Часть третья. Основные принципы телемеханики.

Глава 11. Передача и прием телемеханических сигналов

Впервой части книги рассматривались методы образования сигналов. Для этого использовались переносчики в виде непрерывного электромагнитного колебания или последовательности импульсов, на которые методом модуляции или кодирования наносились сообщения.

Следующая задача заключается в передаче сигналов по линии связи и в последующем их приеме. Она не представляет принципиальных трудностей, если каждый сигнал передается по одной линии связи, т. е. если для передачи одного сигнала одному приемнику предоставляется одна пара проводов, а для передачи N сигналов — N пар проводов. Однако такие многопроводные системы при передаче на большие расстояния не применяются. В то же время передача многих сигналов по одной паре проводов, в общем случае по одной линии связи или выделенной полосе частот, значительно усложняется вследствие влияния сигналов друг на друга. Во избежание такого влияния сигналы должны иметь какие-то отличительные признаки для того, чтобы на приеме их можно было разделить и каждый сигнал направить по своему адресу.

Втеории связи использование одной линии связи для передачи многих сообщений (сигналов) называют уплотнением линии связи или образованием каналов связи, а вместо термина «разделение сигналов» применяют термины «разделение каналов или канальных сигналов».

Казалось бы, проблему передачи большого числа сообщений по одной линии связи можно решить кодированием, присваивая каждому сообщению определенную кодовую комбинацию. Однако в системах телемеханики происходит передача информации как от одного источника информации ПУ (пункта управления) ко многим приемникам (команды ТУ, передаваемые на контролируемые пункты — КП), так и от многих источников (КП) к одному приемнику (сигналы ТИ и ТС, передаваемые на ПУ с КП). Поскольку в последнем случае информация на ПУ может поступать одновременно с разных КП, коды должны быть такими, чтобы сигналы не смешивались при приеме. Так, если с первого КП послан код ОНО (одна из комбинаций двоичного кода на все сочетания) и одновременно со второго КП —код 1001 (вторая комбинация того же кода), то на ПУ эти коды сложатся и будет принят код 1111, который не соответствует ни одному из посланных кодов. В то же время если первому КП присвоить, например, код 0100 (одна из комбинаций распределительного кода С1), а второму — код 0010 (вторая комбинация того же кода), то при смешении на ПУ образуется код ОНО, из которого легко определяются первые две комбинации. Смешения кодов не произойдет, если передавать коды с частотными признаками, присваивая первому КП, например, частоту / , а второму — частоту / 2. Однако использование как распределительного кода, так и кодов с частотными признаками означает, что кроме

кодирова­

ния происходит дополнительное разделение сигналов: в первом случае — в неявном виде разделение во времени (в каждой комбинации распределительного кода всегда передается только одна единица, сдвипутая во времени относительно единицы в другой комбинации), во втором — разделение по частоте.

Таким образом, в системах телемеханики для передачи многих сигналов по одной линии связи применение обычного кодирования оказывается недостаточным. Необходимо либо дополнительное разделение сигналов, либо специальное кодирование, которое включает в себя элементы разделения сигналов. В то же время разделение сигналов, выполненное на основе временного разделения, имеет свои преимущества и чаще используется в телемеханике, особенно в радиотелеметрии.

§ 11.1. Разделение сигналов

Разделение сигналов — обеспечение независимой передачи и приема многих сигналов по одной линии связи или в одной полосе частот, при котором сигналы сохраняют свои свойства и не искажают друг друга. Рассмотрим методы передачи сигналов, которые обеспечивают передачу многих сигналов по одной линии связи. Принципиально имеются следующие способы разделения сигналов:

1)схемное, или электрическое, разделение, при котором для передачи каждого сигнала отводится своя электрическая цепь (этот способ используется в системах с дистанционным управлением, о которых будет сказано далее);

2)амплитудное разделение по уровню, при котором каждому сигналу присваивается своя амплитуда;

3)полярное разделение, при котором передаются сигналы положительной или отрицательной полярности;

4)разделение по форме, при котором, например, сигналы в первом канале передаются импульсами прямоугольной формы, во втором — треугольной, в третьем — трапецеидальной и т. д.;

5)пространственное разделение, при котором сигналы различаются по положению их в пространстве относительно маркерного импульса;

6)временное разделение, при котором сигналы передаются последовательно во времени, поочередно используя одпу и ту же полосу частот;

7)кодово-адресное разделение, осуществляемое на базе временного (реже частотного) разделения сигналов с посылкой кода адреса;

8)частотное разделение, при котором каждому из сигналов присваивается своя частота и сигналы передаются последовательно или параллельно во времени;

9)частотно-временное разделение, позволяющее использовать преимущества как частотного, так и временного разделения сигналов;

10)фазовое разделение, при котором сигналы отличаются друг от друга фазой. Первые пять способов разделения сигналов сейчас не применяются. Заметим, что

схемный способ лишь условно может быть отнесен к способам разделения сигналов, так как он не соответствует приведенному определению разделения сигналов.

