телемех. Конспект лекций по основам телемеханики. Омск Сибади, 2012. 63 с. Рассматриваются общие вопросы систем телемеханики, основные понятия, пе редача сообщений, элементы и узлы, основные принципы построения
 Скачать 1.19 Mb.
|
|
Неравномерное квантование по уровню Некоторые функции, подлежащие квантованию, изменяются так, что их целесообразно квантовать с переменным шагом квантования Так, на рис. 6,в показана нелинейная зависимость тока I от напряжения U. Если необходимо при измерении получить равномерную шкалу напря- жений, то отсчет по току надо вести с переменным шагом q, уменьшая его с ростом амплитуды. Могут быть и другие варианты изменения шага кван- тования. Так, например, если необходимо получить более точные значения в какой-либо части квантуемой функции, то в этом диапазоне шаг кванто- вания следует уменьшить. Восстановление функции, квантованной по уровню Квантование по уровню осуществляется для последующего кодиро- вания, т.е. каждый уровень квантованной функции передается кодом. На приемной стороне кодовая комбинация, поступая на дешифратор, преобразуется в ток или напряжение, которые используются по назначе- нию (отклоняют стрелку прибора, изменяют показания цифровых индика- торов и т.д.). Принятая квантованная функция в своем первоначальном (непрерывном) виде на приеме обычно не восстанавливается, хотя это можно сделать путем линейной или более сложной интерполяции. Про- стейшая ступенчатая интерполяция функции λ(t) была осуществлена, когда мы горизонтальными отрезками соединяли вертикальные отрезки, образуя функцию λ’(t) (рис. 7,а). Дифференциальное квантование Этот вид квантования применяется при осуществлении дельта- модуляции. Также расчерчивается сетка из вертикальных и горизонталь- ных линий с точками ∆t и q соответственно. Переход с уровня на уровень осуществляется через интервал t по следующему правилу: если значение λ(t) больше, чем дискретное значение λ’(t) в предыдущем интервале, то происходит переход на следующий, бо- лее высокий, дискретный уровень. Если текущее значение λ(t) меньше, чем дискретное значение в предыдущем такте, происходит переход на один более низкий дискретный уровень. (Условие перехода на более высокий уровень λ(t)>λ`(t), на более низкий уровень λ(t)<λ`(t)). Из рис. 7,а следует, что в точке b значение функции λ(t) меньше, чем значение функции λ’(t) в точке а', поэтому значение дискретной функции переходит в точку b'. В точке c значение λ(t) снова меньше, чем значение функции λ’(t) в точке b', поэтому квантованная функция переходит на уро- вень ниже в точку c'. В точке d значение функции λ(t) уже выше, чем зна- чение функции λ’(t) в точке c', и функция повышает свое значение до 22 точки d'. В т. e λ(t)>λ`(t) в т.d и эта функция λ’(t) делает скачек в т.e. Так как в т.f λ(t) получила прирост то и λ’(t) сделала скачек в т. f. Рис. 7. Дифференциальное квантование: а) – квантование и восстановление функции; б) – импульсы ∆-модуляции На рис. 7,б показано, что отрицательные импульсы проставляются при отрицательной ошибке, а положительные – при положительной ошиб- ке. Этот ряд импульсов соответствует производной dλ’(t)/dt и представляет собой результат дифференциального квантования функции λ(t) с прираще- ниями ∆. Характерно, что при быстрых изменениях функции λ(t) возможно от- ставание ступенчатой функции от непрерывной из-за того, что по услови- ям квантования не разрешается переход больше чем на один уровень в от- личие от квантования по уровню и времени, где возможен переход через несколько уровней. Чем круче кривая, тем больше отставание функции λ’(t) от λ(t). Для уменьшения отставания необходимо уменьшать интервал кван- тования как q, так и ∆t. Поэтому погрешность дифференциального квантования больше, чем при других видах квантования: (17) т.е. ошибка квантования в 4 раза превышает ошибку при обычном кванто- вании. 23 Достоинством дифференциального квантования является то, что квантованная функция передается только полярными признаками импуль- сов, т.е. значительно проще, чем при других видах квантования. 