Что такое дуплекс в радиосвязи
Классификация каналов связи. Симплексный. Полудуплексный. Дуплексный.
В технических системах часто возникает задача связать две подсистемы или два узла для организации информационного обмена между ними. Полученную коммуникативную связь называют каналом связи.
Каналы связи можно разделить по типу передаваемого сигнала (электрический, оптический, радиосигнал и т.д.), по среде передачи данных (воздух, электрический проводник, оптоволокно и т.д.) и по многим другим характеристикам. В этой статье речь пойдёт о делении каналов связи по режимам и правилам приёма и передачи информации. По указанным признакам каналы связи делят на симплексные, полудуплексные и дуплексные.
Симплексная связь
Симплексный канал связи — это односторонний канал, данные по нему могут передаваться только в одном направлении. Первый узел способен отсылать сообщения, второй может только принимать их, но не может подтвердить получение или ответить. Типичным примером каналов связи этого типа является речевое оповещение в школах, больницах и других учреждениях. Другой пример — радио и телевидение.
При симплексной передаче данных один узел связи имеет передатчик, а другой (другие) приёмник.
Полудуплексная связь
Полудуплексная связь При полудуплексном типе связи оба абонента имеют возможность принимать и передавать сообщения. Каждый узел имеет в своём составе и приёмник, и передатчик, но одновременно они работать не могут. В каждый момент времени канал связи образуют передатчик одного узла и приёмник другого.
Типичным примером полудуплексного канала связи является рация. По рации обычно происходит приблизительно такой диалог:
— Белка, Белка! Я Мадагаскар! Приём!
— Мадагаскар, я Белка. Приём!
Слово «Приём» делегирует право на передачу сообщения. В этот момент узел, который был приёмником, становится передатчиком и наоборот. Конечно, направление обмена данными меняется не само по себе. Для этого на рации предусмотрена специальная кнопка. Человек, начинающий говорить, зажимает эту кнопку, включая свою рацию в режим передачи. После этого он произносит своё сообщение и кодовое слово «Приём», отпускает кнопку и возвращается в режим приёмника. Кодовое слово даёт другому абоненту понять, что сообщение закончено и он может переключиться в режим передачи для ответного сообщения. Слово «Приём» позволяет избежать коллизий, когда оба абонента начнут передавать одновременно и ни одно из сообщений не будет услышано собеседником.
Дуплексная связь
По дуплексному каналу данные могут передаваться в обе стороны одновременно. Каждый из узлов связи имеет приёмник и передатчик. После установления связи передатчик первого абонента соединяется с приёмником второго и наоборот.
Классическим примером дуплексного канала связи является телефонный разговор. Безусловно, одновременно говорить и слушать собеседника тяжело для человека, но такая возможность при телефонном разговоре имеется, и,согласитесь, разговаривать по дуплексному телефону гораздо удобнее, чем по полудуплексной рации. Электронные же устройства, в отличие от человека, без проблем могут одновременно передавать и принимать сообщения, благодаря своему быстродействию и внутренней архитектуре.
Что такое дуплекс в радиосвязи
Перед тем, как приступить к обсуждению принципов организации систем связи, следует определиться с терминами, которые мы будем использовать при обозначении того или иного действия. К сожалению, в этой области не существует конкретных названий, однозначно характеризующих «методы», «способы» и «виды». Поэтому мы оставляем за читателем право выбора предпочтительного слова.
Примечание: Если не оговорено иное, то приведенные ниже соображения относятся к подвижной наземной связи, организуемой в диапазонах УКВ и ДЦВ (с некоторыми допущениями – «Low Band»).
Симплекс, дуплекс и нечто среднее
Для связи используется одна частота, как для приема, так и для передачи. Экономично, просто, понятно.
Радиосвязь осуществляется одновременно на двух частотах. На одной прием, на другой передача. На этом принципе работают телефонные системы. Неэкономично, сложно и, в подвижной связи, непонятно зачем.
Полудуплекс (двухчастотный симплекс)
Радиосвязь осуществляется с использованием двух частот: приемной и передающей, но, по сравнению с дуплексом, не одновременно, а поочередно. Сигнал принимается на одной частоте, а передается на другой. В один момент времени абонент может находиться либо в режиме «прием» либо «передача». Неэкономично, но в большинстве случаев – необходимо.
