книги из ГПНТБ / Гешелин М.Г. Радиотелемеханизация в нефтедобывающей промышленности (системы и элементы)

щаяся тем, что амплитуда принимает отрицательное значение. Ко­ эффициент модуляции в каналах телемеханических систем не пре­ вышает 0,6; при этом модуляционная характеристика m—f \LX имеет линейный характер.

Для анализа амплитудно модулированных колебаний раскроем скобки в уравнении для i; тогда

лированное колебание несинусоидально; поэтому оно имеет слож­ ный спектр частот, определяемый спутниками.

При коэффициенте модуляции, равном единице, мощность мо­ дулированного колебания в полтора раза больше мощности немодулированного колебания, т. е. равна сумме всех трех составляю­ щих колебания.

Модулированное колебание составляет спектр частот с симмет­ рично расположенными верхней и нижней боковыми полосами. Мо­ дулированный ток содержит столько пар боковых частот, сколько разных частот содержится в сигнале. Амплитуды этих боковых ча­ стот не зависят друг от друга; модулирующее напряжение содер­ жит несколько гармонических колебаний с разными частотами;

U — Ua + L/j sin wxt + U2 sin w2t + ... + U„ sin <ont.

Модулированный ток при этом запишется так:

i — (Z„ + Zj cos «4 + Z, cos <o2Z-{- . ..) cosw0Z.

Раскрывая скобки, получим подтверждение о содержании в мо­ дулированном токе нескольких пар частот, так как

i — /„ cos w0Z + -у- cos (co0 + wj) t -y- cos (w0 — u>j)Z +

!- COS (tu0 + <d2) t + ~ cos (<B0 — W2) t + . . ..

39

Таким образом, передача того или иного сообщения по радиока­ налу связана с использованием полосы частот, равной удвоенной частоте модуляции. При частотном методе измерения того или ино­ го параметра в радиоканале с амплитудной модуляцией использует­ ся спектр частот, определяемый боковыми полосами.

Колебания по частоте или фазе при постоянной амплитуде мож­ но представить так:

i= Ia cos ср (./).

Вслучае синусоидального колебания

© Д) = <я0Г ©0

фаза растет пропорционально времени. Связь между частотой и фа­

модулирующая частота одновременно является модулирующей фа­ зой. Закон изменения фазы при частотной или фазовой модуляции апроксимируется нелинейной зависимостью от времени. Этот закон может быть выражен так:

ср (I) = a>ot 4- ср0 -р т cos <о£.

Для частотной модуляции изменение частоты во времени будет иметь вид

со = <о0 + о>! (О,

где w0 — несущая частота.

40

Выражение <в (t) характеризует отклонение частоты от Несу­ щей и называется девиацией частоты. При частотной модуляции де­ виация пропорциональна модулирующему напряжению:

при частотной модуляции, остается почти неизменной в случае из­ менения частоты модулирующего сигнала. Ширина спектра сигнала с частотной модуляцией определяется амплитудой модулирующего

fe=l

Это выражение свидетельствует, что сигнал с частотной моду­ ляцией содержит множество боковых колебаний. Боковые колеба­

*) Индексом частотной модуляции («) называется отношение максимальной девиации частоты (в одну сторону от центральной частоты) к частоте модули­ рующего сигнала. В передатчиках с ЧМ девиацию частоты, как правило, прини­

41

ния расположены симметрично по обе стороны от несущего колеба­ ния и представляют безграничный спектр. Поскольку амплитуды бо­ ковых колебаний неодинаковы и зависят от амплитуды и частоты модулирующего сигнала, то ширина спектра частотно модулирован­ ных колебаний ограничена. Спектр частотно модулированного ко­ лебания ограничивается эффективным колебанием. Под эффектив­ ным колебанием следует подразумевать боковое колебание с ам­ плитудой, величина которой составляет не менее двух процентов от амплитуды смодулированного колебания несущей частоты. Поло­ са, необходимая для передачи боковых частот, носит название эф­ фективной полосы частот, или действительной ширины спектра ча­ стотно модулированного колебания. При частотной модуляции ча­ стоты боковых колебаний расположены симметрично. Спектраль­ ные линии можно выразить как частоты боковых колебаний и>,, а>_,, ш3, равные

a>j — О50 + 2,

и2 = (йд + 22,

®3 --- COq I 32,

где <о0 — центральная частота; 2 — частота модулирующего сигнала.

