Уменьшение поперечной помехи
технологические методы уменьшения поперечной помехи;
схемные методы уменьшения поперечной помехи.
Технические методы:
магнитное экранирование от низкочастотных и электромагнитное экранирование от высокочастотных полей (ослабление 50Гц-полях до 30 дБ);
уменьшение длины проводов (приближение к датчикам измерительных цепей);
сближение и скрутка проводов, идущих к датчикам (ЭДС наводимые в отдельных элементарных контурах, вычитаются, что на несколько порядков (!) уменьшает влияние поперечных помех на измерительные провода.
Схемные методы:
использование заграждающих фильтров на входе преобразователей (чаще фильтры настраиваются на частоту сети). Иногда включают ряд последовательных фильтров, настроенных на частоты гармоник сетевого напряжения. Однако этот метод снижает быстродействие преобразователей;
использование интегрирующих преобразователей “напряжение - код”. Если выбрать время интегрирования равные или кратные периоду помехи (для сетевой помехи он известен) влияние помехи сводят к нулю.
Рис.
периодическое изменение полярности питания параметрических датчиков с последующим определением полуразности из суммы и разности полезного сигнала Uс и помехи Uп:
выполнение измерений в моменты, когда синусоидальная помеха принимает допустимо малые значения.
21.Согласование сигнала с каналом связи
Вспомним обобщённую схему измерительной системы:
Рис.
Первичный измерительный преобразователь преобразует измеряемую величину в электрический сигнал, который нужно передать по линии связи.
В зависимости от того, что представляет собой линия связи (электрический провод или кабель, световод, водная среда, воздушное пространство, безвоздушное пространство). Носителями измерительной информации могут быть: электрический ток, луч света, звуковые колебания, радиоволны и т.п.
-
Выбор носителя является первым этапом согласования сигнала с каналом.
Возникает вопрос: а зачем вообще согласовать сигнал с каналом? Это необходимо для повышения скорости передачи измерительной информации без потерь и искажений при наличии помех.
Именно скорость передачи измерительной информации определяет эффективность системы связи, входящей в измерительную систему.
Обобщенными характеристиками канала связи являются:
время Тк, в течение которого канал предоставлен для передачи измерительной информации;
ширина полосы пропускания Fк канала;
динамический диапазон Нк – это отношение допустимой мощности (Рс+Рп) в канале к мощности помех Рп в канале, выраженное в децибелах.
Здесь Рс, Рп – мощности сигнала и помех.
Произведение Vк = Тк * Fк * Нк – называется ёмкостью канала.
Обобщёнными характеристиками сигнала являются:
время Тс, в течение которого происходит передача измерительной информации;
ширина спектра Fс;
динамический диапазон Нс – это выраженное в децибелах отношение наибольшей мощности сигнала к той наименьшей мощности, которую необходимо отличать от нуля при заданном качестве передачи.
Произведение Vс = Тс * Fс * Нс – называется ёмкостью сигнала.
Геометрическая интерпретация введённых понятий:
объём сигнала объём канала
Рис.
-
Условием согласования сигнала с каналом, обеспечивающим передачу измерительной информации без потерь и искажений при наличии помех, служит выполнение неравенства:
Vc Vк
В простейшем случае это неравенство выполняется при:
Тc Тк
Fc Fк
Hc Hк,
т.е. когда объём сигнала полностью “вписывается” в ёмкость канала.
Однако условие согласования сигнала с каналом может выполняться и тогда, когда некоторые (но не все) из последних неравенств не выполняются. В этом случае возникает необходимость так называемых обменных операций, при которых происходит как бы “обмен” длительности сигнала на ширину его спектра, или ширины спектра на динамический диапазон сигнала и т.д.
-
Предельная пропускная способность канала устанавливает максимальную скорость “ С ” безошибочной передачи информации и определяется по формуле Шеннона:
(**)При Тс=Тк, Fc=Fк. Здесь Рс, Pп – мощности(!) сигнала и помех.
Зависимость предельной пропускной способности канала от отношения сигнал/помеха (Рс/Рп) при нескольких значениях ширины полосы пропускания Fк имеет вид:
Рис.
Если Рс/Рп>>1, то из формулы (**) следует:
т.е. зависимость пропускной способности канала от отношения сигнал/помеха логарифмическая (при больших отношениях Рс/Рп !!)
|
(***)
Если Рс/Рп << 1, то, несмотря на то, что Рп >> Рс, безошибочная передача всё же возможна, но с очень малой вероятностью.
В этом случае справедливо разложение в ряд:
,
в котором можно ограничиться первым членом, т.к. остальные (степенные) очень малы.
Тогда,
учитывая, что
,
получим из (**):
-
Таким образом, при малых отношениях сигнал/помеха зависимость пропускной способности от отношения сигнал/помеха линейная.
Теперь рассмотрим зависимость пропускной способности от ширины полосы пропускания канала Fк.
От полосы пропускания канала зависит мощность шумовой помехи на входе приёмного устройства. Если спектр помехи равномерный, то Рп=Fк*G, где G – спектральная плотность мощности помехи, т.е. мощность помехи, приходящаяся на единицу полосы частот.
Тогда из (**):
).
Мощность сигнала можно выразить через такую же спектральную плотность, если ввести в рассмотрение эквивалентную полосу частот Fэ:
Рс=Fэ*G.
Тогда:
разделив обе части этого выражения на Fэ, получим:
(W)
Характер этой зависимости при равномерной спектральной плотности помехи показан ниже на графике:
Рис.
Это зависимость предельной пропускной способности канала от ширины полосы пропускания .
Отсюда важный вывод:
-
С увеличением полосы пропускания канала его пропускная способность не увеличивается безгранично, а стремится к некоторому пределу!
Это объясняется усилением шума в канале и ухудшением отношения сигнал/шум на входе приёмного устройства.
Предел, к которому с ростом Fк стремится С, можно определить, воспользовавшись при больших Fк уже известным разложением логарифмической функции в ряд.