Обычно первичной задачей любой системы связи является обеспечение требуемой (очень большой) дальности связи. Но дальность, к сожалению, ограничена физикой. Как утверждают очевидцы, наша планета представляет собой шар, кривизна поверхности которого не позволяет осуществлять связь за пределы горизонта. А это значит, что между портативными радиостанциями, находящимися в руках у стоящих вертикально людей на открытой равнинной местности, связь возможна на расстоянии ок. 5 км. Если надо больше (99.9% случаев), то применяют ретрансляторы.
Ретранслятор это устройство, принимающее радиосигнал и передающее его в эфир. Зачем же нужна подобная «перепередача»? Дело в том, что для увеличения дальности связи необходимо преодолеть шарообразность Земли, а это достигается подъемом приемника и/или передатчика. Если все абоненты «рождены ползать», тогда единственным выходом станет применение отдельного устройства установленного на достаточной высоте, которое будет принимать и с высоты передавать сообщения, «раздвигая горизонты». Наибольшую зону охвата будет иметь ретранслятор, установленный на… искусственном спутнике Земли в космосе. Если же опуститься на Землю, то для обеспечения заданного охвата наиболее простым вариантом будет установка ретранслятора на искусственном или естественном высотном сооружении (здание, мачта, холм).
Практически ни одна современная система связи не обходится без ретранслятора. Среди редких исключений можно упомянуть магазины, строительные площадки, стадионы и т.п. В остальных случаях требуется зона охвата, превышающая возможности прямой связи.
Теперь можно выяснить в каких случаях применяется симплекс и полудуплекс.
Из рисунка видно зачем (почему) нужен полудуплекс (двухчастотный симплекс). Так как ретранслятор непрерывно передает принятые сигналы (дуплекс), то он не может делать это на одной и той же частоте (сигналы передатчика будут тут же приниматься приемником – замкнутый круг). Поэтому дуплексный ретранслятор работает на разных частотах, номиналы которых должны отличатся на определенную величину (зависит от оборудования, системы и др.). Соответственно в абонентских радиостанциях должны использоваться те же частоты, но в «перевернутом» виде (приемная частота ретранслятора должна соответствовать передающей у радиостанций и наоборот). Так как у всех абонентских радиостанций одинаковы передающие и приемные частоты, то прямая связь между ними невозможна.
Получается, что ретранслятор непрерывно излучает принимаемый сигнал, а в абонентских радиостанциях режим прием/передача должен переключаться. В один момент времени или говорю или слушаю. Чем выше чувствительность и мощность ретранслятора и выше установлены антенны, тем большую зону можно охватить устойчивой радиосвязью.
Но если не хватает частот, денег или того и другого (наиболее распространенный случай), то можно обойтись симплексом. В таком случае абонентское оборудование остается тем же, только в нем программируются одинаковые приемные и передающие частоты. А вот в качестве ретранслятора можно использовать… обычную абонентскую радиостанцию. Но она не может принимать и передавать одновременно, что, кстати, и не требуется (да и нельзя, как мы уже рассмотрели).
Для работы такого ретранслятора (его, кстати, обычно называют симплексным) требуется специальное устройство – контроллер симплексного ретранслятора. Устройство представляет собой так называемый цифровой магнитофон, который записывает принимаемое сообщение до тех пор, пока оно присутствует в эфире (или пока не кончится «пленка»). После пропадания сигнала, контроллер переключает радиостанцию в режим передачи, и записанное сообщение воспроизводится в эфире. Получается, что достаточно одной частоты и одной (не дуплексной) радиостанции.
При всей простоте и относительной дешевизне метода, у него есть серьезный недостаток: абонент должен тратить время на проговаривание сообщения, и затем ждать, пока оно воспроизведется в эфире. Таким образом, на радиопереговоры при использовании симплексного ретранслятора потребуется в два раза больше времени, чем при использовании дуплексного. Если количество денег и радиочастот являются определяющими факторами и можно смириться с потерей оперативности, то применение симплексных ретрансляторов (как их еще называют «симплексеры», «эхо-репитеры», «кукушки» или «попугаи» – воистину безгранична человеческая фантазия и русский язык) может оказаться наиболее рациональным путем решения задачи.
Дуплекс применяют при непрерывной ретрансляции.
Симплекс – в случаях прямой связи (без ретрансляторов) или в случае симплексной ретрансляции.
