Розглянемо основні види ліній зв'язку.

Практично у всіх системах телемеханіки використовуються електричні лінії зв'язку, в яких для передачі повідомлень використовуються електромагнітні коливання. Для підводного зв'язку і управління знаходять застосування акустичні лінії зв'язку. Електричні лінії зв'язку прийнято ділити на дві великі групи: дротові і бездротові. Дротові лінії зв'язку, у свою чергу, можна розділити на повітряні і кабельні лінії.

Повітряні лінії зв'язку є сталевими, мідними або біметалевими дротами, які за допомогою ізоляторів кріпляться до опор. Рівень шумів і загасання в таких лініях досить високі, тому смуга пропускання їх не перевищує (150 -160 кГц). Надійність повітряних ліній також низька.

Значно вищими параметрами мають підземні кабельні лінії зв'язку. Смуга пропускання симетричних кабельних ліній досягає 1 МГц, а коаксіальних - 50 МГц і більше. Завдяки широкій смузі пропускання і високої надійності кабельні лінії все частіше застосовуються для створення дальніх ліній зв'язку, хоча вартість їх порівняно висока. Для компенсації загасання сигналу при передачі його на великі відстані через кожні декілька десятків кілометрів в лінію включають проміжні підсилювачі. У перспективі в кабельних лініях зв'язку можливе використовування оптичного діапазону за рахунок застосування лазерів і волоконної оптики. Це різко підвищить смугу пропускання кабельних ліній.

Для зниження вартості телемеханічних систем, як лінії зв'язку можна використовувати лінії, призначені для інших цілей. Так, широке застосування для передачі сигналів телемеханіки знаходять лінії електропередачі. Такі лінії, окрім своєї основної функції - передачі електричної енергії постійного або змінного струму промислової частоти 50 Гц, передають сигнали телемеханіки на частотах від 30 до 500 кГц. Для цього використовують спеціальну апаратуру під'єднування і обробки. Як лінії зв'язку в телемеханіці використовують також контактні мережі для електричного транспорту.

Для передачі телемеханічних сигналів на великі відстані для управління рухомими об'єктами і в космічних системах застосовують бездротові лінії: радіо і лазерні лінії зв'язку.

Для передачі сигналів телемеханіки по радіолініях використовують діапазон дециметрових хвиль (від 300 до 3000 МГц), в якому достатньо низький рівень шумів. Для збільшення дальності дії і зменшення впливу перешкод в передавачах і приймачах радіоліній використовують гостронаправлені антени. Радіохвилі дециметрового діапазону можуть використовуватися практично тільки в межах прямої видимості, яка обмежена кривизною земної поверхні. Тому при передачі сигналів на велику відстань використовують радіорелейні лінії. Між передавачем і приймачем через кожні 40 - 60 км встановлюють проміжні пункти ретрансляції. У цих пунктах виробляється прийом сигналу, відділення його від перешкод, підсилення і подальша передача. Все частіше як пункти ретрансляції використовують штучні супутники Землі.

Величезними можливостями володіють лазерні лінії зв'язку, в яких може використовуватися надзвичайно широкий діапазон частот - від радіохвиль до видимого світла . Випромінювання цього діапазону досить швидко затухають в земній атмосфері, тому застосування бездротових лазерних ліній зв'язку найбільш перспективне для космічних систем, а в земних умовах - при відстанях не більше декількох десятків кілометрів.

Пристрої телемеханіки можуть займати, або абонувати, канали постійно або лише на час передачі сигналу. У першому випадку канал називається виділеним, в другому - комутованим. Залежно від можливого напряму передачі розрізняють канали симплексні (сигнали передаються в одному напрямі), дуплексні (можлива передача в обох напрямах одночасно) і напівдуплексні (напрям передачі може бути змінене у будь-який момент часу).

Використовування стандартних каналів зв'язку, природно, вимагає уніфікації і стандартизації, як самих телемеханічних пристроїв, так і сигналів, що несуть інформацію.

 

Перетворення сигналу.

Електричні сигнали, що підлягають передачі в системах телемеханіки, в більшості випадків лежать в низькочастотній частині спектру в діапазоні від нуля до декількох десятків герц. Безпосередня передача цих сигналів між ПУ і КП іноді використовується в так званих системах інтенсивності, але дальність дії подібних систем обмежена і рідко перевищує декілька десятків метрів, оскільки низькочастотні сигнали найсильніше схильні до дії перешкод при передачі їх на дальні відстані.

