1.8. Модель канала

В реальных каналах передачи данных на сигнал действует сложная помеха, и дать математическое описание принимаемого сигнала практически невозможно. Поэтому при исследовании передачи сигналов по каналам применяются идеализированные модели этих каналов. Под моделью канала передачи данных понимают описание канала, позволяющее рассчитать или оценить его характеристики, на основании которых можно исследовать различные способы построения системы связи без непосредственных экспериментальных данных.

Моделью непрерывного канала является так называемый гауссовский канал. Помеха в нем аддитивна и представляет собой нормальный процесс с нулевым математическим ожиданием. Гауссовский канал достаточно хорошо отражает лишь канал с флуктуационной помехой. При мультипликативных помехах используют модель канала с релеевским распределением. При импульсных помехах применяется канал с гиперболическим распределением.

В настоящее время проведение научных экспериментов, автоматизация сложных производственных процессов, контроль, диагностика невозможны без применения измерительных информационных систем (ИИС). ИИС позволяют автоматически получить необходимую информацию непосредственно от изучаемого объекта, переработать и выдать ее в требуемой форме. Специализированные измерительные системы разрабатываются практически для всех областей науки и техники.

При проектировании ИИС по заданным техническим и эксплуатаци­онным характеристикам возникает задача, связанная с выбором рацио­нальной структуры и набором технических средств для ее построения. Структура ИИС в основном определяется методом измерения, положен­ным в ее основу, а количество и тип технических средств – информаци­онным процессом, протекающим в системе. Оценку характера информа­ционного процесса и видов преобразования информации можно произве­сти на основании анализа информационной модели ИИС, но ее построе­ние является достаточно трудоемким процессом, а сама модель настолько сложна, что затрудняет решение поставленной задачи.

В связи с тем, что в ИИС третьего поколения обработка информации осуществляется в основном универсальными ЭВМ, являющимися струк­турным компонентом ИИС, и при проектировании ИИС они выбираются из ограниченного ряда серийных ЭВМ, то информационную модель ИИС можно упростить, сведя ее к модели измерительного канала (ИК). Во всех измерительных каналах ИИС, включающих в себя элементы информационных процессов, от получения информации от объекта исследования или управления до ее отображения или обработки и запоминания содержится некоторое ограниченное число видов преобразования информации. Объединив все виды преобразования информации в одном измерительном канале и выделив последний из состава ИИС, а также имея в виду, что на входе измерительной системы всегда действуют аналоговые сигналы, получим две модели измерительных каналов с прямым (рис. 1.8.1) и обратным (рис. 1.8.2) преобразованиями измерительной информации.

На моделях, в узлах 04, происходит преобразование информации. Стрелки указывают направление информационных потоков, а их буквен­ные обозначения – вид преобразования.

Узел 0 является выходом объекта исследования или управления, на котором формируется аналоговая информация А, определяющая состояние объекта. Информация А поступает в узел 1, где она преобразуется к виду А_Н для дальнейших преобразований в системе. В узле 1 могут осуществляться преобразования неэлектрического носителя информации в электрический, усиление, масштабирование и т.д., т.е. нормирование параметров носителя информации А.

Рис. 1.8.1. Модель измерительного канала прямого преобразования

измерительной информации

Рис. 1.8.2. Модель измерительного канала обратного преобразования

измерительной информации

В узле 2 нормированный носитель информации А_Н для передачи по линии связи модулируется и предоставляется в виде аналогового А_М либо дискретного Д_М сигнала.

Аналоговая информация А_М в узле 3₁ демодулируется и поступает в узел 4₁, где она измеряется и отображается.

Дискретная информация в узле 3₂ либо преобразуется в аналоговую информацию А_Д и поступает в узел 4₁, либо после цифрового преобразо­вания поступает на средство отображения цифровой информации или в устройство ее обработки.

В некоторых измерительных каналах нормированный носитель информации А из узла 1 сразу поступает в узел 4₁ для измерения и отображения. В других измерительных каналах ана­логовая информация А без операции нормирования сразу поступает в узел 2, где она дискретизируется.

Таким образом, информационная модель (рис. 1.8.1) имеет шесть ветвей, по которым передаются потоки информации: аналоговые 0-1-2-3₁-4₁ и 0-1-4₁ и аналого-дискретные 0-l-2-3₂-4₁, 0-1-2-3₂-4₂ и 0-2-3₂-4₁, 0-2-3₂-4_2. Ветвь 0-l-4₁ не используется при построении измери­тельных каналов ИИС, а применяется лишь в автономных измерительных приборах и потому на рис. 1.8.1 не показана.

Модель, приведенная на рис. 1.8.2 отличается от модели на рис. 1.8.1 лишь наличием ветвей 3₂-1'-0, 3₁-1'-0, 3₂-1'-1 и 3₁-1'-1, по которым осуществляется обратная передача аналогового носителя информации . В узле 1' выходной носитель дискретной информации преобразу­ется в однородный с носителем входной информации А или носителем нормированной информации А_Н сигнал А'. Компенсация может быть осу­ществлена как по А, так и по А_Н.

Анализ информационных моделей измерительных каналов ИИС по­казал, что при построении их на основе метода прямого преобразования возможны лишь пять вариантов структур, а при использовании методов измерения с обратным (компенсационным) преобразованием информа­ции – 20.

