Коллоквиум по ЕМЕЦ

ВОПРОСЫ

1 Структурная схема телемеханического комплекса.

2 Классификация систем телемеханики.

3 Система передачи информации.

4 Импульсные признаки сигналов.

5 Спектры сигналов.

6 Квантование. Квантование по уровню.

7 Квантование по времени.

8 Квантование по уровню и по времени.

9 Дифференциальное квантование.

10 Модуляция. Амплитудная модуляция.

11 Частотная модуляция.

12 Фазовая модуляция.

13 Импульсные методы модуляции (АИМ, ШИМ, ФИМ, ЧИМ).

14 Кодоимпульсная модуляция.

15 Дельта-модуляция.

16 Разностно-дискретная модуляция.

17 Многократные методы модуляции.

1 Структурная схема телемеханического комплекса

Телемеханика- отрасль науки и техники, охватывающая теорию и технические средства контроля и управления объектами на расстоянии с применением специальных преобразователей сигнала для эффективного использования каналов связи.

1-диспетчер, 2- аппаратура диспетчерского пункта.

КС(канал связи) – это совокупность техн.средств, обеспечивающих прохождение сигнала между ПУ и КП, другими словами

КС – это линия связи + каналообразующая аппаратура.

АКП(аппаратура контрольногопункта) – это место расположения объектов контроля, принимаемых управляющие воздействия и передаваемых информацию на пункт управления.

Д- диспетчер, О- объект.

КУТМ(комплекс устройств телемеханики) - совокупность технических средств, выполняющие обмен информации между ПУ и КП через канал связи.

ТУ(телеуправление)- воздействие на органы управления или исполнительные устройства имеющие дискретные состояния путем подачи дискретных команд.

ТР(телерегулирование)- ТУ объектами с непрерывным множеством состояний.

ТИ(телеизмерение)- передача значений непрерывных измеряемых величин с КП на ПУ.

ТС(телесигнализация)- передача информации о дискретных состояниях объекта типа «да»(нет).

2 Классификация систем телемеханики.

1. По функциональным возможностям

- ТИ

- ТИ-ТС

- ТУ-ТР-ТИ-ТС

2. По условиям эксплуатации

- стационарные системы

- мобильные системы

3. По размещению объектов управления

- сосредоточенные – когда экономически и технически выгодно применять один КП для группы объектов

- рассредоточенные – один ПУ и несколько КП

Примеры: система ТМ промысла и объектов трубопроводного транспорта

4. По структуре каналов связи:

- цепочечная система

	КП				…..

-древовидная

-комбинированная

3 Система передачи информации

Событие- состояние объекта или изменение состояния объекта.

Сообщения- все то, что передается о ходе производственного процесса; форма представления информации.

Информация- содержательные сведения, заключающиеся в том или ином сообщении.

Сигнал- некоторое физическое возмущение, изоморфно отображающее, т.е. сигнал может быть однозначно преобразован в сообщение.

Функция приемника- отфильтровать помеху и преобразовать сигнал в сообщение, в форму удобную для получателя.

Существует несколько способов преобразования сообщения в сигнал:

1.преобразование сигнала одной физической природы в другую, эту функцию выполняют преобразователи сигнала.

2.Квантование.

3.Модуляция.

4.Кодирование.

Как правило для передачи информации используют сигналы, представляющие собой колебания тока или напряжения называемые импульсом.

Различают: видео- и радиоимпульсы.

Видеоимпульсы образуются постоянным током или напряжением.

Виды видеоимпульсов:

Радиоимпульсы образуются путем заполнения видеоимпульсов высокочастотными гармоническими колебаниями, при этом видеоимпульсы являются образующей высокочастотного колебания(сигнала).

S=Т/

А- амплитуда импульса,

-длительность,

Т- период импульса,

S-скважность.

4 Импульсные признаки сигналов

Для нанесения сообщения на сигнал необходимо изменять в соответствии с сообщением какую- нибудь характеристику или признак сигнала.

Признаки сигнала, которые могут изменять:

1.полярные признаки(их всего 2):

2.амплитудные признаки(число амплитудных признаков не превышает 3-х, чаще , в ряде случаев одна А=0):

Ограничение числа амплитудных признаков связано со сложностью формирования импульсов на передающей стороне и селектирования амплитуд импульсов на принимающей стороне. Кроме того амплитуда в наибольшей степени подвержена искажениям при передаче на расстояния.

3.Временные признаки(характеристики по длительности):

4.Частотные признаки(их много и сними работать легче):

Отличительной особенностью частотного сигнала является его высокая помехоустойчивость.