Смуга пропускання низькочастотних - повітряних ліній зв'язку починається від (0,3—1,0 кГц). Тому для того, щоб погоджувати низькочастотний сигнал з високочастотною лінією зв'язку, здійснюють перенесення спектру сигналу у високочастотну область. Для цього низькочастотному сигналу ставлять в однозначну відповідність один з параметрів високочастотного коливання, названого несучим. Таке перетворення спектру називають модуляцією, а пристрій, що здійснює модуляцію – модулятором. Можливі такі методи модуляції: безперервні, імпульсні і цифрові.

Безперервні методи модуляції. При безперервних методах в якості несучого використовують безперервне гармонійне коливання, що виробляється високочастотним генератором несучої частоти. Залежно від того, який саме параметр несучого коливання змінюється відповідно до зміни низькочастотного сигналу, розрізняють амплітудну (AM), частотну (ЧМ) і фазову (ФМ) модуляції.

При амплітудній модуляції незалежно від форми сигналу (x(t)) в результаті модуляції відбувається перенесення його спектру з низькочастотної області у високочастотну. Частота високочастотного коливання вибирається залежно від вигляду і смуги пропускання лінії зв'язку. Саме по собі це коливання інформації не несе, тому при прийомі здійснюють зворотне перетворення, виділяючи початковий низькочастотний сигнал. Таке перетворення називається демодуляцією, а відповідний пристрій - демодулятором.

При частотному і фазовому методах модуляції потрібна ширша смуга пропускання лінії зв'язку, ніж при амплітудному, але вони є більш стійкими до перешкод.

Для того, щоб забезпечити двосторонню передачу сигналів, на кожному кінці лінії зв'язку повинен бути і модулятор, і демодулятор. У сукупності такий пристрій називають модем. У системах передачі даних модем є основною частиною пристрою перетворення сигналів.

Імпульсні методи модуляції. При імпульсних методах несучим коливанням є періодична послідовність прямокутних імпульсів. Модулятор відповідно до зміни низькочастотного сигналу змінює будь-який параметр цієї послідовності: амплітуду імпульсів (амплітудно-імпульсна модуляція - АІМ), їх частоту (частотно-імпульсна модуляція - ЧІМ), тривалість (широтно-імпульсна модуляція - ШІМ), момент появи (фазо-імпульсна модуляція, ФІМ) і інші.

Принципова відмінність імпульсних методів модуляції від безперервних полягає у тому, що з їх допомогою можна передати значення сигналу лише в окремі моменти часу - моменти передачі чергових імпульсів.

Отже, безперервні сигнали (наприклад, телеметричні сигнали) при імпульсній модуляції слід піддати квантуванню за часом згідно теоремі Котельникова. Для демодуляції необхідно вимірювати той параметр імпульсів, який несе інформацію (амплітуду, тривалість, частоту і т. д.).

Цифрові методи модуляції. Розглянуті вище методи модуляції дозволяють в принципі абсолютно точно передати значення сигналу (безперервні - в будь-які, імпульсні - в окремі моменти часу). Але практично точність передачі при використанні цих методів обмежена дією перешкод і не ідеальністю характеристик модулятора, лінії зв'язку, демодулятора і інших пристроїв, що беруть участь в передачі сигналу.

Незрівнянно вищу точність забезпечують дискретні, або цифрові, методи модуляції. При цифровій модуляції сигнал піддається квантуванню як за часом, так і по рівню. Збільшуючи число рівнів квантування (і відповідно розрядність коду), можна зробити помилку квантування по рівню дуже малою. Природно, що за це доводиться розплачуватися збільшенням часу передачі або розширенням необхідної смуги пропускання лінії зв'язку (якщо збільшувати частоту проходження імпульсів). Представлення дискретного за часом і по рівню сигналу у вигляді цифрового коду здійснюється за певними правилами відповідно до прийнятого методу кодування. Пристрої, що здійснюють кодування і зворотне перетворення - декодування сигналу, називають відповідно кодером і декодером.

Якщо в кожному такті передається повне значення сигналу, то такий метод називається кодоімпульсної модуляцією (КІМ).Для зменшення числа передаваних розрядів коду можна передавати лише зміну сигналу за період квантування. Такий метод називається різницевою модуляцією. У граничному випадку можна передавати тільки знак приросту сигналу, для чого потрібен тільки один розряд (наприклад, наявність імпульсу означає позитивна, відсутність - негативна зміна сигналу, що відповідає дельта-модуляції).

