Экзаменационный билет № 1

1. Введение. Общие понятия и определения.

Введение

В.1 Основные понятия и определения

Термин телемеханика был введен 1905 г. инженером Брэнли и предназначался для области техники, занимающейся управлением объектами на расстоянии. В настоящий момент времени под термином ТМ понимается область науки и техники, охватыв. Теорию и технич. Средства преобразования сообщений в сигналы и автоматической их передачи по каналам связи для управления подвижными и неподвижными объектами и контролю из их состояниям.

Средства ТМ обеспечивают обмен информацией между объектами и вычислительной машиной, работающей в режиме советчика-диспетчера или непосредственно управляющей технологическим процессом. В настоящий момент времени проектирование всех систем ТМ производится в соответствии со стандартом МЭК 69870 (международню электротехнич. компания).

Основные задачи, решаемые ТМ:

1. Передача командной, известительной и измерительной информации для управления технологическими процессами;

2. Передача производственно-статистической информации для целей планирования и управления промышленными и торговыми предприятиями, родами войск противоздушной обороны и т.д.;

Последняя задача также решается аппаратурой передачи данных.

Системы ТМ отличаются от традиционных систем связи:

1. Повышенной точностью (порядка 0.05 %);

2. Недопустимостью запаздывания в получении информации;

3. Высокая надежность;

4. Кроме того в системах ТМ человек должен присутствовать не более чем на одной из сторон, в системах связи человек присутствует на двух.

Теоретической основой ТМ является ТПИ.

ТМ в настоящий момент времени применяется практически во всех сферах деятельности человека. В последний момент времени большое применение нашла в системах логистики, телематики и навигации.

Телематика – совокупность телекоммуник-ых и компьютерных технологий в представлении информационных услуг.

При передачи информации возникают проблемы:

1. Достоверности – передача информации с малыми искажениями;

2. Эффективности – нахождении методов и принципов функционирования устройств, обеспечивающих передачу большого количества информации;

3. Экономичности – передаче больших объемов при малых затратах.

В.2 Телемеханический устройства, системы и комплексы

Каждая система телемеханики (СТМ) характ-ся структурой, под которой понимается иерархич-ий порядок ее основных элементов и конфигурацией, под которой понимается расположение пунктов управления (ПУ) и контролируемых пунктов (КП) и организации связей между ними.

В соответствии со стандартом МЭК 60870 структура имеет вид:

АПМ – автоматизируемое рабочее место

УТМ – устройство ТМ

АПД – аппаратура передачи данных

УТМ представляет собой совокупность аппаратов, приборов и блоков ПУ при КП, выполняющих характерную для средств ТМ функцию.

Совокупность устройств, предназначенных для обмена через канал связи информацией между ПУ и КП образуют комплекс ТМ.

СТМ объединяет комплексы УТМ, датчиков, средств обработки информации, диспетчерского оборудования и каналов связи, выполняющих законченную задачу ТМ - производственного процесса.

Среда передачи может быть выделенной, арендованной или общего пользования.

Для передачи использ. 3 типа трафика:

1. Симплексный – передача в одном направлении;

2. Полудуплексный - поочередная передача в обоих направлениях;

3. Дуплексный – одновременная передача в обоих направлениях.

Взаимодействие ПУ и КП инициируется след. процессами запуска передачи ТМ сообщений :

- по факту изменения состояния (спорадическая);

- передача по запросу, как правило, с ПУ;

- циклическая передача(периодическая) инициируется КП.

Основные структуры линий связи между ПУ и КП:

1. радиальная «точка - точка»

При данной структуре ПУ может одновременно связываться со всеми КП, и все КП одновременно могут передавать информацию на ПУ, т.к. для каждого КП имеется свой линейный терминал (ЛП).

2. Радиальная многоточечная

При данной структуре ПУ может передавать информацию одновременно всем КП, а КП связи однонаправлено.

