Temat: Modulacja i częstotliwościowe zwielokrotnienie kanałów

Analogowe teletransmisyjne systemy wielokrotne, nazywane często systemami telefonii nośnej, pracują na zasadzie częstotliwościowego zwielokrotnienia kanałów. Systemy te umożliwiają utworzenie na jednym torze wielu kanałów częstotliwościowych, rozmieszczonych w różnych pasmach na skali często­tliwości, dzięki czemu jest możliwe przesyłanie po jednym torze jednocześnie wielu niezależnych od siebie sygnałów elektrycznych (analogowych).

Podstawą zwielokrotnienia w systemach telefonii nośnej jest kanał telefonicz­ny o szerokości 3,1 kHz (300Hz – 3400Hz). Liczba kanałów telefonicznych, jaką dany system umożliwia realizować na jednym torze, określa krotność tego systemu.

Obecnie w polskiej sieci telekomunikacyjnej można spotkać systemy telefonii nośnej o następujących krotnościach:

• 3- i 12-krotne — na liniach napowietrznych drutowych;

• 12-, 24-, 60- i 120-krotne — na liniach kablowych z torami symetrycznymi;

• 300-, 960-, 1920- oraz 2700-krotne — na liniach kablowych z torami współosiowymi.

Na świecie były produkowane systemy o jeszcze większych krotnościach, np.: 3600 i 10800, przystosowane do pracy w torach współosiowych i liniach radiowych. Wszystkie te systemy zostały znormalizowane w skali międzynarodowej pod względem przenoszonego pasma, parametrów elektrycznych na wejściu i wyj­ściu oraz pod względem podstawowych parametrów decydujących o jakości transmisji.

W każdym systemie telefonii nośnej rozróżnia się dwie grupy urządzeń:

1. Urządzenia końcowe, w skład których wchodzą urządzenia zwielokro­tniające (zwane krotnicami lub przemiennikami) oraz urządzenia gene­racyjne.

2. Urządzenia traktu liniowego, których zadaniem jest głównie wzmacnianie przesyłanych sygnałów.

1. Modulacja

Modulacja to proces polegający na „nakładaniu” sygnału akustycznego (małej częstotliwości) na sygnał o znacznie większej i stałej częstotliwości i amplitudzie tzw. falę nośną. W wyniku tego procesu uzyskuje się sygnał nazywany sygnałem zmodulowanym. Sygnał akustyczny nazywany jest również sygnałem modulującym. Modulacja realizowana jest w układach zwanych modulatorami. W modulacji mamy do czynienia z trzema przebiegami:

• sygnałem modulującym, na ogół małej częstotliwości. Jeśli jest to ton prosty, to istotna jest jego częstotliwość i amplituda, jeśli złożony to należy określić także szerokość pasma przezeń zajmowanego

• falą nośną nazywaną również sygnałem modulowanym

• sygnałem zmodulowanym (produktem procesu modulacji), powstałym na skutek odpowiedniego „nałożenia” sygnału modulującego na falę nośną

sygnał zmodulowany = fala nośna + sygnał akustyczny

sygnał zmodulowany = sygnał modulowany + sygnał modulujący

Każdy sygnał elektryczny sinusoidalny (a takim jest fala nośna) charakteryzują: amplituda, częstotliwość i faza początkowa.

Jeżeli sygnałem akustycznym czyli sygnałem modulującym będziemy oddziaływać na każdy z wymienionych parametrów fali nośnej z osobna i w ten sposób, że tylko jeden z nich będzie ulegał zmianie pod wpływem tego oddziaływania to w zależności od tego na jaki parametr fali nośnej oddziałuje sygnał akustyczny (modulujący) możemy rozróżnić trzy rodzaje modulacji:

• jeśli sygnał akustyczny oddziałuje na wartość amplitudy sygnału fali nośnej to mamy do czynienia z modulacją amplitudy AM (ang. Amplitude Modulation)

• jeśli sygnał akustyczny oddziałuje na wartość częstotliwości sygnału fali nośnej to mamy do czynienia z modulacją częstotliwości FM (ang. Frequency Modulation)

• przy oddziaływaniu sygnałem akustycznym na fazę sygnału nośnej mamy do czynienia z modulacją fazy PM (ang. Phase Modulation)

2. Modulacja amplitudy

Modulacja amplitudy AM polega na uzyskaniu zmiennej amplitudy sygnału zmodulowanego, proporcjonalnej do wartości sygnału modulującego. Modulacji podlega więc wartość chwilowa amplitudy fali nośnej, w ten sposób, że obwiednia fali nośnej przyjmuje kształt sygnału małej częstotliwości (modulującego).

