Многоканальная одновременная передача цифровой информации по двухпроводной линии

Предложен способ многоканальной одновременный трансляции цифровой информации от n источников по двухпроводной линии или радиоканалу. Для реализации способа использован входной формирователь импульсов, обеспечивающий соотношение амплитуд входных сигналов согласно ряду a2^n–1, где a – постоянный множитель. Суммарный сигнал от формирователя импульсов поступает по двухпроводной линии передачи на приемное устройство. Приемное устройство представляет собой амплитудный анализатор, содержащий 2ⁿ–1 компараторов, к выходам которых подсоединен формирователь выходных сигналов, восстанавливающий вид исходных входных сигналов. Способ позволяет в n раз повысить пропускную способность двухпроводной линии передачи.

Вопрос повышения пропускной способности линии передачи информации остается актуальным на протяжении многих десятилетий. Для этого используется множество технических решений, имеющих как индивидуальные достоинства, так и определенные недостатки. Ниже рассмотрим способ кодирования совокупности входных цифровых сигналов для передачи их по двухпроводной линии, в том числе по радиоканалу, с использованием декодирующего устройства на стороне приема информации.

Устройство для реализации способа многоканальной трансляции цифровой информации по двухпроводной линии представлено в виде структурной схемы на Рисунке 1. Входные цифровые сигналы от нескольких источников, имеющие стандартные логические уровни, одновременно поступают на формирователь входных импульсов, позволяющий ранжировать эти сигналы по амплитуде с определенным шагом. Далее сформированные таким образом сигналы поступают через двухпроводную линию передачи информации на приемное устройство. Входной узел приемного устройства представляет собой амплитудный анализатор, позволяющий сортировать сигналы по их уровню. Далее сигналы с амплитудного анализатора поступают на устройство выборки – формирователь выходных импульсов, позволяющий восстановить форму и амплитуду исходных сигналов, поступающих на вход.

Рисунок 1.	Структурная схема устройства для многоканальной трансляции цифровой информации по двухпроводной линии.

Значения уровней цифровых сигналов для n-канальной передачи данных по двухпроводной линии должны отвечать прогрессии, сумма двух или более членов которой не могут быть идентичны любому члену этой прогрессии.

Один из возможных вариантов такой прогрессии может быть выражен рядом N(n) = a2^n–1, где a – постоянный множитель; n = … –4, –3, –2, –1, 0, 1, 2, 3, 4… – порядковый номер члена прогрессии. Например: при a = 1 и n > 0 N(n) = 1, 2, 4, 8, 16…

Сумма любого количества членов этой прогрессии при a = 1 и n > 0 составит ряд 1, 2, 3, 4, 5, 6, …

Для восстановления исходных сигналов на приемной стороне потребуется 2ⁿ–1 компараторов.

Вариант практического устройства для одновременной двухпроводной передачи цифровой информации от двух источников показан на Рисунке 2. Входной двухканальный формирователь импульсов выполнен на основе резистивных делителей R1–R7. Благодаря наличию этих делителей на резисторе R7 при подаче на вход U_ВХ1 цифрового сигнала с частотой f₁ и амплитудой 10 В выделяется сигнал соответствующей частоты амплитудой 1 В. При подаче на вход U_ВХ2 цифровых сигналов частотой f₂ и амплитудой 10 В на резисторе R7 выделяется сигнал соответствующей частоты амплитудой 2 В.

Рисунок 2.	Устройство для одновременной передачи цифровой информации от двух источников по двухпроводной линии (растущий столбик). Нагрузочные резисторы компараторов, если они необходимы, не показаны.

Суммарный сигнал входных импульсов подается по двухпроводной линии на вход амплитудного анализатора на основе вертикальной линейки компараторов DA1.1–DA1.3, включенных по схеме «растущий столбик». При помощи резистивного делителя R8–R11 шаг переключения компараторов выбран в 1 В.

Сигналы с выходов компараторов амплитудой 10 В поступают на формирователь выходных импульсов – устройство сортировки выходных импульсов, выполненное с использованием транзистора VT1 и эквивалента логической схемы «2И» на диодах VD1, VD2 и резистора R14.

