Відмітною ознакою сигналів, з яких формується груповий сигнал при частотному ущільненні, є частотний діапазон, займаний спектром цих сигналів. Для ефективнішого використання лінії передачі бажано в її смузі частот розмістити якнайбільше незалежних канальних сигналів. Тому бажано, щоб спектр частот кожного з канальних сигналів був якомога вужчим. Як відомо, найвужчим спектром характеризуються сигнали з амплітудною модуляцією. Розглянемо такі сигнали. Спектр амплітудно-модульованих коливань складається зі спектра сигналу, зі смуги Fmax, Fmin, носійної частоти і двох бічних смуг, що займають діапазон кожна (рис. 5.2.1).

Рис. 5.2.1. Спектр сигналу з амплітудною модуляцією

При цьому верхня бічна смуга частот ΔF_в перетворюється без інверсії, а нижня бічна ΔF_н — з інверсією. Частотний інтервал між нижньою й верхньою бічними смугами визначає абсолютну величину смуги розфільтрування ΔF_р. З рис. 5.2.1 видно, що ΔF_р = 2F_min.

Передача сигналу, що містить носійне коливання й дві бічні смуги частот, є нераціональною, оскільки ширина спектра цього сигналу F_c удвічі із зайвим більше, ніж ширина спектра перетворюваного сигналу ΔF = F_max – F_min.

Оскільки бічні смуги несуть однакову інформацію, а носійні коливання взагалі не містять корисної інформації, то в сучасних системах із частотним ущільненням використовується метод передачі однієї бічної смуги (ОБС) частот без носійної. Для формування ОБС використовується перетворювач частоти (рис. 5.2.2), що складається з модулятора М, за допомогою якого здійснюється модуляція перетворюваного сигналу, і смугового фільтра СФ, що виділяє верхню (або нижню) бічну смугу частот.

Рис. 5.2.2. Структурна схема перетворювача частоти (а) і спектр вхідного і вихідного сигналів (б)

Завдання відновлення носійного коливання на приймальній стороні вирішуються генераторним обладнанням кінцевих станцій систем передачі із частотним ущільненням.

Визначимо ширину спектра групового сигналу, сформованого із сигналів з ОБП і придушеної носійної.

Між смугами частот, що відводять для передачі канальних сигналів (рис. 5.2.3), передбачаються захисні частотні інтервали, які мають бути не менше смуги розфільтрування розділових фільтрів ΔF_р. У межах смуги розфільтрування розділових фільтрів має забезпечуватися загасання корисного сигналу (n-го каналу) не більше величини А_пр, а загасання сигналів сусідніх ((n – 1)-го й (n + 1)-го) каналів має бути не менше величини А_ф.

Рис. 5.2.3. Енергетичні спектри канальних сигналів. АЧХ фільтра n-го каналу

За цих умов ширина спектра групового сигналу визначається співвідношенням

(5.2.1)

де ΔF_Kn= F_n^″– F_n^′ — смуга частот n-го каналу. Якщо смуги частот всіх каналів однакові, тобто ΔF_Kn = ΔF_k, а також однакові всі захисні проміжки, тобто ΔF_pn = ΔF_p, то при великій кількості каналів ширина спектра групового сигналу визначається співвідношенням

(5.2.2)

З наведеного співвідношення видно, що при заданих значеннях ΔF_K і N ширина спектра групового сигналу залежить від ширини захисних проміжків ΔF_p між канальними сигналами. Значення ж ΔF_p, у свою чергу, залежить від можливостей розділових фільтрів забезпечити необхідне придушення невикористовуваної бічної смуги.

Можливості реалізації фільтрів, що забезпечують необхідний ступінь придушення на 65—75 дБ невикористовуваної бічної смуги частот при перетворенні сигналу, визначається відносною шириною смуги розфільтрування δ, що визначається співвідношенням

(5.2.3)

Для мовленнєвого сигналу ΔF_p = 2F_min кГц = 2·0,3 кГц = 0,6 кГц. При використанні, наприклад, LC-фільтрів для виконання зазначених вище вимог щодо вибірковості необхідне виконання умови δ≥(0,025...0,03). Для забезпечення необхідної смуги розфільтрування необхідно використовувати кварцові, магнітострикційні, електромеханічні й інші фільтри з високодобротними елементами. Очевидно, що при дуже високих значеннях носійних частот смуга розфільтрування виявляється настільки малою, що реалізувати відповідний фільтр виявляється надто складним. У цьому разі, а також тоді, коли застосування високодобротних фільтрів небажано з економічних міркувань, застосовують багаторазове перетворення частоти.

При багаторазовому перетворенні сигнал проходить послідовно крізь кілька перетворювачів частоти (ПЧ) з різними носійними частотами (рис. 5.2.4).

Рис. 5.2.4. Багаторазове перетворення частоти

На виході ПЧ утворюється сигнал зі спектром F_н1 + F_min або F_н1 – F_min залежно від того, яка бічна смуга — нижня або верхня — виділяється фільтром.

Відносна ширина смуги розфільтрування при першому перетворенні частоти .

При другому перетворенні частоти на виході ПЧ₂ утвориться сигнал зі спектром F_н2 + (F_н1 + F_min). Відносна ширина смуги розфільтрування на цьому щаблі перетворення . Абсолютна ширина смуги розфільтрування ΔF_p = 2(F_н1 + F_min) істотно більша, ніж на першому рівні перетворення, і навіть при порівняно невисокому значенні носійної F_н2 величина δ₂ може виявитися більшою, що полегшує побудову відповідного фільтра.

