Устройство для передачи аналоговой информации

 

Использование: радиотехника. Сущность изобретения: устройство содержит: 1 блок сравнения (1), 1 генератор пилообразного напряжения (2), 2 формирователя импульсов (3,19), 1 расширитель импульсов (4), 1 фильтр нижних частот (5), 1 усилитель (6), 1 линию связи (7), N фильтров нижних частот (8,17), N электронных ключей (9,16), 1 генератор тактовых импульсов (10), 2 линии задержки с отводами (11,20), 2 элемента ИЛИ (12,13), 1 компрессор (14), 1 экспандер (15), 1 блок выделения стартового импульса (18).2 ил.

Изобретение относится к области передачи аналоговой информации (телевизионной, телефонной и т.п.) и предназначено для создания простой системы передачи аналоговой информации по одному каналу связи с объемом, который эквивалентен многоканальной системе передачи аналоговой информации.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет увеличения числа передаваемых аналоговых сигналов по одному каналу связи за тот же интервал времени при одновременном упрощении аппаратурной реализации.

Устройство для передачи аналоговой информации (см. фиг.1), содержащее на передающей стороне блок 1 сравнения, первый вход которого соединен с генератором 2 пилообразного напряжения (ГПН), а выход со входом формирователя 3 импульсов, на приемной стороне расширитель 4 импульсов, выход которого через первый фильтр 5 нижних частот соединен со входом усилителя 6, а также линию 7 связи, на передающей стороне в него введены N фильтров 8 нижних частот (ФНЧ), N электронных ключей 9, генератор 10 тактовых импульсов, линия 11 задержки с отводами, первый, второй элементы 12, 13 ИЛИ, компрессор 14, причем вход линии 11 задержки с отводами соединен с генератором 10 тактовых импульсов, а первый ее выход с первым входом первого элемента 12 ИЛИ, остальные N выходов соединены с соответствующими управляющими входами N электронных ключей 9 и через второй элемент 13 ИЛИ со входом генератора 2 пилообразного напряжения, выходы N электронных ключей 9 через компрессор 14 соединены со вторым входом блока 1 сравнения, входы N фильтров 8 нижних частот являются входами устройства, а выходы подключены к сигнальным входам N электронных ключей 9, выход формирователя 3 импульсов соединен со вторым входом первого элемента 12 ИЛИ, выход которого подключен к линии 7 связи, на приемной стороне введены экспандер 15, N электронных ключей 16, N фильтров 17 нижних частот, а также последовательно соединенныв блок 18 выделения стартового импульса, формирователь 19 импульсов и линия 20 задержки с отводами, причем линия 7 связи подключена ко входам расширителя 4 импульсов и блока 18 выделения стартового импульса, N выходов линии 20 задержки с отводами соединены с управляющими входами N электронных ключей 16, выход усилителя 6 через экспандер 15 соединен с объединенными входами N электронных ключей 16, выходы которых соединены со входами N фильтров 17 нижних частот, выходы которых являются выходами устройства.

На фиг.1 приведена структурная схема заявляемого устройства; на фиг.2 - диаграммы, поясняющие его работу.

На фиг 2 приняты следующие обозначения: а на выходе второго элемента 13 ИЛИ б на входах блока 1 сравнения; U_o- уровень опорного напряжения; в,г сигнал на входе первого, второго каналов соответственно; д, е сигнал на выходе ГПН 2 во время обработки сигналов первого, второго каналов соответственно; ж сигнал на выходе первого элемента 12 ИЛИ; з сигнал на выходе линии 7 связи; и сигнал на выходе расширителя 4 импульсов (пунктиром); к,л,м импульсы на выходе первого, второго, N го отвода линии 20 задержки
н сигналы на выходе электронных ключей 16: n для сигналов первого канала, O-для сигналов второго канала.

