Уплотне́ние сигна́лов (уплотнение линии связи, мультиплексирование сигналов; англ. signal multiplexing), метод построения системы связи, обеспечивающий одновременную и независимую передачу сообщений от $N$ отправителей к $N$ получателям по одной линии связи (физической среде распространения сигналов электросвязи). При организации связи на большие расстояния огромное значение имеет эффективность использования пропускной способности линий связи для одновременной и независимой передачи сообщений между отправителями и получателями. Уплотнение сигналов используется для построения многоканальных систем передачи, позволяющих на одной линии связи получить множество типовых каналов.

Общие принципы уплотнения сигналов

Обобщённая схема многоканальной системы передачи с уплотнением сигналов представлена на рисунке (Основы построения телекоммуникационных систем ... 2004).

Обобщённая схема многоканальной системы передачи.Обобщённая схема многоканальной системы передачи.На передающей стороне сигналы уплотняются (мультиплексируются), а на приёмной – разделяются (демультиплексируются).

Первичные сигналы $C_i(t)$ поступают в передающую часть системы передачи, где с помощью устройств $М_i$ преобразуются в канальные сигналы $S_i(t).$

Процесс преобразования первичного сигнала в канальный должен отвечать двум требованиям. Во-первых, каждый канальный сигнал $S_i(t)$ наделяется совокупностью физических признаков, отличающих его от остальных канальных сигналов; эти признаки или параметры называются разделительными, т. к. на их основе на приёмной стороне сигналы разделяются. Во-вторых, необходимо сформировать канальные сигналы так, чтобы в них содержались передаваемые сообщения, т. е. сведения о форме первичных сигналов, поступающих на входы каналов.

Многоканальный, или групповой, сигнал $S(t)$ получается объединением канальных сигналов в устройстве объединения $О.$ Способы образования группового сигнала могут быть различными. Если групповой сигнал образуется как сумма канальных сигналов, то такое уплотнение сигналов называется аддитивным. Если при формировании группового сигнала применяются другие операции, то такое уплотнение сигналов называется комбинационным. Современные многоканальные телекоммуникационные системы в основном используют аддитивное уплотнение.

Прохождение группового сигнала по линии связи (среде распространения) сопровождается помехами и искажениями, следовательно, на вход приёмной части системы передачи будет приходить сигнал $S^ \prime (t).$

Разделение группового сигнала на отдельные канальные сигналы осуществляется разделяющими (фильтрующими) устройствами $Ф_i$ на основе тех разделительных признаков, которыми первичные сигналы были наделены на передаче. На выходе устройств $Ф_i$ формируется канальный сигнал $S_i^\prime (t),$ отличающийся от канального сигнала $S_i(t)$ наличием помех и искажений, обусловленных прохождением канального сигнала по элементам оборудования систем передачи и среды распространения (линии связи).

Разделяющие устройства $Ф_i$ представляют собой линейные или нелинейные четырёхполюсники с постоянными или переменными параметрами. Чаще всего применяются системы передачи с линейным разделением каналов (сигналов).

После разделения канальные сигналы поступают на устройства $Д_i,$ где осуществляется преобразование канальных сигналов в первичные сигналы $C_i^ \prime (t),$ также отличающиеся от первичных сигналов на передаче наличием помех и искажений.

Методы уплотнения сигналов

Методы формирования канальных сигналов и их разделения можно поделить на простейшие [когда первичные сигналы передаются без каких-либо преобразований в исходном диапазоне (полосе) частот] и основанные на дополнительном преобразовании первичных сигналов в канальные с наделением их определёнными отличительными признаками (Основы построения телекоммуникационных систем ... 2004; Крук. 2003).

К простейшим методам уплотнения сигналов относят различные мостовые соединения физических цепей. Такие методы в основном применяют как вспомогательные, совместно с более совершенными методами разделения канальных сигналов.

Линейные методы уплотнения основаны на том, что устройство $М_i$ на рисунке осуществляет модуляцию первичным сигналом $C_i(t)$ некоторого сигнала $W_i(t),$ называемого переносчиком. Если принять, что сигнал $C_i(t)$ представляет собой медленно меняющуюся функцию времени $c_i,$ остающуюся постоянной на периоде переносчика $W_i(t),$ то процесс формирования канального сигнала можно записать в виде $$S(t)=c_iW_i(t)\tag 1.$$Групповой сигнал получается суммированием канальных сигналов:$$S(t)=\displaystyle\sum_{i=1}^Nc_iW_i(t)\tag 2.$$Разделяющие устройства $Ф_i$ (см. рисунок) представляют линейные четырёхполюсники, действие которых описывается одноимённым линейным оператором. Операцию разделения и преобразования сигналов на приёме можно описать выражением $$\Phi _i\big[S(t)\big]= \Phi_i \biggl[\displaystyle\sum_{k=1}^Nc_kW_k(t)\biggr]=c_iW_i(t)=S_i(t)\tag 3.$$С помощью линейного оператора $\Phi_i$ из группового сигнала выделяется только $i$-й канальный сигнал и на выходе $i$-го канала сигналов, передающихся по другим каналам, не будет. Затем с помощью устройства $Д_i$ (см. рисунок) канальный сигнал $S_i(t)$ преобразуется в первичный сигнал $C_i(t).$

Для выполнения условия $(3)$ канальные сигналы должны быть линейно независимыми. Для получения линейно независимых канальных сигналов необходимо использовать линейно независимые переносчики $W_i(t).$ В общем случае критерий линейной независимости функций $W_i(t),$ определённых на интервале $0 ≤ t ≤ T,$ формулируется теоремой Грама (см. Определитель Грама).

Из множества функций, удовлетворяющих теореме Грама, особое значение для уплотнения сигналов имеет класс ортогональных функций. К ортогональным функциям времени относятся периодические последовательности импульсов, не перекрывающиеся во времени. На основе таких переносчиков строятся многоканальные системы передачи с временны́м разделением каналов (ВРК), основанные на различных видах импульсной модуляции.

К классу ортогональных сигналов относятся и канальные сигналы с неперекрывающимися частотными спектрами. В таких системах передачи канальные сигналы являются ортогональными в частотной области. На основе таких канальных сигналов строятся системы передачи с частотным разделением каналов (ЧРК).

Кроме указанных систем линейно независимых и ортогональных переносчиков сигналов, находят применение переносчики на основе функций Якоби, Лежандра, Лаггера, Уолша и др. В этих системах канальные сигналы могут совпадать по времени и иметь перекрывающиеся спектры, поэтому такие системы относят к системам с разделением сигналов по форме.

Ныне наибольшее распространение получили аналоговые системы передачи с ЧРК и цифровые системы передачи с ВРК. В волоконно-оптических системах связи для уплотнения сигналов используется разновидность ЧРК – разделение каналов по длине волны (англ. Wavelength Division Multiplexing – WDM), а также разделение каналов по поляризации световой волны.

Нелинейные и комбинационные методы уплотнения

Нелинейные методы уплотнения сигналов для построения многоканальных систем передачи применяются редко, общая теория нелинейного разделения пока не разработана. Однако применение некоторых методов нелинейного уплотнения сигналов позволяет существенно повысить эффективность использования физических цепей. Разработаны два метода нелинейного разделения сигналов – разделение по уровню и комбинационное разделение.