Телеуправление и телеизмерение в технических системах: Методические указания к курсовому проекту

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Московский государственный институт электроники и математики (Технический университет)

Кафедра управления и информатики в технических системах

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА по дисциплине “Телеуправление и телеизмерение в технических системах”

Москва 2003

Составитель проф. И.Н. Казанский УДК 621.398 (075.8) Методические указания к курсовому проекту по дисциплине “Телеуправление и телеизмерение в технических системах” предназначены для студентов пятого курса дневного отделения. Составлены в соответствии с программой и планом для специальности 2101 и позволяют при выполнении проекта приобрести практические навыки расчета, анализа и синтеза современных систем передачи информации.

Телеуправление и телеизмерение в технических системах: Метод. указания к курсовому проекту /Моск. гос. ин-т электроники и математики; Сост. И.Н. Казанский. М., 2003 г.

Табл. 4. Ил. 10. Библиогр.: 8 назв. Рецензент проф. В.Р. Матвеевский

ISBN 5-230-16355-0

3 ЦЕЛЬ ПРОЕКТА Курсовое проектирование по дисциплине “Телеуправление и телеизмерение в технических системах” заключается в углублении и обобщении знаний, получаемых студентами в результате изучения данной дисциплины, приобретении практических навыков проектирования современных систем передачи данных, а также развитии умения пользоваться научно-технической, теоретической, справочной и патентной литературой. 1. ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ Разработать кодоимпульсную многоканальную телеизмерительную систему с углубленной проработкой кодирующего и декодирующего устройств и выбором типа линии связи. Общие исходные данные к проекту 1. Максимальная приведенная погрешность квантования по уровню —……………………………………………………δк макс% 2. Максимальное отношение дисперсии измеряемого параметра к ⎛σ 2 ⎞ квадрату измеряемого диапазона —………………………. ⎜⎜ 2 ⎟⎟ ⎝ L ⎠ макс 3. Минимальная постоянная времени корреляции измеряемого процесса —…………………………………..…………….……..τк (с) 4. Метод преобразования аналог-код: ПУ — поразрядное уравновешивание; СИ — счетно-импульсный. 5. Метод кодирования: Х — код Хемминга с обнаружением двукратных и исправлением однократных ошибок, Ц — циклический код с обнаружением двукратных ошибок, ПИ — код с повторением и инверсией. 6. Вид модуляции сигналов в канале связи: 1) АМ — амплитудная модуляция; 2) ЧМ — частотная модуляция; 3) ЧМ (ОБП) — частотная модуляция (одна боковая полоса). 7. Несущая частота в канале связи…………………………….……Fнес 8. Полоса пропускания фильтров..…………………………………..ΔF 9. Амплитуда сигнала на входе приемного устройства……Uc = 1,2 В 10. Эффективное напряжение помехи в полосе входного фильтра…………………………………………………..Uп скв = 0,2 В 11. Среднеквадратическая инструментальная погрешность первичных преобразователей.………………………………………………..0,5% 12.Число каналов:……………………………………………………….К Примечание: Индивидуальные данные к проекту даны в таблице “Варианты заданий”.

4 При выполнении проекта студент обязан: 1. Используя рекомендуемую литературу, лекции и настоящие методические указания проработать следующие разделы курса: а) Методы дискретизации непрерывных сигналов; б) Основы теории помехоустойчивого кодирования; в) Расчет потенциальной помехоустойчивости элементарных и кодированных сигналов; г) Определение вероятности необнаруживаемых ошибок в заданных кодированных сигналах в условиях симметричного канала без памяти; д) Определение погрешностей телеизмерения в кодоимпульсных системах; е) Передача сигналов по каналам связи; ж) Виды модуляции и частотные спектры при различных видах модуляции; з) Каналы связи и линии связи. 2. Дать краткий обзор и провести краткий сравнительный анализ различных принципов построения заданных устройств. 3. Разработать структурную схему аналого-цифрового преобразователя (АЦП), описать его работу и основные этапы преобразования непрерывного сигнала в цифровой код. 4. Разработать структурную схему кодоимпульсной многоканальной телеизмерительной системы (рис.1). 5. Разработать функциональные схемы кодирующего и декодирующего устройств. 6. Составить описание работы функциональных схем, построить временные диаграммы их работы или таблицы состояния по тактам. 7. Выполнить расчетную часть проекта. Для чего: а) Определить максимальную скорость передачи, длительность цикла передачи телеизмерений (ТИ); б) Рассчитать среднеквадратичную ошибку передачи ТИ и соотношение статической и динамической составляющих ошибок; в) Определить условия возможности передачи телеизмерений при заданных условиях, для чего определить объем кодированного сигнала и объем канала связи; г) Рассчитать потенциальную помехоустойчивость элементарного сигнала и вероятность получения ложных сообщений. 8. Выбрать тип линии связи. 9. Оформить пояснительную записку и графическую часть проекта.

5 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МНОГОКАНАЛЬНОЙ КОДОИМПУЛЬСНОЙ СИСТЕМЫ ТИ

Рис.1

Д – датчик аналоговых сигналов; РК — коммутатор каналов; АЦП — аналогово-цифровой преобразователь; Кодер — преобразователь двоичного безизбыточного кода в код избыточный; Декодер — устройство коррекции ошибок и выделения информационных символов; ФП, РП — формирователь и различитель импульсного признака; АС ПРД, АС ПРМ — аппаратура связи приемника и передатчика; ЦИ — цифровая индикация; П/П — преобразователь последовательного кода в параллельный; ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь. КП — контролируемый пункт; ПУ — пункт управления.