3. «цепочечная структура»

Характерна для нефте- и газопромышленности

4. «кольцевая структура»

Все КП включены в кольцо, передача осуществляется в обоих направлениях, что позволяет исключить влияние на передачу информации неисправного КП.

Комбинации рассмотренных выше структур позволяет сделать смешанную структуру.

Основные функции, выполняемые ТМ - системами :

1. Телеуправление (ТУ) – передача дискретных команд с ПУ на КП;

2. Телесигнализация (ТС) – передача дискретных событий о состоянии объектов с КП на ПУ;

3. Телеизмерение (ТИ) – передача аналоговых и дискретных значений о ходе технологического процесса.

Различают ТИ текущих параметров (ТИТ) и ТИ интегральных параметров (ТИИ).

4. Телерегулирование (ТР) – передача команд с ПУ на регуляторы КП.

ТР, как правило, включает 2 функции : ТИ и ТУ.

В зависимости от расположения объектов системы ТМ подразделяются :

1. Для рассредоточенных объектов;

2. Для сосредоточенных объектов.

По климатическим условиям :

1. Класс А, требующий кондиционирования;

2. Класс В, требующий подогревания или охлаждения;

3. Класс С для установки под крышей или в закрытом помещении;

4. Класс Д для установки на открытом воздухе.

Устройства всех классов должно функционировать при изменении атмосферного давления от 70 до 106 Па.

По надежности:

1. R1 с временем между отказами ≥ 2000 ч.

2. R2 с временем между отказами ≥ 4000 ч.

3. R3 с временем между отказами ≥ 8750 ч.

По достоверности характеризуются вероятностью появления необнаруженных ошибок при вероятности искажения элементарного сигнала Р1 = 10^-4 и делится на 3 класса :

1. I₁ ≤ 10^-6

2. I₂ ≤ 10^-10

3. I₃ ≤ 10^-14

4. По точности измерений (общей погрешности, которая включает в себе основную и дополнительную погрешность):

1. Класс А₁ 5%

2. Класс А₂ 2%

3. Класс А₃ 1%

4. Класс А₄ 0,5%

5. По условиям эксплуатации регламентируются требования к источникам питания :

6. - однофазная сеть переменного тока (АС) с номинальным напряжением 220 В при допустимых отклонениях ± 10%, от -15% до +10%, от -20% до +15% и частоты ± 0,2%, ±1%, ±5%.

7. - сеть постоянного тока(DC) с напряжением 12, 24, 48, 60, 115, 220 В при допустимом отклонении ± 10%, ±15% и от -20% до +15%.

9. В.3. Основные этапы развития ТМ

10. 1. первоначальн. Поисков и набор испытаний 1930-1936 г.;

11. 2. опытно-промышл. испытаний и внедрения единичных экземпляров ТМ – устройств 1937-1947 г.;

12. 3. переход от опытных образцов к широкому внедрению в производство 1948 – 1958 г.;

13. 4. переход к унифицированным ТМ – системам 1959 – 1970 г.;

14. 5. производство ТМ-их систем на интегральных схемах малой и средней степени интеграции 1970 – 1980 г.;

15. 6. производство систем со встроенными микропроцессорами и комплектацией ЭВМ.

17. Экзаменационный билет № 2

2. частотные коды.

18. 2.4. Частотные коды

20. Частотные коды относятся к нецифровым кодам и применяются для передачи независимых команд, когда нет необходимости во взвешенных кодах. Используются как двухпозиционные, так и многопозиционные коды. На практике находят применение одночастотные коды и коды, в основу принципов комбинирования которых положены математические законы теории соединений. Используются перестановки , размещения, сочетанияи другие законы комбинирования.

21. 2.4.1. Одночастотный код. В системах телемеханики с небольшим числом команд часто используют данный код, при котором каждое сообщение передается радиоимпульсом определенной частоты, число сообщений , где– число частот. Во время передачи данного сообщения остальные частоты не передаются.

