3.3 Виды модуляции. Устойчивость импульсных признаков к воздействию помех.
Чтобы сообщения, построенные из импульсов, могли отличаться друг от друга, параметры импульсов (амплитуда, длительность, полярность, частота или фаза) должны изменяться под воздействием передаваемого сообщения.
Для передачи по линии связи сообщение как бы накладывается на переносчик, изменяя его параметры. Переносчик с «нанесенным» на него сообщением называется сигналом.
Процесс изменения параметров переносчика под воздействием передаваемого сообщения называется модуляцией.
Если в системе телемеханики используется ограниченное количество значений признаков, соответствующих 0 и 1 (например, амплитуда 0В для передачи «0» и 5В для передачи «1», или частоты f0 и f1 для 0 и 1 соответственно) говорят об использовании манипуляции. Степень изменения модулируемого параметра принято называть глубиной модуляции.
Виды модуляции зависят от рода тока переносчика: постоянный или переменный (синусоидальный). Переменный ток в любой момент времени характеризуется амплитудой, частотой и фазой:
і = Iм sin(ωt+Ψ),
где Ім – максимальная амплитуда тока,
ω – угловая частота,
Ψ – начальный фазовый угол.
Поэтому импульсные признаки и виды модуляции могут быть амплитудными, частотными, фазовыми и производными от них.
Амплитудная модуляция (АМ) характеризуется изменением амплитуды переносчика в соответствии с законом изменения состояния источника сообщения (рис. 2.8).
Рисунок 2.8 Амплитудная модуляция
Принципиально важным для АМ является выбор несущей частоты переносчика – она должна быть значительно выше частоты изменения модулирующего сигнала. При передаче дискретных сигналов выбираются два значения с максимально возможными различиями по амплитуде для уменьшения вероятности ошибок. Одному значению амплитуды импульса (обычно, высокой амплитуде) присваивается значение «1», другому – «0». Приемниками амплитудно-манипулированных сигналов являются устройства, имеющие ступенчатую характеристику чувствительности (пороговую). Схемные решения для построения устройств передачи/приема, элементная база для их реализации являются наиболее простыми и распространенными (рис. 2.9).
Рисунок 2.9 Схема передачи АМ сигналов
Амплитудный признак может использоваться как в цепях постоянного, так и переменного тока. Цепи постоянного тока с АМ применяются для передачи информации между отдельными узлами аппаратуры пунктов управления и контролируемых постов. Однако амплитуда импульсов легко искажается в результате воздействия помех, утечек между прямым и обратным проводами линии связи, колебаний напряжения питания и пр., поэтому в системах ДЦ для передачи информации на значительные расстояния (между ПУ и КП) амплитудный признак не применяется.
Частотная модуляция (ЧМ).
Если для передачи сообщений используется переменный ток, в качестве импульсного признака может быть использована его частота. ЧМ представляет собой процесс изменения несущей частоты (переносчика) в соответствии с передаваемым сообщением. Если модулирующая функция f(t) непрерывна, то частота сигнала изменяется по закону:
ω = ω0 + ∆ω f(t), (2.4)
где ω0 – несущая частота;
∆ω- максимальное изменение частоты модуляции (девиация).
Знак изменения несущей зависит от второго слагаемого выражения (2.4) - ∆ωf(t). Он может быть как положительным, так и отрицательным – при «наложении» сообщения на переносчик частота может как возрастать (+∆ω), так и уменьшаться (-∆ω). Характер изменения несущей определяет (назначает) разработчик системы в зависимости от того, какие частоты приняты для передачи «0» и «1». В примере, приведенном на рис 2.10, в результате наложения модулирующего сигнала f(t) = «1» на переносчик (б) частота несущей уменьшается; при f(t) = «0» - остается неизменной.
Рисунок 2.10 Исходный код, несущая и сигнал ЧМ
Для передачи сообщений, представленных в виде двоичных кодов, достаточно двух частот. Одна частота используется для передачи элемента сигнала, имеющего значение логического "0", другая – "1" (рис. 2.10). Определение значений частотного признака на приемной стороне, а значит и качества принятого импульса (0 или 1) осуществляют частотные детекторы. При ограниченном количестве рабочих частот в качестве детекторов могут применяться фильтры или резонансные контуры, позволяющие четко различить частоты, используемые для передачи элементов сигнала (рис. 2.11).
Рисунок 2.11 Структурная схема устройств передачи/приема ЧМ сигналов
Двоичный код команды поразрядно с выхода шифратора поступает на модулятор, который в соответствии с принятым правилом построения сигнала при помощи электронного ключа ЭК осуществляет выбор частот f1 или f2 для последующего усиления и передачи в ЛС. На приемной стороне сигнал усиливается, а затем подается на колебательные контуры К1 и К2, настроенные на частоты f1 и f2 соответственно. Колебательные контуры совместно с выпрямителями В1 и В2 детектируют сигнал (определяют качество принимаемых импульсов) и поразрядно, по мере приема передают его (теперь уже в виде последовательности импульсов постоянного тока) в схему регистрации качества импульсов для последующей дешифрации.
Применение частотного признака предпочтительнее по сравнению с амплитудным: превращение одной частоты в другую вследствие изменения параметров линии, например, или по другой причине, маловероятно; сигналы можно передавать по любым линиям связи, в том числе и беспроводным; сигналы легко усиливать, дальность передачи при наличии усилителей, практически, не ограничена. Однако приемные устройства слабо защищены от помех, создаваемых соседними линиями связи, линиями электропередач, грозовыми разрядами или коммутационными процессам в контактной сети, если эти помехи в своем спектре содержат частоты, совпадающие с частотами заполнения импульсов телемеханического сигнала. Большая часть этих проблем решается оптимальным выбором и разносом рабочих частот, достаточно удаленных от основных частот помех и их гармонических составляющих, качественной фильтрацией, поэтому частотный признак является наиболее распространенным в системах передачи информации.
