Уплотнение (СDM)/множественный доступ с кодовым разделением(СDMА)

Рассмотренные выше системы уплотнения для обеспечения многоканальной передачи требу­ют для нормальной работы той или иной синхронизации: точ­ного совпадения спектра сигнала с полосой пропускания при частотном разделении каналов; точного совпадения времен­ных интервалов передачи сигналов отдельных каналов при временном разделении каналов.

В ряде случаев осуществить точную синхронизацию зат­руднительно. С подобными ситуациями приходится сталки­ваться, например, при организации оперативной связи между подвижными объектами (автомобилями, самолетами). Такая задача возникает при организации оперативной связи с ис­пользованием искусственных спутников Земли в качестве рет­рансляторов. Во всех этих случаях могут быть использованы системы асинхронной многоканальной связи, когда сигналы всех абонентов передаются в общей полосе частот, а каналы не синхронизированы между собой во времени. Поскольку в таких системах за каналами не закреплены ни частотные по­лосы, ни временные интервалы и время работы каждого ка­нала произвольно, то такие системы называют системами со свободным доступом к линии связи или системами с не­закрепленными каналами.

В системах со свободным доступом каждому каналу (абоненту) присваивается определенная форма сигнала, кото­рая и является отличительным признаком, "адресом" данного абонента. В отличие от обычного разделения по форме, где условие ортогональности сигналов выполняется лишь тогда, когда тактовые интервалы всех каналов жестко синхронизи­рованы, для возможности полного линейного разделения сиг­налов в системах со свободным доступом ортогональность или линейная независимость должны сохраняться при любых вре­менных сдвигах сигналов. Иными словами, автокорреля­ционные функции сигналов должны содержать один значительный максимум (пик), а взаимно корреляционные функции в любой момент времени - иметь су­щественно меньшую величину. Строго говоря, это возможно только в том случае, когда сигналы S_k(t) представляют собой белый шум, т. е. имеют неограниченную ширину спектра и бесконечную дисперсию; для реальных сигналов оно невыполнимо. Вместе с тем можно сформировать такие сигналы, для которых эти требования выполняются приближенно в том смысле, что скалярные произведения сигналов при любом сдвиге по времени много меньше энергии элементарного сигнала. Такие сигналы можно назвать почти ортогональными. По своим свойствам почти ортогональные сигналы приближаются к бе­лому шуму, поэтому их часто называют шумоподобными: их корреляционные функции и спектры плотности мощности близки к аналогичным характеристикам квазибелого шума. Шумоподобные сигналы не являются случайными, они отно­сятся к классу сложных сигналов, база которых Б = ∆f_э* τ₀»1.

Наиболее распространенным примером технической реа­лизации почти ортогональных шумоподобных сигналов могут служить определенным образом сформированные псевдослу­чайные последовательности дискретных, в частности, двоич­ных радиоимпульсов. База сигналов при этом определяется числом импульсов в последовательности. Каждому каналу при­сваивается одна из множества почти ортогональных двоич­ных последовательностей, которая служит "адресом" канала. Это приводит к названию "асинхронные адресные систе­мы связи" (ААСС).

Важным достоинством ААСС является то, что нет необ­ходимости в центральной коммутационной станции; все або­ненты имеют прямой доступ друг к другу без частотной пере­стройки приемных и передающих устройств (рисунок 7).

Здесь достаточно набрать "адрес" вызываемого абонента, т. е. изме­нить "форму" импульсной адресной последовательности.

В системах с закрепленными каналами (частотное и вре­менное уплотнение каналов) добавление хотя бы одного ново­го абонента оказывается возможным лишь при исключении одного из имевшихся в системе. Значительно проще эта зада­ча решается в системах ААСС. Здесь вследствие свободного доступа к линии связи могут вести передачу любые N_a ак­тивных абонентов из общего числа N абонентов системы пе­редачи информации. При определении числа N_a нужно учитывать, что вследствие неполной ортогональности сигналов в ААСС неизбежны переходные помехи ("шумы не ортогональности"), уровень которых растет по мере увеличения N_a. По­этому число одновременно работающих абонентов должно быть ограничено. Допустимое значение N_a возрастает по мере уве­личения базы сигнала.

Рисунок 7. Структурная схема многоканальной асинхронно-адресной системы связи

В зависимости от времени активности абонентов (т. е. от доли времени, занимаемого к- м каналом для передачи сооб­щений) можно организовать, например 1000-канальную сис­тему связи, в которой одновременно ведут передачу любые 50 абонентов из тысячи. В таких системах легко реализуются резервы пропускной способности, возникающие за счет мало­активных абонентов. Изучив статистику сообщений, переда­ваемых по каждому каналу, можно установить допустимое число каналов в системе N, при котором обеспечивается нор­мальная работа N_a активных каналов.

В настоящее время усиленно разрабатываются методы синтеза сигналов с заданными автокорреляционными и вза­имно корреляционными свойствами. В качестве адресных сиг­налов используются последовательности Баркера, линейные рекуррентные М-последовательности и т. д. Один из способов формирования шумоподобных сигналов для асинхронно-ад­ресных систем связи состоит в использовании частотно-вре­менной матрицы. Уже отмечалось, что в системах с ортого­нальными сигналами энергия каждого сигнала отделяется от энергии других сигналов. Это положение становится наибо­лее отчетливым, если обратиться к частотно-временным ди­аграммам системы связи при частотном разделении (рисунок 8,а) и при временном разделении каналов (рисунок 8,6).

Здесь каждому каналу отводится определенная область частотно-временного пространства; положение площадки мож­но рассматривать как "адрес" абонента. Двоичную информацию в последовательность можно за­ложить, меняя один из параметров элементарного радиоим­пульса. Эти адресные наборы импульсов составляются на ос­нове их представления в виде частотно-временной матрицы, которая была представлена ранее, к ним предъявляются обычные требования хоро­ших автокорреляционных функций и малых значений взаим­ной корреляции.

Рисунок 8. Принципы частотного (а) и временного (б) разделения каналов

Изменение временного положения импульсов и различие в их частотах позволяют сравнительно простыми техническими средствами получить несколько тысяч частот­но-временных колебаний (адресов). Разумеется, не все ком­бинации частотно-временной матрицы используют в качестве адресных сигналов; среди них встречаются и такие, которые не обладают необходимыми корреляционными свойствами. Сигналы частотно-временной матрицы являются разновидно­стью сигналов, различающихся по форме, их можно разде­лить согласованными фильтрами или корреляторами.

Отметим в заключение, что в технической литературе имеются описания большого числа различных систем связи со свободным доступом. Наиболее характерными из них яв­ляются системы на 1000—1500 каналов с 50—100 активными абонентами.