ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ_2 / ЭЛЕКТРО_Почаевец

Если в секунду передается С бит информации, то за время работы канала связи ТК можно передать количество информации

(1.7)

Мощность сигнала Рс не может быть больше мощности Рк' допу­

стимой в канале. Приняв РС = Рк, получим выражение, определяю­

щее наибольшее количество информации в канале связи:

(1.8)

Обозначив!og2[1+ ~:J=Нк,получимобъемканала:

Необходимым условием передачи сигнала по каналу связи явля­ ется VK > Vc; к достаточным условиям относятся: Мк >МС; Тк > Тс;

Нк > Нс·

1.3.4. CuzнaA11t и их сneюnр11t

Телемеханические сигналы, передаваемые по проводным линиям и радиоканалам, представляют собой электрическую величину, из­

меняющуюся во времени. В последние годы начинают широко при­

меняться оптические сигналы, передаваемые по волоконно-оптичес­

ким кабелям.

Различают сигналы lIеnерuодические и периодические. Первые яв­ ляются непериодической функцией времени, в простейшем случае -

20

это одиночные импульсы произвольной формы (рис. 1.6, а). Вторые являются периодической функцией времени и представляют собой

бесконечную временную последовательность импульсов с одинако­

вой формой и периодом повторения Т (рис. 1.6, 6).

Любая периодическая функция времени F(t) может быть представ­ лена в виде суммы ряда синусоидальных колебаний (ряда Фурье) с

определенными амплитудами Ai , начальными фазами ер, и частота­

ми. Следовательно, любой периодический сигнал можно представить

в виде ряда

F(t) =Ао + A1sin(m! + epl) + А2 sin(2m! + ер2) +

На рис. 1.7 представлен результат разложения прямоугольных

импульсов (рис. 1.7, а) на гармонические составляющие (рис. 1.7, 6).

Амплитуды гармоник по мере возрастания частоты (номера) снижа..

Рис. ].6. Непериодические импульсы ПJЮизвольной формы (а) и периодические (6)

21

Чтобы при передаче сигнала, состоящего из последовательности

прямоугольных импульсов, не произошло искажений, нужно пере­

дать по каналу весь бесконечный ряд гармоник (1.11). Практически осуществить это невозможно, так как потребовался бы канал с бес­ конечной полосой пропускания. Обычно допустимы некоторые ис­ кажения формы сигнала, что позволит ограничиться передачей ко­

нечного числа гармонических составляющих.

Aмплиryдыгармоническихсоставляющихграфически предсгавляются

в координатах Ak и/в виде отдельных спектральных линий (где k -

номер гармоники). Совокупность ампmпуд Ak гармонических соСТ'йвля­ ющих представляет собой спектр а.мnлwnуд, который называют mrnей­

чатым, так как он состоит из отдельных спектральных mпrnЙ.

На рис. 1.8 приведены спектры амплитуд последовательностей

прямоугольных импульсов одинаковой амплитуды и длительности,

22

а

А/

-........

Рис. 1.8. Спектры амплитуд последовательностей импульсов одинаковой

длительности с различными периодами:

но с различными периодами Т. Амплитуды гармоник с частотами

кратными J... обращаIОТСЯ внуль. Номерпервойгармоникиснуле-

1

23

Если нет специальных оговорок относительно величины искаже­

ния импульсов при передаче, то достаточно ограничиться передачей

только тех гармоник, частоты которых лежат между началом коор­

динат и частотой первой гармоники из числа тех, амплитуды кото­

рых равны нулю (первый «лепесток» спектра).

В этом случае ширина спектра сигнала или необходимая для пе­

редачи полоса канала связи определяется выражением

Из приведенных формул видно, что полоса пропускания канала

связи обратно пропорциональна длительности наиболее короткого

элемента сигнала (импульса или паузы).

Непериодические сигналы можно рассматривать как периодичес­ кие с периодом повторения равным бесконечности. Из приведенных

на рис. 1.8 спектров видно, что при увеличении периода т, частотное

расстояние между спектральными линиями уменьшается, а количество

линий увеличивается. Нетрудно представить, что при увеличении пе­

риода до бесконечности, спектральные линии сближаются настолько,

что сливаются между собой, а их число увеличивается до бесконечно­

сти на любом конечном интервале частот. В этом случае нет необхо­ димости говорить об отдельных гармонических составляющих сиrnа­

ла, и поэтому вводят понятие спектральной плотности S(f) как функ­

ции частоты. График спектральной плотности одиночного прямоугольного импульса (рис. 1.9, а, б) показывает, что огибающая

k

кривая обращается в нуль при частотах - , где k = 1,2,3 и т.д.

t

и

Для передачи сигнала используют предельно малую ширину спек­ тра, но такую, чтобы в ней была сосредоточена основная энергия

сигнала. Из рис. 1.9, б видно, что наибольшая энергия сигнала сосре­

доточена в пределах первого <<Лепестка» спектра. Отсюда необходи­

мая для передачи полоса канала связи определяется выражением

24

а

t

31tH f, Гц

Рис. 1.9. График спектральной плотности одиночного прямоуголъного импульса:

а - прямоугольный импульс; б - график спектральной плотности

t

и

которое совпадает с выражением (1.12) для последовательности пря­

моугольных импульсов.