2.3. Кодирование Кодв телемеханике – это система электрических или пневматиче- ских сигналов для передачи сообщений двоичным или двоично- десятичным кодом по каналу связи. Для представления и передачи отдель- ных элементов кода сигналы с различными признаками по амплитуде, час- тоте, полярности, фазе, длительности и др. Так, в двоичном коде при по- лярных признаках элемент "0" кодируется импульсом отрицательной, а "1" – положительной полярности; широтные признаки означают различие в длительности импульсов либо в паузах между ними и так далее. Если для передачи сообщений используются не все возможные комбинации элемен- тов кода, применяют специальные методы, позволяющие при приеме об- наруживать и исправлять искажения (ошибки) в переданных элементах ко- да, что повышает достоверность передачи информации. Выбор системы кодирования сообщения, способа его передачи и ме- тодов повышения достоверности передаваемой информации определяется конкретными условиями работы телемеханической системы, важностью объектов, свойствами каналов связи, применяемой аппаратурой и др. Кодирование – операция отождествления символов или групп симво- лов одного кода с символами или группами символов другого кода. Необ- ходимость кодирования возникает прежде всего из потребности приспосо- бить форму сообщения к данному каналу связи или какому-либо другому устройству, предназначенному для преобразования или хранению инфор- мации. Так, сообщения представленные в виде последовательности букв, например русского языка, и цифр, с помощью телеграфных кодов преобра- зуются в определённые комбинации посылок тока. При вводе в вычисли- тельные устройства обычно пользуются преобразованием числовых дан- ных из десятичной системы счисления в двоичную и т.д. Кодирование в теории информации применяют для достижения сле- дующих целей: 1) для уменьшения так называемой избыточности сообщений; 2) для уменьшения влияния помех, искажающих сообщения при пе- редаче по каналам связи (см. Шеннона теорема). Поэтому выбор нового кода стремятся наиболее удачным образом согласовать со статистической структурой рассматриваемого источника сообщений. В какой-то степени это согласование имеется уже в коде телеграфном, в котором чаще встре- чающиеся буквы обозначаются более короткими комбинациями точек и тире. 24 Кодирование, уменьшающее помехи, превратилось в большой раздел теории информации, со своим собственным математическим аппаратом, в значительной мере чисто алгебраическим. Корректирующие коды Помехоустойчивые коды, коды обнаружения и исправления ошибки, коды, позволяющие по имеющейся в кодовой комбинации избыточности обнаруживать и исправлять определённые ошибки, появление которых приводит к образованию ошибочных или запрещенных комбинаций при- меняются при передаче и обработке информации в вычислительной техни- ке, телеграфии, телемеханике и технике связи, где возможны искажения сигнала в результате действия различного рода помех. Кодовые слова К. к. содержат информационные и проверочные разряды (символы). В процессе кодирования при передаче информации из информационных разрядов в соответствии с определёнными для каждого К. к. правилами формируются дополнительные символы – проверочные разряды. При декодировании из принятых кодовых слов по тем же правилам вновь формируют провероч- ные разряды и сравнивают их с принятыми; если они не совпадают, значит при передаче произошла ошибка. Существуют коды, обнаруживающие факт искажения сообщения, и коды, исправляющие ошибки, т. е. такие, с помощью которых можно восстановить первичную информацию. В качестве примера рассмотрим код Хэмминга. Пусть требуется пе- редать некоторое слово 1010. При кодировании оно будет представлено как 1011010, где 1-й, 2-й и 4-й разряды проверочные (слева направо 101), а остальные информационные. Если при передаче произошла ошибка, на- пример в 3-м разряде вместо 1 получен 0, то при декодировании провероч- ные разряды примут значения: 1-й (младший) – 1, 2-й – 1, 4-й – 0 (т. е. 011). Несовпадение кодовых комбинаций проверочных разрядов не только сиг- нализирует о наличии ошибки, но и указывает номер искажённого разряда (011 – 3 в двоичном коде). Корректирующая и обнаруживающая способность кодов зависит от кодового расстояния d между словами, численно равного минимальному числу ошибок, которое может превратить одно слово в другое. Например, имеется кодовая комбинация: 0111100; 0100101; 0010110. Первая группа (слово) отличается от второй в трёх разрядах, вторая от третьей — в четы- рёх разрядах, первая от третьей – в трёх разрядах. Минимальное расстоя- ние d между этими словами равно 3. Если в первом слове произойдёт 3 ошибки, то оно может превратиться либо во второе, либо в третье слово; при декодировании такая ошибка не будет обнаружена. Максимальное число ошибок, которое в данном случае может быть обнаружено, равно 2. Если в первом