книги из ГПНТБ / Валиев Т.А. Передача данных по ЛЭП
.pdfИзвестно, что |
частотная характеристика |
ВЧ-канала |
|
опреде |
||||||
ляется не только |
параметрами |
аппаратуры |
|
уплотнения, |
но и |
|||||
свойствами ВЧ-тракта, включающего провода |
ЛЭП |
и |
аппарату |
|||||||
ру присоединения [74, 78]. Сложность электромагнитных |
процес |
|||||||||
сов, происходящих в ВЧ-трактах каналов по ЛЭП, резко |
отли |
|||||||||
чает их от трактов проводных каналов |
связи. |
Многоскоростной |
||||||||
процесс распространения энергии |
вдоль |
линии, различного рода |
||||||||
неоднородности |
линии, |
неравномерность |
характеристик |
|
затуха |
|||||
ния элементов |
аппаратуры присоединения, |
изменение |
коммута |
|||||||
ционного состояния сети ЛЭП и многое другое являются |
причи |
|||||||||
ной того, что частотные |
характеристики |
затухания |
и |
входного |
||||||
Рис. 8. Фазо-частотные характеристики каналоз 4 (а) и 10 (б).
сопротивления ВЧ-тракта по ЛЭП могут |
иметь |
значительную |
|||||||||
неравномерность |
и |
нестабильность |
в |
пределах |
сравнительно- |
||||||
узкой полосы частот ВЧ-канала. |
|
|
|
|
|
|
|||||
Рассмотрение |
частотных характеристик |
ВЧ-каналов |
по |
ЛЭП, |
|||||||
с точки зрения передачи данных, приводит |
к выводу |
о |
целесо |
||||||||
образности |
применения |
аппаратуры |
уплотнения с |
выравнивате |
|||||||
лями |
частотной характеристики для |
компенсации |
|
частотных |
|||||||
искажений в ВЧ-тракте. |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Фазо-частотная |
|
характеристика |
определяется |
переходными |
|||||||
процессами |
в канале |
и характеризует |
скорости |
прохождения |
|||||||
через |
канал |
разных |
частот. Вследствие |
различия |
в |
изменении |
|||||
скоростей прохождения составляющих частотного спектра происхо дят искажения модулированного сигнала.
На рис. 8 приведены фазо-частотные характеристики канала 4 с аппаратурой уплотнения ВЧА-1ТФ и канала 10 с аппаратурой КП-59.
Фазо-частотные характеристики измерялись по схеме, представ ленной на рис. 9. От звукового генератора сигнал подавался на вход ВЧ-канала, соединенного шлейфом, и на вход усилителя горизон тального отклонения осциллографа. Сигнал, принимаемый ил кана ла, подавался на вход усилителя вертикального отклонения. Подбо
ром частоты звукового генератора на |
экране осциллографа полу |
||||
чали наклонную прямую |
под |
углом |
45°, |
которая по фигурам |
|
Лиссажу соответствует |
разности фаз |
сравниваемых |
сигналов в |
||
0 или 180°. Последовательным |
изменением |
частоты |
по всему |
||
30
измеряемому диапазону определялись значения частот, при кото
рых наклонная прямая на |
экране осциллографа поворачивалась- |
на 180°. |
|
Анализ фазо-частотных |
характеристик показывает, что мак |
симальное отклонение их от прямой, которая представляет линей ную зависимость, составляет 1,5—2 рад во всей полосе ВЧ-ка нала. Фазо-частотная характеристика канала 4 заметно асиммет
рична. |
Напомним, |
что |
|
в реальных |
проводных |
телефонных |
||||||||||||
каналах |
отклонение |
фазо-частотной |
характеристики |
от |
прямой |
|||||||||||||
л и н ии на одном переприемном |
участке |
составляет |
|
1—2 |
рад [91].- |
|||||||||||||
Более |
подробное |
изучение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
фазо-частотных |
|
характеристик |
|
|
К |
а |
я |
|
|
|
|
|||||||
показало, |
|
что |
для |
узкополос |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ной аппаратуры |
|
(типа КП-59) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
допустимый |
по |
фазовым |
иска |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
жениям |
(сртах^0,5 |
рад) |
|
диа |
|
ЗГ |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
пазон |
используемых |
частот |
со |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
ставляет |
600 |
гц. |
Следователь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
но, скорость передачи для этой |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
аппаратуры |
уплотнения |
может |
|
|
|
|
ни |
|
|
|
||||||||
быть принята |
равной 600 |
бод, |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
а для |
более |
широкополосной |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
