книги из ГПНТБ / Гойхман Э.Ш. Основы теории передачи информации в автоматизированных системах управления

Поступающие на вход передающего устройства сообщения

'имеют в ряде случаев неэлектрическую природу (например, бук­ венный текст, речь, чертеж и др.). Для передачи их необходимо сначала преобразовать в электрический сигнал (первичный сиг­ нал). В большинстве случаев (например, при радиосвязи) первич­

^слт ншпот

Рис. 2.1

связи, поэтому с помощью устройства, обозначенного па рис. 2.1 передатчиком, он в результате модуляции преобразуется в линей­ ный сигнал. Последний представляет собой электромагнитное воз­ мущение, отображающее передаваемое сообщение с заданной точ­

ностью.

Линия связи представляет собой проводную линию либо (в слу­ чае радиосвязи) ограниченную область пространства, по которой радиоволны распространяются от передающей антенны к прием­ ной.

Приемное устройство состоит из приемника, осуществляющего преобразование линейного сигнала в первичный, и преобразовате­ ля первичного сигнала в сообщение.

Принятое сообщение поступает к получателю. Из-за наличия в линии связи помех (их воздействие условно изображено на рис. 2.1 включением источника помех), а также вследствие иска­ жений в самой аппаратуре, принятое сообщение воспроизводит пе­ реданное лишь с определенной степенью точности. Степень этой точности характеризует достоверность связи. Способность системы обеспечить достоверную связь при наличии помех называется по­ мехоустойчивостью.

2.2.2. Преобразование сообщения в сигнал

Способ преобразования сообщения в сигнал определяет систе­ му связи. Процесс преобразования сообщения в сигнал в передаю­ щем устройстве (рис. 2.1) может включать в себя следующие три операции: простое преобразование, модуляцию и кодирование.

Ш

Эти три операции могут быть независимыми, либо совмещен­ ными. Рассмотрим их несколько подробнее.

П р о с т о е п р е о б р а з о в а н и е

Простым преобразованием называется перевод неэлектрических величин, определяющих передаваемое сообщение, в первичный электрический сигнал. Так, например, в телефонии эту функцию выполняет микрофон, преобразующий колебания звукового давле­ ния в электрические колебания; в телеметрии — различные датчи­ ки, преобразующие изменения температуры, давления и других физических величин в изменения электрического напряжения и т. п.

К о д и р о в а н и е

Кодированием называется построение сообщения или сигнала, осуществляемое по определенному математическому правилу. Та­ ким образом, кодирование определяет закон построения сигнала. При кодировании каждый сигнал формируется из отдельных эле­ ментарных сигналов, называемых элементами кода. Количество различных элементов, используемых при построении кода, назы­ вается основанием кода т. Так, в двоичном коде (т = 2) элемен­ тами являются символы «О» и «1» и соответствующие им электри­ ческие сигналы.

Совокупность элементов, образующая определенное сообщение (команду, букву телеграфного текста и т. п.), называется кодовой комбинацией. Число элементов, образующих кодовую комбинацию, называется значностью кода п.

Коды, в которых каждая кодовая комбинация состоит из оди­ накового цисла элементов равной длительности, называются рав­ номерными. С помощью такого кода можно передать N = m n раз­ личных кодовых комбинаций.

Примером даоичного равномерного кода является телеграфный код Бодо. Здесь каждой передаваемой букве (буква телеграфного текста может рассматриваться как элементарное сообщение) соот­ ветствует кодовая комбинация, представляющая собой определен­ ное сочетание пяти импульсов положительной («1») и отрицатель­ ной («О») полярности: букве «А»-*-10000, букве «Б»—00110 и т.-д. (рис. 2.2). В системах телеуправления и телекодовой связи инфор­ мация передается преимущественно с помощью кодовых комбина­ ций равномерного двоичного кода.

Необходимым условием образования любого кода является обеспечение возможности четкого разделения каждой кодовой ком­ бинации от соседней. В равномерном коде границы кодовых ком­ бинаций определяются простым подсчетом числа передаваемых элементов.

Для неравномерных кодов такой критерий разделения кодо­ вых комбинаций не применим. Пусть, например, три сообщения Х\, Х2, Хз закодированы следующим образом: А^-э-О; А"2->1; A'g-^Ol.

11

При таком кодировании невозможно различить отдельные со­ общения, поскольку одни кодовые комбинации являются началом других, более длинных. Так, например, кодовая комбинация 01 может быть расшифрована как Х3, либо как последовательность

А'ь Ха.

Возможность разделения кодовых комбинаций в неравномер­ ных кодах может быть обеспечена:

б) таким построением кода, при котором любая кодовая ком­ бинация не используется в качестве начальной части другой, более длинной кодовой комбинации. Коды, удовлетворяющие этому усло­ вию, называются неприводимыми. По такому принципу, например,

построен код ^ -> 0 ; Х 2->10\ ,Х|->110.

