книги / Оптимальные методы передачи сигналов по линиям радиосвязи

ГЛАВА 8.

ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ ПО КАНАЛАМ РАДИОСВЯЗИ

8.1. ВОЗМОЖНЫЕ СПОСОБЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

С точки зрения техники передачи сигналов, передачу данных,

представляющих собой последовательность двоичных знаков, каза­ лось, следовало бы отнести к телеграфной связи. Однако некото­ рые специфические особенности передачи этого вида информации заставляют подвергнуть её специальному рассмотрению, Таких особенностей три: 1 ) значительно более высокая скорость передачи сигналов, по сравнению с нормальной скоростью работы телеграф­ ных аппаратов; 2) более высокие требования к качеству канала свя­ зи, который по своим характеристикам должен приближаться к те­ лефонному каналу; 3) при передаче данных необходима очень вы­ сокая надёжность работы канала связи, значительно большая, чем при телеграфной связи. Для передачи данных два корреспондента либо постоянно соединяются между собой путём абонирования ли­ нии связи, либо осуществляют соединение с помощью коммутацион­ ных приборов на центральной телеграфной или телефонной стан­ ции. Если нормальная скорость передачи старт-стопных телеграф­ ных аппаратов составляет 75 бод, то для передачи данных приме­ няют скорости до 1000 и даже до 3000 бод.

До последнего времени для передачи данных в основном при­ менялись проводные (в частности, кабельные) и радиорелейные ли­ нии связи, причём используемую для передачи данных аппаратуру можно разбить на три класса:

а) стандартные телеграфные аппараты с функциональным ме­ ханизмом, предназначенные для передачи данных по обычным те­ леграфным каналам;

б) специально сконструированные аппараты для передачи дан­ ных по нескольким объединённым телеграфным каналам;

в) специально сконструированные аппараты для передачи дан­ ных по телефонным каналам связи.

Очевидно, что передача данных с помощью аппаратов, отнесён­ ных к классу а), практически не отличается от рассмотренных ме­ тодов передачи по линиям связи телеграфных сообщений. Примене­ ние аппаратов специального типа, отнесённых к классам б) и в ), от­ личается характерными особенностями.

В большинстве систем для передачи данных применяется ча­ стотная модуляция. При передаче данных по телефонным каналам

— W 1 —

связи передаваемые сигналы подвергаются такой обработке, кото­ рая придаёт им свойства, характерные для телефонной передачи как в отношении уровней, так и в отношении спектра. При этом ши­ роко используется принцип сглаживания резких переходов и при­ дания передаваемым сигналам характера колебаний, близких к си­ нусоиде.

Не имея возможности рассмотреть принцип передачи данных с помощью большого числа уже разработанных к настоящему вре­ мени устройств, ограничимся анализом работы одной из наиболее высокопроизводительных систем связи, известной под названием «Кинеплекс». Технические подробности о других системах переда­ чи данных читатель может найти в книге [2].

8.2. ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ С ПОМОЩЬЮ СИСТЕМЫ «КИНЕПЛЕКС»

Название «Кинеплекс» совершенно условно и, вообще говоря, отнюдь, не характеризует принцип работы системы связи. Состав­ лено это название из слов «кинематические фильтры», которые яв­ ляются составной частью системы, и слова «мультиплекс», которое характеризует принцип многоканальной связи. Совершенно понят­ но, что с таким лее, если не с большим успехом, можно применять фильтры других конструкций.

Система «Кинеплекс» использует для связи принцип частотно­ го уплотнения телефонного спектра двадцатью каналами и переда­ чу внутри каждого канала двух телеграфных сообщений с помощью фазовой (двухпозиционной) манипуляции. В качестве средства борьбы с неустойчивостью фазы передаваемого сигнала вследствие её непрерывного изменения в процессе распространения применяет­ ся принцип предсказания, описанный в разделе 4.6.