Если сигнал на входе амплитудного анализатора равен 1 В, переключается компаратор DA1.3, и сигнал с его выхода через резистор R12 и диод VD2 поступает на U_ВЫХ1. Если уровень входного сигнала равен 2 В, одновременно переключается уровень выходных сигналов компараторов DA1.2 и DA1.3. Сигнал с выхода компаратора DA1.2 поступает на затвор транзистора VT1, открывает его и запрещает прохождение сигнала от компаратора DA1.3 на выход U_ВЫХ1. В то же время сигнал с выхода компаратора DA1.2 беспрепятственно поступает на выход U_ВЫХ2.

Если уровень суммарного входного сигнала равен 3 В, одновременно переключают свое состояние все три компаратора. Однако прохождение сигнала с выхода компаратора DA1.3 на выход U_ВЫХ1 запрещено. Сигнал с выхода DA1.2 напрямую поступает на выход U_ВЫХ2, а сигнал с выхода компаратора DA1.1 поступает на выход U_ВЫХ1. Таким образом, сигнал на выходе U_ВЫХ1 полностью повторяет входной сигнал, наблюдаемый на входе U_ВХ1; а сигнал на выходе U_ВЫХ2 полностью идентичен входному сигналу, регистрируемому на входе U_ВХ2.

Схема устройства для одновременной передачи цифровой информации от трех источников цифровых сигналов представлена на Рисунке 3. Схема отличается тем, что компараторы с использованием выходных логических элементов «Исключающее ИЛИ» работают в режиме бегущей точки, т.е. по мере повышения уровня входного сигнала на выходах логических элементов DD1.1–1.4, DD2.1–DD2.3 уровень логической единицы последовательно перемещается по вертикали с ростом уровня входного сигнала.

Рисунок 3.	Устройство для одновременной передачи цифровой информации от трех источников по двухпроводной линии (бегущая точка). Нагрузочные резисторы компараторов, если они необходимы, не показаны.

Формирователь уровней выходных сигналов выполнен с использованием диодов VD1–VD12. Выходные восстановленные сигналы можно непосредственно снимать с резисторов R17–R19, однако для повышения нагрузочной способности использованы элементы «2И» DD3.1–DD3.3. В этих же целях могут быть использованы обычные повторители напряжения. Как и в предыдущем случае, шаг переключения компараторов составляет 1 В.

В Таблице 1 показано, как изменяется высокий логический уровень на соответствующем выходе амплитудного анализатора при нормированных уровнях входных сигналов: a = 1 В, b = 2 В и c = 4 В.

Таблица 1.	Суммирование уровней входных сигналов при различном их сочетании
UВХ,В a = 1 b = 2 c = 4 1 * — — 2 — * — 3 * * — 4 — — * 5 * — * 6 — * * 7 * * *
* Высокий логический уровень на соответствующем выходе    устройства.

На Рисунке 4 графически представлена динамика процессов, наблюдаемых в различных точках устройства, наглядно отображающая процесс восстановления уровней входных сигналов на его выходах.

Рисунок 4.	Диаграммы цифровых сигналов, снимаемых раздельно с выходов формирователя входных ранжированных сигналов (a = 1, b = 2 и c = 4 В); их суммарный вид во времени (Z) и вид восстановленных цифровых сигналов (A, B, C) на выходах устройства.

Представленные на Рисунках 2 и 3 схемы устройств для одновременной трансляции двух или трех сигналов по одной линии позволяют, соответственно, в два или в три раза повысить пропускную способность этой линии.

Последующее увлечение пропускной способности ограничено растущий сложностью декодирующего устройства. Так, например, для передачи по двухпроводной линии сигналов от четырех источников информации потребуется уже 15 компараторов и множество иных компонентов, а для передачи сигналов от пяти источников – 31 компаратор.

Для многоканальный передачи цифровой информации может быть использована не только проводная линия, но и радиоканал.