22. 2.4.2. Коды, образованные по закону перестановок. Перестановки изразличных частот образуют кодовые комбинации, отличающиеся только порядком следования этих частот. Число элементов во всех комбинациях всегда одинаково. Длина сообщения равна числу частот, т.е.. Отличительной особенностью этого кода является отсутствие одинаковых частот в одном сообщении. Такой код часто называетсяаккордным. Общее число комбинаций:

23. (2.62)

24. Например, при трех частотах получается шесть комбинаций: ,

25. Данный код позволяет обнаруживать одиночные искажения, так как в сообщении каждый элемент встречается только один раз.

26. 2.4.3. Коды, образованные по закону размещений. Размещения образуют комбинации, которые отличаются друг от друга либо частотами, либо порядком их следования. Количество кодовых комбинаций:

27. (2.63)

29. Если, например, ,, то общее число комбинаций равно шести:Комбинации передаются последовательно. Этот код позволяет обнаруживать одиночные ошибки путем счета символов, содержащихся в сообщении.

30. 2.4.4. Коды на определенное число сочетаний. С помощью сочетаний можно образовать комбинации, отличающиеся друг от друга только самими частотами. Общее число сообщений, которое можно передать изn частот по m частот:

31. . (2.64)

32. Так, например если ,, то можно организовать шесть сообщений:Данные коды имеют постоянное число радиоимпульсов (частот) и поэтому могут обнаруживать любые искажения за исключением искажений типа, смещение, когда радиоимпульс заменяется на радиоимпульс другой частоты, используемой при формировании всех комбинаций.

33. 2.4.5. Сменно-качественные коды. Данные коды широко применяются в устройствах ТУ (ТС) как обладающие свойствами самораспределения. В сменно-качественных кодах соседние символы не могут быть одинаковы, а поэтому дешифратор кода легко может различить различные разряды в сообщении. Пусть необходимо передать кодовую комбинацию G(x) = 10011101 сменно-качественным кодом. Для этой цели 1 передается частотой f₁, 0 – f₂, а повторение символа (0 или 1) – f₃. Тогда комбинация принимает вид f₁f₂f₃f₁f₃f₁f₂f₁. Нетрудно установить лишь те искажения, в результате которых соседние радиоимпульсы получают одинаковое значение частотного признака, другие искажения не обнаруживаются.

35. Экзаменационный билет № 3

36. 1.3. Амплитудные модуляторы. Затворная модуляция (рис. 5.1; 5.2). Вывод выражения для Uвых.

38. 5.1. Амплитудные модуляторы

39. Процесс модуляции сопровождается изменением спектра несущего колебания, а поэтому модуляционное устройство должно содержать либо нелинейные элементы, либо линейные, но с изменяющимися при модуляции параметрами.

40. Найдём передаточную функцию K(jω, t) амплитудного модулятора

42. , (5.1)

44. где U_АМ(t) сигнал на выходе амплитудного модулятора; U_Н(t) – несущее колебание.

45. Таким образом, передаточная функция не зависит от частоты ω₁ и соответствует усилителю, у которого коэффициент усиления меняется пропорционально величине . Это изменение может быть осуществлено различными способами в зависимости от вида активного элемента, используемого в модулируемом усилителе.

46. Рассмотрим схему амплитудного модулятора построенного на полевых транзисторах. Ток стока полевого транзистора является функцией напряжений на затворе и стоке, т.е.

48. (5.2)

50. Следовательно, модуляцию можно осуществить изменением напряжения на любом из электродов.

52. 5.1.1. Затворная модуляция. Принципиальная схема затворного модулятора с изменением напряжения приведена на рис. 5.1.