Знаки + и — указывают на принадлежность колебания к ниж­ нему или верхнему боковому спектру частот.

полосой качания, так как при модуляции частота может принимать любое мгновенное значение в интервале o>ft ± Д».

Чтобы получить представление об эффективной полосе частот, необходимо рассмотреть выражение для случая, когда индекс моду­ ляции стремится к нулю:

1

— ■— COS (IJ!o —

2

мают равной 75 кгц и 25 кгц берется для предотвращения взаимных помех. В

50 кгц; тогда канал занимает полосу 250 кгц. В телемеханических системах канал может занимать и меньшую полосу.

42

Из последнего выражения видно, что спектр частот при малом индексе модуляции становится таким же, как и при амплитудной модуляции.

Рассмотрев зависимость ширины спектра от индексов модуля­ ции, можно сделать вывод о том, что ширина спектра частотно мо­ дулированного колебания тем больше, чем больше амплитуда мо­ дулирующего колебания.

Необходимо отметить чрезвычайно важное свойство частотно модулированного колебания. Частота центрального несущего коле­ бания не зависит от частоты модулированного колебания и не несет полезной информации, т. е. чем меньше амплитуда центрального колебания, тем больше в приемном канале используется мощность, излучаемая передатчиком.

В случае амплитудной модуляции, когда/п = 1, половина изучае­ мой мощности переносится волнами, центральная частота которых не используется в приемном канале для получения передаваемого сигнала.

При частотной модуляции мощность излучается в основном в виде боковых колебаний. При амплитудной модуляции излучаемая мощность увеличивается, а при частотной остается постоянной.

Это делает передатчик с ЧМ более экономичным; к. п. д. этого передатчика гораздо выше.

Передатчик с ЧМ может работать в режиме максимальной мощ­ ности, что позволяет получать от одних и тех же ламп в 4 раза большую мощность, чем при использовании передатчика с AM.

При частотной модуляции понятие процента модуляции теряет смысл. Глубина модуляции характеризуется индексом модуляции, физический смысл которого объяснен выше.

IV. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ РАДИОКАНАЛОВ

Помехоустойчивость радиоканалов зависит от кода и от вида модуляции. В данной главе рассматривается зависимость помехо­ устойчивости от вида модуляции.

Прежде чем перейти к рассмотрению этой зависимости, следует ввести некоторые понятия о помехах. К наиболее существенным по­ мехам, проявляющимся в радиоканалах телемеханических систем, следует отнести промышленные, аппаратурные и радиопомехи. По­ мехи каждого вида, в свою очередь, могут быть разделены по про­ исхождению на шумы внятные, гладкие и импульсные. Внятные шумы могут проявляться за счет паразитных связей низкочастотных цепей, влияния друг на друга радиоканалов связи и т. п. Внятные шумы легко обнаруживаются. Устранение шумов этого типа связа­ но с серьезными трудностями.

К импульсным шумам относятся активные индустриальные по­ мехи, создаваемые промышленными и бытовыми электрическими устройствами.

43

Наиболее эффективной мерой борьбы с промышленными поме­ хами является локализация помех в их очагах и удаление приемных радиостанций от этих очагов. В условиях нефтяных промыслов сле­ дует стремиться удалять диспетчерский пункт от очагов помех. Для борьбы с промышленными помехами рекомендуется применять остронаправленные антенны.

Наиболее трудно устранить гладкие, или флюктуационные, шу­ мы, очаги которых лежат внутри самой аппаратуры. Флюктуацион­ ные помехи в большой степени могут подавляться путем улучшения конструкции аппаратуры радиоканалов.