Z punktu widzenia zwielokrotnienia częstotliwościowego istotny jest obraz widma częstotliwościowego sygnału AM. Jego widmo częstotliwościowe (rysunek trzeci) zawiera prążek częstotliwości przebiegu nośnego f_N oraz dwa symetrycznie rozmieszczone i odległe od prążka nośnej o f_m tzw. prążki boczne. Oznacza to, że podczas modulacji amplitudy sygnał modulujący o częstotliwości f_m (sygnał akustyczny) przesuwany jest w pobliże częstotliwości fali nośnej, co pokazują rysunki poniżej:

W rzeczywistości sygnały modulujące nie są idealnie sinusoidalne, lecz są sygnałami złożonymi o widmie częstotliwości zawartym w pewnym przedziale od f_d do f_g. W tym przypadku mamy do czynienia za następującym przebiegiem:

Widmo częstotliwościowe przebiegu zmodulowanego amplitudowo zawiera wówczas oprócz prążka częstotliwości nośnej również wiele prążków tworzących dwa pasma boczne o szerokości f_g-f_d nazywane wstęgami bocznymi.

Możemy więc wyprowadzić zależność na szerokość pasma (B) zajmowanego przez przebieg zmodulowany amplitudowo:

B=(f_N+f_g)-(f_N-f_g)=f_N+f_g-f_N+f_g=2f_g

Tak więc szerokość pasma (B) zajmowana przez sygnał zmodulowany amplitudowo wynosi 2f_g, czyli jest dwa razy większa od maksymalnej częstotliwości sygnału modulującego (małej częstotliwości). Ponadto należy zauważyć, że każda ze wstęg bocznych zawiera pełną informację o sygnale modulującym, natomiast przebieg nośny nie zawiera jej wcale, co oznacza, że przebieg modulujący może być odtworzony tylko na podstawie jednej wstęgi bocznej.

3. Zasady zwielokrotnienia częstotliwościowego.

Zwielokrotnienie częstotliwościowe (multipleksowanie z podziałem częstotliwości) FDM (ang. Frequency Division Multiplexing) polega na przekształceniu widma sygna­łów o częstotliwościach akustycznych na sygnały o widmach leżących w za­kresie wielkich częstotliwości w różnych przedziałach pasma przenoszenia danego toru przesyłowego. Przekształcanie to odbywa się w drodze modulacji amplitudowej.

Zakres częstotliwości, do którego zostaje przesunięty sygnał modulujący w wyniku modulacji, zależy od częstotliwości prądu nośnego (fali nośnej), który jest modulowany tym sygnałem i jest nośnikiem informacji zawartych w sygnale. W rzeczywistości sygnał zmodulowany zawiera też inne produkty modulacji, które są eliminowane za pomocą filtrów przepuszczających tylko widmo użyteczne.

Jeśli zatem w procesie modulacji sygnałów telefonicznych o tym samym widmie (300Hz-3400Hz) zostaną użyte fale nośne o różnych częstotliwościach, to widma tych sygnałów mogą być rozmieszczone na skali częstotliwości obok siebie w taki sposób, aby je można było przesyłać wspól­nym torem.

W przeważającej większości systemów teletransmisyjnych jest przesyłana tyl­ko jedna wstęga boczna (dolna lub górna) bez fali nośnej. Jest to zupełnie wystarczające do odtworzenia nadawanego sygnału w odbiorniku. Falę nośną eliminuje się przeważnie przez dobór odpowiedniego układu modulatora, a niepożądaną wstęgę boczną, podobnie jak inne produkty modulacji, elimi­nuje się za pomocą filtrów. Falę nośną potrzebną dla demodulacji wytwarza się w generatorze lokalnym, który musi dostatecznie dokładnie odtwarzać częstotliwość fali nośnej nadajnika.

Dla lepszego zrozumienia omawianego zjawiska rozpatrzmy następujący przykład, zilustrowany na rys. poniżej. Załóżmy, że w jednym torze chcemy przesłać w tym samym czasie trzy niezależne sygnały o tej samej częstotliwo­ści f_S=2kHz. Aby sygnały te przesunąć w różne zakresy częstotliwości, należy zmodulować nimi trzy różne fale nośne, np.: F₁=12kHz, F₂=16kHz, F₃=20kHz. W wyniku modulacji otrzymamy przebiegi o na­stępujących częstotliwościach:

• pierwszy sygnał: F₁-f_S=10kHz, F₁+f_S=14kHz i F₁=12kHz;

• drugi sygnał: F₂-f_S=14kHz, F₂+f_S=18kHz i F₂=16kHz;

• trzeci sygnał: F₃-f_S=18kHz, F₃+f_S=22kHz i F₃=20kHz;