Методика построения неравномерного неприводимого кода рас­ сматривается в § 3.4.

Следует указать, что равномерные коды также являются непри­ водимыми.

М о д у л я ц и я

Модуляцией называется преобразование одного из параметров переносчика сигнала в соответствии с законом изменения функции, отображающей передаваемое сообщение. В качестве переносчика используются постоянный ток (телефония и телеграфия по прово­ дам), переменный ток низкой или высокой частоты, периодическая последовательность коротких импульсов (например, многоканаль­ ные системы связи с временным разделением каналов). Подлежа­ щими модуляции параметрами переносчика могут быть амплитуда, частота и фаза. При использовании в качестве переносчика по­ стоянного тока изменяющимися в процессе модуляции параметра­ ми могут быть величина или направление тока.

Модуляция определяет вид и характер линейного сигнала.

При передаче закодированных двоичным кодом сигналов моду­ лируемый параметр может принимать лишь два дискретных зна­ чения, соответствующих передаче символов «1» и «0». Такую мо­ дуляцию принято называть манипуляцией. Для пояснения особен-

12

постен различных видов манипуляции рассмотрим приведенные на рис. 2.3 эпюры манипулированных сигналов при передаче сообще­

ния 10110.

При использовании в"качестве переносчика постоянного тока манипуляция может быть осуществлена изменением величины то­ ка (рис. 2.3,а), либо его направления (рис. 2.3,6).

При амплитудной манипуляции (рис. 2.3,s) передаче «1» соот­

а

Виды манипуляции■

а) изменением амплитудыпостоянноготона, ф изменениемнаправления постоянноготона <

О)амплитудная.г)иостотная . dj разовая манипуляция, манипуляция, монипуляция

Рис. 2.3

При частотной манипуляции (рис. 2.3,г) передаче «1» соответ­ ствует посылка с несущей частотой / ь передаче «.0» — посылка с несущей частотой /0.

13

При фазовой манипуляции (рис. 2.3,5) передаче «1» соответ­ ствует определенная фаза несущего колебания посылки, передаче «О» — противоположная фаза.

Рассмотрим эпюры, манипулированных сигналов при использо­ вании в качестве переносчика периодической последовательности импульсов. На рис. 2.4,а приведено передаваемое сообщение, на рис. 2.4,6 — последовательность немодулироваиных видеоимпуль­ сов.

Основными параметрами такой последовательности являются амплитуда и длительность импульсов, их временное положение (фаза), частота следования.

В соответствии с этим различают следующие виды импульсной модуляции:

1. Модуляция импульсов по амплитуде — ЛИМ (рис. 2.4,в).

Рис. 2.4

3. Модуляция импульсов по фазе (временному положению) — ФИМ или ВИМ (рис. 2.4,5).

При ФИМ импульсы в процессе модуляции смещаются относи­ тельно точек на ос^ времени, соответствующих положению этих импульсов в отсутствии модуляции и называемых тактовыми точ­ ками. Положения тактовых точек показаны на рис. 2.4 тонкими вертикальными пунктирными линиями.

И

следования импульсов.

В качестве примера, поясняющего процессы преобразования со­ общения в сигнал, рассмотрим передачу информации с РЛС об азимуте цели. Сообщение содержится в том, что определен азимут цели В. Сообщение превращается в сигнал, величина или харак­ тер которого зависят от значения Этот сигнал кодируется, т. е. превращается в соответствующую последовательность видеоим­ пульсов, образуя определенную кодовую комбинацию (двоичный код). Полученные в результате кодирования видеоимпульсы моду­ лируют колебания несущей частоты передатчика системы связи.

2.2.3Многоканальная связь

Сцелью увеличения пропускной способности системы связи и наиболее эффективного использования ее дорогостоящих со­ оружений применяют многоканальные системы. В таких системах пи одной линии связи осуществляется одновременная независимая

передача сигналов между несколькими парами корреспондентов. При этом каждое сообщение следует по своему каналу связи.

Каналом связи называется совокупность технических устройств, обеспечивающих независимую передачу данного сообщения от от­ правителя к получателю по общей линии связи. Использование общей линии для осуществления многоканальной связи принято называть уплотнением линии. Применяемую для этой цели аппара­ туру (особенно в дальней связи) называют аппаратурой уплотне­ ния. Структурная схема многоканальной системы связи приведена на рис. 2.5. На передающей стороне с помощью аппаратуры уплот-

в один суммарный сигнал, передаваемый по общей линии. На при­ емной стороне с помощью аппаратуры разделения осуществляется селекция сигналов отдельных каналов.

15

Для того, чтобы сделать селекцию возможной, необходимо, чтобы сигналы различных каналов отличались друг от друга опре­ деленным физическим признаком, соответствующим примененному методу разделения каналов.

Наибольшее применение нашли частотный и временной методы разделения каналов. Подробное изложение этих методов содер­ жится в VI главе; здесь ограничимся весьма кратким рассмотре­ нием лежащих в их основе идей.