Цифрові методи модуляції дозволяють вести передачу інформації без накопичення помилок за рахунок перетворення сигналу в пунктах ретрансляції, що дозволяє створювати системи з практично необмеженою можливістю дії. Крім того, цифрові сигнали не вимагають додаткових перетворень при введенні-виведенні з ЦОМ, що широко використовують в телемеханіці. Все це зумовило виняткове використання цифрових методів для передачі телемеханічної інформації.

Для того, щоб охарактеризувати точність передачі інформації при цифрових методах, використовують коефіцієнт помилок, чисельно рівний відношенню числа неправильно прийнятих символів до загального числа переданих. В більшості випадків, особливо при передачі командної інформації, таке значення коефіцієнта помилок дуже велике. В той же час, згідно теоремі Шеннона, якщо швидкість передачі інформації не перевищує пропускної спроможності каналу, можна передати інформацію в принципі взагалі без помилок.

Підвищення точності передачі можна добитися шляхом введення надмірності в передаване повідомлення. Для цього, окрім інформаційних розрядів, по каналу передаються додаткові розряди, інформації не несучі, що служать тільки для підвищення точності передачі. Ці додаткові розряди, підібрані за певними правилами, дозволяють при прийомі знаходити або навіть виправляти помилки в інформаційних розрядах.

В цілому всі способи підвищення точності передачі можна розділити на дві великі групи: з використанням перешкодостійких кодів і з використанням зворотного зв'язку.

Перешкодостійке кодування. Суть цього методу полягає в кодуванні передаваної інформації за допомогою спеціальних коректуючих кодів.

Розроблене велике число різних коректуючих кодів. Якнайкращими є такі коди, які дозволяють знаходити помилки найбільшої кратності при внесенні якнайменшої надмірності. Крім того, необхідно враховувати простоту побудови кодуючих і декодуючих пристроїв.

Зворотній зв'язок. Іншим способом введення надмірності для підвищення перешкодостійкості є використання зворотного каналу передачі. Існує два основні способи використання зворотного каналу: інформаційний і вирішальний зворотний зв'язок.

Інформаційний зворотній зв'язок (ІЗЗ) полягає у тому, що кожен прийнятий приємо-передаючим пристроєм одержувача інформації блок інформації по зворотному каналу передається назад до джерела інформації. Пристрої порівняння порозрядно порівнюють переданий і прийнятий блоки інформації. Якщо помилок не знайдено, то виробляється передача наступного блоку. Якщо ж переданий і прийнятий блоки не співпадають, то передається сигнал помилки, по якому в одержаний раніше блок стирається. Після цього здійснюється повторна передача цього ж блоку інформації.

Вирішальний зворотний зв'язок (ВЗЗ) є досконалішим способом підвищення точності передачі. Звичайно ВЗЗ використовується в поєднанні з перешкодостійким кодуванням. В цьому випадку одержувач інформації аналізує прийняте повідомлення відповідно до використаного способу кодування і, тільки знайшовши невиправлені помилки, запрошує по зворотному каналу помилково прийнятий блок інформації. Таким чином, зворотний канал зайнятий тільки на час передачі запиту на повторення помилкового блоку, а в решту часу може використовуватися для

іншої мети.

У сучасних системах телемеханіки оптимальне використовування різних способів підвищення точності передачі дозволяє понизити коефіцієнт помилок до (один помилково прийнятий символ на 10 мільйонів переданих) і менш. Це вимагає застосування досить складної і досконалої апаратури. Але сучасна мікроелектроніка, зокрема, використання вбудованих мікропроцесорів, дозволяє вирішити цю задачу і забезпечити високу надійність апаратури при порівняно низьких (по відношенню, наприклад, до вартості каналу зв'язку) витратах.

В якості прикладу можна привести структурну схему систем телемеханіки та АПД (апаратура передачі даних) (рис. 18, рис. 19).

 

 

 

Рис. 18. Структурна схема апаратури передачі даних (АПД)

 

АЦП

перетворювачі; БЗР – блок завдання режимів;

ЦАП БК – блок завдання режимів кодування;

ПТС – пристрій ТС; БСС – синхронізація сигналів;

БР – блок ретрансляції; БДК – декодування.

Рис. 19. Структурна схема телемеханіки.

Питання та завдання для самоконтролю.

 

1. Що являє собою телемеханіка?

2. Де найчастіше застосовують системи телемеханіки?

3. Яким чином здійснюється перетворення сигналу в таких системах?

4. З яких елементів може складатися система телемеханіки?

5. На які системи функціонально поділяють телемеханічні системи?