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

менным. Значение дискреты в точке отсчета определяется не сс фактическим значением, а ближайшим к нему уровнем квантова­ ния. На приемной стороне также предусматривается квантующее устройство, которое под воздействием принятого сигнала выдает

сигнал ближайшего к его фактическому значению квантованного уровня.

Системам с квантованием свойственны специфические искаже­ ния, обусловленные_отличием квантованных уровней дискрет от их фактических уровней. Характеризующая эти искажения разность между квантованными и фактическими значениями сигнала-часто называют шумом квантования.

Временная диаграмма этой разности приведена на рис. 2.! 1,6 и представляет собой последовательность импульсов, полярность

(2 . 12)

iL

2

Даким образом, средняя мощность шума падает с уменьшением шага квантования. Одиако по мере уменьшения шага квантования возрастает вероятность того, что под воздействием помех уровень суммарного сигнала (с учетом помехи) окажется ближе к другому квантованному уровню, чем к передаваемому.

Если шаг квантования выбрать большим, чем удвоенный уро­ вень помехи, то уровень суммы сигнала и помехи при этом будет’ оставаться ближе к передаваемому уровню, чем к любому друго­ му и ошибки при приеме не произойдет. Это особенно ценно в длинных линиях связи с ретрансляциями сигнала на промежуточ­ ных пунктах (например, в радиорелейных линиях).

В Этих условиях при обычных методах модуляции по мере пере­ хода от одной ретрансляции к другой происходит накопление по­ мех. Применяя квантованную импульсную модуляцию, можно при каждой ретрансляции восстанавливать (регенерировать) переда­ ваемый уровень сигнала и тем самым избежать накопления помех.

Приведенные соображения имеют приближенный характер, по­ скольку, уровень помех является величиной случайной, подчинен­ ной определенному закону распределения. Поэтому, строго говоря, при выборе шага квантования следует задаваться допустимой ве­ роятностью Р ош того, что под воздействием помех принятый уро­ вень квантования будет отличаться от переданного.

30

ное напряжение помех а в десять раз; при --1=- 2 величина Р„ш

достигает огромной величины 0,32.

Обычно выбирают шаг квантования равным Л —10а. Комбинированное квантование находит применение в системах

телеуправления, телеметрии и др. Недостатком метода непосред­ ственной передачи квантованных импульсов является необходи­ мость наличия на приемной стороне сложных устройств, надежно различающих небольшие изменения параметров принимаемых им­ пульсов. От этого недостатка в значительной мере свободен метод кодовой импульсной модуляции, к рассмотрению которого пе­ рейдем.

2.4.2. Кодовая импульсная модуляция (КИМ)

КИМ — это метод передачи информации, при котором дискрет­ ные значения сигнала преобразуются в определенные кодовые комбинации, состоящие из импульсов равной амплитуды и дли­ тельности. Кодирование обычно осуществляется в двоичном коде.

Для передачи непрерывной функции методом КИМ последняя подвергается квантованию по времени и по уровню (рис. 2.12,а).

Щ ) '

о)

*)

Рис. 242

Значение каждой квантованной дискреты (т. е. содержащееся в ней число квантованных уровней) кодируется двоичным кодом (рис. 2.12,6). Таким образом, информация содержится в порядке расположения импульсов внутри кодовой группы.

31

Видеоимпульсами КИМ может быть осуществлена амплитуд­ ная, частотная, фазовая и другая модуляция колебании передат­ чика. В соответствии с этим различают виды двойной модуляции (КИМ—ЛМ, КИМ—ЧМ, КИМ—ФМ).

В дальнейшем под КИМ будет подразумеваться передача лю­ бой информации двоичным кодом (например, передача двоичным кодом информации о целях, получаемой на РЛС, передача буквен­ ной информации кодом Бодо и т. п.). На рис. 2.3 показаны вре­ менные диаграммы линейных сигналов при КИМ—AM, КИМ—ЧМ и КИМ—ФМ.

Кодовая импульсная модуляция также позволяет избежать на­ копления помех при ретрансляциях. Для правильного приема им­ пульса достаточно, чтобы амплитуда помехи не превышала поло­ вины амплитуда импульса.

КИМ обладает высокой помехоустойчивостью, поскольку для неискаженной передачи сообщения достаточно лишь достоверно передать сам факт наличия или отсутствия передаваемых импуль­ сов; искажения формы импульсов роли не играют. Аппаратура, необходимая для практической реализации КИМ, проще, чем в случае импульсной модуляции с квантованием, по сложнее, чем при обычной некваптоваппой импульсной модуляции.

