1. Сигналы устройств телеуправления

1.1. Модуляция и демодуляция

Передача информации в пространстве всегда осуществляется при помощи некоторого физического процесса, обладающего энергетической природой и способного распространяться в определённой физической среде. Этот процесс называется переносчиком. В устройствах передачи, в которых информация от передатчика к приёмнику доставляется при помощи электрических сигналов, переносчиком является электрический ток или электромагнитная волна.

Известно несколько типов электрических переносчиков. Каждый тип переносчика характеризуется рядом своих параметров. Для нанесения информации на переносчик выбирается какой-либо один (или несколько) из его параметров, и на этот параметр оказывается некоторое воздействие, которое приводит к изменению его значения. Процесс изменения значений одного или нескольких параметров переносчика в соответствии с воздействием, определяемым наносимой информацией, называется модуляцией. Переносчик с нанесённой на него информацией естьсигнал.

Рассмотрим два наиболее часто используемых в телемеханике типа электрических переносчиков – постоянный ток и гармонический ток. Каждый из этих переносчиков встречается в трёх основных формах существования во времени (рис. 1.1):

а) на всей временной оси (рис. 1.1, а, б);

б) на единственном конечном временном интервале (рис. 1.1, в, г);

в) на последовательности конечных временных интервалов равной длины с одинаковым расстоянием между интервалами (рис. 1.1, д, е). (В частном случае расстояние между интервалами может быть равно нулю).

Усложнение переносчика и формы его существования обычно приводит к увеличению числа параметров, которые могут подвергаться модуляции. В этом легко убедиться, рассмотрев табл. 1, где приведены модулируемые параметры названных переносчиков для каждой формы их существования во времени.

Таблица 1

Форма переносчика	Модулируемые параметры	Число модулируемых параметров
рис. 1.1, а	сила тока, полярность тока	2
рис. 1.1, б	амплитуда колебаний, частота колебаний, фаза колебаний	3
рис. 1.1, в	амплитуда импульса, длительность (ширина) импульса, полярность импульса	3
рис. 1.1, г	амплитуда импульса гармонического колебания, длительность (ширина) импульса гармонического колебания, частота колебаний в импульсе, фаза колебаний в импульсе	4
рис. 1.1, д	амплитуда импульсов, длительность (ширина) импульсов, длительность (ширина) интервалов между импульсами, полярность импульсов, частота импульсов, фаза импульсов	6
рис. 1.1, е	амплитуда импульсов, длительность (ширина) импульсов, длительность (ширина) интервалов между импульсами, частота импульсов, фаза импульсов, частота гармонического колебания в импульсах, фаза гармонического колебания в импульсах	7

Модулируемый параметр и форма переносчика определяют вид и название модуляции. Например, если модулируемым параметром является амплитуда гармонического переносчика, существующего на всей временной оси, то модуляция называется амплитудной(АМ); если же этот переносчик имеет характер последовательности импульсов, то при том же модулируемом параметре модуляция называетсяамплитудно-импульсной(АИМ).

Приведённые в табл. 1 переносчики и их модулируемые параметры далеко не исчерпывают всех известных в настоящее время видов модуляции. В частности, в последнее время был разработан ряд систем передачи информации, в которых в качестве переносчика используется случайный процесс (шумовой переносчик). В таком переносчике модулируемыми параметрами служат различные характеристики случайного процесса.

Если модуляция переносчика производится не по одному, а сразу по нескольким параметрам, то такая модуляция называется смешанной. Для исключения влияния модуляции по одному параметру на модуляцию по другим параметрам в качестве модулируемых должны выбираться независимые параметры переносчика¹. Например, в гармоническом переносчике независимыми параметрами является амплитуда, частота и амплитуда, фаза. Поэтому для него возможны амплитудно-частотная и амплитудно-фазовая смешанная модуляция. Существенным преимуществом смешанной модуляции является то, что она позволяет при помощи одного переносчика обеспечить одновременную независимую передачу информации от нескольких отправителей не скольким получателям.