аппаратуры |
|
(типа |
ВЧА) — |
|
Рис. 9. Схема |
измерений |
фазо-час |
|||||||||||
1200 бод. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тотных |
характеристик: |
|||||||
Следует |
отметить, что'отно |
|
ЗГ—звуковом |
генератор, |
ЧМ —частотомер, |
|||||||||||||
сительный сдвиг |
фазы |
между |
|
|
Осц - осциллограф. |
|
|
|||||||||||
крайними |
частотами |
в полосе |
пропускания |
|
канала |
и |
опорной |
|||||||||||
частотой в ВЧ-каналах по ЛЭП оказался значительно |
большим,, |
|||||||||||||||||
чем в проводных |
каналах связи. Так, если для |
проводного канала |
||||||||||||||||
с аппаратурой В-3 |
без переприема максимальный |
|
относительный |
|||||||||||||||
сдвиг фазы был равен АЬтах |
= ±5л |
рад |
[91], а при |
двухпроводном |
||||||||||||||
переприеме — ± |
|
8 я |
рад |
[107], |
то |
для ВЧ-канала |
ЛЭП |
с |
аппара |
|||||||||
турой КП-59 и промежуточным усилителем значение этого сдвига
оказалось примерно |
вдвое большим, т. е. Д Ь т а х = ± 1 5 я |
рад. Та |
кая значительная |
величина относительного фазового |
сдвига |
обычно встречается в проводных каналах с несколькими перепри
емными участками [63]. По-видимому, |
указанную |
особенность |
||||
можно объяснить тем, что при передаче |
дискретной |
информации |
||||
по ВЧ-каналам аппаратуры уплотнения |
ЛЭП |
сигнал |
проходит |
|||
через большее (примерно |
в 2 раза) |
число |
фильтров, |
чем при |
||
передаче по стандартным |
проводным |
каналам |
связи. |
Это обус |
||
ловлено спецификой ВЧ-связи по ЛЭП и особенностями построе ния аппаратуры уплотнения. Фильтры, как известно, являются основными факторами, определяющими сдвиг фазы и задержку сигналов. Для уменьшения фазовых искажений при передаче данных по ВЧ-каналам ЛЭП можно рекомендовать фазовые кор ректоры.
зь
Наряду с неравномерностью амплитудно-частотных и нели нейностью фазо-частотных характеристик следует особо отметить, что в ВЧ-каналах ЛЭП этим характеристикам свойственна неста бильность, которая вызывается неустойчивостью параметров линейного тракта (вследствие коммутационных переключений, осадков, гололеда и т. п.).
§3. Характер помех
ввысокочастотных каналах по ЛЭП
Основным источником ошибок в каналах связи являются раз личные помехи, которые, имея ту же физическую природу, что и сигнал, взаимодействуют с последним, искажая и разрушая его. Помехи, существующие в ЛЭП, изучались во многих работах [20,
66, |
79, |
80, |
88, |
111]. |
|
|
|
|
В отличие от проводных линий связи, где уровень помех обыч |
||||||
но очень |
мал и сами помехи определяются |
не столько |
линейным |
||||
трактом, |
сколько |
уровнем собственных |
шумов аппаратуры и |
||||
влиянием |
внешних |
источников, ЛЭП сами |
являются |
источником |
|||
интенсивных помех, обусловленных наличием на проводах высо
кого |
электрического |
напряжения промышленной частоты. Уро |
|||
вень |
линейных помех |
в ЛЭП обычно существенно выше |
уровня |
||
собственных шумов аппаратуры. |
|
||||
Причинами |
возникновения помех являются: |
|
|||
коронирование линейных проводов; |
|
||||
частичные |
разряды на поверхности изоляторов и коронирова |
||||
ние элементов |
арматуры; |
|
|||
коммутационные переключения в электрической сети; |
|
||||
работа соседних ВЧ-каналов и радиостанций; |
|
||||
дуги коротких |
замыканий; |
|
|||
атмосферные |
разряды. |
|
|||
Первый и |
второй |
факторы являются основными: они |
присут |
||
ствуют непрерывно и оказывают значительное влияние на работу канала. Помехи, вызванные влиянием соседних ВЧ-каналов или радиостанций, могут быть сведены к допустимому минимуму соответствующим выбором частот каналов и применением фильт ров. Помехи от коммутационных переключений, коротких замы
каний |
и атмосферных разрядов |
(молний) |
весьма кратковремен- |
|||
ны (длительность |
переключений |
и |
коротких |
замыканий изме |
||
ряется |
десятыми |
долями секунды), |
а сами |
эти |
события происхо |
|
дят относительно редко. Но если с влиянием этого вида помех на каналы телефонной связи можно не считаться, то их влияние на каналы передачи данных может оказаться весьма существенным, если не предусмотреть специальных мер защиты (например, бло кировку СПД с сигнализацией при коммутационных операциях).
