Дуплексная радиосвязь

Невозможны одновременная передача, приём беспроводной связью единой частоты. Результатом станет ужасная интерференция. Андре Голдсмит «Беспроводные коммуникации»

Дуплексная радиосвязь предусматривает одновременную двустороннюю передачу информации. Исторически первыми концепцию реализовали трансатлантический телеграф (1870-е), телетайпы (1890-е). Идея вызвана необходимостью экономии спектра физического канала. Океанический кабель слишком дорого стоил. Случай телетайпов немного отличен: идея уже была известна, некто придумал способ получения дополнительной прибыли, пользуясь скромными запросами печатающих устройств (ниже голосовой линии).

Примеры симплексных систем

Лучше прочувствовать принцип действия симплексной передачи информации помогут примеры систем однонаправленного потока информации:

1. Вещание.
2. Микрофоны звукозаписи.
3. Наушники.
4. Радионяни.
5. Беспроводная система управления рольставнями.
6. Камеры слежения.

Симплекс характеризуется отсутствием необходимости, возможности двухсторонней передачи информации.

Принцип действия

Дуплексная коммуникационная система обычно соединяет две точки (противопоставляя себя вещанию). Современными компьютерными портами (Ethernet) часто осуществляется аналогичный ход, выделяют отдельную витую пару каналам приёма, передачи. После телеграфа, телетайпа концепция настигла телефонные линии. Общеизвестно: абоненты могут говорить одновременно. Расслышать собеседника – вопрос десятый.

Цифровая техника предоставляет видимость эффекта дуплексной радиосвязи. Передатчик давно сжёг бы приёмник, работай каналы одновременно. Однако временное деление функционирует быстро, пакеты коммутируются столь искусно, что собеседники бессильны заметить «подвох». Дуплекс бывает неполным. Полудуплексный метод применяется рациями. Канал разбивается, благодаря внедрению кодовых вызывных комбинаций слов, произносимых абонентами.

Временное деление каналов

Разделение каналов с выделением временных слотов абонентам демонстрирует весомые преимущества на линиях с несимметричными скоростями (загрузка, выгрузка данных). Типичный пример – интернет. Весомое неравенство каналов входящей, исходящей информации сделало возможным спутниковый доступ (запрос по местной мобильной сети, ответ – из космоса). Примеры:

• Стандарт третьего поколения сотовой связи 3G.
• Беспроводная телефония DECT.
• WiMAX (3G+).
• Некоторые разновидности LTE.

Широкое распространение методики дало внедрение импульсных устройств (середина 60-х годов XX века). Причиной существующего положения эксперты называют появление твердотельной электроники. Ламповые дискретные устройства занимали слишком большое пространство. Приёмопередающее оборудование требовало наличия просторного помещения. Первоначально создали два режима сжатия канала:

1. Синхронная (циклическая) передача подразумевает периодическое подключение к линии абонентов. Последовательность строго оговорена. Разрабатывается структура кадра, внедряются синхронизирующие сигналы. Характер кодирования безразличен.
2. Асинхронная передача практикуется цифровыми системами. Информация посылается заблаговременно сформированными пакетами размером сотни-тысячи бит. Наличие адресов делает возможным асинхронную схему взаимодействия. Сегодня принцип использует даже сотовая связь. Современные протоколы предусматривают пакеты с чётным количеством байтов. Поэтому отсутствие синхронизации чисто формальное.

Пакет дополнен заголовком. Состав информации определён стандартом протокола. Канал загружается периодически, с частотой передачи пакетов. Традиционные советские системы использовали 8 кГц (телефонный сигнал дискретизируется со скоростью 64 кбит/с). Методы модуляции несущей:

• Широтно-импульсная.
• Амплитудно-импульсная.
• Время-импульсная.

