Телемеханика. Телемеханика_4. Конспект лекций для студентов специальности 153 01 07 Информационные технологии и управление в технических системах
 Скачать 1.58 Mb.
|
|
4.1.3. Цифровая телеметрия. Телеметрические системы зачастую явля- ются составной частью более крупных систем и комплексов (например в кос- мических комплексах). Однако имеются области науки и техники, в которых телеметрические системы применяются как отдельные самостоятельные си- стемы. К таким областям относятся авиационная и ракетно-космическая от- расль, промышленность, метеорология, геофизика, медицина и т.п. В зависимости от вида используемого канала связи различают проводные, радио- и гидроакустические телеметрические системы. Характерной особенностью современных телеметрических систем являет- ся большое число разнообразных измеряемых физических величин и высокая точность измерений. Информационные потоки в некоторых телеметрических системах могут достигать до 10 6 бит/с. Внедрение цифровых телеметрических систем позволило резко повысить скорость передачи и обработки информации. Принцип построения цифровых телеметрических систем, в том числе и адаптивных, описан в разд. 1.5. 4.1.4. Системы дальней цифровой связи и управления. Для удовлетво- рения потребностей в надежной и высококачественной передаче больших по- токов информации на дальние расстояния применяется УКВ диапазон. Для увеличения дальности действия УКВ систем связи широко применяются ра- диорелейные линии с наземными промежуточными ретрансляционными пунк- тами, а также спутниковые линии связи, в которой ретранслятор находится на искусственном спутнике Земли. Наряду с такими линиями в последние годы 109 получили заметное развитие тропосферные, ионосферные и метеорные линии связи. Особенно важное значение эти линии связи имеют для решения специ- альных задач военного характера. Различные каналы передачи цифровой информации по условиям их ра- боты можно разделить на две группы. К первой группе относятся каналы с по- стоянными параметрами, или гауссовскими каналами. К ним относятся обыч- ные радиорелейные линии с промежуточными ретрансляторами; УКВ линии связи с дальностью действия в пределах прямой видимости, в частности спут- никовые линии связи с активным ретранслятором; космические линии связи. Ко второй группе относятся каналы, в которых за время сеанса связи усло- вия распространения сигналов в среде существенно изменяются. Эти каналы называются каналами со случайными параметрами. Поэтому обеспечивать вы- сокую достоверность передачи информации в таких каналах значительно труд- нее. Важной особенностью требований к современным и перспективным си- стемам передачи цифровой информации (особенно к системам передачи дан- ных) является требование стандартизации показателей качества передачи. 4.1.5. Достоинства цифровых систем. Наиболее существенными пре- имуществами систем передачи цифровой информации являются: – возможность автоматизации обработки информации; – универсальная форма представления сообщений различной физической природы и, как результат этого, гибкость систем, позволяющая, заменив про- грамму работы, применять одно и то же оборудование для различных целей; – высокие качественные показатели работы системы; – возможность объединения отдельных систем в более крупные системы и комплексы. 4.2. Структурная схема системы передачи цифровой информации Специфика различных областей применения систем передачи цифровой информации требует различного подхода к реализации таких систем. Система передачи данных по телефонным каналам совершенно не похожа на систему космической связи или на цифровую систему тропосферной связи ни по техни- ческому исполнению, ни по параметрам. Однако в принципах построения от- дельных устройств (блоков) самых разных систем много общего. Это обстоя- тельство дает возможность рассматривать цифровые системы связи с общих позиций, отвлекаясь от специфики их применения и конкретных условий рабо- ты. Такой подход позволяет выяснить ряд важных положений, характерных для любой системы передачи цифровой информации. В дальнейшем под системой передачи цифровой информации будем по- нимать упорядоченную совокупность технических средств, с помощью кото- рых осуществляется передача информации в цифровой форме из одного пункта пространства в другой. Такая система вместе с физической средой, в которой 110 распространяются содержащие передаваемую информацию сигналы, образуют цифровую линию связи, структурная схема которой приведена на рис. 4.1. По цифровым линиям связи можно передавать сообщения самой различ- ной физической природы: цифровые данные, полученные от ЭВМ, речь, тексты телеграмм, команды управления, результаты измерения различных физических величин, телеметрируемых с объектов, и т.