14. Разделение каналов
Курс “Теория информации и кодирования”

Подходы к согласованию сигнала и канала
Временное разделение каналов
Частотное разделение каналов
Комбинированное применение ВРК и ЧРК
Кодовое разделение каналов

14.1 Подходы к согласованию сигнала и канала

Основными характеристиками сигнала X с точки зрения его передачи являются:
- ширина полосы спектра Δfx;
- время передачи Tx;
- превышение сигнала над помехой Lx, где Lx = logEx/Ee (E – энергия сигнала и помехи).
Их сочетание удобно представить как «объем сигнала» Qx = ΔFx Lx Tx.
Аналогично вводится понятие «объем канала» Qk = ΔFk Lk Tk.

Очевидно, что сигнал можно передать по каналу, только если выполняются условия: Qx <= Qk и ΔFx <= ΔFk ; Lx <= Lk ; Tx <= Tk.

Часто объем канала бывает достаточен для передачи, а для отдельных координат ограничения не выполняются.

В этом случае можно добиться согласования сигнала и канала за счет обмена ресурсов координат.

Например, при ускорении передачи сокращается время занятия канала, но пропорционально расширяется занимаемая сигналом полоса частот.

Для мощных каналов связи часто объем сигнала от одного источника бывает намного меньшим, чем емкость канала (Qx << Qk).

При этом по одному каналу можно передавать одновременно множество сигналов.
Однако, чтобы их объемы не пересекались, нужно смещать сигналы по координатам T, F и L.


.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

Смещение во времени (задержка/опережение) достигается буферизацией сообщений и их последовательной передачей в канал связи.

Смещение по частоте достигается за счет модуляции и переноса спектров сигналов в окрестности разных несущих частот.

Смещение по превышению обеспечивается изменением объема алфавита сигналов. Так, рост объема алфавита кодирования m приводит к уменьшению превышения Lx. Это допустимо, если имеется запас помехоустойчивости сигналов. Напротив, увеличить превышение Lx можно, если один бит сообщения передавать с помощью последовательности двоичных сигналов.

Приемы деформации сигналов используются при решении задач разделения каналов (прежде всего - временного, частотного и кодового).

14.2 Временное разделение каналов

Временное разделение каналов ВРК (англоязычное обозначение TDM— Time Division Multiplexing) предусматривает периодическое выделение каждому из N источников сообщений кванта времени для передачи значения сигнала.

На рисунке каждому из четырех источников (или низкоскоростных каналов передачи) поочередно выделяется интервал времени (тайм-слот или иначе — канальный интервал), в течение которого они передают данные в общий высокоскоростной канал.

Тайм-слот может содержать в общем случае несколько бит информации. В канале они объединяются в общий цикл передачи. Такое объединение называют интерливингом. На практике часто используется битовый или байтовый интерливинг. Чтобы обеспечить синхронизацию передачи всей группы каналов цикл передачи включает служебный тайм-слот.

Обобщенная схема ВРК включает Источники сообщений (ИСi), Импульсные модуляторы (Имi), коммутаторы каналов. Для более мощных каналов связи используется двухступенчатая схема уплотнения. При этом схема включает дополнительно групповой модулятор и демодулятор (ГМ и ГД), которые обеспечивают повторное уплотнение канальных сигналов.

ВРК (TDM) широко используется для передачи речевых сигналов. При этом амплитуды передаваемых аналоговых сигналов речи фиксируются с частотой fд =1/Tд — 8кГц (согласно правилу Найквиста исходя из удвоенной минимальной частоты слоговой разборчивости fmax=3,4 кГц, взятой с запасом).

Каждое значение амплитуды кодируется одним байтом. Полученный код передается в виде импульсных сигналов (импульсно-кодовая модуляция ИКМ). Итоговая частота передачи импульсных сигналов для одного речевого канала составляет 8х8кГц = 64кГц.

