Методы разделения сигналов и уплотнения линий связи

Частотное уплотнение линий связи основано на использовании для передачи сигналов переменных токов различных частот. Каждый сигнал передается на своей частоте, отличной от всех других. В этом случае сигналы разделяются с помощью электрических фильтров. Сущность частотного уплотнения линии связи поясняет рис. 6.5. На передающей стороне устанавливают генераторы GF1, GF2, GF3 и GF4, вырабатывающие ток различной частоты: и /₄. Сигналы посылаются в линию через полосовые передающие фильтры ZF1, ZF2, ZF3 и ZF4 путем замыкания контактов ключей SB1, SB2, SB3 и SB4. В линию связи подаются сигналы только тех частот, у которых замкнуты кнопки SB. На выходах приемных фильтров ZF1', ZF2', ZF3'h ZF4' через преобразователи UZ1—UZ4 включены обмотки исполнительных реле Kl, К2, КЗ и К4. Частотное разделение каналов осуществляется передающими и приемными полосовыми фильтрами. Полоса пропускания каждого фильтра на передающей и приемной стороне выбирается такой, чтобы фильтр не создавал существенного затухания для частоты генератора своего канала и практически не пропускал частоты генераторов других каналов. На выходе приемного устройства срабатывают те реле, для которых замкнуты соответствующие управляющие кнопки SB. Для передачи информации необходимо иметь столько частотных каналов (генераторов в передающем устройстве и фильтров в передающем и приемном устройстве), сколько имеется объектов управления.

Рис. 65. Упрощенная схема уплотнения линии связи по принципу частотного разделения сигналов.

Достоинством частотного разделения сигналов является использование для передачи информации одной двухпроводной линии связи и одновременная передача всех управляющих сигналов. Недостаток способа — необходимость использования дорогой передающей и приемной аппаратуры для образования частотных каналов.

Разделение каналов во времени основано на поочередной передаче всех сигналов по одному каналу в течение определенного периода времени. При временном разделении каждому передаваемому элементу поочередно предоставляется линия связи на время, необходимое для его прохождения, выделения и фиксации на приемной стороне. Поясним принцип временного разделения упрощенной схемой на рис. 6.6. На передающем и приемном пунктах устанавливаются синхронно переключающиеся распределители RG1 и RG2. На передающем конце к контактам распределителя RG1 присоединяют передатчики сигналов SB1, SB2, SB3 и т. д., а на приемном конце к контактам распределителя RG2 — приемники К1, К2, КЗ и т. д. Подвижные контакты распределителей RG1 и RG2 движутся синхронно и в каждый момент времени на передающей и приемной сторонах устанавливаются на контактах с одинаковыми номерами. Следовательно, в этот момент времени образуется канал связи между соответствующим передатчиком и приемником сигналов. Когда распределители находятся на позиции 1, то передается первая команда, на позиции 2 — вторая и т. д. За каждый полный цикл переключения распределителей с позиции 1 до позиции N последовательно устанавливается связь между всеми передатчиками и приемниками и можно поочередно передать все необходимые сообщения (команды).

Синхронное и синфазное переключение распределителей RG1 и RG2 из одной позиции на другую происходит при поступлении на их входы специальных импульсов, которые принято называть продвигающими или тактовыми. Номер позиции, которую занимает распределитель, всегда соответствует номеру импульса, поступившего на его вход. Если в исходном состоянии распределитель находится в нулевой позиции, то первый тактовый импульс переключает его в первую позицию, второй — во вторую и т. д. Так происходит синхронное переключение распределителей.

Рис. 6.6. Схема телеуправления с временным разделением сигналов.

Достоинством временного разделения сигналов является использование для передачи информации одной двухпроводной линии связи, как и при частотном разделении, но аппаратура каналов связи при этом значительно проще и дешевле. Недостатком является значительная длительность цикла передачи информации, так как даже при передаче одной команды распределитель должен сделать полный цикл переключений, опросив все позиции. Заметим, что при достаточно высокой скорости переключения современных бесконтактных быстродействующих распределителей продолжительность цикла составляет менее 0,1 мс.

