Курс лекций по специальности 140306 Электроника и автоматика физических установок
 Скачать 2.3 Mb.
|
|
6.9. Лямда-дельта модуляция Лямда-дельта модуляция ( - -модуляция) осуществляется на основе - модуляции. Сначала непрерывная функция (t) квантуется по уровню и по времени (возможный результат такого квантования представлен на рисунке 6.9). U t λ’(t) 0 2 4 а б t 0 2 4 -1 Δt Рисунок 6.9 Временная диаграмма лямда-дельта модуляции Далее квантованная ступенчатая функция передаѐтся таким образом: значение функции '( ) t в первом интервале передаѐтся положительным импульсом с уровнем «1» в течение времени t (см. рисунок 6.9). Сообщение о том, что до точки «а» квантованная функция не изменяется, передаѐтся дополнительным импульсом с отрицательным уровнем «-1». Переход функции на уровень «3» (в точке «а») передаѐтся импульсом, амплитуда которого равна уровню «3». Таким образом, передача осуществляется только в моменты изменения состояния функции. Канал связи занят несколько больше, чем у -модуляции, но нет накопления ошибки. Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №6 «Импульсные методы модуляции» 72 6.10. Многократные методы модуляции Сообщение может быть передано сложным сигналом, образованным несколькими поочерѐдными модуляциями. Обычно такой сигнал является результатом двукратной модуляции [1, 2]: импульсной, в которой модулируется последовательность импульсов, или импульсная «поднесущая» (первый переносчик); непрерывной, в которой модулируется «несущая» (второй переносчик). При трѐхкратных модуляциях первая модуляция – импульсная, вторая и третья – непрерывные. Иногда применяют двойную модуляцию импульсной «поднесущей»: сначала осуществляют АИМ, которая затем преобразуется в ВИМ или ШИМ, а затем производят непрерывную модуляцию несущей. В результате возникает модуляция АИМ-ВИМ-АМ, АИМ-ШИМ-ЧМ (см. рисунок 6.10) и т.п. АИМ – ШИМ - ЧМ поднесущая подподнесущая несущая Рисунок 6.10 Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №6 «Импульсные методы модуляции» 73 6.11. Вопросы текущего контроля на лекциях по модулю «Модуляция сигналов» Вариант №1 1. Модуляция сигналов. Типы модуляции. 2. Непрерывная модуляция сигналов. Типы непрерывной модуляции. 3. Амплитудная модуляция, полоса и спектр частот при АМ, АМ с ОБП. 4. Демодуляция ЧМ сигналов 5. Частотная манипуляция. 6. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ), полоса и спектр частот ШИМ. 7. Сравнение методов модуляции (по помехоустойчивости, по полосе частот и по сложности реализации). Вариант №2 1. Модуляция сигналов. Виды модуляции. 2. Импульсная модуляция сигналов. Типы импульсной модуляции. 3. Частотная модуляция, полоса и спектр частот при ЧМ. 4. Демодуляция АМ. 5. Амплитудная манипуляция. 6. Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), полоса и спектр частот АИМ. 7. Сравнение методов модуляции (по помехоустойчивости, по полосе частот и по сложности реализации). Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №7 «Каналы связи» 74 ЛЕКЦИЯ 7. Каналы связи ПЛАН ЛЕКЦИИ 7.1. Введение 7.2. Частотное разделение каналов связи 7.3. Временное разделение каналов связи 7.4. Способы синхронизации и синфазирования при временном разделении каналов связи 7.5. Временно-кодовое разделение каналов связи 7.6. Фазовое разделение каналов связи 7.1. Введение Под каналом связи подразумевают совокупность технических и программных средств, предназначенных для передачи информации от одного источника сообщений. Разделение сигналов – это обеспечение независимой передачи и приема многих сигналов по одной линии связи или в одной полосе частот, при которой, сигналы сохраняют свои свойства и не искажают друг друга. Многоканальная телемеханическая система с одной линией связи представлена на рисунке 7.1. ИС 1 Пер. 1 И 1 ИС 2 Пер. 2 И 2 ИС n Пер. n И n ЛС И 1 Пр. 1 ПС 1 И 2 Пр. 2 ПС 2 И n Пр. n ПС n Помеха Рисунок 7.1 Общая схема многоканальной телемеханической системы с одной линией связи: ИС – источник сообщения; Пер – передатчик; Пр – приемник; ПС – приемник сообщения; ЛС – линия связи; И – классификатор (идентификатор). Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №7 «Каналы связи» 75 Используемые методы разделения каналов (РК) можно классифицировать на линейные и нелинейные (комбинационные). В большинстве случаев разделения каналов каждому источнику сообщения выделяется специальный сигнал, называемый канальным. Промодулированные сообщениями канальные сигналы объединяются, в результате чего образуется групповой сигнал. Если операция объединения линейна, то получившийся сигнал называют линейным групповым сигналом. Для унификации многоканальных систем связи за основной или стандартный канал принимают канал тональной частоты (канал ТЧ), обеспечивающий передачу сообщений с эффективно передаваемой полосой частот 300 ... 3400 Гц, соответствующей основному спектру телефонного сигнала. Многоканальные системы образуются путем объединения каналов ТЧ в группы, обычно кратные 12 каналам. 7.2. Частотное разделение каналов связи При частотном разделении передача информации от нескольких источников сообщений по одной линии связи осуществляется одновременно на различных частотных диапазонах [1, 2, 10]. Каждому каналу связи отводится определѐнный участок общей полосы частот в н ( ) f f , передаваемых по линии связи (см. рисунок 7.2). f f в f н Δf 1 Δf 2 Δf n Δf непр. Рисунок 7.2 Интервалы частот при частотном разделении кагалов связи Для первого канала связи выделяется полоса 1 f , для второго – 2 f и т.д. Соседние каналы связи разделяются между собой полосами непропускания Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №7 «Каналы связи» 76 непр f , ширина которых зависит от качества фильтров, применяемых для разделения каналов (см. рисунок 7.3). Δf непр. f А 3 кГц 6 кГц 9 кГц Рисунок 7.3 Амплитудно-частотная характеристика каналов связи Полоса частот определяется выражением: непр 1 ( ) n i i F f f (7.1) Пример структуры телемеханической системы с частотным разделением каналов связи представлен на рисунке 7.4. ИС 1 ИС 2 М 1 М 2 ЛС Помеха ДМ 1 ДМ 2 ПС 1 ПС 2 Рисунок 7.4 Структура телемеханической системы с частотным разделением каналов связи: М – модулятор; ДМ – демодулятор. Недостатки частотного разделения каналов связи: сложность фильтров, большие полосы непропускания, неэффективное использование частотного диапазона. Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №7 «Каналы связи» 77 7.3. Временное разделение каналов связи При временном разделении каналов сообщения дискретизируются и передаются только их мгновенные значения, один раз за период повторения (см. рисунок 7.5). Мгновенные значения каждого сообщения передаются короткими импульсами, поэтому по одной линии связи можно передавать последовательно во времени несколько сообщений. Для каждого канала связи выделяется определѐнный промежуток времени, являющийся частью периода повторения, в течение которого высылаются импульсы, модулированные информацией, передаваемой по данному каналу. Модуляция импульсов осуществляется по амплитуде, длительности или по фазе [1, 2, 10]. ЛС Помеха ИС 1 ИС 2 ПС 1 ПС 2 1 2 1 2 коммутаторы Рисунок 7.5 Телемеханическая система с временным разделением каналов связи Для схемы рисунок 7.5 коммутаторы должны работать синхронно и синфазно. Пример временной диаграммы сигналов сообщений при временном разделении каналов связи показан на рисунке 7.6. Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №7 «Каналы связи» 78 t t t t U 1 U 2 U 11 U 22 Рисунок 7.6 Временное разделение каналов связи: U 1 – напряжение на выходе первого канала; U 2 – напряжение на выходе второго канала; U 11 – импульсы синхронизации для первого канала; U 22 – импульсы синхронизации для второго канала. Введем следующие обозначения: ц T – время опроса всех каналов; ц f – частота опроса каналов; р – время работы одного канала (см. рисунок 7.7); з – защитный интервал. В результате чего получаем: ц к T N , (7.2) где N – число каналов, к р з 2 (7.3) Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №7 «Каналы связи» 79 t τ з τ U Рисунок 7.7 Защитные интервалы Коэффициент защиты для канала связи определяется по выражению: к з р 1,3 K (7.4) Достоинства временного разделения каналов связи: Использование цифрового сигнала при передаче сообщения. Возможность