В технике ВЧ-связи по ЛЭП все существующие помехи при нято подразделять на 2 группы — распределенные (флуктуационные или гладкие) и коммутационные (импульсные) [20].
32
• Помехи, причинами |
которых |
являются |
коронирование |
и раз |
||||
ряды на поверхности |
изоляторов, |
относятся к |
распределенным. |
|||||
Уровень распределенных помех зависит от целого |
ряда |
факторов, |
||||||
среди которых главным |
является |
величина |
градиента |
потенциала |
||||
на проводах [66, 88]. При достаточно |
большой |
напряженности |
||||||
поля у поверхности проводов происходит электрический |
пробой |
|||||||
воздуха — коронный |
разряд. Местные |
коронные |
разряды |
разви |
||||
ваются в виде очень коротких по времени импульсов тока, возни
кающих в пространстве |
вокруг |
провода |
перпендикулярно |
к его |
|||
поверхности. Импульсы |
тока |
короны при положительном |
напря |
||||
жении на |
проводе |
получили |
название |
стримеров. |
Стримерная |
||
корона — |
основной |
источник ВЧ-помех в ЛЭП. Ввиду |
того что |
||||
длительность отдельных импульсов стримеров колеблется в пре делах 0,01—0,1 мксек, а число их на линии протяженностью в не сколько десятков километров достигает сотен тысяч в секунду, то общая картина помех на выходе фильтра с полосой пропускания 1—5 кгц будет иметь флуктуационный характер. Спектральная плотность этих помех в диапазоне 30—500 кгц практически постоянна [20].
Во времени помехи распределены неравномерно. Обычно име ются явно выраженные всплески амплитуд помех, которые соот ветствуют частоте промышленного тока; интенсивность помех зависит от напряжения промышленной частоты. Максимальные всплески помех совпадают с максимумами положительной поляр ности напряжения на данной фазе и следуют с интервалом 20 мсек. Между ними располагаются всплески в 2—3 раза меньшей амп литуды, обусловленные соседними фазами, напряжение на кото рых сдвинуто относительно несущей фазы на одну треть периода промышленной частоты 50 гц.
Наблюдения за помехами в процессе экспериментальных исследований статистики ошибок при передаче данных по ВЧ-ка- налам ЛЭП показали, что пульсация интенсивности распределен ных помех с периодами, соответствующими промышленной часто
те, не всегда имеет место. Так, если |
|
в одном |
из |
исследованных |
|||||||
каналов |
после |
ВЧ-фильтра |
приема |
аппаратуры |
уплотнения |
||||||
КП-59 с напряжением 220 кв помехи |
|
носят характер |
явно |
выра |
|||||||
женных |
всплесков, |
соответствующих |
трехфазной |
структуре сети |
|||||||
(рис. 10а), то |
в |
аналогичной |
точке |
аппаратуры |
уплотнения |
||||||
ЭПО-3 другой |
ЛЭП такого |
же |
напряжения |
помехи |
не имеют |
||||||
периодических |
всплесков |
(рис. 10 6). |
|
На рис. 11 |
представлена |
||||||
картина |
помех, |
когда периодические |
всплески |
в области |
макси |
||||||
мумов положительной полуволны напряжения на входе аппара
туры уплотнения (на ВЧ-кабеле) |
отсутствуют. |
|
|
|
Статистическая обработка осциллографических записей помех |
||||
позволила установить, что распределение |
амплитуд |
флуктуа- |
||
ционных |
помех в ЛЭП в полосе |
телефонного |
канала |
достаточно |
хорошо |
описывается нормальным |
законом [43]. |
|
|
3—254
равен +19 дб |
( + 2,2 неп) |
в полосе |
5 кгц, |
однако в некоторых |
случаях может |
достигать |
значений |
до +43 |
дб ( + 5 неп). Боль |
шей частью период |
отдельных импульсов коммутационных помех |
||
составляет единицы |
микросекунд, а |
переходный процесс |
от одной |
импульсной помехи |
длится десятки |
микросекунд. При |
операциях |
выключателями |
и |
коротких |
замыканиях |
общая длительность |