Наконец, характерной особенностью рассматриваемой системы является применение фильтров, обладающих оптимальной функцией передачи в отношении выделения принимаемых сигналов на фоне белого гауссова шума.

Сучётом защитных полос система «Кинеплекс» занимает спектр

в3400 гц. В пределах этой полосы передаются 20 поднесущих ча­ стот с интервалом в ПО гц, манипулированных по фазе. Первая поднесущая равна 605 гц и двадцатая — 2695 гц. Для целей син­ хронизации используется частота 2915 гц. Система «Кинеплекс» по­ зволяет передавать со скоростью 75 бод по каждому из 40 каналов,

что соответствует общей пропускной способности в 3000 бод. В этих

Ю3 условиях длительность элементарной посылки т= — = 13,3 мсек.

Наблюдения за условиями распространения кв показывают, что за время порядка 30 мсек (что соответствует длительности двух эле­ ментарных посылок) фазовые соотношения действительно сохра­ няются постоянными, что оправдывает применение метода предска­ зания. Система позволяет производить по желанию либо одновре-

—102 —

менную передачу телеграфных сообщений по 40 каналам, либо пе­ редачу 200 перфокарт за минуту, либо предварительно записанные на магнитной плёнке данные со скоростью 3000 бод. Для передачи содержания перфокарт и данных необходимо применять специаль­ ные конверторы, включённые до передающего аппарата.

Весьма упрощённая функциональная схема рассматриваемой системы связи показана на рис. 8.1 . Схема составлена для одного из двадцати каналов.

Рис. 8.1

Подлежащие передаче данные поступают на сдвигающий ре­ гистр, который перераспределяет их между 40 подканалами с про­ пускной способностью каждого подканала 75 бод. Напряжения от каждых двух подканалов, образующих один из двадцати каналов, модулируют по фазе один из двадцати генераторов, вырабатываю­ щих частоты в интервале от = 605 до/72о=2695 г^. Модуляция осуществляется по схеме, представленной на рис. 8.2, которая пред­ ставляет собой разновидность передачи сигналов по методу ДЧТ (см. раздел 3.5). На рис. 8.2 пунктиром показан вектор, представ­ ляющий фазу предыдущей посылки. Если в обоих подканалах долж­ ны передаваться «посылки», то фаза передаваемого сигнала сдви-

— 103 —

гается на 45° по отношению к предыдущей. Для передачи по перво­ му подканалу «паузы», а по второму «посылки» фаза сдвигается на 135° и т. д., как это показано на схеме рис. 8.2.

Ритм работы всей системы связи задаётся управляющим гене­ ратором, который, в частности, управляет работой генератора се­ лекторных импульсов. Вырабатывае­ мые этим генератором прямоугольные импульсы периодически включают ге­ нератор на время, соответствующее длительности элементарного сигнала.

При скорости передачи 75 бод длитель­ ность элементарной посылки состав-

ляет %—---- =13,3 мсек. Генератор се­

лекторных импульсов управляет так­ же работой генератора синхронизиру­ ющей частоты, которая замешивается в общий спектр, усиливаемый группо­ вым усилителем. Выход группового усилителя подводится к модулятору передатчика.

В приёмном устройстве необходи­ мая синхронизация обеспечивается блоком синхронизации, к которому с

одной стороны подводится напряжение от управляющего генера­ тора, а с другой — напряжение от детектора канала синхронизации. Блок синхронизации управляет работой генератора селекторных импульсов приёмного устройства.

Центральным элементом приёмного устройства являются кине­ матические фильтры (камертонного типа) по два в каждом кана­ ле, поочерёдно подключаемые с помощью вентилей, управляемых селекторными импульсами, к групповому усилителю. С помощью системы обратной связи добротность такого фильтра доводится до очень большой величины, а его полоса пропускания делается соот­ ветственно очень малой. Однако в режиме периодического подклю­ чения на интервал времени Т такой фильтр приобретает кривую пропускания, представленную на рис. 8.3, и определяемую выра­ жением

X

гдеx=n{F—F0) Т.

