- •А.А. Абросимов
- •Предисловие
- •Введение
- •1. Предмет телемеханики
- •1.1. Определение, особенности и основные проблемы телемеханики
- •1.2. Краткая история развития телемеханики
- •1.3. Применение систем телемеханики в самарской области
- •Ключевые термины и понятия
- •2.2. Телемеханические функции
- •2.3. Основные структуры систем телемеханики
- •Ключевые термины и понятия
- •3. Организация многоканальной телемеханической связи
- •3.1. Временное разделение сигналов
- •3.2. Частотное разделение сигналов
- •3.3. Частотно-временное разделение сигналов
- •Ключевые термины и понятия
- •Частотное разделение сигналов – разделение сигналов, при котором каждый сигнал занимает свой частотный интервал, не занятый другими сигналами.
- •Контрольные вопросы
- •4. Коды в телемеханике
- •4.1. Код и его характеристики
- •4.2. Классификация кодов
- •4.3. Общие способы представления кодов
- •4.4. Первичные коды
- •4.4.1. Единичный (унитарный, числоимпульсный) код
- •4.4.2. Единичный позиционный код
- •4.4.3. Единично-десятичный код
- •Примеры единично-десятичного кода
- •4.4.4. Двоичный нормальный (натуральный) код
- •4.4.5. Двоично-десятичные коды
- •Примеры двоично-десятичного кода с весовыми коэффициентами 8-4-2-1
- •4.4.6. Код Грея
- •4.5. Корректирующие коды. Принципы обнаружения и исправления ошибок
- •4.6. Коды с обнаружением ошибок
- •4.6.1. Коды, построенные путём уменьшения числа используемых комбинаций
- •4.6.1.1. Код с постоянным весом
- •Пятиразрядный код с двумя единицами и пример семиразрядного кода с тремя единицами
- •4.6.1.2. Распределительный код
- •4.6.2. Коды, построенные добавлением контрольных разрядов
- •4.6.2.1. Код с проверкой на чётность
- •Примеры построения кода с проверкой на чётность
- •4.6.2.2. Код с числом единиц, кратным трём
- •Примеры кода с числом единиц, кратным трём
- •4.6.2.3. Код с удвоением элементов (корреляционный код)
- •4.6.2.4. Инверсный код
- •Примеры инверсного кода
- •4.7. Коды с обнаружением и исправлением ошибок
- •4.7.1. Коды Хэмминга
- •Число контрольных символов в зависимости от числа информационных разрядов для исправления одной ошибки
- •Пример предварительной таблицы кода Хэмминга
- •Проверочная таблица кода Хэмминга
- •Проверочная таблица кода Хэмминга, заполненная информационными символами
- •Проверочная таблица принятой кодовой комбинации примера 4.2
- •Примеры кодов Хэмминга, обнаруживающих две ошибки и исправляющих одну ошибку
- •4.7.2. Циклические коды
- •Математические основы циклических кодов.
- •Принципы построения циклических кодов.
- •Единичная и единичная транспонированная матрицы четырёхразрядного двоичного кода
- •Получение остатков для строк единичной транспонированной матрицы
- •Дополнительная матрица контрольных элементов
- •Получение частных остатков для единичной матрицы
- •Определяющая матрица четырёхразрядного циклического кода
- •Образующий многочлен.
- •Неприводимые многочлены
- •Образующие многочлены для обнаружения единичных и двойных ошибок
- •Декодирование циклических кодов.
- •Укороченные циклические коды.
- •Образующая матрица укороченного (12, 4) псевдоциклического кода
- •4.7.3. Итеративные коды
- •Ключевые термины и понятия
- •5. Сигналы в телемеханике
- •5.1. Модуляция сигналов
- •5.2. Амплитудная модуляция
- •Амплитудная модуляция с двумя боковыми полосами.
- •Амплитудная модуляция с одной боковой полосой.
- •Амплитудная манипуляция.
- •5.3. Частотная модуляция
- •Частотная манипуляция.