||
периода помех |
составляет 2—30 мсек [80, |
111]. |
|
|
||
Наконец, несколько слов |
о помехах в |
ЛЭП |
без |
напряжения. |
||
При отключении |
высокого |
напряжения в |
линии |
исчезают |
||
всплески помех, однако уровень помех в среднем снижается лишь
на 8,7 дб (1 неп). Основными |
источниками |
помех в ЛЭП без |
напряжения являются сигналы |
радиовещания |
и телеграфа [105]. |
§4. Искажения сигналов
и интегральные оценки каналов
Причиной появления ошибок в каналах передачи данных являг
ются возникающие как от неравномерности |
амплитудно-частот |
||||||
ных и нелинейности фазо-частотных |
характеристик канала, 'так и |
||||||
от воздействия помех |
искажения импульсов |
сигнала. Последние |
|||||
можно подразделить |
на дробления |
и |
искажения |
длительности |
|||
импульсов |
(искажения |
краев), которые |
в свою |
очередь подразА |
|||
деляются |
на случайные, характеристические |
и |
типа |
преоблада |
|||
ний [13]. |
|
|
|
|
|
|
|
Искажения краев вызываются помехами, плавными и скачко образными изменениями уровня, кратковременными разрывами канала, сдвигом частоты, скачкообразными изменениями фазы, низкой несущей частотой. Характеристические искажения возни кают и в отсутствие помех и вызываются частотными и особенно фазовыми неравномерностями. Их влияние при больших скоро стях передачи становится очень значительным. Поскольку харак теристические искажения трудно поддаются достаточно точному расчету, то их воздействие на достоверность передачи учитывает ся при экспериментальном исследовании появления ошибок. При
менение фильтров с |
плавными |
срезами и |
фазовой |
коррекции |
||||||
позволяет |
значительно |
снизить |
характеристические |
искаже |
||||||
ния [46]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Искажения импульсов |
от скачков |
уровня |
принимаемого сиг |
|||||||
нала, |
кратковременных |
прерываний |
канала, |
сдвига |
рабочих |
|||||
частот |
и скачков фазы передаваемого сигнала |
можно |
считать |
|||||||
пропорциональными |
значениям |
перечисленных |
факторов. |
|
||||||
Следует |
ожидать, |
что |
влияние дроблений на появление оши |
|||||||
бок в |
каналах по ЛЭП |
будет |
незначительным, |
так |
как |
дробле |
||||
ния вызываются главным образом импульсными помехами ком мутационного типа и кратковременными прерываниями канала. Последние могут возникать при переключениях в аппаратуре, перегрузках групповых усилителей и плохих электрических кон тактах в цепи канала.
35
Сдвиг частоты передаваемого сигнала |
может |
вызвать • пре |
|
обладания в приемнике с ЧМ. |
|
|
|
Минимальные несущие частоты /о'индивидуальных преобразо |
|||
вателей для КП-59, ВЧА-1ТФ (ВЧА-ЗТФ), |
ЭПО-3 к МК-60 равны |
||
6; 8; 9 и 15 кгц соответственно. Поскольку передача |
дискретной ин |
||
формации со скоростью |
1200 бод по узкополосным |
каналам аппа |
|
ратуры КП-59, имеющей |
наименьшую f0 индивидуального преобра |
||
зователя, нецелесообразна, то максимальная относительная вели
чина искажений от качаний фронта |
[46] для аппаратуры |
уплотне |
|||||
ния ЛЭП будет равна. |
|
|
|
|
|
|
|
8 |
= т э г 1 0 0 0 / 0 = |
да |
1 0 0 0 / ° ^ 2 > 4 ° / ° - |
|
|
||
Как видим, искажения от качаний |
фронта |
невелики. |
|
|
|||
Определим |
краевые искажения |
от распределенных |
(флукту- |
||||
ационных) помех. Известно |
[46], что наименьшие |
краевые |
иска |
||||
жения от флуктуационных помех возникают |
при ЧМ. |
|
б с р . К в . |
||||
Среднеквадратическое значение |
величины |
искажений |
|||||
для ЧМ при скорости передачи 1200 бод, ширине |
полосы |
|
частот |
||||
канала Af=3000 гц (наименьшая полоса пропускания для этой
