2.2. Согласование канала с источником информации

Для того чтобы канал передавал информацию без искажений, необходимо, чтобы его емкость V_k была больше объема сигнала V_c, а пропускная способность С была больше скорости выдачи инфор­мации источником сигнала U_д. Таким образом, надо согласовать емкость канала с объемом сигнала, а пропускную способность ка­нала – со скоростью поступления информации в канал.

1. Согласование величин V_k и V_c. Под объемом сигнала пони­мают произведение трех величин где Т_с – длитель­ность сигнала, показывающая, на какое время занимается канал; F_c – ширина спектра сигнала;  – превышение сигнала над по­мехой. Однако выполнение условия V_k  V_c не всегда достаточно; кроме него должны выполняться соотношения .

Если какое-либо соотношение не выполняется, а условие V_k  V_c соблюдено, то необходимо предварительное преобразова­ние сигнала. Обычно для этого изменяют величины F_c и Т_с. Напри­мер, если F_с = 3 , а T_с << T_c, то для выполнения условия неиска­женной передачи в три раза увеличивают длительность всех эле­ментов сигнала. При этом ширина спектра F_с уменьшается в три раза.

2. Согласование величин С и U_д. Условием неискаженной пере­дачи информации является выполнение соотношения , позволяющее определить требуемую полосу пропускания канала.

Значение U_д можно определить следующим образом. Если ко­личество информации, поступающее от источника в какой-то мо­мент времени (т.е. соответствующее одному отсчету) равно I(x), а число отсчетов в секунду n, то скорость выдачи информации (т.е. ее количество, поступающее от датчика в 1 с) равно

. (2.2.1)

В частности, при , где – ширина спектра измеряемой величины, скорость

(2.2.2)

тогда

, (2.2.3)

откуда

. (2.2.4)

Для частного случая, при , можно записать

. (2.2.5)

Приведенным соотношением можно пользоваться и тогда, когда на вход канала поступает информация от l источников, опраши­ваемых последовательно. В этом случае в качестве берется поло­са частот сигнала, получающегося после коммутации. Кроме того, под понимается информация, даваемая всеми источниками, в частности, если измеряемые величины статистически независи­мы, то .

Отношение скорости передачи информации U к скорости поступ­ления информации от источника U_д называют коэффициен­том передачи информации .

2.3. Линии связи для передачи измерительной информации

В качестве электрических линий связи для передачи измери­тельной информации могут использоваться специальные телефон­ные и телеграфные линии, а также линии электропередач (ЛЭП).

В последних случаях применяются специальные устройства, позволяющие исключить влияние на измерительный сигнал основ­ного сигнала, передаваемого по линии (телефонного, телеграфно­го), или тока высокого напряжения.

Выбор той или иной линии определяется в первую очередь эко­номическими соображениями. Так, например, организовать спе­циальную линию связи имеет смысл только в пределах одного пред­приятия или объекта, когда ее протяженность не превышает не­скольких сотен метров или нескольких километров. При больших расстояниях выгодней использовать уже имеющиеся линии, так как проведение специальных линий связано с большими затратами. Но там, где нет никаких линий, которые можно использовать для пере­дачи измерительной информации, специальные линии создают и на большие расстояния.

Линии связи можно разделить на проводные и беспроводные (радиолинии). Пропускная способность проводных линий имеет порядок тысяч бит/с, пропускная способность радиолиний – десят­ки и сотни тысяч бит/с.

Проводные линии в свою очередь делятся на воздушные и ка­бельные и представляют собой электрические цепи с распределен­ными параметрами R, L, С, G, где R и L – сопротивление и индук­тивность на единицу длины двухпроводной линии, а С и G – ем­кость и проводимость изоляции на единицу длины линии. Эти пара­метры не зависят от значения передаваемого сигнала. Кроме этих параметров, линии характеризуются вторичны­ми параметрами, такими, как затухание и волновое сопротивле­ние.

На параметрах воздушных линий сказывается изменение ат­мосферных условий. Например, изменение температуры может из­менить активное сопротивление линии в 1,5 раза.

Кабельные линии перед воздушными имеют следующие преиму­щества: высокая помехозащищенность, большая надежность, мень­шая зависимость параметров от метеорологических условий.

Любой сигнал, передаваемый по линии, приходит к приемнику ослабленным. Это затухание сигнала можно оценить как

, (2.3.1)

где и – мощность сигнала на входе и выходе линии.

