Линейное разделение каналов

В классификации ИИС по характеристикам входных величин мы выделили класс ИИС с числом входных величин n≥2. Такие ИИС называются многоканальными и они применяются обычно при проведении комплексных исследований и испытаний сложных объектов. Число входных величин, которые надо измерить, может достигать нескольких сотен. При этом должна быть решена задача уплотнения (разделения) измерительных каналов. Это значит, что сначала измерительные сигналы надо представить в виде, обеспечивающим их передачу по общей для всех измерительных каналов линии связи (уплотнить каналы), а затем из принятого группового сигнала выделить сигналы каждого измерительного канала (разделить каналы) для их последующей обработки и выдачи потребителю.

Часто в обоих случаях употребляют термин «разделение каналов», поэтому в дальнейшем будем употреблять именно этот термин.

Линейное разделение каналов может осуществляться при использовании для формирования канальных сигналов линейно независимых неортоганальных функций или линейно независимых ортоганальных функций. Линейная независимость функций определяются теоремой Грама: «Чтобы функции f₁(t), f₂(t), . . . , f_n(t), заданные на интервале 0£t£T, была линейно независимыми, необходимо и достаточно, чтобы был отличен от нуля определитель матрицы, элементы a_ij которой вычислены с помощью выражения

». (2.1)

. (2.2)

Пример: экспоненциальные функции при являются линейно независимыми неортогональными функциями.

Чтоб функции были ортогональными, необходимо выполнение следующего условия:

(2.3)

Пример: тригонометрические функции - линейно независимые ортогональные функции.

Принцип частотного разделения каналов

При частотном разделении каналов каждому сигналу сообщения отводится своя полоса частот на оси частот, такая, что бы спектры разных канальных сигналов не пересекались. Перенос спектров сигналов сообщений (рисунок 2.1) в более высокочастотную область (рисунок 2.2) осуществляется при модуляции сигналом сообщения более высокочастотного сигнала, называемого поднесущей. В качестве поднесущих используются гармонические колебания вида

, (3.4)

где i=1, 2, …, N, N – число каналов, подлежащих уплотнению.

Рисунок 2.1 – Исходные сигналы сообщений

- поднесущая частота, - несущая частота

Рисунок 2.2 – Спектры сигналов в групповом тракте (линии связи)

На рисунке 2.3 представлена структурная схема многоканальной измерительной системы с частотным разделением каналов

D – датчики, М – модулятор, Г – генератор, - сумматор, Гн – генератор несущей, ПР – приемник, ПФ – полосовой фильтр для ограничения влияния других каналов, ДМ – демодулятор, РУ – регистрирующее устройство

Рисунок 2.3 – Реализация принципа частотного разделения каналов

Принцип временного разделения каналов

В основе временного разделения каналов лежит теорема В.А. Котельникова о том, что непрерывный сигнал, спектр которого ограничен максимальной частотой Fc_макс полностью определяется его дискретными отсчетами, взятыми через интервалы времени

.

При этом в промежутках между отсчетами одного канала можно передать отсчеты сигналов других каналов. Таким образом, сигналы от разных источников подключаются к общей линии поочередно, не перекрываясь друг с другом (рисунок 2.4). Такие сигналы удовлетворяют условиям линейной независимости и ортогональности.

T_Д – время дискретизации, Тк– канальное время, СИ – синхроимпульс

Рисунок 2.4 – Иллюстрация принципа временного разделения каналов

На рисунке 2.5 показана структурная схема многоканальной измерительной системы с временным разделением каналов и линией связи в виде радиолинии. Вместо радиолинии в ряде случаев может быть использована проводная линия связи.

Для образования разделяемых измерительных каналов работа устройств управления (УУ) ключевыми элементами (КУ) на передающей и приемной стороне должно быть синхронная и синфазная. Поэтому один из каналов отводится для передачи синхроимпульса, существенно отличающийся по одному из параметров от информационных импульсов (отсчетов сигналов) (СИ на рисунке 3.4 имеет амплитуду, большую, чем максимальное значение отсчета измерительного сигнала). СИ выделяется на приемной стороне селектором синхроимпульса (СС), и устанавливает счетчик каналов на приемной стороне в начальное состояние, с которого начинается счет каналов, т.е. обеспечивает синфазность УУ.

D – датчик, КУ – ключевое устройство, УУ – устройство управления,

М – модулятор, Г – генератор, ПР – приемник, ДМ – демодулятор,

УВ – устройство восстановления, РУ – регистрирующее устройство,

СС – селектор синхроимпульсов, СКИ – селектор канальных имульсов

Рисунок 2.5 – Структурная схема измерительной системы с временным разделением каналов

Селектор канальных импульсов (СКИ) формирует из принимаемого группового сигнала синхронный канальный импульс, который поступает на счетный вход УУ и осуществляет переключение счетчика каналов в темпе поступления отсчетов соседних каналов.

Как видно из схемы, первичное преобразование измерительных сигналов в СВРК всегда есть преобразование непрерывных сигналов в дискретные, то есть дискретизация. Соответственно, в первой ступени модуляции осуществляется, как правило, АИМ-1.