6 2. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ НЕПРЕРЫВНОГО СИГНАЛА В ЦИФРОВУЮ ФОРМУ Как правило, передача информации в системах телеизмерения связана с преобразованием сигналов. В некоторых случаях сигналы многократно преобразуются из одной формы в другую, причем большая часть промежуточных форм необходима для облегчения и улучшения качества передачи информации, а окончательные формы должны обеспечить восприятие этой информации машиной или человеком. Информация может быть представлена в виде непрерывных или дискретных сигналов. В непрерывных сигналах постоянно, т.е. для любого момента времени заложены сообщения; такой сигнал непрерывен во времени, по уровню. У дискретного сигнала амплитуда может принимать конечное число значений. Поэтому переход от непрерывного сигнала к дискретному приводит к округлению, или, короче говоря, состоит в преобразовании некоторой величины с непрерывной шкалой значений в величину, имеющую дискретную шкалу. Процесс замены непрерывного сигнала его отдельными значениями, отстающими друг от друга на конечный интервал (уровень) называется квантованием по уровню. При квантовании по уровню значение непрерывного сигнала в произвольный момент времени заменяется своим ближайшим значением, называемым уровнем квантования – bi. Интервал между двумя дискретными значениями называется шагом квантования — h. На рис.2, а иллюстрируется процесс квантования. По оси ординат откладывается величина заранее выбранного шага квантования h и проводятся линии, параллельные оси времени, обозначающие уровни квантования. Переход с одного уровня на другой происходит, когда значение функции находится в середине интервала квантования, так как в этот момент абсолютная погрешность квантования оказывается наибольшей ε ymax = h/2. Процесс квантования осуществляется следующим

а)

Рис.2

б)

7

а)

б) Рис.3

образом: интервалы квантования делятся пополам, и проводятся пунктирные горизонтальные линии до их пересечения с квантуемым непрерывным сигналом (функцией y(t)). В точках пересечения значение функции y(t) передается наименее точно и ошибка квантования ε y достигает максимального значения h/2. В этих точках происходит переход дискретной функции y′(t) с одного уровня квантования на другой. В других точках квантования возникает ошибка квантования ε y, равная разности между значениями функций y(t) и y′(t). Абсолютные значения этой ошибки иллюстрируются на рис.2, б, где по оси ординат откладываются ошибки квантования по уровню ε y, а по оси абсцисс время t. Аналогично квантованию по уровню происходит квантование по времени, под которым понимается дискретизация по времени, т.е. замена непрерывного во времени сигнала дискретным. Процесс квантования показан на рис.3, а. Он заключается в следующем: горизонтальная ось времени делится на интервалы, отстоящие друг от друга на один и тот же интервал квантования Т0. Далее проводятся вертикальные линии до пересечения с квантуемым непрерывным сигналом (функцией у(t)). В точках пересечения определяются значения функции y(ti), которые сохраняются в течение интервала квантования Т0 (до ближайшего пересечения функции y(t) с вертикальной линией). Таким образом, получается дискретная по времени функция y′(t). Разность между значениями функций y(t) и y′(t) дает значения погрешности квантования по времени ε t (рис.3, б). В реальных системах при преобразовании аналогового сигнала в цифровой происходит одновременно квантование, как по уровню, так и по времени. На рис.4 представлен процесс квантования непрерывного сигнала y(t) с шагом квантования по уровню h и с шагом дискретизации по времени

8

Рис.4

Т0. В результате этого непрерывный сигнал заменяется (аппроксимируется) дискретным сигналом. Таким образом, процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой состоит из трех этапов: 1. квантование по уровню, 2. квантование по времени, 3. кодирование уровня. Квантование по уровню и по времени рассмотрено выше и необходимо для аппроксимации непрерывного сигнала дискретным сигналом. ti–1, ti ,…— моменты дискретизации, bi–2, bi–1, bi, bi+1,…— уровни квантования. Кодирование уровня заключается в оценке каждого уровня квантования эквивалентным числом. При аппроксимации возникает ошибка (погрешность), которая может быть представлена двумя составляющими:

Рис.5

а) погрешность квантования по уровню — статическая ошибка; б) погрешность дискретизации по времени — динамическая ошибка. Погрешность квантования по уровню Эта погрешность является случайной величиной εy, равной разности между фактическим значением величины y(ti) и ближайшим уровнем квантования (рис.4 и рис.2, б). Как было указано выше, случайная величина может характеризоваться своим максимальным значением:

9

εy макс = h/2

(1)

либо среднеквадратичным значением [εy]скв. Квадрат среднеквадратического значения равен математическому ожиданию квадрата случайных разностей: 2 [ε y ]скв = М [ε 2y ],

где

М [ε 2y ]

+∞

= ∫ ϖ (ε y ) ⋅ ε 2y d (ε y )

(2)

−∞

и ϖ (ε y ) — плотность вероятности случайной величины. Принимая распределение случайной величины εy в пределах любого кванта равномерным (рис.5) получим:

[ε ]

2 y скв

εy =

∫

=

h 3 2 εy

h 2

ε y =−

1 1 ⋅ (ε y ) 2 dε y = ⋅ h 3 h h 2

−

= h 2

h2 12

(3)

Следовательно, величина среднеквадратичной ошибки квантования с учетом (3) и (1) составит: [ε y ]скв = [ε y ]скв =

h

, 2 3 [ε y ]макс 3

(4) .

Погрешность дискретизации по времени

Этап погрешности определяется интегральной мерой близости случайных функций у(t) и у′(t) на участке дискретизации Т0 (рис. 3, б): T 1 0 2 εt = М [ у (t ) − y ′(t )] dt . (5) ∫ T0 0 Полагая случайный процесс у(t) стационарным коррелированным случайным процессом, из (5) получим величину погрешности дискретизации по времени на любом участке дискретизации Т0: T T 1 0 1 0 2 2 εt = М [ у (t ) − y ′(t )] dt = M y 2 (t ) − 2 M [ y (t ) y ′(t )] + ∫ ∫ T0 0 T0 0 (6)

{ [

[

]

2σ 2 + M ( y ′) (t ) dt = T0 2

T0

∫ [1 − R( τ )]dt, 0

]

10 где: σ 2 = M [ y 2 (t )] = M [( y ′) 2 (t )] — дисперсия процесса у(t), 1 R( τ ) = 2 M [ y (t ) ⋅ y (t − τ )] , — значение приведённой корреляционной σ функции процесса у(t) при условиях изменения τ от 0 до Т. Полагая приведённую корреляционную функцию экспоненциальной R(τ ) = e −t τ k где: τk — постоянная времени корреляции измеряемого процесса и принимая, что e −t τ k = 1 − t τ k , что справедливо при t<< τк из (6) получим: T T 2σ 2 0 t 2 εt = ⋅ ∫ dt = σ 2 ⋅ 0 , T0 0 τ k τk T при 0 << 1 .