Во всех случаях наиболее эффективной мерой борьбы с помеха­ ми является повышение уровня полезного сигнала. В радиоканалах телемеханических систем повышение уровня полезного сигнала дол­ жно производиться в основном за счет повышения эффективности антенных сооружений, так как мощность передатчика ограничена; ее увеличение нарушает принцип локальности радиоканала.

Повышение помехоустойчивости достигается всегда путем увели­ чения мощности, ширины спектра или длительности передаваемого сигнала, т. е. связано с дополнительной загрузкой радиоканала. Весьма эффективным средством повышения помехоустойчивости ра­ диоканала является выбор соответствующего типа модуляции.

Как уже указывалось, помехоустойчивость радиоканала может быть повышена за счет расширения спектра сигнала. При использо­ вании частотной модуляции, относящейся к широкополосным видам модуляции, помехоустойчивость значительно выше, чем. при ис­ пользовании амплитудной модуляции.

Для качественной оценки амплитудной и частотной модуляций необходимо рассмотреть случай, когда на входе приемного устрой­ ства действует синусоидальная помеха. При этом на входе прием­ ника действуют два «смодулированных напряжения:

Uc _ Z7csin

и

Un — U'n sin

ные составляющие. Отношение помехи и сигнала обозначим через

Приведенное выражение можно рассматривать как коэффициент модуляции, получающийся в результате наложения помехи на не­

44

Приведенные соображения свидетельствуют о высокой помехо­ устойчивости радиоканала при частотной модуляции. По этой же причине применение амплитудной модуляции в телемеханических системах следует считать нецелесообразным.

На практике наметилась ошибочная тенденция увеличения поме­ хоустойчивости за счет повышения мощности передающих устройств и уменьшения чувствительности приемных каналов до 60 мкв. При этом увеличивается взаимное влияние каналов, нарушается принцип локальности радиоканалов, что противоречит Государственному регламенту на радиоканалы.

V. СООБЩЕНИЯ, СИГНАЛЫ, КОДИРОВАНИЕ

Сообщения, посылаемые по каналам связи телемеханических си­ стем, можно разбить на дискретные и непрерывные. Дискретными сообщениями являются посылки сообщений о производстве откачки, выбросе определенного объема жидкости и т. д. Дискретные сообще­ ния содержат отдельные электрические посылки с определенной по­ следовательностью электрических импульсов и пауз. Электрическим отображением дискретного сообщения служат импульсы напряже­ ния или тока.

При измерении давления или температуры в течение относитель­ но длительного времени имеет место непрерывно изменяющееся во времени сообщение; электрическим отображением непрерывного со­ общения является изменение амплитуды или частоты. Несмотря на внешнее различие этих двух сообщений, они имеют одно общее свойство — ограниченность спектра.

Для объективной оценки свойств различных телемеханических систем служит их разрешающая способность, одним из параметров которой является количество сведений, которые можно передать за определенное время. При этом нужно найти такую количественную меру, которая была бы приемлема как для дискретных, так и для непрерывных сообщений.

Для решения этой задачи используют теорему Котельникова, в которой непрерывное сообщение рассматривается как последова­ тельная передача электрических импульсов.

Сообщение, подлежащее передаче по каналам связи телемехани­ ческих систем, в большинстве случаев имеет своим источником не­ электрические объекты. По линиям связи или радиоканалу можно передавать только электрические отображения этих сообщений в ви­ де сигналов. Таким образом, трансформация сообщения в сигнал является необходимым условием при передаче по каналам связи.

Преобразование сообщения неэлектрического объекта в сигнал может быть представлено следующими процессами. Датчиками осу­ ществляется преобразование сообщения в электрический сигнал. На выходе датчиков получаются электрические токи или напряжения, соответствующие передаваемым сообщениям. Подобное преобразо­ вание еще не дает нужного сигнала для передачи по радиоканалу,

46

так как -необходимо располагать соответствующим переносчиком сигнала. Переносчиком в радиоканале являются электромагнитные волны.

