Глава 2. Передача речи в св радиоканалах с временным разделением каналов приема и передачи

2.1 Анализ вариантов реализации дуплексной связи

Симплексный вид работы систем радиосвязи, обычно применяемый для связи в КВ, СВ и более низкочастотных диапазонах, требует для периодической смены направления передачи информации синхронного и обратного (противофазного) переключения радиостанций, участвующих в обмене, из режима передачи в режим приема и наоборот. Недостатки симплексного вида работы (необходимость периодического нажатия на тангенту при ведении радиотелефонной связи, влияние человеческого фактора, в результате которого может нарушаться синхронность переключения радиостанций, невозможность прослушивания другого корреспондента и его окружения в периоды времени, когда его радиостанция находится в режиме приема, а также, невозможность передачи срочного сообщения корреспонденту, когда его радиостанция находится в режиме передачи) обусловили появление множества предложений по его совершенствованию, в которых делались попытки частичного решения проблемы. На практике, однако, эти предложения распространения не нашли.

Дуплексная передача речи, широко применяемая в ОВЧ/УВЧ радиостанциях, ставшая привычной благодаря сотовым и транкинговым системам связи, в КВ и СВ диапазонах пока не нашла широкого применения из-за сложности её реализации, в частности из-за мешающего влияния на приемник собственного передатчика. Дуплексный речевой обмен, обеспечивающий непрерывный аудиоконтакт корреспондентов друг с другом, по сравнению с симплексным режимом работы является более комфортным, а в ряде приложений – необходимым, либо крайне желательным. Рассмотрим кратко методы реализации дуплексной радиосвязи в СВ и КВ диапазонах.

Традиционно для обеспечения дуплексной работы организуются два канала с дуплексным разносом несущей частоты, реализующих передачу сигнала в противоположных направлениях. В ДКМ и более низкочастотных системах связи для устранения вредного воздействия передатчика на собственный приемник и реализации дуплексного режима работы помимо частотного разнесения используется либо пространственное разнесение приемного и передающего фрагментов радиоузла, либо пространственное разнесение приемной и передающей антенн для совмещенного радиоузла или радиостанции.

Наиболее эффективным, но затратным является пространственное разнесение (на расстояние от единиц до десятков километров) приемника и передатчика, объединение их линией связи и единой системой управления. Примерами стационарных радиоузлов с пространственным разнесением приемного и передающего центров могут служить: стационарный КВ ретранслятор в монографии О.В. Головина [21]; стационарный береговой КВ радиоузел, представленный в работе [1]. Примерами мобильных КВ радиоузлов с пространственным разнесением приемных и передающих аппаратных могут служить мобильные автоматизированные радиоузлы, разработанные при участии автора [51, 52]. Связь приемных и передающих мобильных аппаратных осуществляется по радиорелейным линиям связи. Управление мобильными радиоузлами обеспечивается от аппаратной управления для радиоузла [51], либо от приемной аппаратной - для радиоузла [52].

Применение пространственного разнесения полностью решает проблемы дуплексного обмена, при этом каналы передачи и приема должны размещаться на разных частотах, но требования к величине дуплексного разнесения по частоте между ними не предъявляются. Очевидно, что метод пространственного разнесения приемного и передающего фрагментов КВ радиоузла ввиду его технической сложности и высокой стоимости реализации приемлем только для многоканальных радиоузлов с передатчиками большой мощности.

Другим методом реализации дуплексного обмена является пространственное разнесение приемных и передающих антенн в совмещенных приемопередающих радиоузлах. В ряде случаев возможности пространственного разнесения на расстояния в единицы или десятки километров приемного и передающего фрагментов радиоузла отсутствуют [1], например, при размещении радиоузла на корабле, самолете, автомобиле, крыше здания. При этом, как правило, возможности разнесения приемных и передающих антенн также ограничены. Подключение приемника и передатчика ДКМ радиостанции на разные антенны с их разнесением на 100 ÷ 200 м позволяет увеличить «изоляцию» приемного тракта от передающего на 30 ÷ 50 дБ, что дает возможность реализовать дуплексный режим работы при использовании приемников с повышенной избирательностью, разнесении частот приема и передачи не менее 10% номинального значения и выполнении жестких требований к передатчику по величине внеполосных излучений. В Омском НИИ приборостроения при участии автора в качестве зам. главного конструктора разработана мобильная приемопередающая аппаратная на базе шасси КАМАЗ, включающая в своем составе КВ приемники с повышенной избирательностью (12 каналов приема) и два передатчика мощностью 1 кВт каждый. Дуплексная работа приемников и передатчиков достигается за счет пространственного разнесения приемных и передающих антенн на расстояние 100 – 150 м. Разработка совмещенной приемопередающей аппаратной является существенным шагом вперёд, т.к. при этом достигается значительное снижение стоимости радиоузла, по сравнению с территориально разделенным, уменьшение необходимого количества транспортной техники, обслуживающего персонала, уменьшение времени развертывания и свертывания и др. Недостатком совмещенных радиоузлов с разнесёнными приемными и передающими антеннами является выпадение из обмена области частот, обеспечивающей дуплексный разнос частот приемных и передающих каналов, составляющей порядка 10% номинала рабочей частоты, т.е. значительную часть диапазона ОРЧ.

Работа приемника и передатчика радиостанции на одну антенну с использованием дуплексного фильтра, как это реализуется в ОВЧ и более высокочастотных диапазонах, вСВ и КВ диапазонах частот не применяется из за невозможности организовать достаточный дуплексный разнос частот приема и передачи, невозможности применения эффективных объемных резонаторов. Невозможность обеспечить одновременные прием и передачу на одну антенну при частотном разнесении не позволяет реализовать дуплексный режим обмена вСВ и КВ диапазонах частот в портативных радиостанциях (1¼20 Вт) и в работающих на ходу мобильных радиостанциях (10¼200 Вт), что значительно сокращает область применения режима дуплексного обмена.