КИМ широко применяется в системах передачи данных, теле­ управления, телеконтроля. Этому способствуют,с одной стороны, высокая помехоустойчивость этого метода передачи информации, а с другой — широкое применение современных ЭВМ, рассчитан­ ных на обработку информации, представленной в двоичном коде. Сравнительная оценка КИМ и различных видов импульсной мо­ дуляции содержится в VI главе.

§2.5. Сигналы, и их характеристики

2.5.1.Основные физические характеристики сигналов

Основными параметрами сигнала принято считать:

—ширину спектра сигнала Fc\

—длительность сигнала Тс;

—превышение, средней мощности сигнала над средней мощ­

ностью помех

^ e=Mog -рс- • 1II

Произведение этих трех параметров принято называть объемом сигнала

VC= F СТСНС.

Канал связи также можно охарактеризовать тремя парамет­ рами:

—полосой пропускания Fк\

—временем Т к , в течение которого канал предоставлен для

передачи;

32

—полосой уровней сигналов по мощности, которые могут

быть переданы без искажений (обусловленных как перегрузкой,

р

так и воздействием помех) Нк — lo g p ^ , где Рск и Рпк—значе- Mi к

пия мощностей сигнала п помехи на выходе канала. Произве­ дение этих параметров называется емкостью канала VK—FK- Тк-Нк.

Условиями неискаженной передачи сигнала являются неравен­ ства:

Может быть осуществлено взаимное преобразование парамет­ ров сигнала при сохранении неизменного объема, что позволяет заменить эти три неравенства одним:

Если, например, VK=Vr и Нк—Нс, no FC>FK, то сигнал может быть преобразован путем записи и последующей передачи с за-

медленной в у,— раз скоростью. При этом в необходимой степени

*С

уменьшится ширина спектра, по соответственно возрастет длитель­ ность сигнала.

2.5.2.Краткая характеристика сигналов, применяемых

вавтоматизированных системах управления

Взависимости от вида связи в автоматизированны-х системах управления применяются следующие основные виды сигналов:

—телефонные,

—телеграфные и телекодовые,

—телевизионные.

Т е л е ф о н н ы е с и г н а л ы

Телефонные сигналы относятся к сигналам непрерывного типа. Для разборчивой передачи человеческой речи канал связи должен Пропускать составляющие спектра от 300 до 2700—3400 гц. Струк­ тура телефонного сигнала подробно рассмотрена в § 7.2.

Т е л е г р а ф н ы е и т е л е к о д о в ы е с и г н а л ы

Передача данных (телекодовых сигналов) так же, как и обыч­ ная телеграфная передача, производится двоичным кодом.

Скоростью передачи телекодовых (а также любых дискретных) сигналов, или скоростью телеграфирования В, называется количе­ ство символов, передаваемых по каналу за одну секунду. За еди-

иицу ее измерения примят бод (один символ в секунду)*. Скорость телеграфирования современными телеграфными аппаратами лежит в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен бод.

Телекодовые сигналы являются основным видом сигналов в АСУ ПВО. Скорость передачи телекодовых сигналов разная в раз­ личных звеньях АСУ. Она зависит также от типа автоматизиро­ ванной системы. Так, например, в американской автоматизирован­ ной системе управления «Сейдж» максимальная скорость передачи телекодовых сигналов составляет 1300—1600 бод.

П р и м е р 2.1. РЛС кругового обзора за период обзора (Т=10 сек) определяет координаты 50 целей. Сведения о каждой цели (координаты, высота, принадлежность, курс и др.) состав­ ляют кодовую комбинацию, состоящую из 75 двоичных символов.

Требуется определить скорость телеграфирования

fi== ^Й Г ’==375 бод-

В современных электронных вычислительных машинах ввод и Вывод информации производится короткими (единицы микросе­ кунд) видеоимпульсами. Для передачи столь коротких импульсов даже при малой скорости телеграфирования требуются широко­ полосные каналы. Поэтому обычно перед поступлением в канал связи короткие импульсные сигналы преобразуются в пригодные для передачи по узкополосным каналам сигналы, манипулирован­ ные по амплитуде, частоте или фазе посылки (рис. 2.3) с длитель­ ностью, равной периоду следования. Системы передачи таких сиг­ налов подробно рассмотрены в IV главе.