скорости, аппаратура МК-60) и минимально допустимой |
разно- |
||||||||||
хти уровней сигнала и помех Ар = 26 дб (3 неп) |
будет |
равно |
|||||||||
|
|
|
--0,115 ЬрВ |
9 |
7 9 - 3 . 1 9 П П |
|
|
|
|
||
|
ср. кв — |
2 A F |
*ioo% = |
о ,ппГ юо% = 1 %. |
|
||||||
|
w / U — |
|
2 . з о о о |
|
|
|
|
||||
Вероятность |
появления краевых |
искажений |
от флуктуацион |
||||||||
ных 'помех |
8ф л больше |
заданной |
величины 8з определяется выра |
||||||||
жением |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p ( 8 - > s ' ) = , - * ( 7 f b : ) ' |
|
|
<"-2> |
|||||
т де Ф ^ y-^l |
|
j — интеграл вероятностей. |
|
|
|
|
|||||
Ниже |
приведены |
вероятности |
^ ( 8 ф Л > 2 3 ) |
для |
некоторых |
||||||
значении |
/ 2 5 с р |
к а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
'V2 8cp. к в |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
^ ( 8 ф л > 8 з ) |
3 , 1 7 - Ю - 1 |
4,56-10~2 |
2,70-10~3 6,34-10"5 5,73-10~7 |
||||||||
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,97- Ю - 9 |
|
|
|
|
|||
Для |
наиболее неблагоприятного |
случая |
с Ар = 8,7 |
дб |
(сниже |
||||||
ние от нормы на 2 неп), когда 5=1200 |
бод, |
найдем |
вероятность |
||||||||
появления |
краевого искажения |
более |
40% |
(рабочая |
исправляю- |
||||||
36
Глава III
}
ИЗМЕРЕНИЕ СТАТИСТИКИ ОШИБОК ПРИ ПЕРЕДАЧЕ ДАННЫХ
ПО ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ КАНАЛАМ ЛЭП
§ 1. Краткий обзор существующих методов измерений статистики ошибок
Для выбора оптимальных методов передачи данных и по вышения помехоустойчивости необходимо знать статистическую структуру ошибок, которая может быть описана распределениями вероятностей ошибок, закономерностями группирования ошибок,
асимметрией |
канала, стабильностью |
перечисленных |
характери |
||
стик и их зависимостью от технических и природных |
факторов. |
||||
Статистическое исследование потока ошибок в реальных кана |
|||||
лах проводится с помощью |
анализаторов |
распределения оши |
|||
бок, которые, |
как правило, |
состоят |
из передающей |
и приемной |
|
частей, блока |
сравнения и регистрирующего |
устройства. |
|||
К настоящему времени наметились три группы методов стати |
|||||
стического исследования характеристик дискретных |
каналов: |
||||
1)без применения ЭВМ;
2)с частичным применением ЭВМ;
3)с полным применением ЭВМ.
Наибольшие сведения о характере возникновения ошибок дает применение так называемого анализатора бинарных каналов, разработанного П. А. Котовым [73, 99]. В этом анализаторе про
изводится |
запись |
синхроимпульсов |
|
и импульсов |
ошибок |
типа |
|||||
1 — 0 |
и 0—>- 1 на 3 дорожки |
магнитной |
ленты. Обработка |
запи |
|||||||
санной |
измерительной |
информации |
производится с |
помощью |
|||||||
специального счетного |
устройства. |
В |
модернизированном |
вари |
|||||||
анте этого |
анализатора |
(типа |
АК-2) |
для |
сокращения |
расхода |
|||||
магнитной |
ленты |
пуск |
последней |
производится |
при |
появлении |
|||||
ошибок. При длительных интервалах без появления ошибок маг нитная лента не протягивается.
Известно, что проводные и радиорелейные линии телефонной связи относятся к числу каналов с памятью, т. е. при передаче дискретной информации по ним появляющиеся ошибки имеют тенденцию группироваться в пакеты. Такие каналы характери зуются чередованием интервалов с относительно высокой плот ностью ошибок и длительными отрезками времени безошибочной передачи символов. Значит, характер возникновения ошибок поз воляет предусмотреть меры по снижению непроизводительного рас хода ленты, который мог бы быть при непрерывной записи.
I