Курс лекций по специальности 140306 Электроника и автоматика физических установок

• Название: Курс лекций по специальности 140306 Электроника и автоматика физических установок
• Дата: 24.05.2023
• Размер: 2.3 Mb.
• Имя файла: Lekcii_TK_TU.pdf
• Тип: Курс лекций; #1155929
• страница: 11 из 12

11.5.
Помехоустойчивость передачи сигналов
Помехоустойчивость – это способность сигнала противостоять действию помех (т.е. сохранять содержащуюся в нѐм информацию, несмотря на действие помех).
Потенциальная помехоустойчивость метода связи – предельно допустимая помехоустойчивость, которая может быть обеспечена идеальным приѐмником.
Реальная помехоустойчивость – это помехоустойчивость метода передачи с использованием неоптимального приѐмника.
Трансформация телемеханического сообщения – это необнаруженное изменение телемеханического сообщения, возникающее под действием помех и приводящее к приѐму ложного сигнала.
11.5.1.
Помехоустойчивость дискретных сигналов
Элементарный дискретный сигнал содержит один бит информации «1» или «0». Помехоустойчивость такого сигнала характеризуется вероятностью правильного приѐма сигнала при заданном уровне помех.
Обозначим
(1 0)
p

– вероятность ложного приѐма «0» вместо
«единицы», (0 1)
p

– вероятность ложного приѐма «1» вместо «0».
Для симметричного двоичного канала без памяти эти вероятности одинаковы и характеризуются вероятностью приѐма ложного сигнала
(1 0)
(0 1)
p
p
p

 

Соответственно помехоустойчивость сигнала характеризуется вероятностью правильного приѐма
1
q
p
 
при заданном уровне помех.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №11 «Помехи в каналах связи
143
11.6.
Помехоустойчивость порогового приѐмника
Пороговый приѐмник реагирует на мгновенное значение уровня принимаемого сигнала.
Пусть передаѐтся амплитудно-модулированный прямоугольный сигнал с амплитудой
m
U
. Тогда, логическая «1» соответственно верхнему уровню, а
«0» – отсутствию сигнала (см. рисунок 11.5а).
Пороговый приѐмник имеет порог
0
U
. Если приходящий сигнал превосходит порог, то приѐмник фиксирует «1», если нет, то «0» (см. рисунок 11.5б).
U
t
0
―1‖
―0‖
U
0
U
m
τ
τ
U
t
0
U
0
U
m
τ
τ
U
п
(t)
а) б)
Рисунок 11.5 Временная диаграмма сигнал/помеха: а – амплитудно-модулированный прямоугольный сигнал; б – прохождение сигнала через пороговый приемник.
Вероятность того, что помеха достигнет порогового уровня, при котором приѐмник воспримет помеху как сигнал, определяется следующим образом [1]:
0 2
п пск
0
п
0
п п
1 2
пск
(
)
(0 1)
(
)
1 2
U
U
U
n
U
p U
U
p
U dU
e
dU
U




 





  






(11.7)
Это выражение соответствует заштрихованной области на графике распределения плотности вероятности помехи (см. рисунок 11.6).

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №11 «Помехи в каналах связи
144
U
п
U
0
U
п

(U
п
)
а)
U
п
U
0
U
п

(U
п
)
U
m б)
Рисунок 11.6 Распределение плотности вероятности помехи: а – полезный сигнал отсутствует; б – подавление сигнала помехой.
Если обозначить
0
пск
U
U
 
и пск
n
U
z
U

,
0
п пск пск
;
U
U
z
U
U
 

,
(11.8) получим

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №11 «Помехи в каналах связи
145 2
1 2
ï
0 1
(
)
( )
2
z
p U
U
e
dz
v





 


,
(11.9) где ( )
v

– интеграл вероятности.
Таким образом, вероятность превышения помехой порогового уровня
0
U
, т.е.
(0 1)
p

, выражается интегралом ( )
v

и является однозначной функцией порогового уровня
0
U при заданном уровне помех пск
U
Аналогичным образом определяется вероятность подавления сигнала помехой, т.е. вероятность того, что помеха окажется по абсолютной величине достаточной, чтобы «подавить» сигнал амплитуды
m
U
до уровня, меньшего
0
U
, т.е. п
п
0
U
U
U