- •Реализация частотной модуляции.
- •5.4. Двукратная непрерывная модуляция
- •5.5. Импульсные методы модуляции
- •5.5.1. Амплитудно-импульсная модуляция
- •5.5.2. Широтно-импульсная модуляция
- •5.5.3. Фазоимпульсная модуляция
- •5.5.4. Частотно-импульсная модуляция (чим)
- •5.5.5. Кодоимпульсная модуляция (ким)
- •5.5.6. Дельта-модуляция
- •5.5.7. Разностно-дискретная модуляция (рдм)
- •5.5.8. Лямбда-дельта-модуляция
- •5.5.9. Многократные методы модуляции
- •5.6. Спектры импульсных сигналов
- •Ключевые термины и понятия
- •Модуляция – образование сигнала путем изменения параметров переносчика под воздействием сообщения.
- •Контрольные вопросы
- •6. Линии и каналы связи в телемеханике
- •6.1. Линии связи и их классификация
- •Типы и виды линии связи
- •6.2. Проводные линии связи
- •Первичные параметры проводных линий связи
- •6.3. Каналы связи по линиям электропередач
- •6.4. Каналы связи по радио
- •Частотные диапазоны для передачи информации
- •Ключевые термины и понятия
- •Канал связи – совокупность технических средств для независимой передачи информации от источника к получателю.
- •Контрольные вопросы
- •7. Помехоустойчивость систем телемеханики
- •7.1. Помехи и их характеристики
- •7.2. Искажение сигналов под действием помех
- •7.3. Теория потенциальной помехоустойчивости в.А. Котельникова
- •7.4. Помехоустойчивость реальных приёмников телемеханических сигналов
- •Требования к достоверности контрольной и управляющей информации согласно гост 26.205-83
- •7.5. Помехоустойчивость передачи кодовых комбинаций при независимых ошибках
- •7.6. Методы повышения помехоустойчивости
- •7.6.1. Классификация методов повышения помехоустойчивости
- •7.6.2. Передача с повторением
- •7.6.3. Передача с обратной связью
- •Ключевые термины и понятия
- •Контрольные вопросы
- •8. Принципы построения телемеханических систем
- •8.1. Характеристики систем телеизмерения
- •8.2. Цифровые системы телеизмерений
- •8.3. Синхронизация в системах с временным разделением сигналов
- •8.4. Синфазирование в системах с временным разделением сигналов
- •Ключевые термины и понятия
- •Контрольные вопросы
- •9. Реализация систем телемеханики
- •9.1. Структурные схемы основных функциональных блоков
- •9.1.1. Коммутаторы
- •9.1.2. Устройство повышения достоверности
- •9.1.3. Устройство масштабирования
- •9.1.4. Генератор тактовых импульсов
- •9.2. Программно-техническая реализация функциональных блоков на программируемых логических контроллерах
- •Ключевые термины и понятия
- •Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •Телемеханика
- •443100, Г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Главный корпус
- •443100, Г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Корпус №8
5.5.9. Многократные методы модуляции
Сообщение может быть передано сложным сигналом, образованным несколькими поочередными модуляциями. Обычно такой сигнал является результатом двукратной модуляции: 1) импульсной, которой модулируется последовательность импульсов, или импульсная поднесущая (первый переносчик); 2) непрерывной, которой модулируется несущая (второй переносчик).
При трехкратных модуляциях первая модуляция импульсная, вторая и третья – непрерывные. Иногда применяют двойную модуляцию импульсной поднесущей: сначала осуществляют АИМ, которая затем преобразуется в ВИМ или ШИМ, а затем производят непрерывную модуляцию несущей. В результате возникает модуляция АИМ-ВИМ-АМ, АИМ-ШИМ-ЧМ и т.п.
На рис. 5.10 представлены различные варианты двукратных методов модуляции.