• Т е л е в и з и о н н ы е с и г н а л ы

При передаче телевизионных сигналов наивысшая частота пере­ дачи будет тогда, когда изображение представляет собой чередо­ вание черных и белых полей (подобно шахматной доске). В этом случае телевизионный сигнал представляет собой последователь­ ность прямоугольных импульсов со скважностью, равной двум.

По существующему в СССР стандарту один кадр изображения,

Телевидение иногда используется для передачи радиолокацион­ ных изображений. Поскольку радиолокационная информация об­ новляется сравнительно редко (период обзора измеряется обычно секундами),. в этих условиях достаточна передача изображения с

* Терминология в теории передачи сообщений окончательно не установи­ лась. Иногда в литературе под скоростью телеграфирования подразумевают ко­ личество двоичных символов, передаваемое по каналу связи за 1 сек, соответ­ ственно под бодом — передачу одного двоичного символа в секунду.

34

частотой порядка одного кадра в несколько секунд. При этом тре­ буемая полоса пропускания канала не превысит нескольких десят­ ков килогерц.

§ 2.6. Основные технические характеристики каналов передачи телекодовых сигналов

2.6.1. Основные технические характеристики каналов связи

<

В настоящее время наиболее распространенным видом канала как в проводной связи, так и в радиосвязи является стандартный телефонный канал, основные характеристики которого стандарти­ зованы МККТТ (международный консультативный комитет по те­ лефонии и телеграфии). Наряду с созданием специальных, обла­ дающих высокой пропускной способностью каналов гелекодовоп связи широкое применение сохраняет передача телекодовых сигна­ лов по стандартным телефонным каналам. Поэтому рассмотрение основных технических характеристик каналов связи мы произве­ дем применительно к стандартному телефонному каналу с уче­ том особенностей его использования для передачи телекодовых сигналов.

Основными техническими характеристиками каналов связи яв­ ляются уровни передачи, амплитудная,, частотная и фазовая харак­ теристики. Кратко рассмотрим их.

Ур о в н и п е р е д а ч и

В процессе распространения сигналов по линии связи (провод­ ной, радиорелейной) уровень передачи испытывает затухание.

Для нормальной работы приемной аппаратуры необходим опре­ деленный уровень сигнала, допустимые пределы изменения кото­ рого ограничиваются: снизу — требуемым превышением уровня сигнала над помехами; сверху — нелинейными искажениями, по­ мехами соседним каналам и энергетическими соображениями.

Уровни передачи принято определять логарифмическими едини­ цами: неперами или децибелами. Применение логарифмических единиц измерения уровней удобно, так как позволяет заменять умножение сложением. Различают уровни относительные и абсо­ лютные. Относительный уровень сигнала на выходе какого-либо четырехполюсника (например, линии связи, усилителя, фильтра) определяется по отношению к его входному уровню, принятому за исходный (рис. 2.13):

Уровень в один непер соответствует перепаду напряжений,

35

Рот \дб\ = 10 lg - iicx•

Абсолютные уровни -получаются, если в качестве исходной мощности принять Л ,сх=1 мет.

Разность уровней на входе и выходе канала связи называется остаточным затуханием. По существующим нормам остаточное за­ тухание телефонных каналов должно лежать в пределах

0,8—1,0 непер.

Величина e = \n Uj ~ называется затуханием четырехполюсни-

U х

ка (участка линии). Очевидно, что Ux=Uncxe - e.

Для компенсации затухания сигналов через определенные участки в линии дальней связи включают усилители. При этом остаточное затухание вост всего канала связи может быть пред­ ставлено как алгебраическая сумма затуханий в,- и усилений к,- на отдельных участках

А в = в 0ст ^ Л/ ' ' ^ К/ •

Ч а с т о т н а я х а р а к т е р и с т и к а к а н а л а

Частотной характеристикой канала связи называется зависи­ мость остаточного затухания от частоты.

Для телефонного капала полоса частот, ограниченная частота­ ми, при которых остаточное затухание канала на 1 непер превы­ шает его остаточное затухание при частоте 800 гц, называется по­ лосой эффективно передаваемых частот.

На рис. 2.14 показаны пределы допустимых отклонений для стандартного телефонного канала; полоса эффективно передавае­ мых частот составляет 300—3400 гц.

