книги из ГПНТБ / Катков, Ф. А. Телемеханика учеб. пособие

2QMaKc, где Омане максимальная частота гармонического колебания, входящего в модулирующий сигнал (рис. 1.13, б).

Полезный сигнал из модулированных колебаний выделяется детек­ тированием.

В системах телеуправления модулирующий сигнал часто представ­ ляет собой последовательность прямоугольных импульсов (рис. 1.14, а).

Р и с . 1 .1 3 . С п е к т р а м п л и т у д н о -м о д у л и р о в а н н ы х к о л е б а н и й п р и у з к о м (а) и ш и р о к о м (б ) с п е к т р е ч а с т о т г а р м о н и ч е с к о го м о д у л и р у ю щ е го с и г н а л а .

При амплитудной модуляции огибающая несущего напряжения по­ вторяет форму модулирующего сигнала (рис. 1.14, б). Такой вид амплитудной модуляции называют амплитудной манипуляцией. Если спектр модулирующего сигнала ограничить при помощи фильтров частотой

Р и с . 1 .1 4 . И м п у л ь с н ы й м о д у л и р у ю щ и й с и гн а л (а) и а м п л и т у д н о -м о д у л и р о в а н н ы е к о л е б а н и я (б ).

где 1<п — постоянный коэффициент; Т — период следования импульсов,

то ширина спектра сигнала после манипуляции составит Пшкс. Форма сигнала после детектирования зависит от величины коэффи­

циента Кп■ При передаче телемеханических сигналов обычно прини­ мается /<п > 3.

Частотная и фазовая модуляции (4M и ФМ). При частотной моду­ ляции амплитуда модулируемого напряжения остается постоянной, а частота изменяется в соответствии с законом изменения модулирую­ щего сигнала.

40

Индекс частотной модуляции определяется исключительно величи­ ной девиации частоты Асо и частотой модулирующего сигнала £2 и не зависит от со0.

При фазовой модуляции по закону модулирующего сигнала изме­

где Дфмакс — индекс фазовой модуляции, т. е. максимальное откло­ нение фазы колебания.

Из выражений (1.57) и (1.58) следует, что ß = Дфмакс-

При 4M обычно применяется прямое воздействие на частоту за­ дающего генератора. При ФМ задающий генератор имеет стабильную частоту, а фаза колебаний модулируется в последующих каскадах передатчика.

Для определения ширины спектра колебаний при 4M и ФМ можно воспользоваться следующим эмпирическим выражением:

т. е. ширина спектра колебаний при узкополосной частотной модуля­ ции равна ширине спектра при амплитудной модуляции.

что практически соответствует удвоенной девиации частоты и примерно в ß раз больше ширины спектра AM колебаний.

Широкополосная 4M используется на радиоканалах связи, где для передачи может быть выделена более широкая полоса частот. Сле­ дует отметить, также, что при широкополосной модуляции помехо­ устойчивость передачи повышается по сравнению с амплитудной моду­ ляцией примерно в 3ßa раз.

При частотной манипуляции частота несущего напряжения скач­ кообразно изменяется от /МШ1 до Д,акс в соответствии с изменением амплитуды модулирующего сигнала (рис. 1.15). В этом случае индекс модуляции равен отношению девиации частоты к частоте первой гар­ моники посылок F, т. е.

41

Частотная манипуляция очень широко применяется в системах то­ нального телеграфа и при передаче импульсных сигналов телеуправ­ ления.

Виды импульсной модуляции. В технике импульсной связи носи­ телем передаваемого сигнала является периодическая последователь­ ность прямоугольных импульсов. Такая последовательность импуль-

Р п с . 1 .1 5 . И м п у л ь с н ы й м о д у л и р у ю щ и й с и гн а л (а) и ч а с т о т н о -м о д у л н р о в а іш ы е к о л е б а н и я (б ).

сов (рис. 1.16, а) характеризуется амплитудой (У,“, длительностью (или

отношению к начальному положению, а амплитуда и ширина импуль­ сов остаются неизменными (рис. 1.16, д). Этот вид модуляции назы­ вается также время-импульсным (ВИМ).

42

Помехоустойчивость ШИМ и ФИМ повышается за счет применения амплитудного ограничения.

Разновидностью ИМ является импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), при которой дискретные значения первичного сигнала пере­ даются определенными комбинациями импульсов в виде кодовых групп с постоянными амплитудой, шириной и паузами между ними. Переда­ ваемый сигнал вначале модулирует последовательность импульсов по амплитуде аналогично АИМ, а затем каждый импульс дискретизи­ руется и кодируется таким образом, что каждому фиксированному

т

Р и с . 1 . 1 7 . К о д и р о в а н и е п е р е д ав ае м о го с и г н а л а .