5.Фазовые характеристики:

При использовании фазового признака одно колебание должно быть опорным, а другое- информационным, сдвинутом по фазе относительно опорного в большую или меньшую сторону.

5 Спектры сигналов.

Есть понятия емкость канала связи и объем сигнала. Физический эквивалент канала связи и сигнала – куб. чтобы сигнал мог пройти через канал, необходимо, что бы он поместился в канал. Любой физический процесс протекающий во времени может быть представлен гармоническими колебаниями определенной частоты. Для периодических функций для оценки спектра сигнала удобно использовать разложения в ряд Фурье: F(x)=a0+ån=1∞an∙cos(2∙π∙n∙t/T); где a0=(1/T)∙∫-T/2T/2F(t)dt; an=(2/T)∙∫-T/2T/2F(t)∙cos(2∙π∙n∙t/T)dt, a0- постоянная составляющая сигнала, an – амплитуда соответствующей составляющей сигнала. Т – период следования сигнала.

Ф – фильтр с бесконечно узкой полосой пропускания смещатся полоса может от 0 до ∞;

Координаты линий спектра определяются по формулам: fj=j/T, координаты минимумов огибающей определяется по формулам: Fj=j/τ. Для большинства рассмотренных выше форм импульсов выполняется соотношение: ΔF∙τ≈1. ΔF - полоса частот, соответсвующая 1-му лепестку огибающего спектра. На этом лепесток приходится более 90% энергии сигнала, поэтому под шириной спектра периодического сигнала принято считать область частот от 1 до τ. При изменении скважности сигнала следования импульсов необходимо установить за счет чего происходит данное изменение. За счет изменения периода, или за счет изменения длительности импульса. В первом случае (изменение Т) изменение скважности приведет к изменению линий спектра при неизменности эквивалентной ширине спектра. Во втором случае изменение τ координаты линии спектра остаются неизменными, эквивалентная ширина спектра изменится в соответствии с изменением τ.

Случай не периодических функций.

Для описания непериодических функций используется интеграл Фурье:

F(t)=(1/(2∙τ))∙∫-∞∞S(ω)ejωtdt, S(ω) – спектральная плотность функции F(t), характеризует распределение энергии сигнала по участкам спектра, S(ω) – непрерывная функция.

см.фильтр предыдущий. Эквивалентная ширина спектра соответствует первому лепестку огибающей. Спектр непрерывный.

Переход непрерывного спектра в дискретный.

При увеличении количества передаваемых импульсов от 1 до ∞ происходит преобразование непрерывного спектра в дискретный:

Спектр радиоимпульсов.

Бесконечные гармонические колебания имеют спектр:

6 Квантование. Квантование по уровню.

Квантование – замена непрерывной функцией дисперсной. Источники сообщений и соответствующие им сигналы подразделяют на непрерывные и дисперсные. Непрерывные – сигналы которые могут принимать в некоторых пределах любые значения и являются непрерывными функциями времени. Дискретные – сигналы, которые состоят из отдельных элементов, имеющих конечное число различных значений.

- дискретная по уровню, непрерывная по времени

- дискретная по времени, непрерывная по уровню.

Квантование по уровню (квантование по множеству).

При квантовании по уровню передаются только определенную амплитуду (значение сигнала), отличающегося на величину q-шаг квантования по уровню. Если q=const, то квантование – равномерное. Если q<>const то квантование – неравномерное (акустика, виброметрия). Правила квантования: переход с одного дискретного уровня на другой осуществляется, когда непрерывная функция находится в середине шага квантования.

. Минус: потеря точности (погрешность, ошибка). Абсолютная погрешность квантования по уровню Δ: Δ=x/(t)-x(t), Δmax=±q/2, N – число уровней квантования, N=(xmax-xmin)/q+1, приведенная погрешность квантования: γ=Δmax∙100%/(xmax-xmin)=(±q/2)/(q(N-1))=±50%/(N-1). На практике часто приходится решать обратную задачу, по приведенной погрешности определить N или n-разрядов (двоичных) АЦП, осуществляющего преобразования непрерывной функции в двоичный код: N=±50%/γ+1. Связь между разрядного АЦП и числом уровней квантования.

7 Квантование по времени.