Промодулированная по амплитуде последовательность импульсов далее модулируется высокочастотной несущей, в результате возникает сигнал в виде радиоимпульсов АИМ-АМ, рис. 5.10, а. При ШИМ-АМ (см. рис. 5.10, б) импульсы ШИМ заполняются высокой частотой, в результате чего возникают радиоимпульсы одинаковой амплитуды и частоты, но разной длительности.
Если вторичная модуляция частотная, то амплитуда сигналов одинакова, но частота заполнения разная. Так, при АИМ-ЧМ импульсу 1 на рис. 5.7, в соответствует радиоимпульс частоты f1 на рис. 5.17, в, а импульсу большей амплитуды (3 на рис. 5.7, в) – радиоимпульс большей частоты (f2 на рис. 5.10, в). Импульс наименьшей амплитуды (7 на рис. 5.7, в) наполняется самой низкой частотой f3. Интервалы времени между импульсами заполняются одной и той же частотой f0, которая является немодулированной несущей. Двукратная модуляция ШИМ-ЧМ отличается от ШИМ-АМ лишь тем, что интервалы между импульсами заполняются частотой несущей (рис. 5.10, г).
Рис. 5.10.Двукратные методы модуляции:
а – АИМ-АМ; б – ШИМ-АМ; в – АИМ-ЧМ; г – ШИМ-ЧМ
По указанному принципу может быть получен любой другой вариант двукратных модуляций. Правило их построения: сначала сообщение модулирует импульсную поднесущую (последовательность видеоимпульсов), которая, превращаясь в сигнал, модулирует высокочастотную несущую.
5.6. Спектры импульсных сигналов
Современные системы телемеханики используют кодоимпульсный метод модуляции и передачу последовательным кодом.
Рассмотрим спектр частот периодической последовательности видеоимпульсов. Такой последовательностью можно моделировать передачу сигналов кодоимпульсной модуляции.
Рис. 5.11. Периодическая последовательность импульсов
Величина i=T/τпредставляет собой величину, обратную скважности.
Бесконечная последовательность импульсов является периодической функцией времени F(t), и ее разложение производится помощью ряда Фурье:
(5.15)
где А0 – постоянная составляющая; Аk – амплитуда k-той гармоники; k – номер гармоники; k=1, 2, 3, ...; Ω=2π/Т – угловая частота; ψk –начальная фаза k-той гармоники;
Для последовательности прямоугольных импульсов имеем:
Рис. 5.12.Линейчатый спектр бесконечной последовательности импульсов:
f=Ω/2π
Анализ линейчатого спектра показывает, что воспроизведение формы видеоимпульса зависит только от полосы частот F, которая определяется длительностью видеоимпульса :
ΔFВИ = µ/τ, (5.16)
где µ – коэффициент воспроизведения формы импульса, его величина составляет 1 ≤ µ ≤ 2.
µ = 1 – нижняя граница (по линейчатому спектру).
µ ≤ 2 – практическое ограничение для лучшего использования полосы пропускания линии связи.
Передача импульсов в полосе частот ΔF=(1÷2)/τ вполне удовлетворительна, так как в телемеханике большинство устройств являются пороговыми, чувствительными к амплитуде импульса и нечувствительными к его форме.
Иногда в целях экономии полосы частот, а также в случаях, когда воспроизводимая форма импульса не играет особой роли, принимают μ=1/2. При такой сокращенной полосе частот Fmin=0,5/τ предельная скорость передачи определяется следующим образом.
Так как B=1/τ [Бод] и Fmin=1/2τ,
Bmax=2Fmin. (5.17)
Передачу сигналов разностно-дискретной модуляции и лямбда-дельта-модуляции можно моделировать непериодической последовательностью. Непрерывный cпектр частот непериодической последовательности определяется выражением
. (5.18)
Подставляя в это выражение подынтегральную функцию в виде прямоугольного видеоимпульса, получим непрерывный спектр, графическое отображение которого представлено на рис. 5.13.
Он напоминает график, показанный на рис. 5.12, отличаясь типом спектра. Из него видно, что и в этом случае
ΔFВИ = µ/τ , (5.19)
где µ – коэффициент воспроизведения формы импульса, его величина составляет 1 ≤ µ ≤ 2.