д. Естественно, что все эти сообще- ния предварительно должны быть преобразованы в электрические колебания, сохраняющие все свойства исходных сообщений, а затем унифицированы, т.е. представлены в цифровой форме, удобной для последующей передачи. Под ис- точником цифровой информации на рис. 4.1 понимается устройство, в котором выполнены все указанные выше операции. Такой источник создает сообщения, представляющие собой последовательности, образованные элементами, каж- дый из которых может принимать только конечное число различных значений. Рис. 4.1. Структурная схема цифровой линии связи Устройство первичного кодирования (УПК) в общем случае выполняет функции преобразования сообщений, выдаваемых источником, в первичный К-разрядный код; функции статистического кодирования и формирования из отдельных кодовых слов информационных блоков. В простейших случаях УПК может отсутствовать, и кодовые слова, выдаваемые источником, будут непосредственно вводиться в устройство защиты от ошибок (УЗО). На прием- ной стороне устройство первичного декодирования (УПДК) выполняет ответ- ные функции. 111 УЗО выполняет наиболее ответственные функции – обеспечение требуе- мых вероятностно-временных характеристик процесса передачи данных. В этом блоке реализуется тот или иной алгоритм передачи информации, осу- ществляется избыточное кодирование и декодирование, информационный кон- троль и резервирование каналов связи, фазирование работы приемной и пере- дающей аппаратуры передачи цифровой информации. Кроме того, в УЗО, как правило, происходит преобразование параллельного кода в последовательный (на передающей стороне) и обратно (на приемной стороне). С целью согласования УЗО передатчика и приемника с непрерывным ка- налом связи (средой, в которой, как правило, передаются непрерывные сигна- лы) используются устройства преобразования сигналов (УПС), включаемые на передаче и приеме. В частном случае – это модулятор и демодулятор (модем). Совместно с каналом связи УПС образуют дискретный канал связи (ДКС), т.е. канал, предназначенный для передачи только дискретных сигналов (цифровых сигналов данных). УПС аппаратуры передачи данных могут выполняться кон- структивно в одном корпусе с другими узлами УПД (например с УЗО), однако чаще всего УПС выпускается в виде отдельных устройств. При этом УПС по- мимо своих основных функций обычно выполняют и ряд вспомогательных: ав- томатическое переключение УПД в режим передачи или приема; обеспечение блокировки УПД и включение сигнализации при понижении или пропадании уровня принимаемого сигнала; коррекцию АЧХ и ФЧХ канала связи; оценку качества принимаемых сигналов; вырабатывают сигналы синхронизации пере- датчика и приемника. Различают УПС, позволяющие организовать передачу данных по каналам тональной частоты, широкополосным каналам и физиче- ским линиям связи. В настоящее время все чаще применяют понятие интеллек- туальный модем, выполняющий функции УЗО, УПС и устройства сжатия ин- формации [12]. Примеры применения интеллектуальных модемов приведены в подразд. 4. В УПС могут применяться АМП, ЧМП, ФМП или комбинирован- ные виды модуляции. При этом скорость манипуляции переносчика или ско- рость передачи двоичных сигналов по ДКС составит бод 1 0 t = B , (4.1) где 0 t – длительность элементарного сигнала. В зависимости от режима выдачи информации источником система пере- дачи цифровой информации может работать в спорадическом (сеансовом) и непрерывном режимах. Обмен информации между абонентами может произво- диться по различным алгоритмам. Наибольшее распространение получили сле- дующие алгоритмы: - однократная передача; - многократная передача; - с информационной обратной связью (ИОС); 112 - с решающей обратной связью (РОС). Первые два алгоритма широко используются в односторонних системах передачи дискретной информацией, в которых для передачи информации в каком-либо направлении используется канал связи только данного направле- ния. В таких системах передатчик не получает информацию об изменении со- стояния канала связи и поэтому работает в одном