Rys. Ilustracja procesu zwielokrotnienia częstotliwościowego: a) schemat blokowy układu; M - modulator, F - filtr, D - demodulator, W - wzmacniacz b) rozkład częstotliwości; c) widmo częstotliwościowe sygnału telefonicznego i zmodulowanego

Jeśli następnie w każdym kanale zastosujemy np. filtr dolnoprzepustowy ograniczający pasmo tak, aby przepuszczał tylko częstotliwość różnicową (F-f_S), to w torze będą przesyłane sygnały o częstotliwościach: 10kHz (syg. 1), 14kHz (syg. 2) i 18kHz (syg. 3), a więc nie zakłócające się na­wzajem. W końcu linii przesyłowej następuje odtworzenie, w wyniku demodulacji, pierwotnej (naturalnej) częstotliwości sygnału.

4. Grupowanie kanałów i zasady tworzenia systemów o zwielokrotnieniu częstotliwościowym

Podczas tworzenia systemów telefonii nośnej stosuje się, ze względów tech­nicznych i ekonomicznych, modulację wielostopniową i odpowiednie grupowa­nie kanałów telefonicznych. Sposób grupowania kanałów i ich usytuowanie na skali częstotliwości jest ustalone międzynarodowo (w ramach CCITT fr. Comité consultatif international téléphonique et télégraphique - Międzynarodowy Komitet Doradczy do spraw Telefonii i Telegrafii) w celu zapewnienia współpracy różnych systemów podczas tworzenia długich łączy, a szczególnie łączy międzynarodowych.

Zgodnie z zaleceniami CCITT w systemach teletransmisyjnych, w zależności od ich krotności, są tworzone następujące podstawowe grupy kanałów:

12-kanałowe, zwane grupami pierwotnymi GP;

60-kanałowe, zwane grupami wtórnymi GW;

300-kanałowe, zwane grupami trójnymi GT;

900-kanałowe, zwane grupami czwórnymi GCz.

Podczas ustalania pasma częstotliwości zajmowanego przez poszczególne gru­py kanałów przyjęto, że szerokość pasma telefonicznego wynosi 4 kHz. Spo­sób tworzenia podstawowych grup kanałów zilustrowano na kolejnych rysunkach. Trójkąty na rysunkach obrazują widma poszczególnych grup lub kanałów, przy czym kierunek nachylenia przeciwprostokątnych w trójkątach wskazuje wzrost częstotliwości. Gdy wierzchołek trójkąta jest zwrócony w lewo, wówczas częstotliwości w widmie są uszeregowane w spo­sób naturalny (od mniejszej do większej), gdy zaś wierzchołek trójkąta jest zwrócony w prawo - porządek częstotliwości w widmie jest odwrócony.

Podstawowa grupa pierwotna (12-kanałowa) zajmuje pasmo o szerokości 12 x 4 kHz = 48 kHz w zakresie 60-108kHz. Widma kanałów w tej grupie występują w położeniu odwróconym, tzn. mniejszym częstotliwościom w wid­mie kanału naturalnego odpowiadają większe częstotliwości w widmie kanału nośnego (i odwrotnie). Grupa pierwotna stanowi podstawowy element grup wyższego rzędu, tj. o większej liczbie kanałów. Sposób tworzenia podstawowej grupy pierwotnej w większości systemów polega na przemianie (modulacji) dwustopniowej, z zastosowaniem tzw. modulacji wstępnogrupowej . W pierwszym stopniu przemiany są tworzone wstępne grupy trzykanałowe usytuowane w paśmie 12-24 kHz za pomocą fal nośnych o częstotliwościach: 12, 16 i 20 kHz. W drugim stopniu przemiany cztery grupy wstępne są przeniesione do pasma podstawowej grupy pierwotnej i ułożone obok siebie, za pomocą fal nośnych o częstotliwościach: 120, 108, 96 i 84 kHz.

Rys. Plan modulacji tworzenia podstawowej grupy pierwotnej

Podczas tworzenia podstawowych grup pierwotnych może być stosowana również przemiana jednostopniowa, tj. widma kanałów naturalnych mogą być bezpośrednio przeniesione do pasma podstawowej grupy pierwotnej za pomocą 12 fal nośnych (o częstotliwościach 108, 104-68, 64 kHz). Mankamentem tej metody jest konieczność stosowania dużej liczby różnych filtrów pasmowoprzepustowych o bardzo stromych charakterystykach (dużej selektywności) do wydzielania każdego kanału z osobna, co nie jest konieczne w poprzednio opisanej metodzie.

Podstawowa grupa wtórna (60-kanałowa) zajmuje pasmo o szerokości 60 x 4 kHz = 240 kHz w zakresie 312-552 kHz. Jest tworzona z 5 podsta­wowych grup pierwotnych w drodze jednostopniowej przemiany tych grup z użyciem fal nośnych o częstotliwościach: 420, 468, 516, 564 i 612 kHz (patrz rysunek).