Ордината у обращается в нуль при условии я (F— F0)T — ± п тс,

где п —1, 2, 3 и т. д., откуда F=F0±

— 104 —

В осуществлённой системе «Кинеплекс» Т выбрано равным 9,1 мсек, вследствие чего F=F0±ti ПО гц, т. е. резонансная кривая проходит через нуль каждые ПО гц. Это предопределило выбор не­

сущих частот каналов связи. Они разделены интервалами в 110 гц, и если нижняя частота составляет 605 гц, то верхняя достигает

605+19-110=2695 гц.

Схема распределения частот показана на рис. 8.4. Как видно из этой схемы, соседние несущие частоты попадают на нули кривой резонанса, благодаря чему исключается нежелательное взаимодей­ ствие смежных каналов.

Обращаем внимание на то, что интервал включения фильтров Т примерно на 30% короче длительности элементарной посылки.

Как упоминалось, фильтры включаются на вход соответствую­ щего канала поочерёдно, причём после периода включения, во вре-

,мя которого амплитуда постепенно нарастает по линейному закону (вследствие весьма большой добротности фильтра), фильтр А от­

ключается от входа, но продолжает в течение следующего интерва­ ла Т «звенеть», являясь хранителем фазы предыдущей посылки. Только после этого с помощью специально вырабатываемого им-

— 105 —

пульса фильтр гасится и делается готовым к приёму следующей посылки. Поочерёдная работа фильтров Л и В в режимах «накоп­ ления» и «запоминания» иллюстрируется рис. 8.5. На последней строке диаграммы показаны импульсы вырезания, подаваемые в момент достижения в фильтре, работающем в режиме накопления

л

Приходящий

сигнал

V

Фильтр Я

наибольшей амплитуды. Естественно, что в этот момент времени от­ ношение с/ш достигает максимума. Именно в эти промежутки вре­ мени осуществляется «взятие пробы» и фазовое детектирование, что ставит детектор в оптимальные условия работы.

Вслед за фильтрами помещены два фазовых детектора, работаю­ щих одновременно независимо от того, какой из фильтров — А или В — в данный момент находится в режиме «накопления» или «запоминания». К каждому из детекторов подводится по два на­ пряжения от соответствующих фильтров, причём в цепь от фильтра А к квадратурному детектору (нижнему на рис. 8.1) введён элемент, поворачивающий фазу напряжения на 90°. Итак, к каждому из фа­ зовых детекторов подводится напряжение принимаемого сигнала и напряжение от предыдущего сигнала, который создаёт «опорную фазу». Фазовые детекторы работают таким образом, что создавае­ мые на их выходе напряжения пропорциональны скалярным про­ изведениям векторов, изображающих фазы подводимых к ним на­ пряжений.

Если проекция вектора приходящего сигнала на вектор опор­ ного сигнала положительна, то детектор вырабатывает положитель­ ный импульс, что соответствует в нашем случае «посылке». В про-

— 106 —

тивном случае вырабатывается отрицательный импульс, что соот­ ветствует «паузе».

Допустим, что в рассматриваемый момент времени фильтр А ра­ ботает в режиме запоминания, т. е. создаёт «опорную фазу», а фильтр В воспринимает информацию о фазе приходящего сигнала.