значению амплитуды ставится в соответствие определенная комбина­ ция импульсов. Количество уровней дискретизации выбирается рав­ ным максимальному числу кодовых комбинаций. Обычно применяется двоичный некомплектный код с передачей единиц импульсами, а ну­ лей — паузами, максимальное число комбинаций которого определя­ ется по (1.13).

При числе элементов /г = 7 количество комбинаций М — 27 — 1 =

=127, что достаточно для передачи телефонного разговора. Принцип кодирования при п = 3 поясняется рис. 1.17.

На приемной стороне каждая кодовая комбинация преобразуется

вимпульс, амплитуда которого равна количеству уровней, передава­ емых данной группой. Последовательность кодовых групп преобразу­ ется в последовательность импульсов, модулированных по амплитуде

всоответствии со значениями передаваемого сигнала. При дискретиза­ ции неизбежны искажения сигнала, воспринимаемые во время теле­ фонного разговора как шум ИКМ (шум квантования).

ИКМ отличается наиболее высокой помехоустойчивостью по сравнению со всеми остальными видами импульсной модуляции. Это связано с тем, что нарушение кодовых комбинаций под воздействием помех менее вероятно, чем небольшие изменения амплитуды импуль­ сов при АИМ или их смещения во времени при ФИМ. Кроме того, при ИКМ необходимо только фиксировать наличие или отсутствие

43

импульсов в кодовой комбинации, что при присутствии помех проще, чем определение амплитуды, длительности или положения импульса во времени.

Следует, однако, отметить, что при ИКМ время, выделенное для передачи на один канал, должно быть больше, чем при других видах импульсной модуляции, так как вместо одного импульса по каналу должна передаваться группа импульсов. Ввиду этого количество вре­ менных каналов связи при И КМ меньше, чем при АИМ или ФИМ, а аппаратура более сложная.

Применительно к радиосвязи термин «импульсная модуляция» означает двойную модуляцию: первичную модуляцию вспомогатель­ ной последовательности импульсов передаваемым сигналом и вторич­ ную модуляцию УКВ колебаний напряжением; вторичная модуляция может быть любой, однако наибольшее применение для этих целей получила AM.

Обозначение ФИМ — AM означает, что первичная модуляция фазово-импульсная, а вторичная — амплитудная.

Гл а в а 2. КАНАЛЫ И ЛИНИИ СВЯЗИ В ТЕЛЕМЕХАНИКЕ

2.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Канал связи является основным звеном любой системы связи и телемеханики, при помощи которого осуществляется передача ин­ формации на значительные расстояния.

Под каналом связи подразумевают совокупность технических средств, предназначенных для передачи информации от одного источ­ ника сообщений.

Каналы связи образуются на линиях связи, представляющих собой среду, в которой распространяются сигналы от передатчика к прием­ нику. Техническими средствами, образующими каналы связи, явля­ ются линия связи и аппаратура связи (передатчики и приемники).

Линии и каналы связи делятся на электрические и неэлектрические

(оптические, акустические, гидравлические и пневматические). В те­ лемеханике, как и в технике связи, преимущественно используются электрические каналы связи, передача сообщений по которым произ­ водится путем посылки электрических сигналов или электромагнит­ ных колебаний радиотехнического диапазона.

В наиболее простых случаях в качестве каналов связи использу­ ются проводные линии (физические каналы), кабельные или воздуш­ ные без специальной их обработки. Понятия канал и линия при этом совпадают.

При передаче информации на значительные расстояния от большого количества источников сообщений линии связи используются много­

чае информация в отдельных каналах передается параллельно на раз­ личных частотах или последовательно во времени.

44

Каналы, по которым сигналы передаются только в одном направ-' лении, называются односторонними, или симплексными. Такие кана­ лы используются при телеграфировании, передаче телевизионных сигналов, а также передаче сигналов телемеханики. Каналы, по ко­ торым сигналы могут передаваться в обоих направлениях, называют­ ся двусторонними. В этих каналах сигналы в обе стороны могут пе­ редаваться попеременно или одновременно. Попеременная передача сигналов осуществляется в радиотелефонной и радиотелеграфной свя­ зи, а также в обычной телефонной связи по проводным линиям. Попе­ ременная передача сигналов ТУ и ТС по одному каналу связи также применяется во многих устройствах ТУ—ТС.