В большинстве случаев (особенно при построении ИИС для удален­ных объектов) обобщенная информационная модель измерительного канала ИИС имеет вид, показанный на рис. 1.8.1 и 1.8.2, а наибольшее распространение получили аналого-дискретные ветви 0-1-2-3₂-4₂ и 0-2-3₂-4₂. Для указанных ветвей число уровней преобразования информации в измерительном канале не превышает трех.

Так как в узлах располагаются технические средства, осуществляю­щие преобразование информации, то, учитывая ограниченное число уровней преобразования, их можно объединить в три группы. Это позво­лит при разработке измерительного канала ИИС выбрать нужные технические средства для реализации той или иной структуры.

Группа технических средств узла 1 включает в себя весь набор пер­вичных измерительных преобразователей, а также унифицирующие (нормирующие) измерительные преобразователи (УИП), осуществляющие масштабирование, линеаризацию, преобразование мощности и т.д., блоки формирования тестов и образцовые меры.

В узле 2 в случае наличия аналого-дискретных ветвей располагается другая группа средств измерения: аналого-цифровые преобразователи (АЦП), коммутаторы (КМ), служащие для подключения соответствующего источника информации к измерительному каналу или устройству обработки, а также ка­налы связи (КС).

Узел 3 объединяет в своем составе преобразователи кодов (ПК), цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) и линии задержки (ЛЗ).

Таким образом, информационная модель измерительного канала ИИС позволяет перейти к его структуре по схеме, которая для ветви 0-1-2-3₂-4₂ имеет вид, приведенный на рис. 1.8.3.

Рис. 1.8.3. Структурная схема измерительного канала ИИС:

ПП – первичный преобразователь; ПК – преобразователь кодов;

Кл – ключевой элемент управляющего коммутатора КМ;

КС – канал связи; ЦК – центральный коммутатор (кодопреобразователь)

Приведенная структура измерительного канала, реализующая метод прямых измерений, показана без управляющих работой коммутационным элементом и АЦП-связей. Она является типовой, и на ее основе строится большинство многоканальных ИИС, особенно ИИС дальнего действия.

Строгий математический рас­чет измерительных каналов невозможен, но, используя упрощенные методы подхода к определению составляющих результирующей погрешности, параметрам и законам распределения, задаваясь значением доверительной вероятности и учитывая корреляционные связи между ними, можно составить и рассчитать упрощенную математическую модель реального измерительного канала.

Обобщенная структурная схема многоканальной авто­матизированной ИИС представлена на рис. 1.8.4

Рис. 1.8.4. Обобщенная структурная схема ИИС

Измерительная информация от объекта исследования, представленная в виде физических величин х₁, х₂, ...,х_n, преобразуется соответствующим первичным преобразователем и при помощи системного коммутатора Км подключается ко входу АЦП, а затем поступает в канал связи КС. С выхода КС измерительная информация в виде некоторого кода поступает на вход вычислительного устройства ВУ, где происходит ее обработка. Вычислительное устройство осуществляет непрерывный обмен информацией с банком данных БД, в котором находятся заданные нормы, коэффициенты, хранится оперативная информация и т.д. Результаты обработки поступают одновременно или поочередно на средства отображения цифровой информации СОИ₂, в управляющую ЭВМ (УЭВМ) или непосредственно на исполнительные механизмы, регулирующие состояние объекта. При необходимости аналогового представления измерительной информации последняя с выхода КС поступает на цифро-аналоговый преобразователь ЦАП, а затем на средства отображения аналоговой информации COИ₁ (графопостроитель, электронно-лучевую трубку).

Программное управление системой, а именно работой Км, АЦП и СОИ₁, осуществляется либо вычислительным устройством, либо автономным блоком управления с пульта оператора.

Многоканальные ИИС представляют собой самый распространенный и наиболее обширный класс измерительных систем.

Сложность технологических объектов, характеризующихся большим числом потоков информации, распределенность их в пространстве требует наличия многоканальных измерительных структур. В настоящее время уже редко можно встретить одноканальные измерительные системы, предназначенные для измерения одного параметра, локализованного на тех­нологическом объекте. Это объясняется тем, что состояние технологических объектов определяется не одним, а рядом параметров, которые необходимо не только измерять, но и совместно обрабатывать. Поэтому создание нескольких одноканальных ИИС, имеющих одинаковые функциональные блоки с последовательной обработкой результатов их измерения на автономных универсальных ЭВМ, неэффективно.

Так как современный объект исследования можно представить в виде распределенного в пространстве информационного поля, то для оценки состояния объекта оперативную информацию необходимо получать из нескольких ис­точников информации (точки а_i) информационного поля {а_i}.

Существует несколько способов получения информации от распределенных объектов.

Один из способов предусматривает наличие одного датчика, который путем перемещения в пространстве (сканирования) позволяет получать информацию от всех источников а_i информационного поля объекта. Этот способ используется лишь в том случае, когда физические величины, характеризующие состояние объекта, являются однородными (например, исследование температурных полей, распределения зарядов в пространстве, электрохимических свойств океанской или морской воды и т.д.).

Другой способ заключается в том, что во всех точках а_i располагаются соответствующие первичные преобразова­тели, а информацию получают путем последовательного или одновременного опроса каждого первичного преобразователя.

Этот способ получения информации применяется в том случае, когда необходимо измерять разнородные физиче­ские величины, несущие информацию о состоянии исследу­емого объекта.