τk

Таким образом, при принятых допущениях дискретизации по времени определяется выражением:

σt =σ ⋅

T0

τk

.

погрешность (7)

Среднеквадратическая ошибка передачи ТИ

Полагая, что составляющие ошибок квантования по уровню и по времени независимы, получаем значение ошибки аналого-цифровой аппроксимации в следующем виде: ε а2 = ε у2 + ε t2 . Соответствующие значения погрешностей δ% приводим к диапазону измерения параметров L = h·Nk, (где Nk — число уровней квантования):

δ% =

ε

⋅ 100% . L Следовательно, максимально приведенная погрешность квантования по уровню: (ε у ) макс 1 100% ⋅ 100% = ⋅ δ k макс % = (8) h ⋅ Nk 2 Nk Среднеквадратичная приведенная погрешность по уровню: (ε у )скв 1 100% (δ y )скв % = = ⋅ . h ⋅ Nk 2 3 ⋅ Nk Среднеквадратическая приведенная динамическая погрешность:

11

δt % =

ε t ⋅ 100%

L Суммарная преобразования:

σ 2 ⋅ T0 = ⋅ 100% . L2 ⋅ τ k

приведенная

среднеквадратическая

погрешность

σ 2 ⋅ T0 100% 1 δп% = + 12 2 . (9) L ⋅τ k 2 3 N k2 В многоканальных телеизмерительных устройствах погрешность преобразования определяется по максимальной погрешности среди всех телеизмерительных параметров. Поэтому определение δп% устройства ТИ следует производить по параметру ТИ, имеющему максимальное значение выражения. Кроме погрешностей аналого-цифровой аппроксимации, при передаче ТИ должны учитываться инструментальные погрешности первичных преобразователей, обусловленные как принципом преобразования, так и нестабильностью элементов схемы. Обозначая значение приведенной инструментальной среднеквадратичной погрешности δи%, получим величину погрешности передачи ТИ из выражения 2 δ ТИ = δ п2 + δ и2 (10) Определение числа уровней квантования и шага дискретизации

Рис.6

Число уровней квантования Nk определяется разрядностью кодированных сигналов, а именно — числом информационных разрядов кодового слова m:

N k = 2m .

(11) Величина m находится из выражения (11) по заданной величине приведенной погрешности квантования по уровню (8). Длительность между отсчетами каждого параметра ТИ, равна шагу дискретизации Т0, определяется длительностью цикла передачи многоканальной системы ТИ (рис.6). Цикл передачи состоит из маркерного, синхронизирующего слова — М и К кодовых слов, где К — число каналов, обычно равное числу подлежащих передаче параметров ТИ. Полагаем, что по

12 длительности маркерный импульс равен времени передачи ТИ по одному каналу. Таким образом, длительность цикла: Т0 = (k + 1)·t0, где t0 — длительность передачи кодового слова, соответствующего одному телеизмерению. T0 = (m + k) τ0, где m и k — число информационных и контрольных разрядов в кодовом слове, τ0 — длительность передачи одного разряда (бита) кодового слова. Продолжительность элементарного сигнала (бита) — τ0 –определяется шириной частотного спектра в канале связи, видом и способом модуляции. В простейшем случае приближенную величину можно определить по формуле: K τ0 = для АМ ΔF

τ0 =

2K ΔF

для ЧМ.

где ΔF — полоса пропускания Фильтров в Гц, K — коэффициент, зависящий от допустимой величины искажения формы передаваемых импульсов (K ≈ 3÷5). Затем величину τ0 необходимо округлить до величины, обеспечивающей стандартную скорость передачи информации f0 = 50; 100; 600; 1200; 2400; 4800; 9600 бод [бит/с], где 1 f0 =

τ0

Методы аналого-цифрового преобразования

Общепринятая классификация методов аналого-цифрового преобразования АЦП выделяет компенсационные методы и методы непосредственного считывания. Компенсационные методы характеризуются тем, что образование цифрового эквивалента аналоговой величины производиться в результате сравнения аналоговых величин — исходной и набираемой из аналоговых эталонов. К компенсационным методам относятся метод последовательного счета и метод поразрядного уравновешивания. Метод последовательного счета (или счетно-импульсный метод) основан на уравновешивании входной аналоговой величины суммой минимальных по весу эталонов (квантов). Число квантов, используемых при уравновешивании, подсчитывается счетчиком, а момент равенства суммы эталонов и входной величины фиксируется схемой сравнения.

13 Метод поразрядного кодирования (или поразрядного уравновешивания) основан на использовании n эталонов, веса которых при двоичной системе счисления пропорциональны степени числа 2. Уравновешивание входной аналоговой величины начинается с эталона с максимальным весом. Если эталон больше входной аналоговой величины, то в старшем разряде выходного кода ставится “0” и дальше производится уравновешивание входной величины следующим по весу эталоном. Если эталон равен или меньше входной величины, то в старшем разряде ставится “1” и дальше производится уравновешивание разности между входной величиной и первым эталоном. Для всех остальных эталонов производится аналогичная операция. В методах непосредственного считывания обратное цифроаналоговое преобразование отсутствует. Измеряемая аналоговая величина сравнивается с некоторым вспомогательным линейно-нарастающим напряжением. Время достижения этим напряжением измеряемой величины с помощью счетчиков импульсов фиксированной длительности преобразуется в цифровой код. Различные методы и схемы АЦП характеризуются показателями сложности схемной реализации, временем и точностью преобразования, требованиями к стабильности аппаратных элементов и т.п. Однако можно сказать, что при современном уровне микроэлектроники все перечисленные методы АЦП способны обеспечить примерно одинаковые и притом весьма высокие точности аналого-цифровых преобразований. Поэтому погрешность преобразования “аналог-код” в телеизмерительных системах может быть определена по рассмотренным выше формулам (1) – (10), независимо от метода преобразования. Каналы и линии связи

Совокупность технических средств, обеспечивающих передачу сообщений на расстояние от источника информации (ИИ) к получателю (ПИ) называется каналом связи (КС). Линия связи (ЛС) — это физическая среда, по которой распространяются сигналы. В качестве ЛС используют проводные линии (воздушные и кабельные), линии электропередач, радиолинии, волноводные, световодные линии и т.п. Одна линия связи может быть использована для образования нескольких КС в том случае, если ее полоса пропускания значительно больше суммарной полосы пропускания КС. При этом количество КС, организованных на одной ЛС, определяется в основном полосой пропускания линии, спектром сигналов и уровнем помех в линии. В технике связи многократное использование одной ЛС для организации нескольких независимых КС называют уплотнением линии связи.