Подстановка в (5.18) в качестве подынтегральной функции в виде прямоугольного радиоимпульса даёт также непрерывный спектр, графическое отображение которого представлено на рис. 5.14.
Из него видно, что спектр частот радиоимпульса симметричен относительно несущей частоты f1, основные соотношения его формы совпадают с соотношениями спектра частот видеоимпульса.
Рис. 5.13. Непрерывный cпектр частот видеоимпульса
Рис. 5.14.Непрерывный спектр частот радиоимпульса:
f1 – частота несущей, τ – длительность радиоимпульса
По графику рис. 5.14 очевидно, что полоса пропускания, необходимая для передачи радиоимпульса,
ΔFри =2µ/τ, (5.20)
где µ – коэффициент воспроизведения формы импульса, его величина составляет 1 ≤ µ ≤ 2.
Сравнение формул (5.16), (5.19) и (5.20) показывает, что полоса пропускания частот линии связи при передаче импульсного сигнала определяется длительностью передаваемого импульса.
Пример 5.2
Сравним полосы частот, необходимые для передачи телемеханических сообщений методами временного разделения (ВР) и частотного разделения (ЧР) сигналов. Передача ведётся радиоимпульсами.
Будем считать, что быстродействие систем телемеханики, использующих частотное и временное разделение сигналов, одинаково. Быстродействие определим как передачу за определенный промежуток времени одного и того же числа сигналов.
Например, сигналы В1-B3 при временном и Ч1-Ч3 при частотном разделении передаются за время одного цикла Tц (см. рис. 3.3). Это значит, что при передаче трёх сигналов длительность импульса при ВР должна быть в три раза меньше длительности импульса при ЧР, так как команды при ЧР могут быть посланы одновременно, а при ВР – только последовательно во времени.
При равенстве быстродействий за цикл быстродействие в передаче одного сообщения при ВР будет выше, чем при ЧР.
В общем случае при передаче N сигналов команды при ВР в N раз короче, чем при ЧР, полоса частот, отводимая на каждую команду при ВР, в N раз шире, чем при ЧР.
Пусть Tц=3 мс, следовательно, t1 = t2 = t3 = t = 1 мс. При временном разделении требуемая полоса частот для передачи радиоимпульса определяется по формуле (5.20) и поэтому FВР=2/t =2000 Гц.
При ЧР каждая команда передается в течение 3 мс и аналогичные расчёты дают требуемую полосу FЧР=660 Гц.
Если же за время Тц=3 мс передавать при ВР только одну команду, то она также займет полосу FВ1 660 Гц.
Таким образом, при одинаковом быстродействии требуются примерно одинаковые полосы частот при временном и при частотном разделении сигналов. Чем больше быстродействие системы, тем больше должна быть полоса частот независимо от способа разделения сигналов.
В общем случае при передаче N сигналов полоса частот при ВР в N раз короче, чем при ЧР, а полоса частот, отводимая на каждую команду при ВР, в N раз шире, чем при ЧР.
Полоса частот для передачи сообщений по N каналам при ВР с учетом добавления одного канала на синхронизацию составит ΔFΣв=(N+1)ΔFв1, где ΔFв1 – полоса частот для передачи одного сообщения за время цикла.
При ЧР с учетом добавления защитных полос частот между командами требуемая полоса частот ΔFΣч=1,2NFч1, где Fч1 – полоса частот для передачи одного сообщения ЧР.
Условие равенства быстродействий в передаче одного сообщения FВ1=FЧ1 имеет вид ΔFΣв/ΔFΣч=(N+1)/(1,2N).
Практически в промышленных системах телемеханики для повышения достоверности передачи за один за цикл предаётся одно командное сообщение и быстродействие не играет решающей роли. Поэтому ВР дает некоторый выигрыш в полосе частот, так как сужению полосы частот при ЧР препятствуют технические трудности, связанные с выполнением узкополосных фильтров.