Ключевые термины и понятия
Линия связи – физическая среда, по которой передаются сигналы.
Канал связи – совокупность технических средств для независимой передачи информации от источника к получателю.
Проводные воздушные линии связи – провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и висящие в воздухе.
Полоса пропускания линии связи – это непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного превышает некоторый заранее заданный предел.
Затухание – уменьшение амплитуды и мощности сигнала при его передаче по линии связи.
Помехоустойчивость линии связи – это её способность уменьшать воздействие помех, создаваемых во внешней среде, на передаваемый полезный сигнал.
Первичные параметры проводных линий связи – погонные активное сопротивление проводов R (Ом/км), индуктивность L (Гн/км), емкость С (Ф/км) и проводимость изоляции проводов G (Сим/км).
Однородная проводная линия связи – линия, у которой величины первичных параметров постоянны по длине.
Вторичные параметры проводных линий связи – волновое сопротивление Zв и постоянная передачи .
Волновое сопротивление – это такое сопротивление, которым можно заменить часть проводной линии, при этом в оставшейся части распределение токов и напряжений не изменится.
Режим согласованной передачи проводных линий связи – это передача электромагнитной энергии без отражений в условиях равенства величины сопротивления нагрузки величине волнового сопротивления линии.
Контрольные вопросы
Дайте определение линии связи.
Дайте определение канала связи.
Дайте определение проводной линии связи.
Дайте определение затуханию проводной линии связи.
Назовите и дайте определение первичных параметров проводных линий связи.
Назовите и дайте определение вторичных параметров проводных линий связи.
Дайте определение однородной проводной линии связи.
Дайте определение режиму согласованной передачи проводной линии связи.
7. Помехоустойчивость систем телемеханики
7.1. Помехи и их характеристики
Помехи – случайные воздействия, искажающие передаваемый сигнал. Если помеха не случайная, а регулярная, например, передача радиостанции, то от нее можно избавиться с помощью соответствующих полосовых фильтров.
Типы помех. Воздействие помехи на сигнал может быть двояким. Если помеха ξ(t) складывается с сигналом s(t) и на вход приемника поступает их сумма
x(t)=ξ(t) + s(t), (7.1)
то такую помеху называют аддитивной.
Если результирующий сигнал равен произведению помехи и передаваемого сигнала
x(t)=ξ(t)*s(t), (7.2)
то эту помеху называют мультипликативной.
Мультипликативные помехи вызываются рядом причин, основными из которых являются изменение характеристик линий связи, коэффициентов усиления схем при колебаниях напряжений питания, замирания сигналов в радиосвязи.
Поскольку подавляющее большинство сообщений в промышленной телемеханике передается по проводным линиям связи, которые являются линейными электрическими цепями, при воздействии помех на эти цепи мультипликативные помехи не возникают. Воздействие помех на передаваемый сигнал имеет аддитивный характер. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать только аддитивные помехи. Их классификация представлена на рис. 7.1 [8].
По форме аддитивные помехи можно разделить на сосредоточенные во времени или импульсные (рис. 7.2, а), флуктуационные или гладкие (рис. 7.2, б) и гармонические или сосредоточенные по частоте (рис. 7.2, в).
Рис. 7.1.Классификация аддитивных помех и их источников
Рис. 7.2.Типы аддитивных помех
Импульсные помехи (рис. 7.2, а) следуют друг за другом относительно редко, т.е. через такие промежутки времени, при которых нестационарные процессы в приемнике от одной импульсной помехи успевают закончиться до появления следующей импульсной помехи. В общем случае импульсные помехи представляют собой последовательность импульсов со случайными амплитудой, длительностью и моментами появления отдельных импульсов.
Флуктуационные или гладкие помехи характеризуются тем, что в них отсутствуют большие резкие колебания. Амплитуда флуктуационных помех на выходе приемного устройства пропорциональна корню квадратному полосы пропускания устройств, а мощность – полосе пропускания. При импульсных помехах мощность и амплитуда помехи пропорциональны полосе пропускания.
Таким образом, при уменьшении полосы пропускания приёмного устройства в четыре раза эффективное напряжение флуктуационных помех уменьшается в два раза, а импульсных – в четыре раза. При этом мощность флуктуационных и импульсных помех уменьшается одинаково, т.е. в четыре раза.