[1]:
0
пск
2 1
2 1
(1 0)
2
m
U
U
U
z
p
e
dz







(11.10)
Выразив верхний предел через отношение сигнал/помеха пск
2
m
U
U
 

(11.11) и

, получим


2 2
1 2
1
(1 0)
2 2
z
p
e
dz
v






 



(11.12)
Для симметричного канала
(1 0)
(0 1)
p
p
 


2
  

, т.е.
2

 
(11.13)
Если подставим

и

, то получим условие симметричного канала для простейшего порогового приѐмника [1]:
0 2
m
U
U

(11.14)
Таким образом, для симметричного двоичного канала вероятность ложного приѐма бита выражается интегралом вероятности [1]:
( )
2
P
v
v



   



(11.15)

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №11 «Помехи в каналах связи
146
11.7.
Помехоустойчивость идеального приѐмника Котельникова
(потенциальная помехоустойчивость)
В теории доказывается, что наилучшей помехоустойчивостью в условиях флуктуационных помех обладает приѐмник, в котором производится сравнение получаемых сигналов с их образцами (эталонами) и вычисляется энергия разности принятого сигнала [1]:
2 2
1 1
2 2
0 0
[ ( )
( )]
;
[ ( )
( )]
I
x t
A t
dt I
x t
A t
dt








;
(11.16) где
1
( )
A t
– эталон первого сигнала.
Если
1 2
0
I
I
 

принят
1
( )
A t . Если
1 2
0
I
I
 

принят
2
( )
A t .
В общем случае разность сравнивается с некоторым пороговым значением

, т.е. если
1 2
I
I
  
, то ( )
x t относят к
1
( )
A t
, если
1 2
I
I
  
, то
( )
x t относят к
2
( )
A t
Помехоустойчивость идеального приѐмника при приѐме дискретных сигналов («1» и «0») в общем случае определяется соотношениями [1]:
(0 1)
( );
p
v
  
0
(1 0)
(
2
)
p
v
  

;
(11.17)
2 0
1 2
0 0
1
[
( )
( )]
A t
A t
dt

 




(11.18)
Рассмотрим помехоустойчивость идеального приѐмника для двух дискретных сигналов при различных импульсных признаках, полагая, что канал связи симметричный, т.е.:
0
(1 0)
(0 1)
2
p
p
 
   
(11.19)
11.7.1.
Амплитудный признак
Для видеосигнала:
1
( )
m
A t
U

, длительностью

,
2
( )
0
A t

, получаем:
0 0
m
U

 

(11.20)
Для радиосигнала:
1
( )
sin(
)
m
A t
U
t



, длительностью

,
2
( )
0
A t

, получаем [1]:

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №11 «Помехи в каналах связи
147 0
0 2
m
U

 

(11.21)
Если растет
0

, следовательно, растет помехоустойчивость, и следовательно помехоустойчивость видеоимпульса выше, чем радиоимпульса.
11.7.2.
Частотный признак
Пусть
1 1
( )
sin(
)
m
A t
U
t



,
2 2
( )
sin(
)
m
A t
U
t



, сигнал длительностью

Подставим эти выражения в
0

, получим [1]:
0 0
m
U

 

(11.22)
Следовательно, при использовании частотного признака (частотной манипуляции) помехоустойчивость по сравнению с амплитудным признаком и использованием радиосигналов (амплитудная модуляция) повышается, достигая помехоустойчивости сигналов постоянного тока (видеоимпульсов).
11.7.3.
Полярный признак
Пусть
1
( )
m
A t
U

,
2
( )
m
A t
U
 
, сигнал длительностью

. В результате чего величина помехоустойчивости определяется выражением [1]:
0 0
2
m
U


 

(11.23)
Следовательно, полярный импульсный признак наиболее помехоустойчивый из всех рассмотренных выше.
11.7.4.
Широтно-импульсный признак
Пусть
1
( )
m
A t
U

,
2
( )
m
A t
U

, длительностью
2

Величина помехоустойчивости в этом случае:
2 1
0 0
m
U
  
 

(11.24)