передачи избыточной информации для восстановления полученного сигнала. Высокая помехоустойчивость систем (отсутствуют переходные помехи нелинейного происхождения). Более простая реализация систем. Повышенная защищенность каналов от несанкционированного доступа. Недостатки временного разделения каналов связи: Линейные искажения, возникающие за счет ограниченности полосы частот и неидеальности амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик системы связи, нарушают импульсный характер сигналов. Взаимные помехи могут возникать за счет несовершенства синхронизации тактовых импульсов на передающей и приемной сторонах. Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №7 «Каналы связи» 80 7.4. Способы синхронизации и синфазирования при временном разделении каналов связи 1. Пошаговый. В этом способе генератор устанавливается на передающей стороне, а переключение производится на приѐмной стороне по импульсу с передатчика (см. рисунок 7.8). ИС 1 ИС 2 ПС 1 ПС 2 ИС 3 ГТИ ПС 3 Рисунок 7.8 Телемеханическая система с пошаговым способом синхронизации Достоинства: простая реализация. Недостатки: самая низкая помехоустойчивость. 2. Циклический (старт-стопный). В этом способе на обоих концах имеются свои генераторы, работающие в ждущем режиме. За цикл работы приходит только один запускающий импульс (см. рисунок 7.9). Достоинства: более высокая помехоустойчивость; имеет возможность коррекции ошибки. Недостатки: более сложная аппаратура; трудно обеспечить цикл. каналов длительное время. Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №7 «Каналы связи» 81 MUX MUX A 1 A 2 A 1 A 2 1 2 3 4 1 2 3 4 ст ст & & ГТИ ГТИ R S R S переполнение переполнение ЛС Рисунок 7.9 Телемеханическая система с циклическим способом синхронизации 3. Инерционный. В этом методе генераторы устанавливаются на обоих каналах линии связи синхронные, синфазные и стабильные (см. рисунок 7.10). MUX MUX A 1 A 2 A 1 A 2 1 2 3 4 1 2 3 4 ст ст ГТИ ГТИ ЛС SYNC Рисунок 7.10 Телемеханическая система с инерционным способом синхронизации Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №7 «Каналы связи» 82 Достоинства: повышенная помехоустойчивость. В рассмотренных трѐх способах нет избыточности в синхрокоде, следовательно – нет коррекции ошибок. 7.5. Временно-кодовое разделение каналов связи Каждому сообщению от канала приписывается избирательный признак, называемый адресом. Передатчик опрашивает источники с переменным циклом, при наличии сообщения у какого-либо источника, передаѐтся адрес этого источника в виде кода и сообщение также в виде кода. Высокая эффективность и помехоустойчивость каналов связи, за счѐт применения разностно-дискретной модуляции или -модуляции, корректирующих кодов, помехозащищѐнного кодирования, избыточности и т.д. Недостатки: большой объѐм лишней информации. Также различают следующие способы разделения каналов 1. Синхронная передача сигналов При синхронной передачи каждому каналу выделяется своѐ время. Имеется временной таймер. 2. Асинхронная передача сигналов При асинхронной передачи на текущей временной позиции может быть любой канал, который требуется. 3. Спорадическая (случайная) передача сигналов. Спорадическая – передача при накоплении нужного объѐма информации или в заранее заданные интервалы времени. Остальное время переносчик выключен. В этом случае нет возможности контролировать исправность системы. Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №7 «Каналы связи» 83 7.6. Фазовое разделение каналов связи При фазовом разделении на одной частоте передаѐтся несколько сигналов в виде радиоимпульсов с различными начальными фазами [2]. Для этого используется относительная или фазоразностная манипуляция. Таким образом, в одном частотном канале создаѐтся несколько каналов передачи двоичных сигналов. Рассмотрим двухкратную фазовую манипуляцию (ДФМ). φ 1 =0° > 1 Первый канал Второй канал φ 3 =90° > 1' φ 4 =270° > 0' φ 2 =180° > 0 φ 1 > 1 φ 3 > 1 φ 4 > 0 φ 2 > 0 А В С 0 0 Рисунок 7.11 Таблица 7.1 Канал/сообщение «1» «0» 1 канал 0 180 2 канал 90 270 ДФМ обеспечивает передачу двух каналов на одной частоте. В первом фазовом канале нуль (импульс отрицательной полярности) передаѐтся токами с фазой 180 , а единица (импульс положительной полярности) – токами с фазой 0 . Во втором фазовом канале используются токи с фазами 270 и 90 соответственно, т.