Если сигналы в обе стороны передаются одновременно, то такой канал связи называется дуплексным. Дуплексные каналы связи ис­ пользуются в специальных системах телеграфирования и в некоторых бесконтактных системах ТУ—ТС. В зависимости от того, на каких линиях связи образуются каналы связи, различают каналы связи по линиям связи (воздушным и кабельным), каналы связи по линиям электропередачи, радиоканалы на УКВ и др.

В зависимости от назначения каналы связи делятся на: телефон­ ные и телеграфные, телевизионные, каналы телемеханики, каналы для передачи буквенно-цифровой, производственно-технической и экономи­ ческой информации. Общим требованием, предъявляемым к кана­ лам связи, является обеспечение максимальной скорости передачи сообщений при минимальных искажениях, вызываемых неисправнос­ тями аппаратуры и действием помех. Передача сигналов телемехани­ ческих устройств осуществляется такими же методами, как и передача сигналов при телефонно-телеграфной связи.

Спектр частот, применяемый для передачи сигналов по линиям свя­ зи, делится на ряд диапазонов:

а) от 0 до 300 гц — подтональный диапазон, используемый для передачи телеграфных сигналов и сигналов медленно действующих устройств ТУ—ТС и некоторых устройств ТИ;

б) от 300 до 3,4 кгц — тональный диапазон, используемый для теле­ фонирования, тонального телеграфирования и передачи сигналов телемеханики;

в) от 3,5 до 6 кгц — надтональный диапазон, используемый для фототелеграфирования, телеграфирования и передачи сигналов теле­ механики;

г) выше 6 кгц — диапазон, используемый в каналах высокочастбтного телефонирования и телемеханики.

Максимальное значение частоты передачи определяется типом ли­ нии связи. Для воздушных линий связи со стальными проводами оно выбирается в пределах 10—30 кгц, а для медных проводов — не выше 150 кгц. Токи более высоких частот в последнем случае не использу­ ются из-за помех, создаваемых радиостанциями, работающими на час­ тотах выше 150 кгц.

Воздушные высоковольтные линии электропередачи (ЛЭП) исполь­ зуются в диапазоне 50—500 кгц. Воздействие радиостанций в дан­ ном случае устраняется благодаря повышению уровня передачи и

45

соответствующему выбору несущих частот. Симметричные кабельные линии связи уплотняются по частоте до 800 кгц, а коаксиальные кабе­ ли—до 12,5 Мгц. Радиосвязь осуществляется преимущественно на ульт­ ракоротких волнах в диапазоне 300—30 000 Мгц.

2.2. ЧАСТОТНОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ КАНАЛОВ СВЯЗИ

При частотном разделении передача информации от нескольких источников сообщений по одной линии связи осуществляется одно­ временно на различных частотных диапазонах. Каждому каналу связи отводится определенный участок общей полосы частот (/„ — /„), передаваемых полиции связи (рис. 2.1).

разделения каналов.

Частотное разделение каналов связи может выполняться без пре­ образования спектра частот передаваемых сигналов. Так, например, одновременно с телефонной связью может осуществляться передача телемеханических сигналов в подтональном, надтональном или высо­ кочастотном диапазонах.

При использовании подтонального или надтонального диапазонов телефонный (ТФ) и телемеханический (ТМ) каналы разделяются фильт-

Р и с . 2 .2 . Ра зд е л е н и е те л е ф о н н о го Т Ф и т е л е м е х а н и ч е с к о го Т М к а п а ' л о в в п о д то н а л ь н о м (а ) и н а д то н а л ь н о м (б ) д и а п а з о н а х .

рами верхних и нижних частот (ФВЧ и ФНЧ), как показано на рис. 2.2. При передаче сигналов ТМ в подтональном диапазоне (рис. 2.2, а) для ТФ применяется зуммерный вызов на тональной частоте, а при передаче сигналов ТМ в надтональном диапазоне (рис. 2.2, б) — обыч­ ный вызов.

Рассмотренные методы частотного разделения каналов связи при­ меняются только на выделенных проводных линиях связи (например, на нефтяных и газовых промыслах).

В магистральных системах связи используется частотное разделе­ ние каналов связи с преобразованием спектра частот передаваемых сигналов. Для передачи информации по отдельным каналам связи при­ меняется модуляция синусоидальных колебаний несущей частоты в со­

46

ответствии с передаваемой информацией. Спектры сигналов при этом перемещаются в более высокий диапазон частот.