которого можно передать все или часть сигналов. Если щетки продолжают вращаться, то после 1-го цикла следует 2-й, затем 3-й и т. д. Таким образом, образуется последовательность импульсов, каждый из которых передает то или иное сообщение (импульс / включает реле Pi, импульс 2 — реле Р2 и т.д.). Это достигается тем, что распределитель подключает линию связи к источникам информации, в данном случае к ключам К\ —

VU

В рассмотренном способе ВР каждому источнику информации отводится свой временной интервал (ВИ) или временная позиция (ВП). Такое ВР при передаче дискретной информации [6] называют синхронным временным разделением (СВР). При СВР информация может передаваться в каждом ВИ каждого цикла. Однако непрерывная передача информации возможна лишь в том случае, если источник информации готов к передаче, т. е. ему есть что передавать. В телемеханике непрерывно передаются текущие телеизмерения (см. § 13.1). Командная информация обычно передается реже. Поэтому при СВР используют далеко не все ВИ, что приводит к недогруженности канала связи. Для увеличения пропускной способности системы каждый ВИ можно не закреплять за определенным источником информации, а предоставлять его в первую очередь источнику, у которого накопилась информация, т. е. который находится в активном, или возбужденном, состоянии.

Этот способ ВР называют асинхронным временным разделением (АВР). При СВР сигналы определенного канала выделяются на приеме просто, так как при передаче каждому каналу в цикле отведен свой ВИ. При АВР передача информации с данного источника может происходить в разные ВИ цикла, которые неизвестны на приеме. Поэтому при АВР необходима дополнительная посылка адреса передаваемой информации, чтобы она была принята именно тем приемником, которому предназначается.

Передача с СВР иллюстрируется рис. 11.2,6, на котором для упрощения представлен цикл, состоящий всего из четырех ВП, образуемых при работе распределителя на рис. 11.2,а. В 1-м цикле показана передача четырех телеизмеряемых величин (ТИ\ — ТИ4), во 2-м цикле дается пример передачи команды телеуправления на первой ВП и приема сигнала телесигнализации на четвертой ВП. Ввиду отсутствия информации вторая и третья ВП в этом цикле не используются.

При АВР (рис. 11.2,в) на первой и третьей ВП передаются адреса (А), а на второй и четвертой ВП — информация (И).

Целесообразность применения свободных ВП при ВР известна давно, так как при большом цикле передачи в системах телемеханики это не только ускоряет процесс передачи, но и позволяет лучше использовать каналы связи, которые зачастую стоят дороже самой системы телемеханики. Для этой цели применяют адреспую и спорадическую передачи, окоторых будет сказано в этой главе, а также адаптивные телеизмерения (см. § 13.8).

Кодово-адресное разделение сигналов (КАР). Как указывалось, передача телемеханических сообщений с помощью кодовых комбинаций возможна лишь при дополнительном разделении сигналов: временном или частотном. В современных системах телемеханики передача информации

кодовыми комбинациями осуществляется с ВР. Ее можно назвать передачей с временным кодово-адресным разделением (ВКАР).

Передача с ВКАР осуществляется таким образом. Сначала передается синхронизирующий импульс или кодовая комбинация (синхрокомбинация) для обеспечения согласованной работы распределителей на пункте управления и контролируемом пункте. Далее посылается кодовая комбинация, называемая кодом адреса. Первые символы кода адреса предназначены для выбора контролируемого пункта и объекта, последние образуют адрес функции, в котором указывается, какая телемеханическая операция (функция) должна выполняться (ТУ, ТИ и т . и .) После этого следует кодовая комбинация самой операции, т. е. передается командная информация или принимается известительная информация. Подробно ВКАР рассматривается при описании систем телемеханики в гл. 15.

Частным случаем временного кодово-адресного разделения сигналов является асинхронное временное разделение. Действительно, при ВКАР порядок передачи информации может быть любым независимо от того, в каком состоянии находятся источники информации, т. е. изменил ли данный источник свое состояние (ТУ) или величину (ТИ) или состояние объекта и измеряемая величина не претерпели изменения по сравнению с предыдущей передачей. При АВР передаются только те источники, кото­ рые изменили свое состояние или величипу по сравнению с предыдущей передачей.