Устройство работает следующим образом. Каждый из входных аналоговых сигналов обрабатывается с помощью узлов, применяемых при фазово-импульсной модуляции, но только в выделенном для передачи данного сигнала интервале. Величина этого интервала и параметры узлов выбираются таким образом, чтобы при восстановлении не происходило искажения сигналов.

Рассмотрим подробнее работу заявляемого устройства. Передающая часть каждого из N каналов состоит из фильтра нижних частот 8, ограничивающего полосу частот передаваемого сигнала заданной частоты, например для телефонии ΔF = 3,4кГц и электронного ключа 9, выделяющего отдельные мгновенные значения сигналов с частотой квантования ( тактовая частота) F. Ключ 9 выполняет функции амплитудно-импульсного модулятора. Время, в течение которого ключ 9 замкнут, определяется длительностью управляющих им импульсов τ (фиг. 2а) и весьма мало, так что на выходе ключа 9 появляется последовательность почти прямоугольных импульсов стандартной длительности и любой амплитуды, практически совпадающей с мгновенными значениями сигнала в отсчетные моменты времени. Линии задержки 11 и 20 с отводами выполняют функции распределителя импульсов, управляющих подключением сигнала одного из N каналов на вход блока сравнения 1 для измерения его амплитуды путем выработки импульсов в точках пересечения напряжением пилообразной формы (фиг. 2д и 2е) входного сигнала пepвoгo (фиг. 2г) и второго (фиг. 2в) канала. В моменты сравнения уровней входного сигнала и генератора 2 формирователем 3 вырабатываются импульсы (фиг. 2ж), длительность t₁ которых много меньше, чем длительность управляющего ключом 9 импульса ((τ₁≪ τ).). Различие информационного и стартового (циклового) импульса по длительности, форме предотвращают ложное срабатывание приемной части устройства, что повышает помехоустойчивость передачи и достоверность восстановленных сообщений. Генератор 10 вырабатывает тактовые импульсы длительностью τ, подаваемые на вход линии задержки 11 с отводами. Требование к стабильности частоты следования импульсов определяются величиной временного интервала, отводимого для передачи сигнала одного канала τ_i числа передаваемых каналов N и допустимой пропускной способности G линии 7 связи
где τ_i= τ+τ_з;
τ_з- длительность защитного интервала.

Для рассматриваемого случая τ_з≥ τ₁.
Защитный интервал необходим для выделений импульсов, получаемых при преобразовании аналоговых сигналов малой амплитуды и для исключения переходных помех из одного канала в другой (последующий). Время цикла T зависит от максимальной девиации Δτ_м, величины τ_з и числа каналов N
T = (2Δτ_м+τ_з)N Учитывая, что τ_з= Δτ_м; T = 2NΔτ_м. Из выражения (1) следует, что максимально возможный цикловой интервал T в соответствии с теоремой Котельникова Увеличение числа передаваемых сигналов в N раз в течение интервала времени T может быть произведено за счет уменьшения величины интервалов Δτ_м и τ_з Величина τ_з не может быть меньше максимального вмещения импульсов при модуляции Δτ_м, следовательно, выполнение цели может быть достигнуто за счет уменьшения величины Δτ_м. Эта величина может быть уменьшена при использовании компрессора 14 (сжимателя) динамического диапазона на передающей стороне и экспандера 15 (расширителя) с характеристикой, обратной характеристике компрессора 14 на приемной стороне. Компандеры (компрессоры-экспандеры) с коэффициентом компрессии порядка 15 технически легко осуществимы и позволяют существенно уменьшить количество отсчетов временной дискретизации (положения) (фиг. 2ж) Например, отношение максимального значения мгновенного уровня сигнала за счет особенности датчиков сигналов, различного затухания в соединительных линиях к среднеквадратическому g может достигать 50-70. В то же время использование компандера с η = 15 снижает эту величину до g4,65 или, что эквивалентно, уменьшается необходимое число уровней квантования с 1520 до 101 максимально требуемых положений импульсов с выхода первого элемента 12 ИЛИ (фиг. 2ж). ГПН 2 формирует напряжение трехугольной формы с линейно-возрастающим фронтом и линейно-убывающим спадом, причем время фронта и спада одинаково и равно Δτ_м (фиг. 2д,е). Линейность пилы определяет точность передачи формы аналогового сигнала. Формирование сигналов фиг. 2, д,е осуществляется в моменты наличия импульсов на втором, N+1 выходах линии 11, объединенных затем на втором элементе 13 ИЛИ (фиг. 2а), где цифрами 2,3, N+1 условно показаны импульсы с соответствующих выходов линии 11 задержки, объединенные на элементе 13. На фиг. 2ж пунктиром показан временной интервал, отводимый для формирования стартового сигнала. Стартовый сигнал необходим для организации синхронной работы электронных ключей 9 и 16.