Если спектр передаваемых сигналов низкочастотный и занимает узкую полосу частот, например 100—300 гц (телеграфные и телемеха­ нические сигналы), то преобразованные спектры нескольких каналов размещаются в тональном диапазоне. Спектры телефонных и фото­ телеграфных сигналов, имеющие более широкую полосу частот, после преобразования перемещаются в высокочастотный диапазон.

Принцип частотного разделения каналов связи с преобразованием спектра частот поясняется структурной схемой, показанной на

Р и с . 2 .3 . С т р у к т у р н а я с хем а ч а с т о т н о го р а з д ел ен и я к а н а л о в св я зи с п р е о б р а з о в а н и е м с п е к т р а ч а с т о т .

рис. 2.3. Сообщения, поступающие от источников сообщений ИС1, ИС2, ...,ИС„ преобразуются в электрические сигналы входными преобразователями ВхПц ВхП2, .... ВхПп.

На передающей стороне установлены генераторы несущих частот ГН!, ГН2, ..., ГН„ с различной частотой настройки /і < /2 < /а, ...

образующие независимые каналы связи КСХ, КС2, ..., КС„. ! В первом канале связи частота генератора ГНі при помощи моду­ лятора Mj модулируется по амплитуде, частоте или фазе сигналом, поступающим с выхода входного преобразователя ВхПх. Затем пре­ образованный сигнал проходит через полосовой фильтр ПФЪ линию

связи ЛС и через полосовой фильтр ПФі поступает в демодулятор ДМХ, который выделяет первоначальный сигнал. После преобразования в выходном преобразователе ВыхП-l сообщение передается приемнику сообщений ПСХ. Аналогично осуществляется передача сообщений и по другим каналам связи, причем все они могут работать одновременно.

Разнос несущих частот генераторов определяется полосой пропус­ кания и частотной характеристикой полосовых фильтров, применяе­ мых для разделения каналов. Расчетная полоса пропускания раздели­ тельных фильтров, в свою очередь, зависит от максимальной частоты сигнала и используемого метода модуляции.

При амплитудной модуляции для уменьшения полосы частот моду­ лированного напряжения, повышения помехоустойчивости и лучшего использования аппаратуры передача производится на одной боковой полосе (ОБП). Несущая и вторая боковая полосы при этом подавляются фильтрами и специальными схемами. За счет сокращения полосы частот число каналов связи может быть увеличено, уровень помех

47

Несущие частоты телеграфных каналов определяются по формуле

где /і — несущая частота первого канала, которая выбирается рав­ ной 420 гц (7/0).

Ширина спектра колебаний с частотной или с фазовой модуляцией примерно в ß раз больше ширины спектра AM колебаний.

Для радиовещания принято ß = 15. Если максимальная частота модуляции Амакс = 5 кгц, то ширина спектра при частотной или фазо­ вой модуляции

2ßAMaKC= 2 • 15 • 5 = 150 кгц.

Для этой же частоты модуляции ширина спектра AM колебаний Ам а к с 2 • 5 = 10 кгц,

т. е. в 15 раз уже.

По этой причине 4M и ФМ для радиовещания применяются только в КВ и УКВ диапазонах, где занимаемая полоса частот может быть широкой. Основным преимуществом 4M и ФМ является их более высо­ кая помехоустойчивость по сравнению с AM, так как помехи искажа­ ют амплитуду колебаний и практически не влияют на их частоту или на фазу.

4астотная манипуляция очень широко применяется в системах тонального телеграфа и при передаче импульсных сигналов телеуправ­ ления. Ширина полосы пропускания канала связи при частотной ма­

При скорости телеграфирования ns = 50 бод индекс модуляции

Полоса пропускания канала связи при частотной манипуляции примерно в ß раз больше, чем при амплитудной (80 • 1,8 = 144 гц).

2.3. ВРЕМЕННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ КАНАЛОВ СВЯЗИ

При временном разделении каналов сообщения дискретизируются и передаются только их мгновенные значения, один раз за период повторения. Мгновенные значения каждого сообщения передаются короткими импульсами, поэтому по одной линии связи можно переда­ вать последовательно во времени несколько сообщений. Для каждого канала связи выделяется определенный промежуток времени, являю­ щийся частью периода повторения, в течение которого посылаются импульсы, модулированные информацией, передаваемой по данному каналу. Модуляция импульсов осуществляется по амплитуде, длитель­ ности или по фазе.

49