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №11 «Помехи в каналах связи
148
Следовательно, помехоустойчивость широтно-импульсного признака зависит от разности длительностей импульсов «1» и «0» и может быть получена сколь угодно высокой при увеличении этой разности.
11.8.
Методы
повышения
помехоустойчивости
дискретных
сигналов
Существуют следующие методы [1]:
I.
Параметрические методы.
Основаны на выборе наиболее выгодного вида модуляции и использование коррекции формы и длительности импульсов (подбор метода передачи).
II.
Применение избыточных корректирующих кодов.
III.
Избыточность передаваемых сообщений.
IV.
Использование обратного канала.
Методы борьбы с помехами
1. Уменьшение энергии помех.
1) Удаление источника помех от канала связи.
2) Экранирование источника помех.
3) Правильное выполнение заземлений (см. рисунок 11.7). а) б)
Рисунок 11.7 Пример реализации заземлений: а – неправильное выполнение заземлений; б – правильное выполнение заземлений.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №11 «Помехи в каналах связи
149 2. Использование схем подавления помех.
3. Уменьшение паразитных связей между каналом связи и источником помех (разносят силовые и сигнальные кабели, экранирование, использование гальванической развязки).
4. Увеличение помехоустойчивости сигнала (увеличение энергии сигнала, использование помехоустойчивого кодирования, передача с повтором, использование помехоустойчивой модуляции).
5. Использование различий между сигналом и помехой.
1) Использование ограничений сигнала.
2) Фильтрация.
6. Комбинированные методы.
1) Дифференциальные линии связи.
2) Приѐм с предсказанием.
3) Интегрирование с выбранным интервалом.
4) Стробирование приѐмника и передатчика.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №11 «Помехи в каналах связи
150
11.9.
Вопросы текущего контроля на лекциях по модулю «Помехи
в каналах связи»
Вариант №1 1. Классификация помех.
2. Что такое аддитивная помеха? Приведите пример такой помехи.
3. Помехоустойчивость порогового приемника.
4. Методы борьбы с помехами.
Вариант №2 1. Классификация помех.
2. Что такое мультипликативная помеха? Приведите пример такой помехи.
3. Помехоустойчивость идеального приемника Котельникова.
4. Методы борьбы с помехами.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №12
«Микропроцессорные телесистемы»
151
ЛЕКЦИЯ 12.
Микропроцессорные телемеханические системы
ПЛАН ЛЕКЦИИ
12.1. Общие сведения о микропроцессорных телемеханических системах
12.2. Информационно-вычислительные сети в телемеханике
12.3. Стандартные кодовые форматы передачи данных в телемеханических системах
12.4. Микропроцессорная телемеханическая система на примере комплекса «Гранит»
12.1.
Общие сведения о микропроцессорных телемеханических
системах
Принципиальное отличие микропроцессорных систем от традиционных систем телемеханики предыдущего поколения
(на интегральных микросхемах низкого и среднего уровня интеграции) состоит в том, что функции и параметры микропроцессорных систем задаются программными средствами при неизменной электрической схеме и конструкции устройств.
МП ТМС обладают рядом дополнительных функций (основные преимущества) [1]:
1. Телеобработка данных.
2. Управление общими или индивидуальными средствами отображения информации.
3. Контроль за соблюдением регламента.
4. Слежение за пределами изменения параметров.
5. Контроль достоверности передаваемой (получаемой) информации и контроль исправности датчиков.
6. Регистрация, хранение и отображение информации.
7. Программная реализация адаптивных алгоритмов передачи информации.
8. Реализация самотестирования и резервирования.
9. Программная совместимость различных устройств.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №12
«Микропроцессорные телесистемы»
152
Среди микропроцессорных телемеханических систем в литературе [1] выделяют телемеханические системы с единой системной магистралью и телемеханические системы с вторичными магистралями.
На рисунке 12.1 показан пример структуры телемеханического комплекса с единой системной магистралью, а на рисунке 12.2 – структура телемеханической системы с вторичными магистралями [1].
МКП;
ОЗУ, ППЗУ,
Таймер, контроллер прерываний