При группировке звуковых каналов скорость передачи должна быть пропорционально выше. На практике такая группировка выполняется по иерархическому принципу. На первом уровне иерархии образуется базовый канал, объединяющий N речевых каналов, которые дополняются служебными каналами.

Каждый следующий уровень образует группы каналов предыдущего. В таблице отображены стандарты группировки для Европы, США и Японии.

Согласно европейскому стандарту канал первого уровня Е1 объединяет 30 речевых и 2 служебных канала со скоростью 64 кбит/с. При этом ширина полосы соответственно составляет 32х64=2048 кГц.

Более детальная характеристика передачи в канале Е1 показана на рисунке.

Цикл передачи включает 30 информационных канальных интервалов (тайм-слотов) КИ1-КИ15 и КИ16-КИ31, а также два служебных КИ0 и КИ16. Каждый информационный интервал несет один байт данных (в случае передачи речи — код амплитуды звукового сигнала).

Циклы Цi объединяются в группы по 16 (сверхциклы). КИ0 для четных циклов содержит код синхронизации 0011011. Кроме того КИ0 и КИ16 содержат информацию для поддержания протокола передачи, которую мы здесь детально не рассматриваем.

Преимуществом ВРК/TDM является относительная простота и использование передачи исключительно цифровых данных. К недостаткам метода относятся высокие требования к точности синхронизации.

14.3 Частотное разделение каналов

Частотное разделение каналов ЧРК (англоязычное обозначение FDM— Frequency Division Multiplexing) предусматривает выделение каждому из N источников сообщений полосы частот в общей полосе скоростного (широкополосного) канала.
При этом перенос спектров источников в выделенные для них частотные диапазоны выполняется за счет модуляции.

ЧРК применяется чаще всего для передачи речевых сигналов по телефонным каналам. При этом ширина полосы отвечает полосе речи (3,1 кГц), а шаг несущих частот составляет 4 кГц, поскольку разделение частотных диапазонов выполняется полосовыми фильтрами с неидеальными характеристиками. Такие каналы часто называют каналами ТЧ - тональной частоты.

Схема ЧРК для каждого K-го канала включает: источники и получатели сигналов (ИСк и ПCк); модуляторы и демодуляторы (Мк и Дк); полосовые фильтры на передаче и приеме (Фк).


.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.


Системы уплотнения создают группы по 12 каналов. Эти группы, как и в случае ВРК, объединяются по иерархическому принципу.

Переход на каждый следующий уровень иерархии выполняется за счет повторной модуляции.

Стандарт группировки характеризует приведенная таблица.

Обычно частотные каналы имеют одинаковую ширину ΔFk, однако в принципе она может различаться. Популярное применение ЧРК с различными по ширине полосами сигналов — технология ADSL передачи данных по телефонным проводам вместе с голосовым сигналом.

Полоса частот, которая обеспечивается парой проводов, разделяется на 3 диапазона:
- для передачи голоса (4 кГц);
- для передачи данных от абонента в сеть (135 кГц); - - для приема данных из сети к абоненту (около 1,3 МГц).
Различие ширины полос для данных объясняется тем, что на практике объем принимаемых сообщений значительно больше, чем передаваемых.

14.4 Комбинированное применение ВРК и ЧРК

При использовании методов ВРК и ЧРК каждой паре Источник-Приемник сигналов выделяется фиксированный временной или частотный канал. Комбинирование этих двух подходов позволяет передавать различные фрагменты сообщений Источника по различным каналам, что обеспечивает дополнительную защиту от несанкционированного доступа.

На рисунке в группе, состоящей из 8 пар Источников и Получателей сообщений, каждой паре выделяется частотный канал fi на временной интервал Tj («канальный интервал»). Как по частоте, так и по времени используются «защитные» интервалы для исключения влияния соседних каналов. Для каждого последующего интервала времени номер частотного канала для данной пары изменяется (происходит «частотный скачок»).

