6. Передача измерительной информации
6.1. Общие принципы передачи информации
6.1.1. Структурная схема канала передачи информации
Важнейшими характеристиками систем передачи информации (СПИ) являются число одновременно функционирующих физических каналов связи между абонентами, надежность и скорость абонентского доступа к информации, скорость передачи информации. Исторически сложилось так, что первые системы передачи информации были аналоговыми. В зависимости от типа линии связи аналоговый сигнал может передаваться без дополнительной обработки или подвергаясь операциям модуляции и демодуляции. Например, в радиочастотном диапазоне медленно изменяющийся измерительный сигнал является модулирующим для несущей частоты передатчика. На приемном конце сигнал подвергается обратному преобразованию – демодуляции (рис. 6.1, а). В связи с меньшей помехоустойчивостью, пропускной способностью и совместимостью с современной измерительной и сетевой аппаратурой аналоговые СПИ постепенно заменяются более прогрессивными – цифровыми [103, 105, 106, 125]. Обобщенная структурная схема цифровой системы передачи информации с аналоговой линией связи показана на рис. 6.1, б.
а
б
Р и с. 6.1. Структурная схема системы передачи цифровой информации по линии связи: а – при передаче аналогового сигнала; б – при передаче цифрового сигнала
Источник информации (например, ПЛК) формирует информационные посылки, которые необходимо передать по каналу связи (КС) к приемнику на удаленном узле учета АСКУЭ. Реальные сообщения часто занимают много места, что существенно снижает скорость передачи информации по КС. Для устранения необоснованной информационной избыточности, повышения помехоустойчивости и согласования источника информации с цифровой системой передачи используется кодер источника. В зависимости от типа линии связи (АТС, радио-, волоконно-оптический или проводной канал) структура приемо-передающей части (ППЧ) может варьироваться как конструктивно, так и функционально. Для параметрического согласования источника и канала связи применяется кодер канала. Если в канале связи используются стандартные сигналы, отличающиеся от цифровых, то применяются модуляторы, преобразующие кодоимпульсные сигналы в аналоговые, многопозиционные, частотные и др.
На приемном конце необходимо выполнить функции, возвращающие информационный сигнал в исходную или другую требуемую форму. Для этого применяются демодулятор и декодеры. Совокупность кодера и декодера называется кодеком, модулятора и демодулятора – модемом.
Группа стандартов, разрабатываемая организациями стандартизации, в частности Институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE), и общественными организациями, например ATM Forum и Gigabit Ethernet Alliance, определяет параметры физического уровня линий связи в многоабонентских сетях. К ним относятся тактовая частота, метод кодирования, схема передачи и спектр сигнала. Основные сокращения, термины, стандарты и определения в области связи и сетевых коммуникаций приведены в прил. 7.
6.1.2. Параметры цифрового потока
Цифровой поток передается со скоростью, определяемой числом бит в единицу времени. Тактовая частота, измеряемая в герцах, – это число синусоидальных изменений сигнала в единицу времени. Чем больше форма сигнала отличается от синусоиды, тем больше гармонических составляющих он несет. Частоты гармоник кратны частоте несущей. Диапазон частот сложного сигнала называется спектральной шириной сигнала. Например, спектр кодоимпульсного сигнала включает основную (несущую) составляющую и гармонические составляющие, которые задают форму импульсов (рис. 6.2, а). При пропускании сигнала через линию низкой категории с ограниченной полосой пропускания спектр сигнала сужается, а форма импульсов отклоняется от прямоугольной (рис. 6.2, б-г). Кроме того, причиной сглаживания фронтов импульсов является дисперсия сигнала, которая увеличивается с ростом длины линии связи. Форма сигнала может отклоняться от идеальной в некоторых допустимых пределах, позволяющих с заданной достоверностью различать «0» и «1». Как правило, вероятность ошибки в телеметрических системах не должна превышать значения ре=10-7...10-9 с учетом шумовых помех в канале [103, 105, 106, 125].
Если необходимо увеличить пропускную способность имеющейся линии, то выбирают специальные методы кодирования. К таким методам относятся уменьшение частоты переходов из «0» в «1» и наоборот (так называемой сигнальной скорости), использование нескольких сигнальных параметров (фаза, частота, поляризация), увеличение количества уровней дискретного сигнала до 3...5.
Р и с. 6.2. Взаимосвязь спектра и формы сигналов: а – идеальные прямоугольные импульсы (F1); б, в, г – пропущенные через каналы связи с полосами пропускания F2>F3>F4
Скорость сигнала в непрерывном канале, подверженном воздействию шума, в соответствии с теоремой Шеннона равна
,
(6.1)
где Рс – мощность сигнала [Вт]; F – полоса пропускания КС [Гц]; N – спектральная плотность шума [Вт/Гц].
Дискретным двоичным каналам связи соответствует выражение [100-102]
, (6.2)
где
– скорость передачи сигнала; u
– длительность одиночного импульса
(«1» или «0»).
Данные могут передаваться битами или байтами. Существует определенная взаимосвязь скорости передачи данных с диапазоном частот в каналах. Например, протоколами физического уровня стандарта OSI (Open System Interconnect) определены шесть категорий каналов передачи информации с соответствующими значениями пропускной способности (табл. 6.1).
Таблица 6.1