На виході останнього ПЧ утвориться сигнал зі спектром

(Fв + Fmin) ... (Fв + Fmax) або (Fв – Fmax) ... (Fв – Fmin),

(5.2.4)

де F_в = F_н1 ± F_н2 ± ... ± F_нn.

Вибір знаків у (5.2.4) визначається наявністю або відсутністю інверсії на відповідному щаблі перетворення.

Таким чином, при багаторазовому перетворенні частоти абсолютна ширина смуги розфільтрування на виході кожного наступного ПЧ більша, ніж на виході попереднього, що дозволяє збільшувати значення носійних частот без зменшення відносної ширини смуги розфільтрування. Разом з тим збільшення смуг розфільтрування приводить до збільшення ширини спектра групового сигналу при незмінному значенні числа поєднуваних сигналів N. Оскільки однією з необхідних умов нормальної передачі сигналів є ΔF_гр ≤ ΔF_лз, де ΔF_лз — ширина смуги пропускання лінії зв’язку, то при незмінному значенні ΔF_гр зі зростанням F_рn необхідно зменшувати кількість поєднуваних сигналів (каналів), що знижує ефективність використання лінії зв’язку.

Окрім того, при використанні багаторазового перетворення за схемою, наведеною на рис. 5.2.4, загальне число перетворень й, отже, загальне число різнотипних фільтрів виявляється дуже великим. У N-канальній системі число фільтрів й їхніх типів дорівнює Nn, де n — число перетворень.

Число фільтрів й їхніх типів можна зменшити, якщо доповнити багаторазове перетворення груповим, при якому перетворенню піддається груповий сигнал. З цією метою сигнали N каналів поділяються на m груп по K каналів, тобто Km = N. У кожній групі сигнал кожного каналу піддається індивідуальному перетворенню за допомогою носійних частот F_н1, F_н2, ..., F_нK (рис. 5.2.5).

Рис. 5.2.5. Формування групового сигналу методом групового перетворення частоти

У всіх m групах це перетворення однотипне, тому на виході кожної групи утворюється той самий спектр частот (F_в + F_min) ... (F_в + F_max) тощо.

Групові спектри піддаються потім груповому перетворенню з носійними F_гр1, F_гр2, ..., F_грm, так що після об’єднання перетворених групових сигналів утвориться спектр частот N каналів F_гр1 – (F_nK + F_max) ... F_грm – (F_н1 + F_min)... (Для визначеності передбачається, що індивідуальне перетворення здійснюється без інверсії, а групове — з інверсією бічних смуг.) Утворені після індивідуального перетворення групи можуть піддаватися багаторазовому перетворенню. У розглянутому випадку загальне число фільтрів дорівнює (N + n_гр), а число типів фільтрів скорочується до (K = mn_гр), де n_гр — число групових щаблів перетворення. Наприклад, для того щоб перетворити спектри сигналів 12 каналів у спектр вище 60 кГц, використовуючи LC-фільтри, необхідно мінімум дворазове перетворення. Число типів фільтрів при використанні тільки індивідуальних ПЧ дорівнює 2 × 12 = 24, а при чотирьох групах по три канали у кожній дорівнює 3 + 4 × 1 = 7. Загальне число фільтрів у першому випадку дорівнює 24, а в другому 3 × 4 + 4 = 16.

Основою аналогових групових сигналів у системах із частотним поділом є первинна 12-канальна група, формована в спектрі 60...108 кГц. Груповий 12-канальний сигнал формується однократним перетворенням (рис. 5.2.6) за допомогою носійних частот 64, 68, 72, ..., 108 кГц. Для зменшення взаємних впливів 12-ти фільтрів, працюючих паралельно, на виході включається компенсуючий контур (КК).

Рис. 5.2.6. Структурна схема (а) і діаграма перетворення спектра (б) при однократному способі формування ПГ

Формування сигналів наступних груп — вторинної (60-канальної), третинної (300-канальної) й ін. — здійснюється шляхом багаторазового групового перетворення.

Таким чином, багаторазове й групове перетворення частоти дозволяє полегшити вимоги до канальних фільтрів, зменшити різнотипність фільтрового й генераторного обладнання систем передачі та значною мірою уніфікувати обладнання різнотипних систем, що різко підвищує їхню економічність.

Розглянуті методи формування групового сигналу використовуються в аналогових системах передачі (K-60П, K-300, K-1920 та ін.). У цих системах дуплексні канали симетричні, тобто ширина смуги частот, займана груповим сигналом, однакова в обох (протилежних) напрямках передачі. Слід зазначити, що дуплексні канали можуть бути асиметричними, тобто групові сигнали різних напрямків передачі можуть займати різну ширину частотного спектра.

Основна перевага систем із частотним ущільненням — економне використання спектра частот.

До недоліків належать:

• наявність частотних перекручень, які вносяться в спектр переданого сигналу канальними фільтрами, що мають нелінійну характеристику загасання й групового часу запізнювання на краях робочого діапазону частот;
• міжканальні впливи, які виникають при перевищенні припустимої потужності сигналу в окремих каналах;
• низька завадостійкість систем передачі через нагромадження перешкод на проміжних підсилювальних пунктах.

Значною мірою цих недоліків позбавлені цифрові сигнали передачі з часовим ущільненням й імпульсно-кодовою модуляцією (ІКМ).

Частотне ущільнення сигналів використовується в аналогових системах радіозв’язку (стільникових, транкінгових й ін.).

У сучасних системах найчастіше використовується частотне ущільнення (FDD) у сполученні з часовим (TDD). При цьому на носійній кожного із частотних каналів здійснюється почергова передача декількох сигналів з часовим або кодовим ущільненням. Таке комбіноване ущільнення використовується в цифрових системах зв’язку з часовим (TDMA) і кодовим (CDMA) доступом.