53. Модулирующее напряжение U_(t) вводится в цепь затвора последовательно с источником постоянного смещения Е_СМ. Амплитуда высокочастотного напряжения U_H(t), поступающего от источника стабильного ВЧ-возбудителя, в процессе модуляции остается неизменной. Емкость С1 является блокировочной и обладает малым сопротивлением для тока несущей частоты ω₁ и большим –для тока частоты модулирующего сигнала .

54. Так как частота  значительно меньше частоты ω₁, можно считать, что напряжение смещения составлено из постоянного напряжения источника смещения Е_СМ и медленно меняющегося напряжения низкой частоты, т.е.

56. U_З=E_СМ+U_cost. (5.3)

59. Ток стока полевого транзистора, кроме полезной составляющей (первой гармоники), амплитуда которой меняется по закону модулирующего сообщения, содержит постоянную и медленно меняющуюся составляющие, а также высшие гармоники. Для того чтобы исключить вредные продукты преобразования, в качестве нагрузки полевого транзистора используется резонансный контур с высокой добротностью. На контуре создает заметное напряжение только первая гармоника тока стока. Поэтому огибающая напряжения на контуре, а следовательно, и выходное напряжение изменяются по закону модулирующего сигнала.

60. Полевой транзистор при таком режиме использования представляет собой по отношению к высокочастотному напряжению U_Н(t) линейное устройство с переменным параметром – крутизной S(t), управляемой модулирующим напряжением. По отношению к низкочастотному напряжению полевой транзистор является нелинейным устройством.

61. Проведем анализ работы затворного модулятора. К входу полевого транзистора приложено напряжение

63. U_З=E_СМ+U_cost+Ucosω₁t . (5.4)

65. Аппроксимируем сток-затворную характеристику полевого транзистора полиномом второй степени, а именно:

66. . (5.5)

67. Подставляя значения U_з в выражение для i_с (5.5) находим

68. 

69. Определим напряжение на выходе затворного модулятора. Контур настроен на частоту ω₁ и представляет для колебаний этой частоты сопротивление R_k. Тогда

71. 

73. Введя обозначения

74. ; , (5.6)

75. получим

76. , (5.7)

77. где m – коэффициент амплитудной модуляции.

78. Таким образом, как следует из выражения (5.7), выходной сигнал является амплитудно-модулированным, а анализ выражения (5.6) показывает, что при работе на линейном участке вольт-амперной характеристики (а₂ = 0) осуществить амплитудную модуляцию невозможно.

95. Экзаменационный билет № 4

1. М-ичная АМП (S(t), A(t), сигнальное созвездие, функциональная схема).

96. 4.1.2 М-ичная амплитудная манипуляция.

97. При М-ичной амплитудной манипуляции амплитуда передаваемого сигнала скачкообразно изменяется в соответствии с символами передаваемого сообщения:

98. (4.16)

100. Здесь A(t) может принимать M возможных амплитуд, соответствующих M=2^m возможным m-битовым символам, т.е:

102. (4.17)

103. где d – расстояние между двумя соседними точками сигнального созвездия.

104. На рисунке 4.5 дана геометрическая иллюстрация формируемого ансамбля амплитудно-манипулированных сигналов при объеме алфавита М = 2, М = 4, М = 8, d = 2.

106. 

107. Рисунок 4.5 – Сигнальные созвездия ансамбля АМП сигналов

108. Можно заметить, что двоичные символы, создаваемые источником дискретных сообщений, предварительно кодируются кодом Грея. В результате соседние сигнальные точки отображают двоичные последовательности, отличающиеся одним двоичным символом. Это свойство очень важно при рассмотрении характеристик помехоустойчивости демодуляторов.

109. Функциональная схема устройства формирования М-АМП сигнала приведена на рисунке 4.6

112. Рисунок 4.6 – Функциональная схема устройства формирования

113. М-АМП сигнала

114. Преобразованная последовательность входных битов преобразователем уровня DA1 поступает на вход демультиплексора DD1, который разделяет входную последовательность на m-последовательностей. Блок задержек DD2 выравнивает по времени эти последовательности, блок расширителя DD3 увеличивает длительность каждого до значения длительности канального символа T_c=mT_b . Аналого-цифровым преобразователем DD2 формируется амплитуда синфазной составляющей I согласно (4.17), квадратурная составляющая при этом равна нулю. На выходе перемножителя DA3 получаем М-АМП сигнал.

