Многоканальные системы передачи с частотным разделением каналов (ЧРК, FDM).

 

Многоканальные системы передачи (МСП) – совокупность технических средств, обеспечивающая одновременную и независимую передачу сообщений от N источников к N получателям по одной цепи связи. В общем случае МСП состоит из передающей части, группового тракта передачи и приемной части. [1]

Принцип частотного разделения каналов (ЧРК) является одним из наиболее распространенных методов линейного разделения сигналов. Изначально он использовался, например, в аналоговой телефонии, но сегодня нашел применение в наиболее современный системах беспроводной (как основа технологии OFDM в сетях LTE, Wi-Fi, WiMAX), проводной (ADSL), а так же оптической (под названием спектральное уплотнение с разделением по длине волны xWDM в сетях OTN) связи.

Идея ЧРК заключается в том, что все первичные сигналы (сигналы от каждого из источников) с ограниченным спектром с помощью специального устройства – модулятора, переносятся в свою отдельную полосу частот. При их дальнейшем суммировании формируется групповой многоканальный сигнал, спектр которого состоит из спектров всех канальных сигналов.

На практике спектры первичных сигналов не являются строго ограниченными, поэтому для выполнения условия ортогональности (неперекрываемости) спектров формируемых канальных сигналов на входах индивидуальных трактов МСП ставятся ограничивающие фильтры (как правило – фильтры низких частот ФНЧ), ограничивающие спектры первичных сигналов сверху.

Сигналы с ограниченными (финитными) спектрами поступают на канальные модуляторы. Модуляция – это процесс изменения параметров несущего сигнала (сигнала-переносчика) по закону информационного сигнала. Таким образом, у любого модулятора имеется как минимум 2 входа: для информационного и для несущего сигналов. Для осуществления линейного разделения канальных сигналов на приемной стороне необходимо чтобы несущие сигналы были ортогональны между собой.

Примерами ортогональных сигналов, используемых в МСП с ЧРК являются гармонические колебания кратных частот . Таким образом, на один из входов каждого модулятора поступает несущее колебание своей частоты.

Метод амплитудной модуляции с передачей двух боковых полос (АМ ДБП). Если все первичные сигналы имеют ограниченную ширину спектра , групповой сигнал АМ ДБП можно представить в виде

 

Рисунок 2. Принцип преобразования спектров в МСП с АМ ДБП.

где .

Поскольку операция умножения во временной области соответствует свертке в частотной, спектр сигнала АМ ДБП будет иметь вид

На рисунке 2 представлен принцип формирования спектра двухканальной системы передачи с ЧРК АМ ДБП. Из рисунка следует, что ширина спектра группового N-канального сигнала равна . Следовательно разница между несущими частотами соседних каналов должна быть не меньше, чем .

Для разделения группового сигнала на приеме необходимо использовать демодуляторы – устройства, аналогичные модуляторам, имеющим входы для группового и несущего сигналов. На выходе модулятора получается сигнал, спектр которого содержит как спектр исходного сигнала , так и спектры колебаний вокруг гармоник несущей частоты. Таким образом для выделения первичного сигнала на выходе демодулятора необходимо установить ФНЧ с частотой среза равной .

Метод амплитудной модуляции с передачей одной боковой полосы (АМ ОБП). Свойство четной симметрии спектра сигнала АМ относительно частоты несущего колебания обеспечивает одинаковое в обеих боковых полосах частот количество информации о передаваемом сообщении. Следовательно, достаточно передавать АМ сигнал только одной боковой полосой частот. При этом ширина полосы частот группового сигнала будет как минимум в 2 раза меньше, чем при АМ ДБП.

Поскольку в обеих боковых полосах содержится одинаковое количество информации, то выделение нижней (НБП) или верхней (ВБП) боковой полосы производится согласно требованиям конкретной задачи. На практике в большинстве случаев одна боковая полоса частот АМ ОБП выделяется с помощью полосового фильтра.

На рисунке 3 представлен спектр двухканальной системы передачи с ЧРК с использованием АМ ОБП с выделением нижней боковой полосы (АМ НБП). Как видно из рисунка, разнос несущих частот соседних каналов для АМ ОБП , что вдвое меньше чем у метода АМ ДБП, что, в свою очередь, позволяет организовать больше каналов в МСП с ЧРК для тракта передачи группового сигнала с ограниченной полосой пропускания.

При демодуляции сигналов с АМ ОБП перед подачей группового сигнала на соответствующий демодулятор канала необходимо из спектра всего группового сигнала выделить только необходимую боковую полосу данного канала с помощью полосового фильтра, аналогичного полосовому фильтру передающей части индивидуального тракта данного канала. Дальнейшая процедура демодуляции аналогична методу АМ ДБП.

Рисунок 3. Спектр группового сигнала АМ ОБП с выделением нижней боковой полосы.

 

Модуляторы в индивидуальных трактах МСП с ЧРК выполняют роль преобразователя частоты [3]. Основными видами преобразователей являются простейший, балансный и двойной балансный. Преимущество двойной балансировки заключается в том, что в спектре выходного сигнала отсутствую гармоники несущей частоты (подавление несущей), что позволяет в некоторых случаях сузить спектр канального сигнала.

В качестве практического задания предлагается сформировать МСП с ЧРК для заданного группового канала передачи. На первом этапе рекомендуется определить ширину спектра канального сигнала в соответствии с заданным типом модуляции. Затем следует рассчитать сколько таких канальных спектров ( ) сигналов можно максимально уместить в полосе пропускания группового канала. Далее необходимо выбрать несущие частоты для каждого из каналов. Обратите внимание, что несущие частоты рекомендуется выбирать из следующих соображений:

несущие частоты желательно брать кратными целому числу килогерц;

разнос между несущими частотами желательно брать максимально допустимым для полученного количества каналов и ширины полосы пропускания, дабы осуществить расфильтровку между соседними каналами (в данной задаче все фильтры можно считать идеальными и полосой расфильтровки пренебречь).

Кроме того, на практике обычно граничные частоты ФНЧ на входах индивидуальных трактов выбираются кратными целому числу килогерц для упрощения технической реализации фильтров. Так, например, для каналов ТЧ (0.3-3.4 кГц) частота среза ФНЧ принимается равной 4 кГц, как и разнос между несущими частотами при АМ ОБП.

После нахождения всех несущих частот необходимо изобразить спектр полученного группового сигнала, в котором следует подписать спектр каждого канального сигнала. На последнем этапе требуется схематически изобразить упрощенную структурную схему полученной МСП. Если при расчете число каналов N получилось больше трех, то в схеме можно подробно расписать индивидуальные тракты только трех каналов.

Для решения задачи можно так же воспользоваться электронной версией методических указаний к лабораторной работе "Изучение принципов построения МСП с ЧРК" [5].