Тема 2. Методи передачі дискретних повідомлень

2.1 Кодування сигналів повідомлень

У дискретних системах ТКр - ТС первинний сигнал, що поступає з пульта керування на вхід телемеханічного пристрою, повинен бути тим чи іншим способом закодований. Кодування - це відображення дискретних повідомлень сигналами у вигляді певних сполучень імпульсів. Задача кодування полягає в тому, щоб для всіх можливих дискретних повідомлень сформувати таке ж число дискретних сигналив, що відрізняються один від одного. Пристрій, з допомогою якого дискретне повідомлення перетворюється в кодований сигнал, називається шифратором. У результаті кодування стає можливим передавати та однозначно відновлювати велику кількість різноманітних повідомлень по одному чи кількох каналах зв'язку.

Процес зворотного перетворення кодованого сигналу у відповідне йому дискретне повідомлення називається декодуванням. Ця операція здійснюється за допомогою дешифратора.

У найпростішому випадку кодований сигнал представляє собою електричний імпульс певної форми. При такій структурі сигналів один кодований сигнал може відрізнятися від іншого тим чи іншим параметром імпульсу - полярністю, амплітудою, тривалістю, фазою чи частотою. Відповідно до цього в телемеханіці використовуються наступні ознаки: полярна, амплітудна, часова, фазова та частотна. На рис. 2.1 перераховані ознаки представлені у графічному вигляді.

Полярна імпульсна ознака застосовується в системах з провідною лінією зв'язку. Відрізняючим параметром імпульсу в цьому випадку є напрям струму в лінії зв'язку. Останній може мати тільки два напрями - прямий та зворотній. Відповідно до цього число ознак імпульсу не може бути більше двох.

Рисунок 2.1 - Імпульсні ознаки: а – полярна; б – амплітудна; в– часова; г – фазова; д – частотна.

Амплітудна імпульсна ознака застосовується як в системах з провідною так і безпровідною лінією зв'язку. При застосуванні цієї імпульсної ознаки в якості відрізняючого параметра імпульсу приймається його рівень або амплітуда. В принципі кількість рівнів чи ознак імпульсу може бути нескінченою, наприклад амплітуди А₁, А₂, А₃... Проте на практиці максимальне число рівнів імпульсу зазвичай приймається рівним двом. Застосування імпульсів, з кількістю імпульсів більше двох, викликає проблеми в розробці схем, що здатні відрізнити один імпульс від іншого. В той же час легко реалізувати схему яка відрізняла би наявність імпульсу великої амплітуди від імпульсу малої амплітуди.

Рисунок 2.2 - Графіки сигналів повідомлень та математичний запис кодів

Усі інші імпульсні ознаки також застосовуються в системах з провідними та без провідними лініями зв'язку.

В імпульсній техніці розрізняють два види імпульсів: відеоімпульси - являють собою короткотривалий зріст напруги чи струму від нуля до максимуму, який потім спадає до нуля.

Розрізняють наступні основні види імпульсів: прямокутні, трапецеподібні, трикутні, пилоподібні, експотенціальні, дзвоноподібні, ступінчаті, та ін.

Аналітично сигнал прямокутної форми може бути записаний наступним чином:

при

при і (2.1)

Рисунок 2.3 - Сигнал прямокутної форми

Радіосигнали - це короткочасні пакети високочастотних коливань. Отримуються вони шляхом модуляції по амплітуді відеоімпульсами синусоїдальних коливань генераторів несучої частоти.

Рисунок 2.5 - Радіосигнал

При передачі великої кількості дискретних повідомлень використовуються сигнали, що складаються з великої кількості елементарних електричних імпульсів, наділених певними ознаками. Комбінуючи ці імпульси за певною системою можна отримати кілька кодованих сигналів або кодів, кожен з яких буде відповідати певному дискретному повідомленню.

Будь-яка система кодування сигналів повідомлень характеризується наступними параметрами: числом імпульсів у сигналі або числом елементів коду - n; числом використовуваних ознак імпульсу - k.

Ці параметри коду математично можуть бути записані у вигляді простих цілих чисел - 1, 2, 3, .... Так кількість імпульсів у сигналі (n) може дорівнювати 1, 2, 3, 4, 5 ... , а кількість ознак імпульсу звичайно приймається рівна двом, k=2.

Відповідно до математичного запису характеристик системи кодів сигнали повідомлень також можуть бути записані у вигляді простих цілих чисел.

Для прикладу приведемо кодування сигналів повідомлень стосовно до наступних значень параметрів системи кодів: n=2, k=1.

В якості імпульсної ознаки приймемо амплітудну ознаку.

Відповідно до заданого числа ознак імпульсу приймаємо, що кодовані сигнали повідомлень складаються з імпульсів з амплітудою А₁ та А₂ причому А₁>А₂.