14 В технических системах наибольшее распространение получили волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), проводные линии связи, а также радиолинии. Волоконно-оптические линии связи

Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) — это вид системы передачи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием “оптическое волокно”. Волоконно-оптическая сеть — это информационная сеть, связующими элементами между узлами связи которой являются волоконно-оптические линии связи. Передача информации по ВОЛС имеет целый ряд преимуществ: широкая полоса пропускания, малое затухание светового сигнала в волокне, низкий уровень шумов, высокая помехозащищенность, малый вес и объем, высокая защищенность от несанкционированного доступа, гальваническая развязка элементов сети. Основные компоненты ВОЛС Оптический передатчик обеспечивает преобразование входного электрического сигнала в выходной световой (цифровой или аналоговый) сигнал. При цифровой передаче оптический излучатель передатчика “включается” и “выключается” в соответствии с поступающим на него битовым потоком электрического сигнала. Для этих целей используются инфракрасные светоизлучающие диоды LED или лазерные диоды ILD. Эти устройства способны поддерживать модуляцию излучаемого света с мегагерцовыми и даже гигагерцовыми частотами. Оптический приемник осуществляет обратное преобразование входных оптических импульсов в выходные импульсы электрического тока. В качестве основного элемента оптического приемника используются p-I-n и лавинные фотодиоды, имеющие малую инерционность. Повторитель состоит из оптического приемника, электрического усилителя и оптического передатчика. При передаче дискретного сигнала электрическое усиление, как правило, также может сопровождаться восстановлением фронтов и длительностей передаваемых импульсов. Для этого повторитель принимает оптический сигнал в синхронном или асинхронном режиме, в зависимости от стандарта передачи. Оптический усилитель не осуществляет оптоэлектронного преобразования, как это делает повторитель или регенератор. Он, используя специальные активные среды и лазер накачки, непосредственно усиливает проходящий оптический сигнал, благодаря индуцированному излучению.

15 Оптическое волокно Оптические волокна производятся разными способами, обеспечивают передачу оптического излучения на разных длинах волн, имеют различные характеристики и выполняют различные задачи. Все оптические волокна делятся на две основные группы: многомодовые и одномодовые. Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. Одномодовые волокна подразделяются на ступенчатые одномодовые волокна или стандартные волокна, на волокна со смещенной дисперсией, и на волокна с ненулевой смещенной дисперсией. Каждое волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления. Сердцевина, по которой происходит распространение светового сигнала, изготовляется из оптически более плотного материала. При обозначении волокна указываются через дробь значения диаметров сердцевины и оболочки. Волокна отличаются диаметром сердцевины и оболочки, а также профилем показателя преломления сердцевины. Если сравнивать многомодовые волокна между собой, то градиентное волокно имеет лучшие технические характеристики, чем ступенчатое, по дисперсии, что приводит к большей пропускной способности у градиентного волокна. Одномодовое волокно имеет значительно меньший диаметр сердцевины по сравнению с многомодовым и, как следствие, из-за отсутствия межмодовой дисперсии, более высокую пропускную способность. Однако оно требует использования более дорогих лазерных передатчиков. Одномодовые волокна В ступенчатом одномодовом волокне диаметр светонесущей жилы составляет 8-10 мкм и сравним с длиной световой волны. В таком волокне при достаточно большой длине волны света распространяется только один луч (одна мода). Одномодовый режим в одномодовом волокне реализуется в окнах прозрачности 1310 и 1550 нм. Распространение только одной моды устраняет межмодовую дисперсию и обеспечивает очень высокую пропускную способность одномодового волокна в этих окнах прозрачности. В этом окне потери составляют 0,3 – 0,4 дБ/км. Очевидный недостаток — трудности сопряжения такого маленького стержня с оптоэлектронным источником/детектором или соединения с другим отрезком подобного волокна. Однако точные совмещающие инструменты и соединители позволяют обеспечивать соединения с малыми потерями. В одномодовом волокне со смещенной дисперсией длина волны, на которой результирующая дисперсия обращается в ноль, — длина нулевой дисперсии смещена в окно 1550 нм. Такое смещение достигается

16 благодаря специальному показателю преломления волокна. Таким образом, в волокне со смещенной дисперсией реализуются наилучшие характеристики как по минимуму дисперсии, так и по минимуму потерь. Передача мультиплексного сигнала на большие расстояния требует использования линейных широкополосных оптических усилителей, из которых наибольшее распространение получили так называемые эрбиевые усилители на основе легированного эрбием волокна. Такие линейные усилители эффективно могут усиливать сигнал в рабочем диапазоне от 1530 до 1560 нм. Распространение света по волокну Основными факторами, влияющими на характер распространения света в волокне, наряду с длиной волны излучения, являются: геометрические параметры волокна, затухание, дисперсия. Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсия распространяемого сигнала в волокне, тем больше может быть расстояние между регенераторами или повторителями. На затухание света в волокне влияют такие факторы, как: потери на поглощение, потери на рассеивание, кабельные потери. Потери на поглощение состоят как из собственных потерь в кварцевом стекле, так и из потерь, связанных с поглощением света на примесях. Примесные центры, в зависимости от типа примеси, поглощают свет на определенных длинах волн и рассеивают поглощенную световую энергию в виде джоулева тепла. Кабельные потери обусловлены скруткой, деформациями и изгибами волокон, возникающими при наложении покрытий и защитных оболочек, производства кабеля. В оптическом кабеле можно поместить много волокон; он легок и удобен в обращении; для его прокладки можно использовать существующие трубопроводы для кабелей. По каждому оптическому волокну можно передавать цифровые данные в кабеле большой длины без промежуточных усилителей при скорости передачи до 1 Гбит/с. Применяемые на практике оптические волокна состоят из стеклянной сердцевины, окруженной стеклянной оболочкой (показатель преломления сердцевины должен быть больше, обычно, на 10%, чем у стеклянной оболочки), причем используется стекло высокой чистоты. Стыки, соединители и сращивания Для многомодового волокна применяют два основных вида стыковочной связи, допускающей многократное соединение-разъединение волокон: торцевая и линзовая. При торцевой связи торцевые плоскости волокон параллельны и расположены близко друг к другу. При линзовой связи выходная и входная торцевые поверхности волокон соединяются с помощью выпуклых оптических линз.