Ч а с т о т н о е р а з д е л е н и е

При частотном разделении полоса пропускания общей линии связи делится па ряд частотных участков, каждый из которых от­ водится для передачи линейных сигналов одного канала (рис. 2.6).

Первичные же сигналы различных каналов могут занимать одинаковые участки спектра; например, основной спектр телефон­ ного сигнала занимает полосу частот порядка 300—3400 гц. По­ этому при частотном разделении в аппаратуре уплотнения должен быть осуществлен перенос спектра первичного сигнала каждого из каналов (II и III на рис. 2.6) в соответствующий данному каналу участок более высоких частот.

Для этой цели предусмотрены генераторы колебаний поднесу­ щих частот /г, /з- • • •> f количество которых определяется числом каналов. Каждое из этих колебаний модулируется первичным сиг­ налом соответствующего канала.

В простейшем случае амплитудной модуляции линейный сигнал каждого канала будет включать в себя поднесущую частоту и две., обусловленные модуляцией поднесущей первичным сигналом бо­ ковые полосы (рис. 2.6). Перенос спектров первичных сигналов

16

соответствующих каналов условно показан па рис. 2.6 стрелками. В переносе спектра первого канала нет необходимости. На прием­ ной стороне разделение сигналов осуществляется с помощью по­ лосовых канальных фильтров.

В случае применения радиоканалов линейный сигнал, спектр которого приведен па рис. 2.6, модулирует несущую частоту пере­ датчика.

В р е м е н н о е р а з д е л е н и е

При временном разделении с помощью синхронных коммутато­ ров на передающей п приемной стороне к общей линии связи по­ очередно подключаются пары корреспондентов, работающих по со­ ответствующим каналам (рис. 2.7). На вход импульсного модуля-

Рис. 2.7

тора (М) поступает немодулировапная периодическая последова­ тельность импульсов от импульсного генератора (ГИ).

Синхронно с этими импульсами на модуляторы воздействуют модулирующие их сигналы от источников сообщений соответствую­ щих каналов. Таким образом, по линии связи поочеред­ но передаются сигналы всех каналов. При этом сигналы в каждом из каналов представляют собой модулированную передаваемым по этому каналу сообщением периодическую последовательность им­ пульсов. С помощью коммутатора к приемным аппаратам соответ­ ствующих каналов (Пь П2, П3) поступают последовательности им­ пульсов, отображающие передаваемые по этим каналам сообще­ ния.

Для пояснения принципов временного разделения каналов на

г-Л <-

'" Ш’

<j) пер&робоемоо. сообщение.

SJ нечорулира&ачноя лоследоё отбЛЬносг»Ь импульсоб •

Рис. 2.8

18

Наряду с частотным и временным существуют и другие мето­ ды разделения каналов. Некоторые из них рассматриваются ниже.

§ 2.3. Дискретные и непрерывные сообщения и сигналы. Теорема Котельникова

2.3.1. Дискретные и непрерывные сообщения

Д и с к р е т н ы е с о о б щ е н и я

Дискретные сообщения и отображающие их сигналы представ­ ляются последовательностью из конечного числа отдельных дис­ кретных (т. е. существующих лишь в определенные моменты вре­ мени) элементов.

К дискретным сигналам относятся, например, телеграфные, телекодовые, радиолокационные сигналы.

Любая физическая величина (^пример, амплитуда, частота, длительность и др.) может быть выражена числом.

В соответствии с этим каждому дискретному сигналу может быть поставлено в соответствие определенное число. Таким обра­ зом, передача дискретных сигналов может быть сведена к переда­ че конечной последовательности чисел.

Представление дискретных сигналов числами двоичного кода является одним из наиболее распространенных видов кодирования сигналоц, в автоматизированных системах управления.

Н е п р е р ы в н ы е с о о б щ е н и я

К непрерывным сообщениям относится, например, человеческая речь, музыка.

Для отображения формы произвольного непрерывного сигнала даже на конечном интервале времени требуется бессчетное количе­ ство его значений, в то время как дискретный сигнал имеет впол­ не ограниченное число значений. Так, например, стандартный теле­ фонный канал имеет полосу пропускания от 300 до 3400 гц. Спектр передаваемого по этому каналу речевого сигнала не выходит из этих пределов. Это обусловлено в первую очередь тем, что фор­ мирующие и преобразующие сообщения и сигналы устройства и каналы связи обладают конечной полосой. Реально существующие сигналы обладают ограниченным (в определенной степени) спект­

ром.

Произвольность формы функции, отображающей непрерывный

сигнал, означает, что она может иметь временные изменения лю­ бой скорости от самых медленных и вплоть до происходящих бес­ конечно быстро скачкообразных изменений. Таких сигналов, обла­ дающих бесконечным спектром-, в природе практически не суще­

ствует.

Функция, описывающая реальный сигнал конечной длительно­

19