Можно усовершенствовать рассмотренную систему прямого избирания, посылая на каждую позицию распределителя импульсы с разными параметрами, каждому из которых будет соответствовать определенная команда. В этом случае номер импульса будет соответствовать номеру объекта управления, а его параметр — выполняемой операции (например, длинный импульс — «Включить», короткий — «Отключить»).

Несмотря на то что в рассмотренных системах уплотнения каналов связи имеется всего лишь одна линия связи, эти системы следует считать многоканальными, так как искусственным путем из одного физического канала образуется несколько «виртуальных» каналов.

При передаче сигналов телеуправления наряду с принципами независимых посылок широкое распространение получил так называемый комбинационный, или кодовый, принцип, позволяющий значительно сократить количество аппаратуры. Он основан на том, что совокупность посылаемых импульсов с различными заданными признаками представляет собой условный шифр (код) одного определенного сигнала или команды. На приемном конце линии комбинация принятых импульсов подается на дешифраторное устройство, где она расшифровывается, и на выходе срабатывает исполнительное реле только одного определенного избираемого объекта, соответствующего принятому коду. На рис. 6.7 приведена функциональная схема кодовой системы телеуправления с частотным разделением каналов.

Рис. 6.7. Кодовая система телеуправления с частотным разделением каналов.

В передающем устройстве нужная команда для выбранного объекта набирается одной соответствующей кнопкой SB. Сигнал от выбранной кнопки подается на шифратор, на выходе которого создается соответствующий код. Этот код по линии связи передается на приемное устройство. Каждый элемент кода передается по своему частотному каналу. Преобразователь UZ преобразует элемент кода в виде частотного импульса в импульс постоянного тока. Комбинация импульсов постоянного тока, аналогичная комбинации импульсов на выходе шифратора, поступает на дешифратор, где расшифровывается. При этом на выходе дешифратора, соответствующем номеру нажатой кнопки, появляется единичный сигнал — и соответствующее выходное исполнительное реле К избранного объекта управления срабатывает, и передаваемая команда исполняется. При нажатии другой кнопки будет передаваться другая кодовая комбинация, соответствующая другой команде и включающая другое исполнительное реле.

При кодировании сигналов предпочтение, как правило, отдается двоичному коду, поскольку арифметика двоичных чисел очень проста и в качестве устройств, хранящих двоичную информацию, применяют простые и надежные в эксплуатации реле и бесконтактные триггеры, обладающие двумя устойчивыми состояниями. С помощью этих двухпозиционных элементов запоминается двоичная единица количества информации, называемая битом (от англ, bit-binary digit — двоичная цифра), принимающая два значения: 0 или 1. Устройство, запоминающее один бит, называют двоичной ячейкой. При передаче сообщения в виде кода требуется меньшее количество передаваемых импульсов. Например, используя при трех двоичных ячейках комбинацию из трех импульсов, можно получить 8 (2³) разных кодированных сигналов. Очевидно, что выполнить три двоичные ячейки, обладающие двумя состояниями, гораздо проще, чем выполнить одну ячейку с восемью состояниями.

В двоичной системе счисления любое число представляется как сумма членов геометрической прогрессии с основанием 2:

Каждый из этих членов может быть взят только один раз (1) или нс взят вовсе (0), т. е. в двоичной системе счисления используются всего только две цифры 1 и 0. Например, число 21 может быть представлено в двоичной системе счисления как.

Таким образом, двоичный код десятичного числа 21 будет записан как 10 101 (вес разряда увеличивается справа налево). В линию связи посылается указанный код, выражающий цифровое значение передаваемого сигнала. Каждому символу кода (1 и 0) соответствует свой сигнальный признак. Например, цифре 1 соответствует импульс, а цифре 0 — отсутствие импульса, т. е. пауза. Можно эти символы передать разными частотами или разной полярностью, а также импульсами разной длительности. Для разделения отдельных посылок кодов в начале каждого кода, т. е. в начале каждой группы импульсов, посылается вспомогательный синхронизирующий импульс, отличающийся от остальных импульсов кода, например, по длительности.

В схеме на рис. 6.7 все разряды кода, соответствующего одному приказу, передаются одновременно. Такой код называют параллельным кодом. Для передачи и-разрядного параллельного кода требуется п частотных каналов. Но этот же код можно передать и по одному каналу, если разряды кода передавать не одновременно, а по очереди по одной линии связи. Такой код называют последовательным кодом.