1.3.5. Моду.ляцuя

Для передачи информации по каналу связи необходимо иметь переносчик сигналов, в качестве которого может быть использован любой физический процесс, способный распространяться в простран­ стве. Переносчиками информации могут быть, например, звуковые волны, свет и т.д. В автоматизированных системах в качестве пере­

носчика сигналов используют электрический ток, способный прак­ тически мгновенно распространяться по проводам на большое рас­

стояние. Для нанесения сигнала на переносчик (электрический ток)

необходимо воздействовать на параметры переносчика с целью их

изменения во времени по заданному закону.

Модуляция - процесс нанесения информации на переносчик, а

параметры переносчика, на которые воздействуют при нанесении ин­

формации, называются качествами (nРUЗllакамu) электрического тока. В качестве переносчика информации может быть использован nостОЯllНЫЙ ток, nеремеНIlЫЙ сиllусоидшzыlйй ток или периодическая nоследоватеЛЬ1l0сmь импульсов. При модуляции постоянного тока

возможна амплитудная модуляция (АМ), т.е. воздействие на ампли­ туду тока или напряжения (рис. 1.10, а). Гармонические колебания переменного тока характеризуются амплитудой (рис. 1.10,6)2 часто­

той (рис. 1.10, в) и фазой (рис. 1.10, г), а периодическая последова­

тельность импульсов - амплитудой (рис. 1.1 О, д), шириной (време-

25

Рис. 1.10. Признаки электрического тока:

тотный, фазовый и полярный при периодической последовательности импульсов

нем) импульсов (рис. 1.10, е), частотой повторения (рис. 1.10, J/C) , фазой (рис. 1.10, з) и полярностью (рис. 1.10, и).

К признакам электрического тока предъявляют следующие основ-

ные требования:

-возможность получения большого числа состояний признака;

-простота образования и обнаружения признака;

-возможность независимой передачи в одной физической среде,

например в линии связи;

- способность противостоять помехам и воздействиям линии свя­

зи и аппаратуры.

Наиболее универсальным является частотный признак, который может иметь неограниченное число состояний и позволяет одновре-

26

менно передавать по одной линии несколько состояний. Амплитуд­

ный признак больше подвержен действию помех, чем частотный. Вы­

бор вида модуляции определяется переносчиком и его параметром

(признаком), на который воздействуют при нанесении информации.

Гармоническое колебание характеризуется амплитудой, частотой

и фазой, и может быть описано выражением

(1.14)

где Ао• WO' <Ро - соответственно амплитуда, частота и начальная фаза несушего

колебания.

При амплитудной модуляции (АМ) по закону изменения сигнала

F(t) меняется амплитуда несущего колебания. На рис. 1.11, а показан

изменяющийся во времени управляющий сигнал F(t), который необ­ ходимо нанести на амплитуду Ао гармонического колебания, при

этом амплитуда получит не-

приводит к тому, что та cтa~

27

Следовательно модулированное колебание не является гармони­

ческим и должно раскладываться на гармонические составляющие.

Разложение АМ-колебаний в спектр показывает, что в нем содержит­ ся несущее колебание с частотой 000' а также колебания верхних и нижних боковых частот. В простейшем случае, если модуляция осу­ ществляется синусоидалъным низкочастоrnым сиrnалом с частотой Q,

в спектре имеется несущее колебание с частотой 000' верхняя боковая гармоника с частотой 000 + Q и нижняя - с частотой 000 - Q.

Для уменьшения полосы частот широко используют однополос­

ную амплитудную модуляцию, при которой в канал связи передают

только одну из боковых частот без несущей. Уменьшение полосы частот канала и повышение мощности гармоник, несущих информа­

цию, позволяет повысить помехоустойчивость.

При частотной модуляции (ЧМ) по закону меняющегося управ­

ляющего сигнала F( () изменяется частота несущего колебания:

Наиболее наглядно можно

представить частотную моду­ ЛЯЦИIО при управляющем мо­ дулирующем сигнале в виде последовательности разнопо­ лярных прямоугольных им­

28

при передаче отсутствует, она равна средней арифметической между

частотой импульса и паузы.

Спектр ЧМ-колебания состоит из гармоник несущей частоты и боковых полос (верхней и нижней). Число гармоник в каждой боко­

вой полосе бесконечно даже при модуляции синусоидальным сигна­

лом (в отличие от АМ, при которой в этом случае имеется по одной боковой гармонике с каждой стороны). Полоса частот при ЧМ зна­ чительно шире, чем при АМ, и это является недостатком ЧМ. Одна­ ко при ЧМ обеспечивается существенно большая помехоустойчи­

вость, чем при АМ.

При фазовой модуляции (ФМ) по закону управляющего сигнала изменяется фаза несущего колебания. На рис. 1.13, а показана моду­

ляция гармонического колебания разнополярным прямоугольным

сиrnалом. Угол, на который изменяется фаза, называется углом моду­

ляции, который на рис. 1.13, а составляет 1800 (от е + 900 до е - 900).

При однополярных импуль-

29