Комбінуючи всі можливі комбінації імпульсів, отримаємо чотири різних кодованих сигнали, графіки яких приведені на рис. 2.2.

Позначимо імпульс з амплітудою А₁ і цифрою 0, а імпульс з амплітудою А₂ - цифрою 1. З урахуванням цих позначень кодовані сигнали повідомлень можуть бути записані в математичній формі числами двійкової системи числення, як показано на рис. 2.2.

Системи кодів можуть бути двох видів: комплектні, в яких всі сигнали містять постійне число імпульсів n, і некомплектні, в яких число імпульсів непостійне. В телемеханіці зазвичай застосовуються системи комплектних кодів.

Якщо при кодуванні використовується n імпульсів, що наділені k ознаками, то максимальне число кодових комбінацій або максимальне число дискретних повідомлень складе

(2.2)

Системи кодів, в яких імпульс наділяється двома ознаками (k=2), називаються двійковими. Для таких систем максимальне число кодових комбінацій рівне 2ⁿ.

У табл. 2.1 подані структурні схеми сигналів, побудовані за системою двійкового комплектного коду. В якості імпульсної ознаки тут прийнята полярна ознака, причому імпульс додаткової полярності означений +, а імпульс від'ємної полярності -. В цій же таблиці дано математичний запис кодованих сигналів.

Комплексні коди на всі комбінації не є завадостійкими, і тому вони застосовуються тільки в тих випадках, копи вимоги до надійності передачі невеликі.

Дійсно, як це неважко помітити з табл. 2.1, кодовані сигнали, що побудовані за системою двійкового комплектного коду, відрізняються один від одного тільки в одному елементі. Якщо в процесі передачі сигналу під дією завад станеться зміна знаку на протилежний в якомусь з елементів коду, то буде прийнятий інший неправильний сигнал.

Таблиця 2.1 Структура сигналів повідомлень, що побудовані за системою двійкового комплектного коду

Порядковий номер коду	Номер елементу коду				Математичний запис коду
	1	2	3	4
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15	- - - - - - - - + + + + + + + +	- - - - + + + + - - - - + + + +	- - + + - - + + - - + + - - + +	- + - + - + - + - + - + - + - +	0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

При ТВ застосовується двійковий код на всі комбінації, двійково - десятковий, код Грея та ін.

Двійково - десятковий код є різновидністю звичайного коду на всі комбінації. Кожен десятковий розряд числа, що кодується при кодуванні за двійково - десятковою системою, представляється у вигляді чотирьохелементних кодових комбінацій, з допомогою яких можуть бути записані числа від 0 до 9. Так, наприклад, число 65 відображається кодовою комбінацією 0110-0101 або 01100101. Перша частина цієї комбінації є двійковим записом числа 6 (див. таблицю), а друга - числа 5. Цей код зручний при телевимірюваннях тому, що спостереження за показами приладів чи цифровою індикацією найзручніше вести в десятковій системі числення.

Код Грея відрізняється від двійкового коду на всі комбінації тим, що при переході до наступної комбінації (в порядку зростання двійкових чисел) змінюється тільки один елемент кодової комбінації Порівняємо трьохелементний двійковий код на всі комбінації з кодом Грея.

Код Грея це той самий двійковий код, але з іншим порядком нумерації повідомлень.

Таблиця 2.2 Порівняння двійкового коду та коду Грея

Номер комбінації	Двійковий код	Код Грея
0 1 2 3 4 5 6 7	000 001 010 011 100 101 110 111	000 001 011 010 110 111 101 100

Для телевимірювання характерним є той факт, що вимірювана величина в основному не суттєво відхиляється від деякого значення.

Поділ на групи здійснюється таким чином, щоб ймовірність виникнення повідомлень кожної групи були приблизно одинакові.

Ті повідомлення, ймовірність виникнення яких більша, пропонується представляти комбінаціями з меншим числом елементів, і навпаки повідомлення, які виникають рідко передаються комбінаціями з великим числом елементів. Цим зменшується завантаження ТВ пристрою.

Таблиця 2.3 Поділ повідомлень на групи

№ повідомлення	Ймовірність отримання повідомлення	Групи	Кодова комбінація
1 2 3 4 5 6 7 8 9	0,3 0,2 0,15 0,12 0,08 0,07 0,04 0,03 0,01	00 01 100 101 1100 1101 1110 11110 11111	00 01 100 101 1100 1101 1110 11110 11111

Для передачі дискретних повідомлень в системах ТКр ТС використовуються різноманітні методи селекції (визначення). Під селекцією сигналів повідомлень розуміється перетворення первинних сигналів в кодовані сигнали, розшифровка кодованих сигналів та їх розділення з метою вибору виконавчого кола та вплив на нього відповідно до переданого повідомлення.

Знаходять застосування наступні основні методи селекції сигналів і повідомлень: якісний, розподілювальний, комбінаційний, комбінаційно-розподілювальний.