Поскольку информация может быть представлена либо в непрерывной, либо в дискретной форме, то и модуляция может быть или непрерывной, или дискретной. Если модулируемый параметр может принимать любое значение в некотором непрерывном интервале своих значений, то модуляция называется непрерывной. Если модулируемый параметр может принимать лишь конечное число значений из некоторого интервала своих значений, то модуляция называетсядискретной.

В рассмотренных переносчиках типа «постоянный ток» и «гармонический ток» (табл. 1) все параметры, за исключением полярности, принципиально могут модулироваться как непрерывно, так и дискретно. При этом в случае дискретной модуляции число значений модулируемого параметра, вообще говоря, может быть любым. Ясно, что полярность может модулироваться только дискретно и принимать лишь два значения.

В телемеханике применяется как непрерывная, так и дискретная модуляция. Непрерывная модуляция широко используется в телеизмерении (ТИ), а дискретная – в ТИ, телеуправлении (ТУ), телерегулировании (ТР), телеустановке уставок регуляторов (ТУУ), телесигнализации (ТС) и телепередаче производственной информации (ТПИ).

Преимущественное использование дискретной модуляции в устройствах ТУ, ТР, ТУУ, ТС и ТПИ объясняется характером и формой передаваемых в них сообщений. В подавляющем большинстве эти сообщения являются дискретными²и передаются по каналу связи в кодированном виде (каждое сообщение передается определенной кодовой комбинацией какого-либо кода). В любом коде любая кодовая комбинация есть набор дискретных символов из конечного алфавита. Для того, чтобы иметь возможность передавать элементы этого алфавита по каналу связи, необходимо столько различных элементарных сигналов, сколько элементов в алфавите. Формулирование этих сигналов при использовании одного параметра одного переносчика может быть выполнено только в результате дискретной модуляции. Иными словами, кодирование всегда порождает дискретную модуляцию.

Преобразователь, осуществляющий модуляцию переносчика (неважно, непрерывную или дискретную), называется модулятором(М). При модуляции переносчика по одному параметру М, как правило, имеет два входа и один выход. На один из входов М подается переносчик, вырабатываемый обычно посторонним источником, на второй вход – воздействие, отвечающее передаваемой информации, в соответствии с которым на выходе М должен появиться сигнал.

Если обозначить через f(t,а₁,…,а_i,…,а_l) функцию, описывающую переносчик (где t – время, а а₁,…,а_i,…,а_l– l параметров переносчика), а через x(t) – функцию, описывающую воздействие, то при модуляции по одному параметру сигнал на выходе М можно представить так:

y(t)=f[t,а₁,…,а_i(t),…,а_l],

где а_i(t)=А[х(t)] – модулируемый параметр (А_i– оператор преобразования i-го параметра).

Процесс восстановления воздействия, которое было оказано на переносчик при модуляции, по значениям одного или нескольких параметров сигнала, называется демодуляцией. Демодуляция является операцией, обратной модуляции, и осуществляется в устройстве передачи информации на приемной стороне. Целью демодуляции является получение информации, которая была нанесена на переносчик при модуляции.

Преобразователь, осуществляющий демодуляцию сигнала, называется демодулятором(ДМ). Как правило, ДМ, осуществляющие непрерывную демодуляцию, имеет один вход и один выход, а осуществляющий дискретную модуляцию – один вход и один или несколько выходов (во втором случае число выходов обычно равно числу возможных дискретных значений модулируемого параметра). На вход ДМ поступает сигнал, а на выходе появляется воздействие, восстановленное по изменяющемуся параметру входного сигнала.

Если через y*(t)=f[t,а₁^*,…,а_i^*(t),…,а_l^*] обозначить сигнал, подаваемый на вход ДМ, а через х*(t) – воздействие на его выходе, то при демодуляции сигнала по одному параметру

х^*(t)=В_i[а_i^*(t)],

где В_i– оператор преобразования i-го параметра сигнала демодулятором. В идеальном случае В_i=А_i^-1, т.е. оператор преобразования i-го параметра демодулятором является обратным по отношению к оператору преобразования того же параметра модулятором.