Групповой сигнал с выхода коммутатора каналов может подвергаться вторичному преобразованию. Если пропорционально модулирующему сигналу (сигналу датчика) изменяется ширина канального импульса τ_К, то получаем широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Если по закону изменения сигнала датчика меняется положение переднего фронта импульса относительно начала отсчета (обычно начало канального интервала), то получим время-импульсную модуляцию (ВИМ).

Сигнал с выхода коммутатора каналов может также преобразовываться в цифровой сигнал, т. е. в код. В телеметрии такой вид преобразования называют кодо-импульсной модуляцией (КИМ).

Во второй ступени модуляции последовательности импульсов, образующих сигналы с АИМ, ШИМ или ВИМ, может модулировать несущую по амплитуде (АМ), частоте (ЧМ) или фазе (ФМ).

Лекция 3. Сравнение многоканальных измерительных систем с частотным и временным разделении ем каналов

Измерительные системы с частотным разделением каналов

Достоинства

1) Одновременная (параллельная) передача сигналов от каждого датчика, независимо друг от друга. Благодаря этому практически отсутствует задержка получения измерительных сигналов на приемной стороне (если не учитывать время распространения сигнала в линии связи, которое увеличивается при увеличении дальности передачи).

2) «Живучесть» системы, которая обеспечивается опять же независимой передачей сигналов по каждому измерительному каналу.

Недостатки

1. Ограниченное число измерительных каналов.

Определяеся Нелинейностью характеристик общего тракта передачи сигналов в СЧРК вызывает ограничение максимального количества каналов, которое может быть реализовано.

Таким образом, сигнал на выходе группового тракта, а соответственно на входах всех разделительных полосовых фильтров на приемной стороне, содержит не только составляющие входного сигнала, но и большой набор комбинационных частот типа . Чем больше число каналов N, тем больше комбинационных частот появляется в спектре сигнала.

При малом числе каналов (N £ 6) еще можно подобрать поднесущие частоты F₁, F₂,…, F_N так, чтобы комбинационные частоты не попадали в полосы пропускания разделительных фильтров. С увеличением числа каналов этого сделать уже не удается.

Применение ЧМ позволяет снизить требования к линейности характеристик общего тракта, поэтому в СЧРК наиболее широко применяется ЧМ поднесущих.

Однако даже при ЧМ поднесущих практически реализуют только до 18 измерительных каналов. Разработан специальный телеметрический стандарт, определяющий значения частот в канале, девиацию поднесущей, индекс ЧМ, предельную ширину спектра сигнала, который по данному каналу может быть передан. Для всех каналов индекс ЧМ β=5, девиация (максимальное отклонение) поднесущей частоты: f_n

2) Неэффективное использование пропускной способности канала связи при передаче однотипных по частотным свойствам измерительных сигналов, т. к. в этом случае не полностью используется отведенная для каждого канала полоса частот.

Например, надо передать по общей линии 10 сигналов с Fс=5 Гц. Эффективно будет использоваться только полоса частот, отведенная для передачи первого стандартного канала (F_1макс=6 Гц). Уже 3-й канал будет недоиспользован более чем наполовину (F_3макс=11 Гц), а 10-й канал имеет избыточность полосы пропускания почти в 12 раз (F_10макс=59 Гц).

В соответствии с теоремой Шеннона пропускная способность С канала связи определяется его широкополосностью W и отношением средней мощности сигнала к мощности шума Р_Ш:

(3.1)

Пусть требуется передать N однородных по частотным свойствам измерительных сигналов, например сигналов температуры объекта в разных его точках. Максимальная частота в спектре каждого сигнала Fc_i.

Для передачи каждого измерительного сигнала необходимо выделить N каналов измерительной системы, каждый из которых допускает передачу сигнала с максимальной частотой Fв_i.

Тогда полоса частот, занимаемая передаваемыми измерительными сигналами, составит

, (3.2)

а минимально необходимая пропускная способность канала связи –

. (3.3)

В то же время выделенные для передачи каналы могут обеспечить передачу N измерительных сигналов с суммарной полосой частот

. (3.4)

по каналу связи с пропускной способностью

. (3.5)

Введем обозначение

(3.6)

или с учетом (3.2)-(3.5) при одном и том же отношении сигнал-шум получим

. (3.7)

Коэффициент μ называют коэффициентом сжатия. Он показывает долю пропускной способности канала связи, которая реально используется.

Коэффициент

(3.8)

называют коэффициентом избыточности. С учетом (3.7) можно записать . (3.9)

Для приведенного выше примера сумма частот измерительных сигналов Wо=50 Гц. В то же время десять первых каналов из стандартного ряда могут обеспечить передачу сигналов с суммарной частотой W=304.4 Гц. Из (3.7) и (3.8) определим μ=0.164 и r=0.836. То есть пропускная способность канала связи используется менее, чем на 20%.

Измерительные системы с временным разделением каналов

Достоинства