Это показывает, что на характер помех на выходе приемного устройства существенное влияние оказывает полоса пропускания приемника. При одних и тех же помехах в линии связи на выходе узкополосного приемника помехи могут иметь флуктуационный характер, а широкополосного – импульсный.
Энергетический спектр помехи характеризует распределение ее по мощности в диапазоне частот. Так, помехи типа «белый шум» обладают равномерным спектром, спектральная плотность которого не зависит от частоты в пределах полосы частот канала. При равномерном энергетическом спектре вводят понятие удельной мощности помехи, отнесенной к полосе в 1 Гц.
Источники помех. Источниками помех являются внешние воздействия и внутренние шумы, возникающие в цепях и аппаратуре (см. рис. 7.1).
К внутренним шумам относятся тепловые шумы, возникающие из-за беспорядочного движения свободных электронов в проводах и резисторах и шумы, обусловленные дробовым эффектом в электронных лампах и полупроводниковых приборах. В результате дробового эффекта ток не является постоянным и флуктуирует относительно среднего значения.
Внутренние шумы существуют всегда и являются источниками флуктуационных помех, которые поэтому принципиально неустранимы, можно лишь как-то ограничивать их. Флуктуационные помехи также создаются в местах соединения отдельных участков цепи за счет термоэффекта и гальванического взаимодействия.
Наибольшее влияние на канал связи оказывают внешние помехи, главнейшими из которых являются промышленные (искусственные) и атмосферные (естественные) помехи.
Промышленные помехи создаются различными устройствами: электрическим транспортом, электросваркой, системами зажигания автомобилей, медицинским электрооборудованием и др. Основной причиной этих помех является искрообразование, связанное с резким прерыванием тока в электрических цепях в процессе их коммутации. Помехи создаются также линиями электропередачи, которые при отсутствии экранирования являются своего рода антеннами. Промышленные помехи могут носить флуктуационный или импульсный характер; они проникают в телемеханические устройства через антенну, цепи питания, емкостные и индуктивные связи. На воздушные линии связи помехи наводятся от линий высокого напряжения. Источниками помех являются и устройства заземления металлических оболочек кабелей, напряжение в которых возникает от блуждающих токов заземления, когда в качестве обратного провода используется «земля».
Атмосферные помехи обусловлены перемещением электрических зарядов в атмосфере. Молнии создают токовые разряды в десятки тысяч ампер, и помехи от них носят импульсный характер. Однако если количество грозовых разрядов в единицу времени велико и приемное устройство реагирует на достаточно дальние разряды, помехи на выходе узкополосного приемника могут иметь флуктуационный характер.
Основная энергия промышленных и атмосферных помех заключена в низкочастотном диапазоне волн. С увеличением частоты уровень этих помех падает.
Следует отметить еще один тип помех, которые имеются только в многоканальных устройствах телемеханики – так называемые перекрестные помехи. При изменении сигналов в соседних каналах многоканальной системы с частотным разделением сигналов могут появляться в виде помех сигналы, вызванные переходными искажениями. Причиной их появления служат реальные характеристики полосовых фильтров, которые вследствие неполного подавления соседних частот или дрейфов характеристик пропускают колебания, которые должны подавлять. Если число каналов достаточно велико, а изменения сигналов в различных каналах независимы, то перекрестные помехи будут по своему характеру приближаться к флуктуационным. Для уменьшения таких перекрёстных помех вводятся защитные частотные интервалы.
Аналогичное взаимное влияние наблюдается и в системах с временным разделением сигналов. В таких системах перекрестные помехи возникают из-за относительно большой длительности переходных процессов. Переходные процессы в электрических цепях приемника от предыдущих сигналов накладываются на последующие сигналы и вызывают их искажение. Для уменьшения перекрёстных помех в таких системах вводятся защитные временные интервалы.
Интенсивность и характер помех зависят от типа линии связи, диапазона частот и условий передачи. Сильные помехи наводятся в воздушной линии связи, которая, как антенна, улавливает помехи, создаваемые грозовыми разрядами, промышленными установками, радиостанциями, высоковольтными линиями электропередачи и т.п.
Такого же рода помехи и от тех же источников могут быть при передаче по радиоканалу. Кроме того, здесь возникают искажения сигнала от затухания радиоволн и многократных отражений сигналов. Кабельные линии связи хорошо экранированы и внешние помехи в них практически не возникают.