Опорная

фаза

Рис. 8.6

На рис. 8.6 изображена схема работы в этих условиях обоих детекторов. Левая векторная диаграмма отображает условия рабо­ ты фазового детектора, а правая — квадратурного. При этом схе­ ма расположения вектора приходящего сигнала по отношению к вектору опорного сигнала соответствует рис. 8.2. Нетрудно видеть, что для фазового детектора проекция вектора приходящего сигна­ ла на направление опорного вектора положительна при сдвигах 45° и 315°. Для квадратурного детектора проекция положительна при 45° и 135°. Заметим, что в квадратурном детекторе фаза опор­ ного сигнала повёрнута на 90° по отношению к левой векторной диаграмме. Таким образом, оба фазовых детектора вырабатывают положительные и отрицательные импульсы в полном соответствии с принятом на схеме рис. 8.2 правилом кодирования. Вслед за фазо­ выми детекторами на схеме рис. 8.1 помещены блоки вырезания, которые обеспечивают «взятие проб» в промежутки времени, соот­ ветствующие максимуму отношения с/ш. Сигналы с выходов 40 под­ каналов поступают на сдвигающий регистр, который -превращает двоичные сигналы в вид, пригодный для использования в оргатехнических машинах.

Необходимо обратить внимание ещё на одну особенность систе­ мы «Кинеплекс», заключающуюся в том, что периодически вклю­ чаемые на промежутки времени Т фильтры обладают функцией пе­ редачи, близкой к оптимальной в смысле выделения принимаемого сигнала на фоне белого гауссова шума. Из общей теории оптималь­ ных фильтров (см., например, [29], [30], [36], [37]) известно, что, если помехи носят характер белого шума, то функция передачи оп-

— 107 —

тимального фильтра должна иметь форму комплексно-сопряжённой составляющей частотного спектра обнаруживаемого сигнала. В на­ шем случае огибающая частотного спектра прямоугольного радио­ импульса длительности Т имеет форму, показанную на рис. 8.3. Та­ кую же по существу форму имеет функция передачи периодически включаемого фильтра. В этих условиях фильтр свободно пропу­ скает частотные составляющие спектра принимаемого сигнала и за­ держивает помехи, обладающие в рассматриваемом случае равно­ мерным частотным спектром. В этом собственно и заключается принцип построения оптимальных фильтров.

Эти результаты можно получить и в несколько более строгой форме. Из работы [1] известно, что в случае помех в виде аддитив­ ного белого шума отношение с/ш достигает максимума в момент времени t0 в том случае, когда импульсная реакция применяемого фильтра является зеркальным изображением детектируемого сиг­

*) Например, ем. работу [5], стр. 44, ф-ла (186).

— 108 —

Вводя новую постоянную А'=АТ, получаем

что вполне идентично выражению (8.1). Таким образом, и примене­ ние более строгого критерия показывает, что периодически вклю­ чаемый фильтр действительно является оптимальным при выделе­ нии сигнала из белого шума.

Более подробное техническое описание системы «Кинеплекс» можно найти в работе [2] (стр. 59—65), а также в [38], [39] и [40].

В заключение рассмотрим вопрос надёжности передачи двоич­ ных сигналов с помощью системы «Кинеплекс». > В этой системе применяется фазовая манипуляция с фазовым сдвигом 0=45° вследствие необходимости передавать по каждому частотному каналу две информации. Поэтому в основу расчёта ожи­ даемой ошибки при передаче двоичных знаков может быть положе­ на выведенная в гл. 3 для случая фазовой телеграфии ф-ла (3.22)

при 0=45°.

Пользуясь принятыми в гл. 3 обозначениями, для вероятности

где R — отношение мощности сигнала к мощности шумов. Сопоставляя это выражение с соответствующим выражением для

идеальной системы фазовой телеграфии при максимально возмож­ ном угле фазового отклонения (0=90°) [ф-ла (3.22)], нетрудно ви­

Далее действуют два фактора, один из которых вызывает воз­ растание ошибок, а другой — их уменьшение. В идеальной системе фазовой телеграфии предполагается, что опорный сигнал имеет строго фиксированную, не подверженную флуктуациям фазу. В си­ стеме «Кинеплекс» в качестве опорного сигнала используется пре­ дыдущий элементарный сигнал, фаза которого может под действием помех претерпевать флуктуационные изменения. Как показывает теоретическое рассмотрение вопроса [41], вероятность ошибок в этих

которое совпадает с установленным ранее выражением для вероят­ ности ошибок в системах частотной телеграфии.

— 109 —