17 Соединители одномодовых волокон обычно принадлежат к SMAили FC/PC-типам. В нем предотвращаются отражения от торцевой поверхности волокна, которые передаются обратно к источнику. Этот тип соединителя используется с линейно модулированными лазерами, чтобы уменьшить шум, порождаемый отражениями. В большинстве случаях сращивание оптических волокон осуществляется методом сплавления. По этому методу удаляется внешний нейлоновый слой с концов волокон и открывается тем самым доступ к стеклу. Затем концы волокон обрезаются, чтобы придать торцевым поверхностям волокон правильный угол. На конец одного из волокон натягивается пластиковая трубка с клеящим составом, которая используется после завершения сращивания концов (КЗДС). Затем волокна помещаются в специальное приспособление для сплавки, в котором концы волокон аккуратно соединяются строго впритык, и через это соединение пропускается электрическая дуга, чтобы расплавить стекло. Два конца волокон медленно прижимаются друг к другу, в то время как поверхностное напряжение помогает выровнять зону сплавления. Затем пластиковую трубку с клеящим составом сдвигают на стык и нагревают, при таянии клея трубка осаживается и закрывает стекло защитным покрытием. Поскольку открытое стекло на воздухе под действием воды разрушается, эта последняя операция имеет важное значение. Оптические передатчики Чтобы получить сигнал с соответствующей длиной волны, который затем можно модулировать высокоскоростными данными, используются два типа источников световой энергии: светодиоды и лазерные диоды. Светодиоды используются для узкополосных систем передачи на короткие расстояния, а лазерные диоды — для широкополосных систем передачи на дальние расстояния. Лазерные диоды создают выходную мощность, в 100 раз превышающую мощность светодиодов, но они дороже и менее надежны. Светодиоды генерируют некогерентные световые волны и применяются с многомодовыми оптическими волокнами, в которых показатель преломления изменяется градиентно. Длина волны передаваемого светового сигнала зависит от полупроводникового материала светодиода. Лазерный диод — это светодиод, объединенный с оптическим резонатором, настроенным на длину волны передаваемого сигнала. Лазерные диоды практически всегда используются с одномодовыми оптическими волокнами и применяются в системах с модулированными сигналами с шириной полосы частот, равной нескольким гигагерцам. Они очень чувствительны к величине тока возбуждения, превышающей пороговое значение, и нередко требуется их охлаждение и регулировка для стабилизации мощности.

18 Проводные линии связи Кабельные системы UTP В современных сетях очень широкое распространение получили кабельные системы на основе неэкранированных симметричных (сбалансированных) скрученных пар проводников (UTP — Unshielded Twisted Pair). Для обозначения таких кабелей в русском языке стал повсеместным термин “витая пара”. Это словосочетание откровенно режет слух, поэтому мы будем употреблять более корректное название — “кабель из скрученных пар ” или английскую аббревиатуру UTP. Современные стандарты определяют 4 категории кабелей из скрученных пар:

Характеристики передачи определены до частоты 16 МГц

Удовлетворяет требованиям категории 3 и класса С стандартов ISO/IEC 11801 2000 г, ANSI/TIA/EIA-568-B.1, ANSI/TIA/EIA-568B.2. Требования определены до частоты 16 МГц.

Характеристики передачи определены до частоты 100 МГц

Соответствует требованиям категории 5e стандартов 568-B.1 и 568-B.2, а также дополнительного класса D 3 стандарта ISO/IEC 11801. Требования определены до частоты 100 МГц. Данная спецификация является расширением категории 5 и класса D.

Характеристики передачи будут определены до частоты 250 МГц

Соответствует требованиям категории 6 и класса Е, разрабатываемым группами ISO/IEC и TIA. Предполагается, что требования будут определены до частоты не менее 250 МГц. Данная спецификация является расширением категории 5е.

Характеристики передачи будут определены до частоты 600 МГц

Соответствует требованиям категории 7 и класса F, разрабатываемым группами ISO/IEC и TIA. Предполагается, что требования будут определены до частоты не менее 600 МГц. Данная спецификация является расширением категории 6.

Примечания: Категории 4 и 5 в соответствии со стандартами TIA и ISO/IEC не должны больше использоваться для прокладки кабельных систем. Стандарты для категорий 6 и 7 в настоящее время разрабатываются.

19 Коаксиальный кабель

1 – центральный провод (жила) 2 – изолятор центрального провода 3 – экранирующий проводник (экран) 4 – внешний изолятор и защитная оболочка Хаpактеpистики коаксиальных кабелей Тип

Z,Ом Коэфф. Емкость Внешний Материал укоро- в пФ/м диаметр в мм чения

RG-8A/U RG-8/U RG-11A/U RG-11/U RG-58A/U RG-58B/U RG-58C/U RG-58/U RG-59B/U RG-59/U RG-71A/U RG-71B/U RG-71/U RG-174A/U RG-178B/U RG-179B/U RG-213/U RG-216/U РК-50-2-12 РК-50-2-16 РК-50-3-13 РК-50-4-11 РК-50-7-11 РК-50-7-12 РК-50-9-11 РК-50-11-11

52,0 50,0 75,0 75,0 53,5 53,5 50,0 53,5 73,0 75,0 93,0 93,0 93,0 50,0 50,0 75,0 50,0 75,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0

0,66 0,80 0,66 0,80 0,66 0,66 0,66 0,79 0,66 0,79 0,66 0,66 0,84 0,66 0,70 0,70 0,66 0,66 0,76 0,76 0,76 0,76 0,76 0,76 0,76 0,76