Rys. Plan modulacji przemiany grup pierwotnych na wtórne (12/60)

Podstawowa grupa trójna (300-kanałowa) zajmuje pasmo częstotliwości 812-2044 kHz. Jest ona tworzona z 5 podstawowych grup wtórnych w dro­dze jednostopniowej przemiany tych grup z użyciem fal nośnych o często­tliwościach: 2356, 2108, 1860, 1612 i 1364 kHz (patrz rysunek).

Rys. Plan modulacji przemiany grup wtórnych na trójne (60/300)

Podstawowa grupa czwórna (900-kanałowa) zajmuje pasmo częstotliwości 8516-12388 kHz. Tworzy się ją z 3 grup trójnych przy bezpośredniej mo­dulacji tymi grupami fal nośnych o częstotliwościach: 13200, 11880 i 10560 kHz (rysunek).

Rys. Plan modulacji przemiany grup trójnych na czwórne (300/900)

Grupa 900-kanałowa może być również utworzona z 15 podstawowych grup wtórnych w drodze bezpośredniej modulacji tymi grupami 14 fal nośnych (rysunek poniżej). Jedna grupa wtórna pozostaje w tym wypadku w swym położeniu podstawowym.

Rys. Plan modulacji tworzenia bloku 15 grup wtórnych (60/14 x 60)

Omówione wyżej podstawowe grupy kanałów nie są na ogół bezpośrednio przesyłane w linii, lecz najpierw są przemieszczane, w wyniku następnego stopnia modulacji, do tzw. pasma liniowego danego systemu, w którym są przesyłane sygnały w linii. Pasmo to obejmuje widma wszystkich kanałów w trakcie liniowym.

Takie grupowanie kanałów (znormalizowane zarówno co do ich liczby, jak i szerokości zajmowanego pasma) umożliwia transfer, tj. wydzielanie i po­nowne wprowadzanie określonych grup kanałów z jednego systemu do dru­giego.

Dla celów kontroli i regulacji poziomu transmisji we wszystkich grupach podstawowych oraz w pasmach liniowych systemów są przesyłane tzw. prądy pilotowe. Prądy te są przesyłane w lukach częstotliwościowych między kana­łami lub grupami niższego rzędu tak, aby nie zakłócały transmisji w kana­łach.

Tworzenie wymienionych wyżej grup kanałów i formowanie sygnałów zbior­czych odbywa się w urządzeniach zwanych przemiennikami lub krotnicami. W zależności od stopnia przemiany rozróżniamy następujące rodzaje urzą­dzeń przemiany:

• przemienniki kanałowe, umożliwiające tworzenie 12-kanałowych grup pier­wotnych (przemiana 1/12 );

• przemienniki grup pierwotnych, służące do tworzenia podstawowej grupy wtórnej (przemiana 12/60 );

• przemienniki grup wtórnych, dokonujące przemiany widm grup wtórnych w pasmo podstawowej grupy trójnej (przemiana 60/300);

• przemienniki grup trójnych, w których widma grup trójnych przemieszczo­ne są do pasma grupy czwórnej (przemiana 300/900 );

• przemienniki systemowe, służące do przemiany określonych grup podsta­wowych w celu utworzenia pasma liniowego danego systemu.

Liczba i rodzaj przemienników w danym systemie zależy od krotności tego systemu. W celu ułatwienia współpracy między różnymi systemami teletran­smisyjnymi podstawowe parametry wejściowe i wyjściowe przemienników zostały znormalizowane. W tym też celu wejścia i wyjścia przemienników są wyprowadzone na tzw. przełącznice, umożliwiające przełączanie kanałów i grup kanałów.

Podstawowe parametry kanałów i poszczególnych grup kanałów (pierwo­tnych, wtórnych, trójnych i czwórnych) w ramach podsumowania podano w tabeli poniżej.

Tabela: Parametry grup kanałów

Kanał lub grupa kanałów	Liczba kanałów	Pasmo częstotliwości [kHz]	Rezystancja ZWE (ZWY) [Ω]	Częstotliwość pilota [kHz]
Kanał telefoniczny	1	0,3...3,4	600 (sym.)	—
Podstawowa grupa pierwotna (GP)	12	60...108	150 (sym.)	84,08 lub 84,14
Podstawowa grupa wtórna (GW)	60	312...552	75 (niesym.)	411,86 lub 411,92
Podstawowa grupa trójna (GT)	300	812...2044	75 (niesym.)	1552
Podstawowa grupa czwórna (G.cz.)	900	8516...12388	75 (niesym.)	11096