Создание переносчика также не является окончательным про­ цессом и должно рассматриваться как подготовительный процесс, поскольку для передачи сведений необходимо изменять хотя бы один из параметров переносчика (амплитуду, частоту или фазу), что, как указывалось выше, носит название модуляции.

Модулированный сигнал излучается антенной передатчика и на­ правляется к антенне приемника. Сообщение в виде непрерывной функции х(/), согласно теореме Котельникова, может быть отобра­ жено мгновенными значениями этой функции через интервал At. Приняв эти мгновенные значения, можно в точности восстановить функцию переданного сообщения. При передаче непрерывной функ­ ции x(t) мгновенные значения ее заменяются дискретными значе­ ниями ступенчатой функции S(t). Этот процесс называется кванто­ ванием.

Высота ступеньки при квантовании выбирается, исходя из уров­ ня шумов в канале. Квантованный сигнал подвергается действию помех только в том случае, когда пиковое значение помехи превы­ шает половину шага квантования. Действия помехи локализуются полностью в случае, если высота ступеньки в два раза больше, чем пиковое значение помехи.

Процесс квантования тесно связан с преобразованием сообще­ ния в сигнал передачи, а следовательно, и с модуляцией.

Модуляция в телемеханических системах осуществляется в соот­ ветствии -с определенным кодом. Для кодообразования весьма важ­ ным обстоятельством является возможность передачи любого сооб­ щения путем дискретной посылки той или иной последовательности. Дискретные посылки могут составлять различаемые комбинации определенных элементов. Определенные элементы составляют код и являются элементарными сигналами; они должны обладать легко различимыми на приемном конце качествами, которые образуют определенные сообщения. Таким образом, код является набором комбинаций, составленных из различных элементарных сигналов. Преобразование сообщения в сигнал сводится к следующим про­ цессам:

ствии с сообщением.

Метод кодирования и вид модуляция определяют загрузку ра­ диоканала. Для передачи сигналов всегда отводится определенное время. Элементарные сигналы, составляющие код, характеризуются

47

даваемые сигналы обладают определенной мощностью, имеющей верхний и нижний пределы. Нижний предел характеризуется уров­ нем помех, а верхний лимитируется характеристикой радиоканала.

Диапазон изменения мощности сигнала Нс является третьей ха­ рактеристикой сигнала:

Р'

^c = iog4.

рп

где Рс — средняя мощность сигнала;

Рп — средняя мощность помехи. .

Эти три параметра называют обобщенными измерителями сиг­ нала, характеризующими его объем. Объем сигнала равен

Uc = TCFCHC.

Канал связи характеризуется теми же обобщенными измерите­ лями, так как он может пропускать сигналы ограниченной частоты Рк при допустимом изменении мощности Нк. Исходя из условий разрешающей способности системы, канал связи может быть предо­ ставлен для передачи информации на вполне определенное время Тк, так как канал имеет совершенно определенную емкость, равную

UK = TKFKHK.

Объем сигнала должен быть либо равным емкости канала, либо меньше нее, т. е.

UQ < ик.

Путем правильного выбора кода можно согласовать сигнал с ра­ диоканалом. Изменяя характеристики сигнала, объем его можно оставлять неизменным.

При выборе кода необходимо стремиться к тому, чтобы объем составляющих его сигналов был оптимально малым, т. е. чтобы со­

этому ограничимся рассмотрением различных кодов с точки зрения удовлетворения их приведенному неравенству и минимальных тре­ бований к аппаратуре радиоканала.

Выбор кода рассматривается применительно к системам ТУ, ТС, ТИ, имеющим наибольшее число сообщений.

В первую очередь, необходимо выбрать' импульсный признак, т. е. качественное отличие одного импульса в сигнале от другого.

Для передачи по радиоканалам принципиально могут быть ис­ пользованы следующие качественные отличия: амплитуда, продол-

48