88,5 76,2 61,8 50,7 85,5 85,5 92,4 85,5 69,0 50,7 46,0 46,0 92,4 92,0 95,0 63,0 92,0 71,8

10,3 10,3 10,3 10,3 5,0 5,0 5,0 5,0 6,2 6,2 6,2 6,2 6,2 2,5 1,5 2,5 10,3 10,8 3,2 3,2 4,4 9,6 10,0 11,2 12,2 14,5

ПЭ ППЭ ПЭ ППЭ ПЭ ПЭ ПЭ ППЭ ПЭ ППЭ ПЭ ПЭ ППЭ ПЭ ПЭ ПЭ ПЭ ПЭ МС/ПЭ/МС МЛ/ПЭ/МЛ М/ПЭ/МЛ М/ПЭ/М М/ПЭ/М М/ПЭ/М М/ПЭ/М М/ПЭ/М

Коэф.затух. Макс дБ/м,MHz: Uэфф кВ 27/300/900 5,0 1,5 5,0 1,6 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 0,8 1,8 1,8 0,8 1,5 1,2 1,2 5,0 5,0

0,32 1,6 3,0 0,26 1,0 1,7 0,35 1,6 3,0 0,25 1,0 1,7 0,65 3,5 6,0 0,65 3,5 7,0 0,65 3,5 7,0 0,60 2,2 3,0 0,60 2,2 3,0 0,50 1,6 2,8 0,50 1,6 2,8 0,50 1,6 2,8 0,26 1,0 1,7 2,0 5,5 >10 2,2 8,0 >10 1,9 5,0 8,5 0,32 1,6 3,0 0,32 1,6 3,0 2,0 1,0 0,70 0,50 0,40 0,40 0,34 0,28

Пpимечания: ПЭ — полиэтилен, ППЭ — пенополиэтилен, M — медная пpоволока, МЛ — медная луженая пpоволока, МС — медная посеpебpеная пpоволока.

20 Радиолинии

В радиолиниях связи средой распространения электромагнитных волн в подавляющем большинстве случаев (за исключением случая связи между космическими аппаратами) является атмосфера Земли. Типичный вид радиолинии показан на рис.7. Линия состоит из двух оконечных

Рис.7

станций. Типичным примером таких радиолиний являются линии сетей передачи сообщений массового характера (сети телевизионного и радиовещания). Радиолиния может содержать несколько промежуточных переприемных станций. Так строятся линии радиорелейных систем передачи. Деление радиоволн на диапазоны установлено Международным регламентом радиосвязи МСЭ-Р. Радиоволны делятся на: сверхдлинные (3…30 кГц, дальность связи — тысячи км), длинные (30…300 кГц, дальность связи — тысячи км), средние (300…3000 кГц, дальность связи — до тысячи км.), короткие (3…30 МГц, дальность связи — тысячи км), ультракороткие (0,3...3000 ГГц, дальность связи — сотни км). Радиоволны, излучаемые передающей антенной, прежде чем попасть в приемную антенну, проходят в общем случае сложный путь. На величину напряженности поля в точке приема оказывает влияние множество факторов. Основные из них: • отражение электромагнитных волн от поверхности Земли; • преломление (отражение) в ионизированных слоях атмосферы (ионосфере); • рассеяние на диэлектрических неоднородностях нижних слоев атмосферы (тропосфере); • дифракция на сферической выпуклости Земли. Также напряженность поля в точке приема зависит от длины волны, освещенности земной атмосферы Солнцем и ряда других факторов. Системы передачи сообщений с радиоканалами Принципиальное отличие радиосистем передачи информации заключается в том, что условия распространения радиоволн в радиолинии нестационарные, т.е. подвержены непрерывным изменениям, зависящим от времени и частоты. Для обеспечения односторонней радиосвязи (рис.8) в пункте, из которого ведется передача сигналов, размещают радиопередающее

21 АПер

PПер

АПр

Ф

Ф

РПр

Рис.8

устройство, содержащее радиопередатчик РПер и передающую антенну АПер, а в пункте, в котором ведется прием сигналов — радиоприемное устройство, содержащее приемную антенну АПр и радиоприемник РПр. Антенны подключаются к приемопередающему оборудованию при помощи фидерных трактов Ф. Для двухстороннего обмена сигналами нужно иметь два комплекта оборудования. Радиопередающие и радиоприемные устройства В функциональном смысле под радиопередающим устройством понимается комплекс оборудования, предназначенный для формирования и излучения радиочастотного сигнала (радиосигнала). В качестве функциональных узлов в состав радиопередатчика входят генератор несущей частоты и модулятор. Кроме того, в состав радиопередающих устройств (особенно мощных) входит много другого оборудования: источники питания, средства охлаждения, автоматического и дистанционного управления, сигнализации, защиты и блокировки и пр. Радиоприем — это выделение сигналов из радиоизлучения. В том месте, где ведется радиоприем, одновременно существуют радиоизлучения от множества естественных и искусственных источников. Мощность полезного радиосигнала составляет очень малую долю мощности общего радиоизлучения в месте радиоприема. Задача радиоприемного устройства сводится к выделению полезного радиосигнала из множества других сигналов и возможных помех, а также к воспроизведению (восстановлению) передаваемого сообщения. Объем сигнала и объем канала связи

К. Шенноном была определена пропускная способность, или емкость, канала связи для аналогового сигнала и аддитивной помехи в виде “белого шума” с ограниченным спектром. При этом аналоговый сигнал должен обладать равномерным спектром и ограниченной средней мощностью: ⎛ P ⎞ C = ΔF ⋅ log⎜⎜1 + c ⎟⎟ (бит/с) (12) Pn ⎠ ⎝ где ΔF — полоса частот канала; Pп — средняя мощность помех с нормальным законом распределения амплитуд;

22 Рc — средняя мощность сигнала. Следовательно, можно передавать информацию по каналу с помехами без ошибок, если скорость передачи информации