Двоичный сигнал кодируют прямоугольными импульсами. Спектр выходит бесконечно широким, реальный сигнал обрезают фильтрами. В результате фронты сглаживаются. Растягивание вызывает межимпульсную интерференцию. Помехи по соседнему каналу вызваны пересечением спектров. Параметры систем временного разделения каналов стандартизированы, иерархия получила название плезиохронной:

1. Первая ступень несёт 32 канала (32 х 64 = 2048 кбит/с). 2 канала отдают служебным сообщениям.
2. Следующие ступени (120, 480, 1920) формируются путём уплотнения 4 цифровых потоков побитным мультиплексированием. Причём некоторые разделы стандарта были сформированы заблаговременно, не найдя немедленной аппаратной реализации.

Оптоволоконной альтернативой приведённому методу называют синхронную цифровую иерархию. Алгоритм нацелен обеспечивать крупные ветви сети, где скорости значительные. Требуется повальная синхронизация узлов. Длительность блока (синхронного транспортного модуля) составляет прежние 125 мс (8 кГц). Цифровая длина – 2340 байт. Заголовку отводится 90. Сформирована 5-ступенчатая иерархия согласно размеру пакетов. Мелкие могут являться составными частями крупных.

Частотное деление

Впервые применил частотное деление войсковой связист Игнатьев Г.Г. (1880). Военный подразумевал повторить опыт трансатлантического кабеля. Хотел расширить рамки проложенного кабеля (поле боя оставляет мало времени сантиментам). Передающая аппаратура формирует набор стандартных аналоговых сигналов (обычно 12) стандартной ширины 300-3500 Гц. Блок включает нужное число генераторов выбранного диапазона связи. Канальный промежуток составляет 900 Гц (ДВ).

Групповой аналоговый сигнал занимает 48 кГц. Сегодня приёмопередающее оборудование задействует одновременно две частоты (минимум). Принцип широко используется любительской радиосвязью. Дальнобойщики хорошо знают каналы бедствия, вызова. Пример универсален, касается двустороннего общения радиолюбителей планеты. Первые аналоговые сети использовали внеполосный цифровой вызов станции – слабый пример дуплекса.

Частотное деление – идеальный вариант организации канала симметричного трафика. Базовые станции перестают слышать друг друга, устраняется интерференция. Примеры:

1. ADSL.
2. CDMA2000.
3. IEEE 802.16 (разновидность WiMAX).

Кодовое деление

Частота выборки телефонного сигнала – 64 кГц, используется фазовая манипуляция:

• 1 – 0 градусов.
• 0 – 180 градусов.

Чтобы закодировать цифровой сигнал, бит дополнительно разбивают. Впервые методика продемонстрирована системой Зелёный шершень времён Второй мировой войны. Наложение псевдошумового сигнала сильно озадачило фашистов. Союзники, разделённые Атлантическим океаном, провели свыше 3000 совместных конференций.

Длину кода называют базой сигнала. Графически нули и единицы наложенной последовательности обозначают +1 и -1, явно отличая от основного информационного сообщения. Наложение расширяет спектр в число раз, равное базе. Искусственное увеличение позволяет избежать интерференции. Особенность прямо касается вышек сотовой связи. Каждый канал получает фиксированную кодирующую последовательность, осуществляя концепцию ортогональности. Число совпадающих битов равно числу не совпадающих.

Приёмник корреляционного типа. Часто заменяют согласованным фильтром. Опорным выступает код канала с фазовой манипуляцией. Пытаясь снизить ширины спектры, применяют специальные коды. Хорошо себя зарекомендовал псевдошумовой сигнал. Межканальные помехи вызваны искажениями группового сигнала:

• Коррективы, вносимые полосами пропускания радиоэлектронных устройств.
• Мультипликативные помехи эфира.
• Недостаточная ортогональность кодов.

Стандарт IS95 стал основой сотовых сетей CDMA, спутниковой связи Globalstar.

Устранение эхо

Двусторонние системы громкой связи создают эффект положительной обратной связи, выражающийся резким свистом. Звук динамика достигает микрофона, усиливается, передаётся оппоненту. Визави повторяет порядок преобразований, возвращая послание. Громкость нарастает.

Стандарты модемов, компьютерных шин предусматривают подавление эха. Лишённая техники блокировки отражённого сигнала система бессильна развить полную скорость. Работа цифровых сетей требует жёсткой синхронизации.