В результате «злоумышленник», настроившийся на перехват по любому из выбранных частотных каналов, получит лишь отдельные фрагменты сообщений. Разумеется, если порядок частотных скачков становится известен, сообщения могут быть перехвачены полностью. Чтобы этого избежать используют схему с шифрованием последовательности переключений каналов. Один из возможных подходов иллюстрирует рисунок.


.
.
.
.
.
.
.
.
Таймер генерирует последовательность моментов tk переключения частотных каналов. В результате шифрования с открытым ключом определяется секретная последовательность nq, часть которой (набор значений nk) передается получателю в открітом режиме. Используя полученные значения и секретную часть ключа q, получатель определяет последовательность частот fk идентичную той, которая использовалась Источником. Не имея секретной части ключа q, такую последовательность правильно определить невозможно.

14.5 Кодовое разделение каналов

При кодовом разделении каналов (КРК) — Code Division Multiple Access (CDMA) информационный сигнал кодируется перемножением на опорные кодовые последовательности (ОКПi), взаимно ортогональные для разных источников.

Это позволяет соответствующему приемнику выделять из смеси сигналов в канале исключительно «свои», не реагируя на сигналы других источников.


Очевидно, что при КРК спектр передаваемых сигналов значительно расширяется (поскольку один сигнал данных здесь заменяется несколькими сигналами канала). Однако, при наличии широкой доступной полосы канала такое расширение приемлемо.

На практике способ КРК / CDMA широко применяется при передаче сигналов в эфире, в частности - в мобильной связи.

Рассмотрим математические основы метода.

В качестве опорной последовательности используются функции Уолша со значениями {1, -1}. Такие функции группируются в матрицы со взаимно ортогональными строками (матрицы Адамара H). Каждая I-я строка матрицы может использоваться в роли ОКПi для одного источника.

Распознавание сигнала приемником выполняется расчетом взаимно-корелляционной функции полученных данных и опорной поcледовательности:
Kxy = Σ ux(i) uy(i)

Максимальные по модулю значения Kxy соответствуют принимаемым сигналам «своего» канала. Для «чужих» сигналов Kxy=0.

На рисунке показан пример с использованием в качестве опорной последовательности строк 2 и 3 матрицы Адамара H8

Нетрудно видеть, что ошибки передачи отдельных сигналов канала лишь незначительно влияют на величину корреляционной функции (в рассмотренном примере однократная ошибка при приеме “1” уменьшит, значение Kxy с 8 до 7, а двукратная — с 8 до 6). Это означает, что несмотря на ошибки, сигнал все-таки может быть принят правильно.

В отличие от методов ВРК и ЧРК все сигналы КРК занимают общую полосу частот в один и тот же интервал времени. В результате метод обеспечивает более высокую спектральную эффективность (в одинаковой полосе частот могут работать больше клиентов).

При этом чем больше каналов задействованы, тем сильнее сказывается их мешающее влияние друг на друга. Однако, такое влияние нарастает с ростом нагрузки постепенно. Это определяет более высокую гибкость систем кодового разделения по сравнению с временным и частотным, для которых количество каналов фиксировано независимо от реальной загрузки.

Наконец, еще одно достоинство метода — возможность использовать секретные опорные последовательности. При этом в силу невысокой мощности сигналов, которые со стороны воспринимаются как случайные помехи, трудно обнаружить даже сам факт такой передачи.

Все эти достоинства определяют широкое применение КРК/CDMA при передаче данных в эфире и прежде всего — в современной мобильной связи.




О дисциплине ТИК
Почему «Теория информации и кодирования» - одна из самых интересных дисциплин, которые изучают будущие системщики и защитники информации?

В ней сочетаются золотая классика и самая актуальная современность computer-science.

продолжение
О сайте
Здесь вы найдете материалы, которые помогут в изучении дисциплины “Теория информации и кодирования” (ТИК) в том виде, как она преподается на кафедре ЭВМ ДИИТа.

На сайте размещены методические материалы:
  • электронный конспект лекций;
  • методическое обеспечение к лабораторным работам;
  • полезные ссылки.

продолжение
© 2008-2019 • Теория информации и кодирования
UP