116. Экзаменационный билет № 5

2. Итеративные коды. Показать принцип кодирования, если число строк n₁ = 5, а число столбцов n₂ = 8.

117. 2.3.4. Итеративные коды. Данные коды характеризуются наличием двух или более систем проверок внутри каждой кодовой комбинации. Принцип построения итеративного кода проще всего представлять на конкретном примере. Запишем все информационные разряды блока, подлежащего передаче, в виде таблицы (рис. 2.3).

118. Каждая строка этой таблицы кодируется каким-либо кодом, а затем кодируется каждый столбец, причем не обязательно тем же кодом. Символы, расположенные в правом нижнем углу таблицы, получаются в результате проверки проверочных символов. Они могут быть построены на основе проверки по строкам и тогда будут удовлетворять проверке по столбцам, и наоборот.

119. В качестве примера рассмотрим итерированные коды (рис. 2.4) с одной проверкой на четность для каждого столбца и строки. Такой код имеет большую корректирующую способность по сравнению с кодом с одной проверкой на четность, который позволяет только обнаруживать нечетно-кратные ошибки.

     				1	0	0	1	1	1
     Информационные символы	Проверочные символы по строкам			1	1	0	0	1	1
     				1	0	0	0	1	0
     				1	1	1	1	1	1
     				1	9	9	9	9	1
     Проверочные символы по столбцам	Проверка проверок			0	0	1	1	0	0
     				1	0	0	1	0	0
     Рис. 2.3. Расположение символов итеративного кода			Рис. 2.4. Итеративный код

120. Итерированный код позволяет исправить все одиночные ошибки, так как пересечение строки и столбца, содержащих ошибку, однозначно указывает ее место. Передача комбинации итеративного кода обычно происходит по строкам последовательно, от первой строки к последней.

121. Свойства итеративного кода полностью определяются параметрами итерируемых кодов, в зависимости от которых итеративный код может быть как систематическим, так и несистематическим, как разделимым, так и неразделимым. Длина кодовой комбинации, число информационных разрядов и минимальное кодовое расстояние итеративного кода очень просто выражаются через соответствующие параметры этих кодов:

123. , (2.50)

125. где - параметры итерируемых кодов;- кратность итерирования.

126. Таким образом, простейший итеративный код, образованный путем проверок на четность (нечетность) строк и столбцов, обладает минимальным кодовым расстоянием и поэтому позволяет обнаруживать все ошибки кратности до 3. Не обнаруживаются четырехкратные ошибки, располагающиеся в вершинах правильного четырехугольника, а также некоторые шестикратные, восьмикратные и т.д. ошибки (рис. 2.5).

127. 

128. Простейший итеративный код обладает довольно высокими обнаруживающими способностями при действии пакетных ошибок – обнаруживается любой пакет ошибок длиной и менее, где- длина строки.

129. Могут быть образованы также многомерные итеративные коды, в которых каждый информационный разряд входит в комбинации трех, четырех и т.д. итерируемых кодов.

130. На рис. 2.6 показан пример применения третьей проверки по диагонали. Порядок формирования контрольных символов показан сплошными линиями.

133. На практике наибольшее распространение получили двумерные итеративные коды. Длина строки обычно выбирается равной длине одного знака первичного кода. В качестве итерируемых кодов чаще всего используются коды с одной и двумя проверками на четность и коды Хемминга.

141. Экзаменационный билет № 6

3. Детекторы АМ-сигнала с использованием нелинейной характеристики (рис. 5.5; 5.6). Спектр сигнала до и после детектирования.