е. сигналы второго канала сдвигаются по отношению к сигналам первого канала на 90 (см. рисунок 7.11 и таблицу 7.1). Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №8 «Линии связи» 84 ЛЕКЦИЯ 8. Линии связи ПЛАН ЛЕКЦИИ 8.1. Классификация линий связи 8.2. Проводные линии связи 8.3. Каналы связи по воздушным линиям электропередач высокого напряжения 8.4. Радиорелейные линии связи 8.1. Классификация линий связи I. По физической природе [1, 2]: 1. Механические. 2. Гидравлические (десятки метров, не больше). 3. Пневматические (max ñèãí 10 f Гц). 4. Акустические линии связи. частота сигнала в воздухе до 1 МГц; частота сигнала в воде до 10 МГц. 5. Электрические проводные [1, 2]: воздушные (до 200 кГц); кабельные на симметричном кабеле (до 1 МГц); коаксиальные кабели (до 15 МГц). 6. Беспроводные. Радиолинии [1, 2]: радиосвязь ДВ, СВ, КВ, УКВ (от 10 кГц до 1 ГГц); радиорелейные линии (от УКВ и выше от 30 МГц до 3 ГГц) в пределах прямой видимости; космические (до 15 ГГц). 7. Оптические линии связи [1, 2]: с открытым каналом (например, лазер) до 14 3 10 Гц. Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №8 «Линии связи» 85 с закрытым каналом до 14 8 10 Гц. Недостатки воздушных линий связи – подверженность внешним помехам, малая надежность, большая утечка при ухудшении атмосферных условий (гроза, дождь, гололед), большие затраты материалов при сооружении и необходимость постоянного профилактического обслуживания. Древнейшими линиями связи являются акустические и оптические. В наше время наибольшее распространение получили электрические линии связи. Проводные линии связи допускают передачу энергии при частоте токов до нескольких МГц и позволяют производить по ним передачу телевизионных программ на большие расстояния. По первым трансатлантическим подводным кабелям, проложенным в 1856 г., организовывали лишь телеграфную связь, и только через 100 лет, в 1956 г., была сооружена подводная коаксиальная магистраль между Европой и Америкой для многоканальной телефонной связи. В качестве проводных линий связи используются в основном телефонные линии и телевизионные кабели. Наиболее развитой является телефонная проводная связь. Но ей присущи серьезные недостатки: подверженность помехам, затухание сигналов при передаче их на значительные расстояния и низкая пропускная способность. Оптическое волокно считается самой совершенной средой для передачи больших потоков информации на большие расстояния. Оптоволоконные линии отличают от традиционных проводных линий: очень высокая скорость передачи информации (на расстояние более 100 км без ретрансляторов); защищенность передаваемой информации от несанкционированного доступа; высокая устойчивость к электромагнитным помехам; стойкость к агрессивным средам; Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №8 «Линии связи» 86 возможность передавать по одному волокну одновременно до 10 миллионов телефонных разговоров и одного миллиона видеосигналов; гибкость волокон; малые размеры и масса; искро-, взрыво- и пожаробезопасность; простота монтажа и укладки; низкая себестоимость; высокая долговечность оптических волокон – до 25 лет. В настоящее время обмен информацией между континентами осуществляется главным образом через подводные оптоволоконные кабели, а не через спутниковую связь. При этом главной движущей силой развития подводных оптоволоконных линий связи является Интернет. II. По назначению [1, 2]: 1. Телефонные линии связи; 2. Телеграфные; 3. Фототелеграфные; 4. Телевизионные. Факсимильная (или фототелеграфная) связь – это электрический способ передачи графической информации – неподвижного изображения текста или таблиц, чертежей, схем, графиков, фотографий и т.п. Осуществляется при помощи факсимильных аппаратов: телефаксов и каналов электросвязи (главным образом телефонных). III. По характеру эксплуатации [1, 2]: 1. Выделенные (постоянно подключѐнные); 2. Коммутируемые (непостоянно подключѐнные). |