заранее заданном режиме. На вход передатчика поступает последовательность двоичных символов, которую он преобразует в избыточную. В системах, использующих блоковые коды, из- быточность вводится путем преобразования поступающих на вход К-элементных комбинаций в n-элементные ( K n ³ ). При передаче n- элементных комбинаций по каналу связи в них вносятся ошибки. Решающее устройство системы отождествляет принятую n-элементную комбинацию с од- ной из 2 К переданных или выдает сигнал стирания. Оценка системы может быть произведена ) (K P ОШ – вероятностью оши- бочного приема, СТ P – вероятностью обнаружения ошибки и Р ПР – вероятно- стью правильного приема. Методика определения указанных вероятностей приведена в [1]. Алгоритмы передачи информации с ИОС и РОС рассмотрим более по- дробно, так как они чаще всего находят применение на практике. 4.3. Системы передачи цифровой информации с обратной связью 4.3.1. Классификация систем с обратной связью. Системами передачи дискретной информации с обратной связью называют системы, в которых пе- редатчик с приемником соединены прямым и обратным каналами связи, и пе- редатчик при вводе избыточности использует информацию о состоянии прямо- го канала, получаемую по каналу обратной связи. В зависимости от назначения ОС различают системы: с решающей об- ратной связью (РОС), информационной обратной связью (ИОС) и комбиниро- ванной обратной связью (КОС). В системах с РОС приемник по сигналу, соответствующему комбинации из n элементов, принимает окончательное решение на выдачу комбинации в приемник информации (ПИ) или на ее стирание и переспрос. Формируемый в приемнике сигнал подтверждения приема комбинации или сигнал переспроса передается по каналу обратной связи передатчику системы. В зависимости от этого последний либо передает новую комбинацию, полученную от датчика информации (ДИ), либо повторяет ранее переданную. Следовательно, основ- ной особенностью системы РОС является то, что в них право решения принад- лежит приемнику, а передатчик лишь управляется приемником с помощью сигналов, передаваемых по каналу обратной связи. Канал обратной связи ис- пользуется в этих системах для передачи решений, принимаемых приемником по комбинациям, поэтому такая ОС и была названа решающей. 113 В системах с ИОС обратный канал используется для передачи информа- ции о принятой комбинации или о состоянии канала связи. Информация анали- зируется передатчиком, и по результатам анализа принимается решение о по- вторении ранее переданных комбинаций или передаче новых комбинаций, по- лучаемых от ДИ. После этого передатчик передает служебные сигналы о при- нятом решении, а затем и кодовые комбинации. Системы с комбинированной обратной связью – это системы, в которых решения о повторной передаче или выдаче комбинации в ПИ могут прини- маться и в приемнике, и в передатчике, а канал ОС используется как для пере- дачи решений, принятых приемником системы, так и для передачи информа- ции о принятой комбинации или состоянии канала связи. Системы с ОС также делятся на системы с ограниченным числом повторе- ний и неограниченным числом повторений. В системах с ограниченным числом повторений каждая комбинация может повторяться не более r раз, а в системах с неограниченным числом повторений до тех пор, пока не будет принято решение о выдаче этой комбинации в при- емник информации. Системы с ОС, в которых используется информация, содержащаяся в за- бракованных комбинациях, называются системами с памятью. Если же забра- кованные комбинации отбрасываются, то системы называются системами без памяти. В зависимости от способа передачи сигнала ОС различают: – системы со специальным обратным каналом; – системы, в которых ОК выделяется методами частотного разделения; – системы, в которых ОК выделяется методами временного уплотнения; – системы со структурным разделением, в которых для передачи сигнала ОС используется специальная кодовая комбинация, в приемнике любая разре- шенная комбинация (кроме выделенной для сигнала ОС) дешифрируется как сигнал подтверждения, а любая неразрешенная комбинация – как сигнал пере- спроса. По типу дискретных каналов различают системы, предназначенные для работы по дуплексным каналам, и системы, работающие по полудуплексным каналам. По способу функционирования системы с обратной связью делятся на сле- дующие классы: с ожиданием сигнала ОС; с безадресным повторением и бло- кировкой