Выходные сигналы элемента 12 задерживаются в линии 7 связи (фиг. 2,3) и поступают на входы расширителя 4 импульсов и блока 18 выделения стартового импульса. В качестве линии 7 связи могут быть использованы проводные, кабельные, лазерные радио и наиболее перспективные волоконно-оптические линии связи, имеющие малое затухание (менее 0,5 дБ/км), широкую полосу частот (более 1 ГГц), не воспринимающие воздействие электромагнитных помех и т.п. В блоке 15 выделяется из смеси сигналов стартовый сигнал, например, путем выделения сигнала большей длительности. Затем в формирователе 19 сигнал нормализуется по длительности и поступает на вторую линию 20 задержки с N отводами. Принцип работы не отличается от описанного ранее элемента 11. Отличие состоит в числе отводов (N вместо N+1). На каждом отводе элемента 17 формируются импульсы, временное положение которых соответствует положению импульсов первого второго, N-го каналов (фиг. 2к,2л,2м), обозначенных цифрами 2,3, N+1 соответственно. Эти импульсы поступают на управляющие входы соответствующих электронных ключей 16. Выходные импульсы линии 7 связи расширяются по длительности в узле 4 до величины (фиг. 2и пунктир).В результате расширения импульсов изменяется вид спектра сигнала на выходе схемы 4. Спектр сигнала (фиг. 2и) приближается к спектру сигнала при широтно-импульсной модуляции, в котором присутствует постоянная составляющая, колебания с частотами передаваемого сообщения и гармонии тактовой частоты. Демодуляция сигнала (выделение моделирующего сигнала) может быть осуществлена фильтром 5 нижних частот. Это обусловлено наличием в спектре модулированной последовательности импульсов с выхода расширители 4 спектральных составляющих входного сигнала. Наиболее мощной спектральной составляющей к наивысшей частоте сигнала f_c является составляющая на частоте F, поэтому для уменьшения искажения выделяемого сигнала должно выполняться условие F>2f_c и полоса пропускания ФНЧ 5 должна выбираться (для оптимального случая) равной наивысшей частоте сигнала f_c. Например, при передаче телефонного сигнала c f_c3,4 кГц величина F выбирается F= 8кГц. Кроме того, в результате расширения длительности импульсов увеличивается мощность спектральных составляющих сигнала. Дальнейшее увеличение мощности сигнала обеспечивается усилителем 6. По сравнению с прототипом схема усилителя значительно проще, т.к. в прототипе амплитудная характеристика должна быть рассчитана, например, при передаче телефонного сигнала на изменение амплитуды в 50-70 раз, а в заявляемом устройстве эти изменения при таком же входном сигнале всего 4,65 (из-за применения компандеров. ) Восстановление исходного динамического диапазона выходного сигнала усилителя 6 осуществляется с помощью экспандера 15, выход которого одновременно подключен к сигнальным входам электронных ключей 16. Каждый ключ 16 пропускает сигнал на соответствующий выходной ФНЧ 17 только при наличии на его управляющем входе импульса с выхода линии 20 задержки (фиг. 2к,2л,2м). С помощью выходного ФНЧ 17 из последовательности отсчетов с амплитудно-импульсной модуляцией (фиг. 2о,2п) восстанавливается исходный непрерывный сигнал. Величина верхней частоты полосы пропускания фильтров 17 для выделения только низкочастотной части спектра сигналов (фиг. 2п,2с) должна совпадать с f_c.