слове произошла ошибка во втором разряде, то полученное слово отличается от второго в четырёх разрядах, от третьего – в двух раз- рядах, от первого – в одном разряде. Согласно максимального правдоподо- 25 бия методу при декодировании делается вывод, что, вероятнее всего, пере- давалось первое слово. Для правильного декодирования необходимо, что- бы максимальное число ошибок в передаваемом слове превращало его в слово, отличающееся от исходного в наименьшем числе разрядов. Чтобы исправлять все комбинации из t ошибок, необходимо и достаточно, чтобы d ³ 2t+1. Ошибки в передаваемых словах могут возникать вследствие либо не- зависимых искажений разрядов (в этом случае применяют, например, коды типа кода Хэмминга), либо искажений группы рядом стоящих разрядов (для таких случаев разработаны коды, исправляющие одиночные пачки ошибок, и коды, исправляющие более одной пачки ошибок); для обнару- жения ошибок в процессе вычислений на ЭВМ разработаны так называе- мые арифметические коды. 2.4. Методы модуляции Импульсные методы модуляции Используя серию импульсов в качестве переносчика, мы можем ме- няя амплитуду, длительность, положение во времени, число импульсов и т.д. под воздействием сообщения, тем самым осуществлять импульсную модуляцию. Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) Под воздействием мгновенных значений сообщения амплитуда им- пульсов переносчика изменяется. , (18) где U m – амплитуда модулированных импульсов, U – амплитуда немоду- лированных импульсов, m a – коэффициент глубины модуляции при АИМ, – угловая частота сообщения. Рис. 8. Временная диаграмма амплитудно-импульсной модуляции Импульсы, модулированные по амплитуде, обладают спектром. от- личным от немодулированной последовательности тем, что вокруг каждой составляющей спектра немодулированной последовательности появляется боковые частоты f k ± f сообщ . Однако ширина полосы ∆F и в этом случае оп- ределяется практически длительностью импульсов и слабо зависит от мо- 26 дулирующей частоты, т. е. ∆F =µ/τ. Из-за низкой помехоустойчивости и по- грешностей, возникающих при изменении коэффициента передачи линии связи, АИМ применяется в ТИ только как промежуточный вид модуляции (АИМ-ЧМ). Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) При широтно-импульсной модуляции изменяется ширина или дли- тельность импульсов переносчика за счет положения заднего импульса. Частота и амплитуда при ШИМ не изменяется. Помехоустойчивость ШИМ значительно выше АИМ, и ШИМ широко распространена в ТИ. При ШИМ необходимо выбирать полосу частот по наиболее короткому импульсу (∆F =1/τ min ). Рис. 9. Временная диаграмма широтно-импульсной модуляции Используются и другие разновидности ШИМ, когда изменяется по- ложение переднего фронта импульсов при неизменном положении заднего фронта или изменяется положение обоих фронтов. Время-импульсная модуляция (ВИМ) Эта модуляция иногда называется фазоимпульсной модуляцией (ФИМ). Импульс сдвигается на +∆t при увеличении мгновенного значения и влево на –∆t при его уменьшении. При синусоидальной форме сообще- ния сдвиг, или девиация, импульса определяется как ∆t= ∆t max sinΩt. (19) Полоса частот при ВИМ определяется практически длительностью импульса. Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) При увеличении мгновенного значения сообщения частота импуль- сов увеличивается, а при уменьшении мгновенного значения – уменьшает- ся. Ширина полосы частот определяются длительностью импульса: ∆F=1/τ. Кодоимпульсная модуляция (КИМ) При КИМ сообщение квантуется по уровню и времени, а затем каж- дый дискретный уровень передается с помощью кода в дискретные момен- ты времени. 27 Дельта-модуляция ( -модуляция) Об этой модуляции указывается при осуществлении дифференци- ального квантования. В каждый момент времени передается или отрица- тельный или положительный импульс, соответствующий тому или иному знаку приращения. Таким образом, при любом числе уровней квантование осуществляется лишь двух дискретных сигналов, которыми передается только знак приращения функции. Это достоинство дельта-модуляции. Ее недостаток заключается в накоплении ошибок с течением времени. Так, если на приеме вместо положительного импульса в данный момент принят отрицательный, то это сместит значение функции на два уровня вниз. В дальнейшем, несмотря на правильность последующий передачи, эта ошиб- ка будет существовать до тех пор, пока она не будет скомпенсирована ошибкой противоположного знака. Кроме