⎛ P ⎞ R ≤ ΔF ⋅ log⎜⎜1 + c ⎟⎟ Pп ⎠ ⎝ В реальных каналах связи обычно Рc >> Pп и единицей в выражении (12) можно перечень. Тогда максимальная скорость передачи информации выразится формулой:

⎛P ⎞ C = ΔF ⋅ log⎜⎜ c ⎟⎟ ⎝ Pn ⎠

(13)

В этом случае максимальное количество информации, которое можно передать за время Тс: ⎛P ⎞ Vc = ΔF ⋅ log⎜⎜ c ⎟⎟ ⋅ Tc = ΔFc ⋅ hc ⋅ Tc , (14) P ⎝ п⎠ где Tc — время передачи сигнала; ⎛P ⎞ hc = log⎜⎜ c ⎟⎟ — мера превышения мощности сигнала над мощностью ⎝ Pп ⎠ помех; ΔFс — ширина спектра сигнала. Величина Vc = ΔFc ⋅ hc ⋅ Tc может быть представлена в виде параллелепипеда со сторонами ΔFc, hc, Tc и получила название “объема сигнала” (рис.9). LogP

logPc logPc/Pп Tс

logPп ΔFc

t

f Рис.9

Аналогично понятию “объем сигнала” вводится понятие “объем канала связи” Vk :

Vk = ΔFk ⋅ hk ⋅ Tk , где: Тk — время представления канала для передачи сигнала; ΔFk — полоса частот, выделяемая для передачи;

(15)

23 hk — полоса уровней, зависящая от допустимой мощности, развиваемой аппаратурой канала связи. Необходимым (но не достаточным) условием передачи сигнала по каналу связи является: Vk ≥ Vc.

(16)

Необходимыми и достаточными условиями являются более жесткие условия: ΔFk ≥ ΔFс;

Tk ≥ T с ;

hk ≥ hс .

(17)

Один и тот же объем сигнала может быть получен при уменьшении или увеличении одного из параметров путем пропорционального увеличения или уменьшения любого другого параметра соответственно. Это преобразование необходимо выполнить, если необходимое условие (16) выполняется, а одно или два неравенства из условия (17) не выполняются и, как говорят, объем сигнала “не умещается” в объеме канала. Кодирование сообщений

Под кодированием понимается представление кодовых комбинаций в виде комбинаций дискретных сигналов. Каждая кодовая комбинация однозначно соответствует передаваемому сообщению (в данном случае значению одного телеизмерения). Для коррекции (обнаружения, исправления) ошибок применяют так называемые корректирующие коды (как правило, равномерные). Способность кодов корректировать ошибки связана с минимальным кодовым расстоянием α min следующим образом: (18) α min ≥ r + s + 1, где r, s — кратность обнаружения и исправления ошибок соответственно, причем r ≥ s . Для двоичных кодов кодовое расстояние представляет собой число, показывающее количество разрядов, в которых одна кодовая комбинация отличается от другой. Кодовые комбинации корректирующих кодов содержат n разрядов, которые подразделяются на информационные и контрольные: n=m+k. (19) Число информационных разрядов m определяется из выражения (11). Число контрольных разрядов k при заданном m определяется методом кодирования. Код Хемминга имеет α min = 3, т.е. код способен обнаруживать двукратные ошибки и исправлять однократные (r = 1, s = 1). Такой код называется расширенным кодом Хемминга. Простой код Хемминга

24 способен исправлять одиночные ошибки и для него количество контрольных символов можно определить из выражения: 2k − 1 ≥ m + k . Для расширенного кода Хемминга: kp > k + 1. Циклический код образуется на основе неприводимых образующий (порождающих) полиномов (многочленов) g(x). Высшая степень полинома определяет корректирующие свойства циклического кода и равна числу контрольных символов. Критерием безошибочного приема кодовой комбинации циклического кода F(x) является ее деление баз остатка на образующий полином g(x): F ( x) = R( x) = 0 . g ( x) Если R( x) ≠ 0 то по виду остатка могут быть обнаружены и исправлены ошибки различной кратности. В настоящем проекте рассматриваются циклические коды обнаруживающие двукратные ошибки (r = 2, s = 0). Для этих кодов в зависимости от требуемого числа информационных символов в коде m, определяемого выражением (11) образующие полиномы и число контрольных разрядов k определяются из таблицы 1. Таблица 1 m k g(x)

≤4 3 3 x +x+1 x3 + x2 + 1

≤ 11 4 4 x + x3 + 1 x4 + x + 1

≤ 26 5 5 x +x+1 x5 + x2 + 1

Структурные схемы кодирующего и декодирующего устройств полностью определяются видом образующего полинома. Код с повторением и инверсией имеет одинаковое число проверочных (контрольных) и информационных разрядов m = k = logNk. При четном числе единиц в первой половине кодовой комбинации (в информационных разрядах) вторая половина (контрольные разряды) повторяет первую. При нечетном числе разрядов в информационном коде вторая половина кодовой комбинации образуется инвертированием первой. Схемы кодирующего и декодирующего устройств строятся для случая исправления одиночных и обнаружения многократных ошибок. Число обнаруживаемых ошибок зависит от количества разрядов кодовой комбинации. Помехоустойчивость кодированных сигналов

Предварительно определяется вероятность искажения элементарного сигнала p (1 → 0) = p (0 → 1) = p (симметричный бинарный канал с независимыми ошибками) для идеального приемника Котельникова. Для

25 этой цели необходимо вычислить величину, характеризующую соотношение сигнал/помеха: U ⋅ τ0 , Для АМ: α 0 АМ = m 2 ⋅σ 0 U где σ 0 = п скв — удельное эффективное напряжение помехи. ΔF U ⋅ τ0 . Для ЧМ: α 0 ЧМ = m

σ0

Для определения P0 следует пользоваться графиком зависимости ⎛α ⎞ ⎛α ⎞ P0 = f ⎜ 0 ⎟ (таблица 2). Если значение функции f ⎜ 0 ⎟ больше или ⎝ 2⎠ ⎝ 2⎠ меньше крайних значений, данных в таблице 2, то значение P0 выбирается соответственно данным крайних значений таблицы 2. Таблица 2