Следует указать на некоторые отличия процессов, протекающих в ДМ непрерывной и дискретной модуляции. ДМ, осуществляющий непрерывную демодуляцию (ДМ_н), всегда формирует воздействие на своем выходе, являющеесяотслеженнымзначением модулированного параметра входного сигнала (это значение может быть и усиленным). В ДМ же дискретной модуляции (ДМ_д) по этому воздействию в соответствии с определенным критерием принимается еще и решение о входном символе. Необходимость этой дополнительной функции (принятие решения) объясняется тем, что на вход ДМ_дпоступают сигналы не с дискретными значениями модулированного параметра, а с непрерывными, порождаемыми изменением характеристик линий связи и действием в них помех. Поскольку на приемной стороне устройства используется тот же код, что и на передающей (с теми же символами и с тем же основанием), то при получении из линии связи каждого сигнала необходимо решать, на какой именно из сигналов, который мог быть образован при передаче, больше всего он «похож». Обычно степень «похожести» определяется в соответствии с некоторым установленным критерием. В результате принятия решения на выходе ДМ_дпоявляется воздействие, которое было оказано на переносчик в М при дискретной модуляции (М_д). Совершенно очевидно, что вследствие различных искажений сигнала в линии связи, воздействия, получаемые на выходе ДМ_ни ДМ_д, не всегда повторяют воздействия, которые были оказаны на переносчик в М_ни М_д, соответственно.

При демодуляции сигнала, образованного в результате дискретной модуляции переносчика типа «постоянный ток», ДМ_добычно состоит только из схемы принятия решения, а при дискретной демодуляции сигнала, полученного из переносчика типа «гармонический ток», ДМ_д, помимо этой схемы, содержит ещё стоящий перед ней ДМ_н, называемый частодетектором.

Термин «модулируемый параметр» является общепринятым в теории связи. В литературе по телеуправлению ему соответствует термин «импульсный признак»³. Поскольку в ТУ, ТР, ТУУ, ТС и ТПИ передаваемые сообщения (команды управления, регулирования, номера уставок, извещения о состоянии объектов, знаки данных производственной информации) всегда кодируются каким-либо кодом с определенным основанием, то говорят ещё об используемомчисле значений импульсного признака. Очевидно, что число значений импульсного признака переносчика, применяемого для передачи некоторого кода, равно основанию кода.

В технике телеуправления М_дназываетсяформирователем импульсного признака(ФИП), а ДМ_д–различителем импульсного признака(РИП). Учитывая некоторую «ведомственность» терминов «импульсный признак», «формирователь импульсного признака», «различитель импульсного признака», а также тенденцию развития устройств телеуправления, в дальнейшем мы эти термины использовать не будем.

В устройствах телеуправления переносчик типа «постоянный ток» применяется для передачи сообщений по каналам постоянного тока проводных линий, а переносчик типа «гармонический ток» – для формирования сигналов, направляемых в каналы переменного тока проводных линий и радиоканалы.

Определяя модуляцию и демодуляцию, мы пользовались таким понятием, как «воздействие». Поясним, что мы под этим понимаем.

Прежде, чем передать сообщение, необходимо его ввести в устройство передачи. В электрических устройствах первоначально сообщения чаще всего представляются током или напряжением какого-либо простейшего вида. Этот ток (напряжение) до того, как им представляется сообщение, можно трактовать как переносчик, предназначенный для передачи информации между блоками передающего устройства. После представления сообщения различными значениями одного или нескольких параметров этого переносчика он превращается в сигнал, который с полным основанием можно назвать первичным сигналом. Этот первичный сигнал и назывался намивоздействием. В устройстве он часто подвергается различным преобразованиям и используется при модуляции для получения сигналов, которыми сообщения предаются по каналам связи.

В устройствах телеуправления первичные сигналы представляют собой обычно модулированный по амплитуде переносчик типа «постоянный ток» в одной из трех форм его существования.