При квантовании по времени непрерывная функция заменяется ее амплитудными значениями, взятыми в определенные моменты времени. Шаг дескритизации определяют на основании теоремы Котельникова: Любая непрерывная функция, спектр которой ограничен частотой fmax может быть полностью восстановлена по ее дискретным значениям, взятыми через интервал времени Δt<1/(2∙fmax). На приемной стороне стоит задача восстановления функции. Используются интерполяция с различными законами: линейная, квадратичная, которые вносят поправку в теорему Котельникова: Δt<1/(2∙η∙fmax); η – зависит от способа интерполяции. На приемной стороне имеем значение амплитуды непрерывной функции, взятые через интервал Δt, т.е. нам известно значение функции в ti момент времени. _____ - исходная функция, - - - - - линейная интерполяция, -- -- -- ступенчатая интерполяция. ηлин≈0,75/√γ, γ - приведенная погрешность, взятая в относительных единицах (0,1=10%), ηступ≈3…5∙ ηлин; чем хуже интерполяция, тем чаще надо брать Δt, что бы уменьшить погрешность. Однако существует пропускная способность канала, которая ограничивает уменьшение Δt. Спектр передаваемого сигнала должен быть согласован с полосой пропускания передаваемого сигнала. Отрицательная сторона квантования по времени: необходимость различать большее число уровней сигнала.

8 Квантование по уровню и по времени.

При таком квантовании непрерывная функция заменяется через шаг дискретизации t ее ближайшим дискретным уровнем. t- определяется по теореме Котельникова. Количество уровней квантования N определяется исходя из заданной погрешности квантования по уровню.

Суммарная погрешность квантования определяется по:

На практике часто задается общая погрешность. Для решения заданного квантования по уроню и по времени необходимо разделить общую погрешность на составляющие, затем исходя из погрешности квантования по уровню находят число уровней квантования N, определяют разрядность АЦП «n». Исходя из погрешности квантования по времени с учетом заданного вида интерполяции и верхнего значения частоты Fmax определяют шаг дискретизации t.

9 Дифференциальное квантование.

При этом квантовании непрерывная функция заменяется ее дискретными значениями через шагt, причем если значение непрерывной функции больше предыдущего дискретного значения, то дискретная функция делает один шаг вверх, если значение непрерывной функции меньше предыдущего дискретного значения, то дискретная функция делает один шаг вниз.

При дифференциальном квантовании, квантованная функция не может перескакивать через уровни ине может сохранять значение неизменным дольше интервала t. При быстрых изменениях непрерывной функции возможно отставание дискретной функции. Преимущества дифференциального квантования заключается в том, что значения квантованной функции может передаваться импульсами, например, с по мерными признаками, при этом передается не значение квантованной функции, а ее приращение.

10 Модуляция. Амплитудная модуляция.

Модуляция- процесс каких-либо параметров несущего колебания в соответствии с передаваемым сообщением или процессом. В зависимости от вида несущего колебания различают: непрерывные и импульсные методы модуляции. При непрерывном несущее гармоническое колебание изменяется по закону: . В соответствии с сообщением может изменяться следующие параметры несущей: амплитуда(АМ), частота(ЧМ), фаза(ФМ). При импульсном несущая колебания представляет собой последовательность прямоугольных импульсов, которые могут характеризоваться: длительностью импульсов(ШИМ), амплитудой(АИМ), периодом(частотой- ЧИМ), фазовым сдвигом(ФИМ).

Модуляция имеет следующие положительные качества:

1)увеличение числа сообщений, передаваемых по одной линии связи;

2)увеличение достоверности передаваемых сигналов;

3)увеличение эффективности излучения по радиоканалу.

Амплитудная модуляция.

В соответствии с сообщением изменяется амплитуда несущего колебания.

- глубина АМ;

а)m<1 – нормальная модуляция;

б)m=1 – 100% модуляция;

в)m>1 – наблюдается явление перемодуляции.

Частота и фаза при АМ не изменяется.

Спектр амплитудно- модулируемого сигнала.

Пусть сообщение является гармоническим и изменяется по закону:

Передача модулируемого сигнала возможна или путем передачи всего спектра модулируемого сигнала или путем передачи одной из боковых полос, при этом другая боковая полоса и несущая подавляются. Приемник должен иметь для демодуляции несущую частоту. При АМ возможно уплотнение каналов связи, при этом различные сообщения с одинаковым спектром модулируются каждая на своей несущей частоте. В результате модулир-ые сигналы будут иметь непересекающиеся спектры, после этого возможна передача модулированных сообщений по одной линии связи одновременно.

Можно добиться существенной экономии в частотной области путем сближения несущих частот и использования с одной боковой полосой.

11 Частотная модуляция.

U=U0cos(ω0t+φ0), в соответствии с изменением значения сообщения изменяется f несущего сигнала, относительно своего центрального значения f0(ω0). Если сообщение (+) – частота увеличивается, если (-) – частота уменьшается.