Частотное разделение сигналов (ЧР)

При частотном разделении для каждого из п сигналов, подлежащих передаче, выделяется своя полоса частот: для сигнала 1—AFi, для сигнала 2— \F2 и т.д. (см. рис. 11.1,6). Это значит, что при частотном разделении (частотном уплотнении) каждый сигнал занимает свой частотный интервал, не занятый другими сигналами, т. е. каждому из п сигналов, которые должны передаваться, присваивается своя частота: сигналу /— Д, сигналу 2 — Д и сигналу п — /„. Технически такая передача для телеуправления осуществляется следующим образом. На передающей стороне (ПУ) помещаются генераторы частот F\,...F„, каждый из которых генерирует сипусоидальное колебание частотой Д,Д,...,Д (рис. 11.2,г), а также полосовые фильтры ПФ, ,ПФ„ с центральными частотами, соответствующими частотам генераторов.

На приемной стороне (КП) каждый из посланных сигналов выделяется сначала полосовым фильтром, настроенным на данпую частоту, а затем выпрямляется демодуляторами (ДМ\ — ДМ,), после чего постоянный ток либо непосредственно, либо через выходные исполнительные элементы ВИЭ включает электромеханические реле (Р\—Р„). Для включения реле Р; нужно замкнуть ключом К\ цепь генератора Г\, который посылает в линию связи частоту Д. На КП этот сигнал проходит только через фильтр ПФ] и после выпрямления включает реле Р . Аналогично ключом К2 включается реле Р2 и т. д. Порядок посылки сигналов может быть любой, т. е. после сигнала частотой Д может быть послан сигнал частотой Д или любой другой сигнал. Это так называемая последовательная передача сигналов

ложительное напряжение, соответствующее фазе 90° (прием единицы во втором канале), так как фаза опорной частоты, сдвипутая на 90° по сравнению с опорной частотой первого канала, совпадает с фазой второго канала. Нанряжение сигнала первого канала на выход ФДМ2 не поступит, так как вектор опорной частоты в данном канале перпендикулярен вектору напряжения первого канала и произведение этих векторов будет равно пулю.

Аналогично может осуществляться и передача двух сообщений на одной частоте при относительной фазовой манипуляции (ДОФМ). Таким образом, использование ДФМ или ДОФМ позволяет удвоить пропускпую способность канала связи. Возможна также передача трех сообщений на одной частоте с помощью трехкратной относительной манипуляции.

Частотно-временное разделение сигналов (ЧВР)

На рис. 11.1, в дается иллюстрация частотно-временного разделения (ЧВР) сигналов. Заштрихованные квадраты с номерами — это сигналы, передаваемые в определенной полосе частот и в выделенном интервале времени Между сигналами имеются защитные временные интервалы и полосы частот. Число образуемых сигналов при этом значительно увеличивается. Это подтверждает и тот факт, что в самой совершенной аппаратуре для образования каналов телеграфирования используется ЧВР сигналов (см. гл. 6). Осуществляется ЧВР сигналов с помощью аппаратуры, необходимой для выполнения ВР и ЧР (см. гл. 12).

Сравнение временного н частотного разделения сигналов. Так как временное и частотное разделения сигналов являются основными в телемеханике, произведем их сравнение по различным параметрам При этом будем считать, что быстродействие систем телемеханики, использующих как частотное, так и временное разделение сигналов, одинаково. В данном случае под быстродействием понимают передачу за определенный промежуток времени одного и того же числа команд при частотном и временном разделении сигналов. Например, сигналы В\—/А при временном и Ч — Чз при частотном разделении передаются за время одного цикла Тц (рис. 11.5, а). Это значит, что при посылке N команд длительность импульса при ВР должна быть в N раз меньше длительности импульса при ЧР, так как команды при ЧР могут быть посланы одновременно, а при ВР — только последовательно во времени. Из рис. 11.5, а следует, что, посылая за время цикла Тц три команды Ч — одновременно, получают ту же скорость передачи, что и при поочередной посылке в три раза более коротких сигналов В\—В3. Таким образом, речь идет о быстродействии за цикл. Очевидно, в пределах цикла команда при ВР будет передана быстрее, чем при ЧР. При этом считают, что ширина полосы частот, в кото­

п е р е д а т ч и к о в . При этом сравнении считается, что амплитуда сигнала как при ЧР, так и при ВР не ограничивается За время Тц передатчик при ВР концентрирует всю мощность на передачу одного сигнала в любой момент времени, тогда как при ЧР мощность передатчика разделяется в данном примере на три сигнала, которые передаются одновре­ менно для получения того же быстродействия. В общем случае при ЧР