приемника; с адресным повторением. Системы с ожиданием после передачи кодовой комбинации либо ожи- дают сигнал обратной связи, либо передают ту же кодовую комбинацию (блок), но передачу следующей кодовой комбинации (блока) начинают только после получения подтверждения по ранее переданной комбинации. Системы с блокировкой осуществляют передачу непрерывной последова- тельности кодовых комбинаций при отсутствии сигналов ОС по предшеству- ющим h комбинациям. После обнаружения ошибок в (h+1)-й комбинации вы- ход системы блокируется на время приема h комбинаций, в запоминающем 114 устройстве приемника стираются h ранее принятых комбинаций, и посылается сигнал переспроса. Передатчик повторяет передачу h последних переданных кодовых комбинаций. Системы с адресным повторением отличает то, что кодовые комбинации с ошибками отмечаются условными номерами, в соответствии с которыми пе- редатчик производит повторную передачу только этих комбинаций. Обратной связью могут быть охвачены различные части системы (рис. 4.2): – канал связи, при этом по каналу ОС передаются сведения о принимае- мом сигнале до принятия какого-либо решения; – дискретный канал, при этом по каналу ОС передаются решения, приня- тые УПС ПРМ на основе анализа единичных элементов сигнала; – канал передачи данных, при этом по каналу ОС передаются решения, принятые УЗО ПРМ на основании анализа кодовых комбинаций. Рис. 4.2. Обратная связь в системе передачи дискретной информации В первом случае для контроля канала связи используют устройства типа детектора качества, которые анализируют те или иные параметры принимаемо- го сигнала (амплитуду, частоту, длительность) или уровень помех. При этом по каналу ОС могут передаваться команды на изменения параметров передавае- мых сигналов: мощности, спектрального состава, темпа передачи, избыточно- сти кода и т.п. На передающей стороне должны быть предусмотрены соответ- ствующие органы воздействия на источники сигналов: регуляторы мощности, корректоры, кодопреобразователи, управляемые сигналами, поступившими по каналам ОС. Во втором случае в качестве анализатора также обычно используют де- текторы качества, контролирующие амплитуду, или краевые искажения сигна- ла после демодуляции, или и то, и другое. В третьем случае анализатором служит УЗО, принимающее решение о наличии или отсутствии ошибок в принятых кодовых комбинациях. Из изложенного следует, что системы с ОС являются адаптивными: темп передачи информации по каналам связи автоматически приводится в соответ- ствие с конкретными условиями прохождения сигналов. 4.3.2. Система с РОС и ожиданием решающего сигнала (РОС-ОЖ). Основная особенность этих систем состоит в том, что передатчик, передав n-элементную комбинацию, или ожидает сигнал обратной связи, или повторяет ранее переданную комбинацию. Следующую комбинацию он может переда- 115 вать лишь после приема сигнала подтверждения по ранее переданной комби- нации. Схема алгоритма и временная диаграмма, с помощью которых поясняется последовательность операций в системе с ожиданием, представлены на рис. 4.3 и 4.4. Рис. 4.3. Схема алгоритма работы системы ПДС с РОС-ОЖ При поступлении кодовой комбинации с датчика информации произво- дится запись комбинации в накопитель и одновременное кодирование и пере- дача ее в канал связи. Принятая комбинация может быть принята правильно, с необнаруживаемой ошибкой или обнаруживаемой ошибкой. Вероятности этих 116 исходов определяются корректирующим кодом (в общем случае решающим устройством). Дальнейшее поведение системы не определено однозначно, а за- висит от результата анализа принятой комбинации устройством обнаружения ошибок. При отсутствии ошибок или при необнаруживаемых ошибках прини- мается решение о выдаче комбинации в ПИ и одновременно формируется сиг- нал подтверждения приема, который передается по каналу обратной связи. По- сле приема сигнала подтверждения передатчик получает от ДИ следующую кодовую комбинацию и передает ее в канал связи. Если кодовая комбинация содержит обнаруживаемую ошибку, то при приеме такой комбинации прини- мается решение о стирании и формируется сигнал переспроса, который пере- дается по каналу обратной связи. При приеме сигнала переспроса повторно пе- редается комбинация, хранящаяся в накопителе. На рис. 4.4 показан прием без переспроса (комбинации 1 и 3) и прием по- сле одного переспроса (комбинация 2). Рис. 4.4. Временные диаграммы работы системы с РОС-ОЖ Сигналы подтверждения и переспроса, передаваемые по каналу ОС, под- вержены воздействию помех. Поэтому возможны такие случаи, когда при пе- редаче сигнала подтверждения будет принят сигнал переспроса и наоборот. В первом случае в ПИ будет выдана одна и та же комбинация, т.