Выигрыш в числе передаваемых аналоговых сигналов по одному каналу связи в заданный интервал времени можно определить по формуле В заявляемом объекте τ_з= Δτ_м
Величина длительности такта уменьшилась по сравнению с аналогами (с N_n каналами) на величину интервала, отведенного на передачу стартового импульса -2Δτ_м+τ_з. Величина максимального сдвига импульсов определяется максимальной величиной амплитуды входного аналогового сигнала. Учитывая, что компандеры (узлы 14 и 15) изменяют динамический диапазон (отношение максимального значения сигнала к среднеквадратическому) передающего тракта в η раз величина девиации также меньше Dt_м в η раз меньше, чем в известных устройствах.

Относительное увеличение числа каналов в заявляемом устройстве при T= const по сравнению с аналогами определяется из выражения
При большом числе каналов N > 10,3Δτ_м≪ T, поэтому величина выигрыша N/N_n≈ η. Следовательно, для легко реализуемых компандеров с коэффициентом компрессии η = 15,15, выигрыш будет составлять 15 раз.

К основным преимуществам заявляемого устройства следует отнести следующее: увеличение числа передаваемых аналоговых сигналов по одному напалу в η раз в течение заданного интервала времени т.е. передача большего объема информации; уменьшение объема оборудования для передачи N аналоговых сигналов по сравнению с N каналами прототипа, а следовательно, и стоимости аппаратуры; снижаются требования к амплитудной характеристике усилителя, выполняющего одинаковые функции и в прототипе, и в заявляемом устройстве, линейности пилообразного напряжения генератора 2 из-за применения компрессора и экспандера; простота узлов преобразования аналога в цифру и наоборот по сравнению с АЦП и ЦАП, используемых в ИКМ системах; уменьшается интервал времени, отводимый для передачи одного аналогового сигнала в h раз, где h коэффициент компрессии.

Изобретение может быть использовало для качественной многоканальной передачи аналоговых телефонных, телевизионных, радиолокационных и других сигналов по одному каналу.

Пат.США N 3899429, кл. Н О4 В 9/00, Н О4 J 25/00, 1975 (прототип)

Формула изобретения

Устройство для передачи аналоговой информации, содержащее на передающей стороне блок сравнения, первый вход которого соединен с генератором пилообразного напряжения, а выход с входом формирователя импульсов, на приемной стороне расширитель импульсов, выход которого через первый фильтр нижних частот соединен с входом усилителя, а также линию связи, отличающееся тем, что на передающей стороне введены N фильтров нижних частот, N электронных ключей, генератор тактовых импульсов, линия задержки с отводами, первый, второй элементы ИЛИ, компрессор, причем вход линии задержки с отводами соединен с генератором тактовых импульсов, первый ее выход с первым входом первого элемента ИЛИ, остальные N выходов соединены с соответствующими управляющими входами N электронных ключей и через второй элемент ИЛИ с входом генератора пилообразного напряжения, выходы N электронных ключей через компрессор соединены с вторым входом блока сравнения, входы N фильтров нижних частот являются входами устройства, а выходы подключены к сигнальным входам электронных ключей, выход формирователя импульсов соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к линии связи, на приемной стороне введены экспандер, N электронных ключей, N фильтров нижних частот, а также последовательно соединенные блок выделения стартового импульса, формирователь импульсов и линия задержки с отводами, причем линия связи подключена к входам расширителя импульсов и блока выделения стартового импульса, N выходов линии задержки с отводами соединены с управляющими входами N электронных ключей, выход усилителя через экспандер соединен с объединенными входами N электронных ключей, выходы которых соединены с входами N фильтров нижних частот, выходы которых являются выходами устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2