ω=ω0+Δω∙f(t), наибольшее отклонение частоты модулированного сигнала от центрального значения ω0, называется девиация частоты. В частном случае девиация=Δω, mf=Δω/Ω – Индекс частотной модуляции. Разложение в спектр частотно-модулированного сигнала даже для гармонического сообщения представляет не простую задачу.

Частотная манипуляция.

Частотная манипуляция – это частотная модуляция для сообщения принимающего 2-значения . Достаточно часто используется в системах т.м., достоинство: высокая помехоустойчивость частотного сигнала.

12 Фазовая модуляция.

При фазовой модуляции в соответствии с передаваемым сигналом изменяется фаза несущего колебания: φ=φ0+Δφ∙f(t), mφ= Δφ-индекс фазовой модуляции.

- т.е. при изменении исходного сигнала, фаза запаздывает, либо опережает основную частоту. Можем заметить, что изменение мгновенной фазы сигнала вызывает изменение мгновенной частоты сигнала, т.е. частотная и фазовая модуляция – это две стороны одного и того же процесса – угловая модуляция. Девиация частоты и индекс фазовой модуляции связаны между собой: Δω=Ω∙Δφ. Ширина спектра фазомодулируемого сигнала эквивалентна ширине частотно модулируемого сигнала и равно: ΔFm≈2∙Ω∙(mφ+1).

Фазовая манипуляция. Ф.манипуляция – это фазовая модуляция имеющая 2 значения амплитуды. Как правило фазовый сдвиг делают кратным π/2.

13 Импульсные методы модуляции (АИМ, ШИМ, ФИМ, ЧИМ).

Несущие колебание представляет собой последовательность прямоугольных импульсов

При АИМ 1 рода соответствием сообщение изменится амплитуда прямоугольных импульсов.

Длительность импульсов и частота их следования и фаза остаются неизменно

При ШИМ в соответствии с амплитудой сообщения изменяется длительность импульсов при этом их амплитуда частота следования и фазов. сдвиг начала импульса является постоянным

В ЧИМ в соотв. с амплитудой сообщения изменится частота следования прямоугольных импульсов, остальные параметры (А, длительность) const.

В ФИМ в соотв. сообщение изменится фаза появления импульсов, амплитуда и длительность = const

14 Кодоимпульсная модуляция.

При КИМ дискретные значения сигнала предаются в фиксиров. момента времени в виде соответствующей кодовой комбинации.

Передаваемое непрерыв. сообщ. д/б предварительно квонтованию по уровню и по времени

Для передачи кодовой комбинации отвод соответствии … дискретизации при передачи кодов. комбинации в парал. виде длительность каждого бита м. приближ. к

При послед. передаче за интервал времени необходимо передать n-битов кода, где n-число разрядов кодовой комбинации т.е. длительность отдел. битов при послед. передаче в n-раз <, чем при парал. передачи кода. Соответственно ширина спектра КИМ-сигнала, в n-раз >, чем у парал. КИМ- сигнала.

15 Дельта-модуляция.

Использование при передаче диф-но квантованных сообщений. Она представл. собой разностность КИМ, при к-ой передаются только знаки приращения дискрет. они от-но предущего значения

Дос-ва: быстрая передача по сравнению с КИМ

Недост: возможность накопления ошибок

Для минимизации этой погрешности необходимо периодически передавать абс. значения сообщения.

16 Разностно-дискретная модуляция.

Разностнодискретная модуляция (РДМ)

РДМ применяется при передаче квантованных по уровню сообщений, передается инфо. о переходе знака квантован. функции с уровня по уровню в момент времени этих переходов

Дост: при медленно измен сообщ. может повышать энергию отдельных импульсов и тем самым повышать помехозащит. передачи по сравнению с КИМ повышается быстродействие

Недост: возможно накопление ошибок

17 Многократные методы модуляции

Многократные методы модуляции

Часто передаваемы сигнал образуется путем нескольких последовательных модуляций сообщения. В цифровых системах возможно одновременное использование и непрерывных, и дискретных мет. модуляции.

Общее правило многократной модуляции:

первой всегда о сущ. импульсной модуляции. При этом с соответствии самплитудной сообщении изменится заданным параметром послед. прямоугольных импульсов.

О сущ. одна или несколько непрерывных модуляции сигнала, получ. в пунктк 1, при этом изменится в соответствии с амплитудой сигнала, получ. в п. 1, заданные параметры гармонической колебаний (не сущ.)

Таким образом, каждая последующая модуляция представляет собой изменение заданного параметра и несущей с соответствии амплитудой сигнала получ. при предыдущей модуляции