е. будет иметь место вставка комбинации, а во втором случае одна из комбинаций, получен- ных от ДИ, не будет выдана в ПИ, т.е. произойдет выпадение комбинации (рис. 4.5). 117 Рис. 4.5. Появление сдвига при работе системы ПДС с РОС-ОЖ На рис. 4.6 показана структурная схема системы с ожиданием. Поступаю- щая с источника информации (ИИ) K-элементная комбинация через сумматор (схему ИЛИ) записывается в накопитель и одновременно кодируется с помо- щью кодирующего устройства (КУ), после чего полученная n-элементная ком- бинация подается на вход ДКС. С выхода ДКС эта комбинация поступает на вход решающего устройства (РУ), в качестве которого может использоваться, например, устройство обнаружения ошибок корректирующего кода, устрой- ство анализа сигнала и т.д. В РУ принимается одно из двух решений: либо ин- формационная часть комбинации выдается в ПИ, либо комбинация стирается. Одновременно с поступлением комбинации в РУ производится ее декоди- рование (т.е. выделение информационной части) в декодирующем устройстве (ДКУ) и запись полученной k-элементной комбинации на накопитель. При приеме решения на выдачу комбинации в ПИ в блоке управления формируют- ся управляющие сигналы, с помощью которых k-элементная комбинация счи- тывается с накопителя и через ключ (схему И) подается на вход приемника ин- формации. Одновременно БУ подает управляющий импульс на вход устрой- ства формирования сигнала обратной связи (УФС), в котором формируется сигнал подтверждения приема комбинации, подаваемой на вход канала обрат- ной связи (КОС). С выхода КОС сигнал поступает на вход декодера сигнала ОС (ДСОС). Если приходящий сигнал дешифрирован как сигнал подтверждения, то на вход БУ приемника системы подается соответствующий импульс. БУ произво- дит запрос от ИИ следующей комбинации, которая так же, как и предыдущая, поступает на вход системы и передается в канал связи. Ключ в этом случае за- крыт, и ранее переданная комбинация, хранящаяся в накопителях, стирается при поступлении новой. Рис. 4.6. Структурная схема передачи дискретной информации с РОС-ОЖ 115 119 При приеме РУ решения на стирание комбинации хранящаяся в приемном накопителе комбинация стирается, а в УФС формируется сигнал переспроса, который передается по каналу обратной связи. При дешифрировании ДСОС поступающего на его вход сигнала как сигнала переспроса, на вход БУ посту- пает соответствующий импульс. БУ осуществляет управление элементами пе- редатчика системы таким образом, что производится повторная передача ком- бинации, хранящейся в накопителе передатчика. Скорость передачи R системы с ожиданием определяется избыточностью применяемого кода, временем ожидания результатов анализа кодовой комби- нации потерей времени на переспросы. В соответствии с временной диаграм- мой запишем формулу для текущей относительной скорости передачи: ПЕР ПР ОЖ T N N t t n K R × + = 0 , где K – число информационных элементов в кодовой комбинации; n – общее число элементов в кодовой комбинации; B t / 1 0 = ; B – скорость модуляции, бод; AOC AИ OC P t t t t t ОЖ + + + = 2 ; P t – время распространения сигнала по каналу связи; OC t – длительность сигнала ОС; AИ t – время анализа кодовой комбинации; AOC t – время анализа сигналов ОС; ПР N – число комбинаций, выданных в ПИ за время t; ПЕР N – число комбинаций, переданных по каналу связи за время t. Обозначаем CT ПР ПЕР N N N = - , где СТ N – число комбинаций, стираемых РУ системы за время t. Тогда ПЕ C ПЕ C ПЕ ПЕ П N N N N N N N - = - = 1 При достаточно больших значениях t величина ПЕР СТ N N / сходится по ве- роятности к величине ) (n P СТ – вероятности стирания комбинации решающим устройством системы. Следовательно, )) ( 1 ( 0 n P t t n K R СТ ОЖ - + = (4.2) 120 Вероятность ошибочного приема комбинации для системы с ожиданием равна ) ( 1 ) ( ) ( n P n P K P CT ОШ ОШ - = , (4.3) где ) (n P ОШ – вероятность выдачи на вход РУ комбинации с ошибкой. Вероятности вставок и выпадений, определяемые выбранным способом передачи и приема сигналов подтверждения J и переспроса 1 w равны: ) / ( J w » P P ВСТ ; ) / ( ) ( w » J P n P P СТ ВЫП |