того, ∆-модуляция несет в себе недостатки, связанные с квантованием по времени и по уровню, о чем говорилось выше. Многократные методы модуляции Сообщение может быть передано сложным сигналом, образованным несколькими поочередными модуляциями (рис. 10). Обычно такой сигнал является результатом двойной модуляции: первая модуляция – импульс- ная, в которой модулируется серия импульсов, или импульсная поднесу- щая, вторая – непрерывная, в которой модулируется несущая. При трой- ных модуляциях первая модуляция импульсная, вторая и третья непрерыв- ная. Иногда применяются двойная модуляция импульсной поднесущей: сначала осуществляется АИМ, которая затем преобразуется в ВИМ или ШИМ, а затем производиться непрерывная модуляция несущей. В итоге возникает: АИМ-ВИМ-АМ, АИМ-ШИМ-ЧМ и т. д. Промодулированная по амплитуде серия импульсов в свою очередь модулирует ВЧ-несущую. В результате возникает сигнал в виде радиоимпульсов. При модуляции ШИМ-АМ импульсы наполняются высокой часто- той, в результате чего возникает радиоимпульсы одинаковой амплитуды и частоты, но разной длительности. Если вторичная модуляция частотная, что амплитуда сигналов одинакова, но частоты заполнения разные. Так, при АИМ-ЧМ импульсу соответствует радиоимпульс частоты f, а импульсу с большей амплитудой соответствует радиоимпульс уже с большей частотой f. Импульс наименьшей амплитуды наполняется самой низкой частотой f. Интервалы времени между импульсами заполняются одной частотой, которая является немодулированной несущей. Двойная модуляция ШИМ-ЧМ отличается от ШИМ-АМ лишь тем, что интервалы между импульсами заполняется частотой несущей. 28 Рис. 10. Двукратные методы модуляции По указанному принципу может быть получен любой другой вариант двойных модуляций. Правило их построения очевидно: сначала сообщение модулирует импульсную поднесущую (серия видеоимпульсов), которая превращаясь в сигнал, в свою очередь модулируют ВЧ-несущую. Для осуществления тройной модуляции сообщение сначала модули- руется одним из видов импульсных модуляций. Далее полученный сигнал модулирует первую непрерывную поднесущую. Новый сигнал, в свою очередь, модулирует несущую. 2.5. Достоверность передачи информации Достоверностью называется степень соответствия принятой инфор- мации переданной информации. Оценкой достоверности служит вероятность правильного приема, равная отношению числа правильно принятых символов сообщения (зна- ков, цифр, элементов сообщения) к общему числу переданных символов при достаточно большом числе передаваемых сообщений. Обычно такое отношение определяется за некоторый промежуток времени. Иногда поль- зуются понятием потеря достоверности, которая оценивается частностью ошибок: общ ош ош n n h = (20) где n ош – число неправильно принятых символов сообщения; n общ – общее число переданных символов сообщения. Искажения возникают: 29 при преобразовании сообщения в сигнал; при передаче и приеме сигналов; при преобразовании сигнала в сообщение; из-за особенностей распространения сигнала по линии связи; из-за недостаточной помехозащищенности сигнала. Возникают искажения: линейные, нелинейные и случайные. Линейные искажения не сопровождаются появлением новых час- тотных составляющих в спектре сигнала. Разделяются на частотные (ам- плитудно-частотные) и фазовые. Частотные искажения вызываются неравномерным воспроизведе- нием амплитуд отдельных гармонических составляющих сигнала при его прохождении через электрическую цепь из-за наличия в цепях сосредото- ченных распределенных реактивностей, зависящих от частоты. Так элек- тромагнитная энергия высоких частот при распространении по линии свя- зи затухает больше, чем электромагнитная энергия НЧ. На рисунке показано воспроизведение импульса прямоугольной формы тремя гармониками (первой, третьей и пятой) и постоянной состав- ляющей: а) исходный импульс; б) импульс при амплитудных искажениях (уменьшается амплитуда и искажается форма). Рис. 11. частотные искажения сигнала Фазовые искажения вызываются неодинаковым относительным сдвигом во времени отдельных гармонических составляющих сигнала при его прохождении через электрическую цепь. Причина: электромагнитная энергия ВЧ распространяется по линии с большей скоростью, чем элек- тромагнитная энергия НЧ. Появляется сдвиг начала импульса и искажение его формы. Иногда появляется уменьшение длительности τ 1 ’ по отношению к τ 1 К линейным искажениям относятся и искажения из-за ограничения полосы пропускания. 30 |