Несколько слов о полном дуплексе
При полном дуплексе (как и при полудуплексе) используются две частоты, но абонентские радиостанции в один момент времени находятся одновременно и в режиме приема, и передачи, т.е. аналогично телефону. Бесспорно, это повышает удобство переговоров, так как они ведутся в привычной для человека манере. Но использование дуплекса существенно усложняет и, следовательно, удорожает оборудование, т.к. абонентская станция должна содержать два независимых тракта – приемник и передатчик (в симплексных станциях основную часть электрической схемы обычно объединяют). Кроме того, в большинстве систем дуплексная связь невозможна между радиоабонентами, а осуществима только при соединениях с телефонной сетью. Но даже при этом в серьезных системах связи (например, в транковых системах МРТ 1327), при проведении дуплексной связи выделяются два дуплексных канала (4 радиочастоты!). Это повышает нагрузку на систему и требует увеличения каналов, а это, в свою очередь, ведет к усложнению и, следовательно, удорожанию системы. Существует варианты дуплекса в разных частотных диапазонах, например: прием в 138–174 МГц, а передача в 400–470 МГц. Но такой подход также сопряжен с рядом сложностей: выделение частот в разных диапазонах, усложнение системы, повышенные требования к настройке. Вряд ли вам удастся найти на рынке, оборудование серьезных производителей рассчитанное на работу в междиапазонном дуплексе (обычно называют «кросс-диапазонный» дуплекс). По нашим сведениям такое оборудование выпускает небезызвестная японская компания «Alinco».
Аналоговые транковые системы на основе протоколов MPT 1327 и LTR позволяют применять дуплекс в одном частотном диапазоне, но дуплексные радиостанции в этих системах обладают низкой мощностью, что подразумевает многозоновую конфигурацию, как в сотовых сетях.
На рынке представлены десятки производителей радиосвязного оборудования и среди всего множества предложений только единицы являются дуплексными образцами. Практически все дуплексные системы предназначены для работы в диапазоне 800 МГц. Связано это с тем, что на низких частотах невозможно создать дуплексный фильтр (устройство, позволяющее приемнику и передатчику одновременно использовать одну антенну) таких размеров, чтобы он уместился в корпусе портативной радиостанции.
Намного проще реализовать дуплекс в цифровых системах связи (TETRA, Tetrapol, APCO-25, GSM). Но в них понятие дуплекса несколько отличается от принятого в аналоговой связи. Дуплекс в цифровом виде – это не одновременные прием и передача, а прием и передача, разделенные во времени. То есть в каждый момент времени радиостанция находится либо в режиме приема, либо передачи. Переключение происходит настолько часто, что абонент его просто не слышит (например, в TETRA 18 раз в секунду). Следовательно, отпадает необходимость во включении в конструкцию радиостанций относительно габаритного дуплексного фильтра.
Дуплексная радиосвязь не получила широкого распространения среди систем подвижной связи еще и потому, что в оперативных условиях нет необходимости вести пространные беседы о погоде или справляться о здоровье. Служебная связь призвана решать задачи производства, управления, безопасности. А в этих сферах обычно отдаются команды и распоряжения и принимаются отчеты о проделанной работе.
Допустим, мы обеспечили требуемую зону покрытия, и теперь можем приступить к реализации сервисных функций. Т.е. того, что собственно и характеризует систему связи. Обычно под уровнем сервиса понимают возможности связи с конкретными абонентами, групповую связь, соединение с телефонной сетью, передачу цифровых данных и т.п.
Пожалуй основной задачей (после обеспечения требуемой зоны охвата) является адресация вызова конкретному абоненту без возможности прослушивания другими.
Если не принять определенных мер, то при работе в эфире любой радиостанции, остальные, настроенные на эту же частоту будут слышать сообщения. В некоторых случаях с этим можно мириться (охрана небольшого объекта, строительная площадка, стадион), а иногда это даже нужно (вызов свободного такси, ближайшей патрульной машины милиции и т.п.). Но в остальных случаях сообщения должны направляться конкретному абоненту (группе), а остальным переговоры слышать не нужно или нельзя.
Процесс направления вызова конкретному абоненту (абонентам) обычно называют идентификацией. Существует несколько основных способов идентификации, которые мы и рассмотрим ниже.
При построении систем связи для идентификации абонентов и групп чаще всего используются специальные устройства кодировки/декодирования, так называемые шумоподавители. Наибольшее распространение получили тональные (CTCSS), цифровые (DCS) и кодовые (DTMF) шумоподавители или их комбинации.