ЦБУ
Внешняя память
Контроллер расширения
Системная магистраль
Интерфейс
(параллельный,
последовательный)
Модули функциональные ввода-вывода
В
не ш
ня я
Э
В
М
М
од ем ы
к ан ал ов
Д
ис пл еи
Дискретные сигналы,
датчики
Аналоговые сигналы,
датчики
Рисунок 12.1 Структурная схема телемеханического комплекса с единой системной магистралью:
МКП – модуль микропроцессора; ЦБУ – центральный блок управления;
ППЗУ – модули перепрогр. постоянной памяти.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №12
«Микропроцессорные телесистемы»
153
Блочные магистрали
Ввод-вывод
Ввод-вывод
Ввод-вывод
Модули функциональные
Контроллер ввода-вывода
Системная магистраль
М
аг ис тр ал ь вв од а- вы во да
Рисунок 12.2 Структурная схема телемеханической системы с вторичными магистралями
Как правило, телемеханические системы с единой системной магистралью являются малоканальными, а с вторичными магистралями – многоканальными.
12.2.
Информационно-вычислительные сети в телемеханике
Телемеханическая сеть – это совокупность устройств телемеханики, линии связи, систем связи, функционирующие в реальном времени в целях управления [1].
Структура телемеханической сети – это совокупность пунктов управления (ПУ), терминалов и другие дополнительные пульты, и схемы, соединяющие их каналы связи [1].
Сети бывают [1]:
1. Централизованные (ПУ-1);
2. Децентрализованные (много равноправных ПУ с точки зрения сети).
Простые сети классифицируются как представлено на рисунке 12.3.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №12
«Микропроцессорные телесистемы»
154
ПУ
ПУ
ЦПУ
ЦПУ
ЦПУ
ЦПУ
ПУ
Простые сети последовательные параллельные радиальные менее надѐжные
(в сл. разрыва)
резервирование
(более надѐжные)
Рисунок 12.3 Классификация простых сетей
Структуры телемеханических сетей представлены на рисунке 12.4 [1]. а) б) в) г)
Рисунок 12.4 Структуры телемеханических сетей: а – централизованная телемеханическая сеть с одним ПУ; б – древовидная структура; в – кустовая структура; г – иерархическая структура; ЦПУ – центральный пункт управления.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №12
«Микропроцессорные телесистемы»
155
Коэффициент иерархии – это количество контролируемых пунктов, одновременно подчиняющихся одному пункту управления (бывает 20-30 и до 20000).
Топология телемеханических сетей представлена на рисунке 12.5 [1]. а) б) в) г) д) е) ж)
Рисунок 12.5 Топология телемеханических сетей: а – точка-точка; б – многоточечная (множественная радиальная с одновременным обменом); в – многоточечная (множественная радиальная с последовательным обменом); г – многоточечная радиальная с одной линией связи; д – многоточечная кольцевая; е – звездообразная; ж – мост и шлюз.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №12
«Микропроцессорные телесистемы»
156
Мост соединяет однородные цепи, трафик не меняет. Шлюз отделяет цепи не только логически, но и информационно (см. рисунок 12.5ж).
12.3.
Стандартные кодовые форматы передачи данных в
телемеханических системах
Стандарты МЭК по системам телемеханики предусматривает определѐнные кодовые форматы для обеспечения помехозащищѐнной передачи данных на большие расстояния. К таким форматам (протоколам) относятся [1]: FT1.1; FT1.2; FT2; FT3.
Содержание и функциональное назначение сигналов, которыми обмениваются передающая и принимающая станции в телемеханических системах, в процессе реализации того или иного класса диалоговых процедур задаются специальными служебными байтами, которые наряду с информационными байтами входят в кодовую конструкцию [1], образующую кадры сообщений (см. рисунок 12.6).
Старт (флаг)
Длина
Управление
Адрес
Данные
Контроль
Данные
Контроль
Данные
Контроль
Конец
L
C
A
D
CS
D
CS
D
CS
За га ол ов ок
Т
ел о
Бл ок
0
Бл ок
1
Бл ок
N
Рисунок 12.6 Структура кадра сообщений
Таким образом, общую структурную схему современной микропроцессорной телемеханической системы можно представить в виде рисунка 12.7.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №12
«Микропроцессорные телесистемы»
157
Источник сообщения
Кодирование
Модуляция
ЛС
Демодуляция
Декодирование
Приѐмник сообщения
Рисунок 12.7 Структурная схема современной телемеханической системы