На рис. 6.8 показана функциональная схема одноканальной системы телеуправления с преобразованием параллельного кода в последовательный и обратно. Здесь все элементы кода поступают в линию связи поочередно во времени.

Рис. 6.8. Схема одноканальной кодовой системы телеуправления.

Максимальное число возможных кодовых комбинаций в двоичном коде (в двоичной системе счисления) N = 2^п. Если в коде все комбинации рабочие, то такой код называют безызбыточным двоичным кодом. Для этого кода число разрядов, в которых элементы одной рабочей кодовой комбинации отличаются от другой, называют кодовым расстоянием d= 1. Такой код является помехонезащищенным кодом. В этом случае любая однократная ошибка (замена хотя бы одного любого 0 на 1 или любой 1 на 0) приводит к ложному переходу от одной рабочей кодовой комбинации к другой, соответствующей другому сообщению. Единственная защита такого кода от ошибок — фиксация нарушения количества элементов в кодовой комбинации. Такие коды применяют только в тех случаях, когда влияние помех при передаче несущественно.

Для повышения помехоустойчивости кода необходимо разбить все кодовые комбинации на разрешенные (рабочие) и запрещенные, т. е. увеличить для разрешенных кодов кодовое расстояние d. При кодовом расстоянии d > 2 можно не только обнаружить, но и исправить ошибку. Таким помехозащищенным кодом можно передать меньшее число сообщений, чем кодом, в котором используются все комбинации. Такой код называют избыточным.

Для придания двоичному коду свойства помехозащищенности, т. е. свойства обнаруживать ошибки в кодовых комбинациях, можно ввести защиту по паритету (четности/нечегности). Для этого в кодовые комбинации вводят дополнительные (избыточные) защитные разряды. В двоичном коде с защитой по четности в кодовые комбинации вводят один защитный разряд, содержимое которого (0 или 1) дополняет число единиц в основных разрядах до четного. При приеме сообщения оно бракуется, т. е. признается ложным, если в нем содержится нечетное число единиц. Таким образом, если при передаче сигнала в каком-либо разряде кода вместо 0 будет записана 1 или вместо 1 будет записан 0, то сообщение будет забраковано.

Для повышения достоверности передачи кодовой информации в ряде случаев предусматривается повторение каждой кодовой комбинации два раза и более. Кроме помехозащищенных кодов широко применяют информационную обратную связь. В этом случае передающее устройство сравнивает переданное им сообщение с сообщением, полученным по каналу обратной связи. При совпадении сообщений передается разрешающий сигнал, а при несовпадении — сигнал запрета на использование переданной информации. Существуют и другие методы повышения достоверности передаваемой информации.

В системах кодового избирания за один цикл передачи нельзя передать несколько кодовых комбинаций. Можно передать только одну комбинацию или один приказ. В случае необходимости передать несколько приказов, они передаются поочередно. Поэтому полное время передачи всех сообщений в кодовых системах всегда больше, чем в системах с прямым избиранием.

Групповой метод избирания. Кроме прямого и кодового избирания применяют групповой, или адресный, метод избирания. Согласно этому методу все сообщения разбивают на группы, например, по виду выполняемых операций «Включить/Отключить». При этом уменьшается требуемое число каналов связи.

При обмене данными между пунктом управления (ПУ) и контролируемым пунктом (КП) сообщения передаются короткими массивами, которые называют кадрами, фреймами или посылками. Способ кодирования данных и порядок обмена посылками между ПУ и КП обычно называют протоколом обмена. Существует несколько стандартных протоколов обмена. Одним из основных требований при выборе протокола обмена является его надежность, т. е. способность передавать данные без искажений, и возможность повторной передачи в случае сбоя.

Замечание 6.1.

В рассмотренных выше случаях механизм передачи импульсов совершенно одинаков. Различаются лишь способы включения элементов (ключей или контактов реле), задающих импульсные признаки и схемы приемных цепей. Поэтому принцип независимых посылок и комбинационный принцип построения сигналов могут применяться при любом способе разделения сигналов: независимом, частотном или временном.