Рассмотрим реализацию дуплексного обмена в транкинговых системах связи УКВ диапазона.

В транкинговых системах связи с аналоговой передачей речи (стандарты MPT1327, SmarTrunk, LTR, Smartnet и др.) основной режим работы абонентских радиостанций - двухчастотный симплекс, при этом на базовой станции используются дуплексные радиостанции-ретрансляторы [76]. Между тем, в ТСС перечисленных стандартов предусмотрена возможность обеспечения дуплексной связи. В этом случае используют более дорогие дуплексные абонентские радиостанции (реализация дуплексных абонентских радиостанций возможна на частотах порядка 150 МГц и выше). Кроме того, для обеспечения дуплексной связи двух абонентов друг с другом необходимо выделение на базовой станции вместо одного транкингового канала, включающего разнесенные по частоте канал передачи и канал приема, двух транкинговых каналов, т.е. использования дополнительного ретранслятора. Необходимо отметить, что перечисленные аналоговые транкинговые системы связи ориентированы на работу в диапазонах частот ОВЧ/УВЧ – 150 МГц и выше, хотя известны примеры создания систем SmarTrunk в диапазоне 33-48 МГц [77]. Транкинговые системы указанных выше протоколов могут быть реализованы и в СВ диапазоне радиоволн, однако при этом потребуются более габаритные антенны на базовой станции и значительно больший пространственный разнос приемных и передающих антенн для обеспечения дуплексной работы базовой станции. Реализация же дуплексной связи в такой системе СВ диапазона станет проблематична из-за невозможности создания дуплексной носимой и мобильной радиостанций с частотным разделением каналов приема и передачи, работающих на одну антенну.

В современных цифровых сотовых и транкинговых системах связи УКВ диапазона для реализации дуплексного обмена широко применяется комбина-ция частотного и временного разнесения каналов приема и передачи. При этом, базовые станции реализуются как обычные дуплексные радиостанции с разне-сением частот приема и передачи. Однако прием и передача в каждом транкин-говом канале реализуется в разные отрезки времени (слоты), что позволяет в качестве абонентских радиостанций использовать симплексные цифровые радиостанции, периодически переключаемые с приема на передачу для передачи и приема элементов речевого сигнала, чем обеспечивается временное разнесение. Рассмотрим реализацию дуплексного взаимодействия базовой и абонентской станций на примере стандарта TETRA [60, 77], разработанного Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (European Telecommunications Standards Institute), используемая аббревиатура - ETSI.

Основным элементом временной структуры физического канала стандарта TETRA является кадр, содержащий 4 временных окна (по 14,167 мс), что позволяет на одной несущей реализовать 4 независимых транкинговых канала. Дуплексная базовая станция выделяет в каждом кадре для абонентской станции одно временное окно для приема информации на частоте F1 и одно окно для передачи информации на частоте F2, при этом окна приема и передачи информации сдвинуты друг относительно друга на длительность двух окон. На рис. 2.1 представлен кадр абонентской радиостанции стандарта ТЕТРA. На абонентских радиостанциях производятся следующие преобразования речевого сигнала:

- преобразование с помощью АЦП (16 разрядов) аналогового речевого сигнала в цифровую последовательность с частотой выборок 8 кГц;

- кодирование цифрового сигнала речи кодером CELP с целью сокращения избыточности (при этом скорость цифрового потока речевого сигнала снижается до 4,8 кбит/с);

 

Рис. 2.1. Кадр абонентской радиостанции стандарта ТЕТRA.

- селективное канальное кодирование сжатого цифрового сигнала, включающее процессы блочного кодирования, сверточного кодирования, перемежения и скремблирования (при этом формируются пакеты речевого сигнала по 432 бит, полученные на длительности всего кадра и предназначенные для передачи в радиоканал в выделенном для передачи временном окне);

- пакет дополняется служебной информацией (при этом его длина доводится до 510 бит) и в интервалы временного окна передачи излучается абонентской радиостанцией в радиоканал со скоростью 36 кбит/с.

Базовая станция заменяет служебную информацию в принимаемых пакетах, оставляя неизменным речевой сигнал, и отправляет новые пакеты на абонентскую радиостанцию другого корреспондента.

С принимаемыми от базовой станции пакетами абонентская станция проводит цикл операций, обратный вышеописанному, получая в итоге исходный цифровой речевой сигнал, который подается на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), а затем, после фильтрации и усиления, - на динамик.

Таким образом, организация дуплексной связи с временным разделением каналов приема и передачи в стандарте TETRA, как и в ряде других цифровых стандартах, позволяет использовать в качестве абонентской станции симплексную радиостанцию, регулярно переключаемую с необходимой скоростью с приема на передачу. Временное разнесение процессов приема и передачи речевого сигнала в абонентской радиостанции существенно упрощает решение задачи электромагнитной совместимости, т.к. в периоды работы передатчика приемник отключается от антенны. Применяемый дуплексный разнос частот приема и передачи (в стандарте TETRA он составляет 10 МГц) необходим для дуплексной работы базовой станции.

Существующие транкинговые и сотовые системы связи с временным разнесением каналов приема и передачи, в том числе и рассмотренная выше TETRA, также предназначены для работы в диапазонах ОВЧ/УВЧ.

Рассмотрим возможно ли реализовать в диапазоне СВ дуплексный режим с временным разнесением каналов приема и передачи. Положительный ответ на этот вопрос позволит применить его в портативных и мобильных радиостанциях указанного диапазона.