36

А м п л и т у д н а я х а р а к т е р и с т и к а к а п а л а

Амплитудной характеристикой канала называется зависимость уровня передачи на его выходе или величины его остаточного за­ тухания от величины уровня на входе.

Во избежание появления нелинейных искажений для стандарт­ ного телефонного канала перегиб амплитудной характеристики до­ пустим при значениях уровня на входе не менее + 0,8 непер.

Ф а з о в а я х а р а к т е р и с т и к а и в р е м я г р у п п о в о г о р а с п р о с т р а н е н и я

Фазовой характеристикой канала называется зависимость сдвига фаз © между колебаниями па входе и выходе канала от несущей частоты колебаний ш.

Если фазовая характеристика линейна во всем спектре частот передаваемого сигнала, то последний будет передан без искаже­ ний и появится на выходе канала через промежуток времени т, называемый временем группового распространения:

Это промежуток времени от момента подачи на вход сигнала до момента появления на выходе канала максимума энергии некото­ рой группы колебаний в достаточно узкой полосе частот спектра. В случае нелинейности фазовой характеристики групповое время

37

будет зависеть от частоты и различные группы частотных состав­ ляющих сигнала поступят на выход канала разновременно, что приведет к искажениям сигнала. Вопрос о допустимой неравно­ мерности времени группового распространения для различных частотных составляющих при передаче телекодовых сигналов рас­ сматривается в п. 2.6.2.

2.6.2. Скорость передачи дискретных сигналов и ее зависимость от характеристик канала

При отсутствии шумов возможная скорость передачи дискрет­ ных сигналов зависит от частотных свойств канала — его полосы пропускания и частотной зависимости времени группового распро­ странения.

Скорость передачи ограничивается переходными процессами в канале, приводящими к искажениям и взаимной интерференции (перекрытию) соседних посылок, затрудняющей их раздельный от­ счет. Длительность переходных процесов, а следовательно, и воз­ можная скорость В определяется его полосой пропускания. Как показал Найквист [6], максимальная скорость, с которой по кана­ лу с полосой AF гц, обладающему в полосе 0—F гц равномерной частотной и линейной фазовой характеристикой (т. е. свойствами идеального фильтра нижних частот с граничной частотой F гц), может осуществляться передача символов без их взаимной интер­ ференции, равна

Пусть, например, на вход такого канала поступают с интерва­

лами М — тур дискретные сигналы в виде коротких импульсов с

единичной площадью. Обусловленное каждым к-тым сигналом им­ пульсное напряжение на выходе канала описывается функцией от­ счета типа

sin27t/7(^—кМ)

2TtF(t-KAt)

I

Если передавать такие импульсы с интервалами, равными или

кратными 2^г, то, как видно из рис. 2.15,а, при оценке по центру

положительного импульса отсутствует взаимная интерференция, так как мгновенные значения любых других импульсов в этот мо­ мент равны нулю. Невозможность удовлетворительной передачисимволов со скоростью, превышающей 2F, может быть пояснена следующим простым примером. Пусть по каналу с полосой ДЕ гц требуется передать двоичным кодом чередующуюся последова­ тельность нулей и единиц со скоростью B>2F (рис. 2.15,6). Как видно из рис. 2.15,6, основная частотная составляющая такого сиг-

38

каналу, поскольку по условию B>2F. При этом форма принятого символа будет резко искажена *.

Рис. 2.15

Для реализации скорости телеграфирования, .близкой к 2F, не­ обходимы сравнительно сложные технические решения. Поэтому в большинстве практических систем передача ведется с заметно меньшей скоростью; это позволяет обеспечить удовлетворительную форму принятых сигналов без применения,специальных схем. Так, для обеспечения удовлетворительной формы посылок в телегра­ фии считается необходимым, чтобы канал связи обеспечивал про­ пускание трех гармоник основной частоты сигнала, т. е.

где ДД„т,—минимальная полоса пропускания канала.

П р и м е р 2.2- Определить необходимую полосу пропускания ка­ нала, используемого для передачи телеграфных сигналов с по­ мощью аппарата СТ-35. Учитывая, что для СТ-35 скорость теле­ графирования составляет В —44,5 бода, получим

АДмин^Д,5-5=75 гц.

* Если иод скоростью телеграфирования понимать количество двоичных символов, передаваемых за 1 сек, как это иногда имеет место в литературе, то величина В может оказаться больше 2F, так как существуют системы связи, в которых одному дискретному сигналу соответствует более чеи один двоичный символ.

39