Фазовая модуляция (ФМ) представляет собой изменение фазы несущего колебания во времени в соответствии с модулирующим сигналом f(t): φ = φ0 + ∆φf(t), где φ0 начальная фаза колебаний переносчика, ∆φ – предельное изменение фазы несущей. Т.е. при ФМ
і = Iм sin(ω0t+∆φf(t).
Сигнал, построенный с использованием фазовой модуляции, при ∆φ=π (180 градусов) и f(t)=(0, 1) представлен на рис. 2.12.
Рисунок 2.12 Исходный код, переносчик и сигнал ФМ
В приведенной на рис. 2.12, в) диаграмме применено следующее правило построения сигнала:
і = Iм sin(ω0t+ π *1) = «1»,
і = Iм sin(ω0t+ π *0) = «0».
Частотная и фазовая модуляция связаны с изменением угла несущей частоты: не бывает изменения фазы без изменения частоты, как и изменения частоты без изменения фазы. Разница между этими видами модуляции лишь в характере изменения угла. Поэтому во многом сходными являются и схемные решения, применяемые для построения приемопередающих устройств с ЧМ и ФМ (см. рис 2.11 и 2.13).
Рисунок 2.13 Структурная схема устройств передачи/приема ФМ сигналов
Двоичный код команды поразрядно с выхода шифратора поступает на модулятор, который в соответствии с принятым правилом построения сигнала при помощи электронного ключа ЭК осуществляет выбор источника сигналов с той или иной начальной фазой колебаний для последующего усиления и передачи в ЛС. На приемной стороне сигнал усиливается, а затем подается на фазовый детектор. Фазовый детектор путем сравнения информационного сигнала, принимаемого из линии связи, и опорного напряжения определяет качество принимаемых импульсов и поразрядно, по мере приема передает его (теперь уже в виде последовательности импульсов постоянного тока) в схему регистрации качества импульсов для последующей дешифрации.
Фазовый импульсный признак обладает высокой помехозащищенностью, что предопределяет его широкое использование в системах передачи информации.
Приведенные на рисунках 2.19, 2.11 и 2.13 схемы не претендуют на идентичность со схемами реальных устройств связи, реализующих те или иные виды модуляции – в настоящем учебном пособии они лишь иллюстрируют возможные методы решения известных задач.
Временной (широтный) признак
Длительность посылки импульса (рис. 2.14) также является признаком, характеризующим этот импульс. Временными признаками могут обладать как импульсы, так и интервалы, разделяющие эти импульсы. Для образования временного признака род тока значения не имеет. Это позволяет передавать сигналы, построенные с использованием временного признака, по любым каналам связи.
Рисунок 2.14 Осциллограммы сигналов, построенных с использованием
временного признака
Временные признаки широко использовались в первых системах диспетчерской централизации, например, в системе ДВК (диспетчерская централизация временного кода). Характерным примером использования временного признака является код кодовой автоблокировки. Однако, по причине низкой помехоустойчивости временного признака (длительность импульсов легко искажается под воздействием помех) в современных системах ДЦ для построения сигналов временной признак не используется.
Полярный признак
В качестве признака импульсов постоянного тока можно использовать полярность (направление) его протекания (рис. 2.15). Направление тока в цепи фиксируют устройства, способные реагировать на полярность импульсов, например, поляризованные реле.
Рисунок 2.15 Осциллограмма сигнала, построенного с использованием
полярного признака
Помехозащищенность сигналов, построенных с использованием полярных признаков, достаточно высока, однако их передача возможна лишь по проводным линиям связи. Кроме того, проблематично усиление разнополярных импульсов постоянного тока, невозможна организация более одного канала связи по выделенной линии. Поэтому полярные признаки применяются ограниченно: в системах передачи информации – в телеграфии, в "ранних" системах ДЦ – ПЧДЦ (полярно-частотная диспетчерская централизация), в проводных системах АБ, а также для внутрисистемного обмена данными.
Кроме рассмотренных основных видов модуляции и используемых импульсных признаков сигналов возможна модуляция по относительным признакам импульсов, следующих друг за другом: относительно-фазовая модуляция (ОФМ), частотно-импульсная (ЧИМ), импульсно-кодовая (ИКМ) и другие / /.
Таким образом, в процессе модуляции в линии связи создается такая последовательность импульсов, в которой каждому элементу передаваемой кодовой комбинации (1 - j) соответствует свой импульс, а символу элемента кода (1 или 0) – соответствующее значение импульсного признака (амплитуды, частоты или фазы). Построенный сигнал приобретает структуру кодовой комбинации, в которую преобразовано первичное сообщение (команда). Например, создается уникальная, присущая только этой команде и этому коду последовательность частот (при использовании частотных импульсных признаков). Допустим, полученная в результате кодирования кодовая комбинация имеет вид 001011, соответствующий ей сигнал для случая частотной модуляции может выглядеть следующим образом:
Рисунок 2.16. Осциллограмма сигнала при частотной модуляции
Выбор конкретных частот для передачи значений логических переменных кода (f0, f1), длительности импульсов могут отличаться от системы к системе и определяются разработчиком в зависимости от назначения системы, условий эксплуатации, объема передаваемых данных, уровней помех и пр. В приведенном на рис. 2.16 примере для передачи «0» выбрана частота 1500 Гц, для «1» - 3000 Гц, длительность импульсов 2 мс.