При согласованных величинах входных сопротивлений затухание

(2.3.2)

Затухание, вносимое линией, зависит от частоты сигнала и ее параметров, что требует правильного выбора вида линии. Так, на­пример, воздушные стальные линии вследствие резкого возраста­ния затухания с частотой не применяются на частотах свыше 30 кГц. Воздушные медные и биметаллические цепи могут быть использованы до частот порядка 180 кГц.

Кабельные линии делятся на низкочастотные (до 10 кГц) и высокочастотные (выше 10 кГц). Наиболее широкополосными явля­ются коаксиальные кабели, используемые в диапазоне до 10 мГц. Затухание коаксиальных кабелей определяют из выражения

, (2.3.3)

где – частота сигнала, Гц.

На рис. 2.3.1 приведена схема использования ЛЭП для передачи высокочастотной информации от передатчика П₁ к приемнику П₂. Устройства передачи и приема высокочастотных колебаний подклю­чаются к ЛЭП через конденсаторы связи С_св. Для того чтобы высо­кочастотные колебания не попадали на подстанцию, служат высо­кочастотные заградители ВЗ, сопротивление которых для частоты 50 Гц должно быть малым. Заградители обычно выполняют в виде резонансных контуров.

Рис. 2.3.1. Принцип использования ЛЭП для передачи высокочастотного

сигнала

Фильтры присоединения Ф_п час­то включающие в себя конденсатор связи С_св, служат для согласования входных сопротивлений ЛЭП и со­единительных линий.

ЛЭП используются для переда­чи измерительной информации на частотах в диапазоне от 50 до 300 кГц. На коротких линиях часто­та сигнала может быть повышена до 500 и даже 1000 кГц.

Основное достоинство ЛЭП – вы­сокая надежность передачи – опре­деляется большим сечением прово­дов, механической прочностью и т.д. Однако эти линии имеют сравнительно высокий уровень помех, основными причинами которых яв­ляются: коммутации, короткие замыкания, корона, атмосферные явления и работа широковещательных станций.

Влияние атмосферных явлений сказывается, например, в том, что при дожде все время меняется электрическое поле и в высоко­частотном канале индуктируется ЭДС помехи, при ветре провода электризуются пылью и т.д.

Влияние короны проявляется в том, что этому явлению сопут­ствует образование пространственного, непрерывно меняющегося заряда вокруг провода. Это изменение заряда вызывает не только помехи, но и паразитную модуляцию короной несущей частоты. Кроме того, в ЛЭП сравнительно велико и затухание сигнала, так как кроме линейного затухания, присущего любой линии связи, здесь имеется дополнительная утечка через высокочастотные за­градители, а также затухание, вносимое конденсаторами связи и устройствами присоединения.

Радиолинии применяются главным образом тогда, когда объект исследования труднодоступен и нет возможности соединить места измерения и приема информации проводами (ракеты, космические корабли и т.д.).

В то время как затухание, возрастающее с частотой сигнала, ограничивает применение проводных линий диапазоном до сотен килогерц и в лучшем случае до мегагерц, радиолинии можно ис­пользовать на частотах порядка нескольких тысяч мегагерц.

Следует также учитывать, что в большинстве диапазонов ра­диосвязи качество приема зависит от времени года и суток, метео­рологических условий и состояния ионосферы и т.д. Особенно это сказывается на сигналах в длинноволновом (110 км) и коротко­волновом (10100 м) диапазонах. В этих диапазонах радиосвязь для передачи измерительной информации используется на рас­стоянии до нескольких десятков километров.

Значительно надежнее радиосвязь осуществляется на ультра­коротких волнах, т.е. в диапазоне частот от 30 МГц (10 м) до 30 ГГц (1 см).

В последние годы с развитием лазерной техники широкое применение находят оптические ли­нии связи, позволяющие передавать информа­цию как через атмосферу, так и по светово­дам.

Структурная схема передающего устройст­ва приведена на рис. 2.3.2. Входная информа­ция, предварительно уплотненная, поступает на согласующее устройство СУ и затем на подмодулятор ПМ. Выходной сигнал ПМ пода­ется на один из входов электрооптического мо­дулятора ЭОМ, другой вход которого связан с оптическим квантовым генератором ОКГ. Промодулированные световые колебания по­даются на передающую оптическую систему ПОС.