Тональный шумоподавитель (CTCSS)
Принцип идентификации с помощью CTCSS заключается в том, что к полезному сигналу «примешивается» тон определенной звуковой частоты, так называемый субтон (более по-русски – пилот тон). Приемник радиостанции будет активизироваться («открываться») только в том случае, если в принимаемом сигнале присутствует субтон, на который радиостанция настроена. Пример связи с использованием тонального шумоподавителя показан на рисунке.
Как видно из рисунка, связь с использованием CTCSS возможна только между абонентами, у которых совпадают частотный канал (частота) и субтон тонального шумоподавителя.
Подобные системы требуют наличия в радиостанции устройства, формирующего и анализирующего CTCSS тоны. Это устройство может быть оформлено в виде независимого модуля, встраиваемого в радиостанцию, либо являться частью схемы. Обычно CTCSS модуль может формировать 38–50 тонов в каждом частотном канале радиостанции. Использование CTCSS позволяет организовывать достаточно развитые системы радиосвязи с групповыми (реже индивидуальными) вызовами. В некоторых случаях (особенно в районах со сложной электромагнитной обстановкой), будет нелишне встроить (активизировать) CTCSS даже в простых симплексных системах связи без идентификации. Это позволит частично защитить систему от помех и в некоторой степени от нелегальных абонентов. Например, ретранслятор системы не будет «открываться» на сигналы, не содержащие требуемого CTCSS тона.
Частоты пилот-тонов лежат в диапазоне ниже 300 Гц (обычно 67–250 Гц) и при приеме не слышны в громкоговорителе радиостанции, так как вырезаются специальными фильтрами.
Следует учитывать, что использование пилот-тонов не позволяет расширить емкость системы (количество абонентов). Все равно в один момент времени, на одном частотном канале может проводиться только один сеанс связи (абонент–абонент, абонент–группа, группа–группа). Это связано с тем, что радиостанция не может одновременно принимать два сигнала, с одинаковой частотой, даже если у них разные тоны (увы, физические принципы радиосвязи фундаментальны). Поэтому емкость системы не зависит от метода и сложности идентификации, а ограничена пропускной способностью системы. Одна частота (дуплексная пара частот) – один сеанс связи (неопровержимая догма в аналоговых сетях). Это характерно для любых систем связи, вне зависимости от методов организации доступа и идентификации.
Цифровой шумоподавитель (DCS)
Для идентификации абонента или группы абонентов используется специальная цифровая посылка перед началом сообщения. При передаче (нажатии клавиши PTT), радиостанция автоматически формирует цифровую посылку на рабочей частоте, соответствующую абоненту (группе абонентов), которому адресовано сообщение. Приемник активизируется только в том случае, если он настроен на прием данного кода, остальные приемники, работающие на той же частоте, будут неактивны. Организация идентификации практически аналогична использованию CTCSS, со всеми достоинствами и недостатками последней.
Возможное количество цифровых комбинаций теоретически бесконечно, хотя стандартными являются 104 кода.
Кодовый шумоподавитель (DTMF)
Для идентификации абонента или группы абонентов используется специальная тональная посылка перед началом сообщения, так называемая DTMF последовательность. Каждому символу на клавиатуре радиостанции соответствует звуковой тон определенной частоты (по принципу тонального набора в современных телефонных сетях). Когда вы нажимаете клавишу на клавиатуре радиостанции, формируется звуковой тон, который затем передается в эфир на частоте передачи. Приемник активизируется только в том случае, если он настроен на включение при приеме данного кода, остальные приемники, работающие на той же частоте, будут неактивны. Для организации связи с помощью DTMF радиостанция должна быть оснащена клавиатурой и модулем DTMF.
Наиболее распространенный метод идентификации. В частности без DTMF невозможна организация телефонных вызовов. Чаще всего используется совместно с CTCSS и DCS. Кроме идентификации абонентов, применяется для доступа к внешним устройствам, подключенным к системе связи. Например, телефонные интерфейсы, устройства дистанционного управления, контроллеры и т.п.
При всем разнообразии методов идентификации (DQT, PL, Select 5, CCIR, EEA, EIA, ZVEI и пр.), практически все они сводятся к трем основным форматам CTCSS, DCS и DTMF, отличающиеся длительностью посылок, их частотой, формой сигналов и т.п.
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:
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:
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:
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:
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:
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:
Кодовое деление
Частота выборки телефонного сигнала – 64 кГц, используется фазовая манипуляция:
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.
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:
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.