α0

2 P0

1,0 1,587⋅10

2,0

3,0

2,275⋅10-2 1,350⋅10-3

4,0

5,0

3,167⋅10-5

2,866⋅10-7

6,0

7,0

8,0

9,866⋅10-10 1,280⋅10-12 6,221⋅10-16

Вероятность ложных сообщений в n-разрядном кодированном сигнале оценивается следующим выражением: i n ( n ⋅ P0 ) Pлож ≤ ∑ , i! i = r +1 где Pлож — вероятность ложного приема кодовой комбинации; r — кратность обнаруженных ошибок. Для кода с повторением и инверсией Pлож определяется по формуле:

Pлож = n ⋅ P02 . Правила оформления пояснительной записки

Пояснительная записка выполняется чернилами на одной стороне листа бумаги формата 203×208 мм. Общий объем 25÷30 страниц. На левой стороне листа должны быть поля шириной 25 мм, справа 10 мм, поля сверху 20 мм, снизу 30 мм. Нумерация страниц в нижнем поле в центре. Листы подшиваются в папку вместе с диаграммами, таблицами и другими иллюстрациями. Все иллюстрации должны быть пронумерованы и снабжены подписями и ссылками в тексте. Материалы пояснительной записки рекомендуется располагать в следующем порядке: 1. Титульный лист (см. приложение). 2. Задание на проектирование. 3. Оглавление с указанием страниц.

26 Введение — краткое изложение задачи, краткий обзор решений. Выбор и разработка структурной схемы системы. Преобразование непрерывного сигнала в цифровую форму. Расчетная часть проекта. Разработка функционально-логических схем кодирующего и декодирующего устройств, описание работы этих схем. 9. Заключение — вывод по работе. 10. Список литературы, в котором должны быть указаны фамилия и инициалы авторов, название статьи или книги, год и место издания. Изложение должно быть кратким и четким, без повторений. Количество иллюстраций должно быть достаточным для пояснения излагаемого материала. 4. 5. 6. 7. 8.

Графическая часть проекта

Графическая часть проекта является иллюстрационным материалом, по технической документации на разработанные студентом устройства. В графическую часть проекта входит: 1. Структурная схема устройства. 2. Структурная схема АЦП. 3. Функционально-логическая схема кодирующего и декодирующего устройства. 4. Временные диаграммы работы устройства. Весь графический материал (вынесенный на листы или помещенный в записке в качестве иллюстраций) по формату, условным обозначениям, шрифтам и масштабам должен соответствовать требованиям “Единой системы конструкторской документации” ЕСКД: “Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению” “Схемы изделий цифровой вычислительной техники” “Правила выполнения электрических схем цифровой вычислительной техники” “Обозначения условные буквенно-цифровые, применяемые на электрических схемах” “Условные графические обозначения элементов логики” “Полупроводниковые приборы, резисторы, конденсаторы” “Электрические связи, привода, кабели, линии” “Микросхемы интегральные. Термины и определения”

– ГОСТ 2.701.68 – ГОСТ 2.702.69 – ГОСТ 2.708.72 – ГОСТ 2.710.75 – ГОСТ 2.743.72 – ГОСТ 2.728.74 – ГОСТ 2.751.73 – ГОСТ 17021.75

27 Рекомендуемая литература

1. Слепов Н.М. Синхронные цифровые сети SDH. М., 1997. 2. Скляров О.К. Современные волоконно-оптические системы передачи. М.: СОЛОН-Р, 2001. 3. Песков С.А., Гуров А.И., Кузин А.В. Центральные и периферийные устройства электронных вычислительных средств. М.: Радио и связь, 2000. 4. Тутевич В.Н. Телемеханика. М.: Высшая школа, 1985. 5. Клюев В.И. Частотно-временные преобразования и прием дискретных сигналов в системах связи. М.: Радио и связь, 1990. 6. Лебедев О.Н. Микросхемы памяти и их применение. М.: Радио и связь, 1990. 7. Казанский И.Н. Телеуправление и телеизмерение в технических системах: М.: МИЭМ, 1992. (Учебное пособие). 8. Матвеевский В.Р. Каналы связи. М.: МИЭМ, 1987. (Учебное пособие).

28 ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЯ № варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

К δк макс% ΔF (кГц) А — К Код τк (с) 16 0,8 2,1 ПУ Ц 500 16 0,5 3,1 ПУ Ц 500 16 0,3 6,1 ПУ Ц 500 16 0,2 8,2 СИ Ц 500 16 0,1 1,8 СИ Ц 500 16 0,05 3,6 СИ Ц 500 16 0,4 7,2 ПУ Х 500 16 0,2 8,3 ПУ Х 500 16 0,1 3,6 ПУ Х 500 16 0,05 3,9 СИ Х 600 32 0,8 8,4 СИ Х 600 32 0,6 9 СИ Х 600 32 0,4 4,1 ПУ ПИ 600 32 0,2 5 ПУ ПИ 600 32 0,0 8,1 ПУ ПИ 600 32 0,8 7,2 СИ ПИ 600 32 0,4 4,3 СИ ПИ 600 32 0,2 6,1 СИ ПИ 600 32 0,3 8,4 ПУ Ц 600 32 0,25 8,6 ПУ Ц 800 16 0,4 3,6 ПУ Ц 800 16 0,6 4,1 СИ Ц 800 16 0,8 7,9 СИ Ц 800 16 0,5 8,3 СИ Ц 800 32 0,3 3,6 СИ Ц 800 32 0,4 4,1 ПУ Х 800 32 0,25 8,3 ПУ Х 800 32 0,2 7,8 ПУ Х 800

(σ

2

L2

0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02

)

Мод АМ АМ ЧМ ЧМ АМ АМ ЧМ ЧМ АМ АМ ЧМ ЧМ АМ АМ ЧМ ЧМ АМ АМ ЧМ ЧМ АМ АМ ЧМ ЧМ АМ АМ ЧМ ЧМ

29 Приложение МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Московский государственный институт электроники и математики (Технический университет)

Кафедра управления и информатики в технических системах

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ по “ТУиТИвТС” На тему: название проекта, № варианта

Проект выполнил студент группы А-91 Ф.И.О. Руководитель проекта профессор, д.т.н. Казанский И.Н.

Москва 2003