсутствии сигнала на входе АЦП (или если его на­ пряжение меньше 1 В) на выходе компараторов действуют от­ рицательные напряжения, условно принимаемые за уровень ло­ гического нуля.

Если уровень входного сигнала (импульса) превышает 1 В, но не достигает 2 В, то первый компаратор срабатывает, и

170