Классификация каналов передачи информации в системах управления технологическими процессами на железнодорожном транспорте

Рис. 6 Классификация каналов передачи информации

Каналы радиосвязи являются единственным средством связи с подвижными объектами (поезда, самолеты, космические корабли, морские суда, включая и подводные лодки, автомобили и др.)

Признаки непрерывных каналов:

1. линейность, отчего в них имеет место принцип суперпозиции. В таких каналах входной сигнал включает в себя помеху, а продукты нелинейных преобразований малы по сравнению со входными сигналами;

2. на выходе канала постоянно (даже в отсутствии полезного сигнала) имеются помехи;

3. при передаче по каналу сигнал задерживается по времени и затухает по уровню;

В реальных каналах всегда имеют место искажения сигнала, обусловленные несовершенством характеристик канала и нередко изменениями параметров канала во времени.

Дискретным называют канал передачи информации, вход которого приспособлен для приема сообщений от дискретного источника и на его выходе также имеют место дискретные сообщения.

Дискретно-непрерывным называют канал, если вход канала приспособлен для приема дискретных сообщений, а на его выходе имеют место непрерывные сообщения.

Непрерывно-дискретным (полунепрерывным) называют канал, если вход канала приспособлен для приема непрерывных сообщений, а на его выходе имеют место дискретные сообщения.

Каналы передачи информации в системах

Регулирования движения поездов

Рис. 7 Каналы передачи информации в системах регулирования движения поездов

На рис. 7:

АБ – каналы связи светофоров на перегоне между собой и светофоров с постом ЭЦ. Связь по проводам, по кабелю, по рельсовой линии.

АЛСН – автоматическая локомотивная сигнализация непрерывного действия. Осуществляет связь сигнальной точки с локомотивом по рельсовой линии или по шлейфам.

САУТ – система автоматического управления тормозами. Канал связи сигнальной точки с локомотивом. Осуществляется при помощи шлейфа.

Переезд – канал связи поезда с переездом.

Горки – контроль длиннобазных отцепов. Применяются оптические, радиотехнические датчики. Управление горочным локомотивом.

ПОНАБ, ДИСК, КТСМ – приборы обнаружения нагретых букс.

Тепловые датчики характеризуют температуру оси локомотива. Они связаны с постом ЭЦ. Канал связи датчиков, установленных на перегоне, осуществляется по кабельной линии связи.

Диспетчерская централизация – сбор информации на контролируемых объектах. Передача этой информации на центральный пост, распределение этой информации по информационным местам; получение команд управления на центральном посту; передача этих команд на станцию, где они исполняются.

Каналы передачи информации на ЦП и обратно, каналы обмена информацией на ЦП.

Диспетчерский контроль – сбор информации о сигнальной точке в системе АБ. Передача этой информации на станцию, обобщение информации и передача её на центральный пост диспетчеру.

СКЦ – станционная кодовая централизация – управление удаленными стрелками и сигналами на станции. Каналы связи пунктов управления удаленными стрелками с поста ЭЦ.

Дискретная модуляция

Для формирования сигнала необходим некоторый переносчик, способный существовать и распространяться в линии связи: постоянный или переменный ток (аналоговые системы передачи), электромагнитное поле (радиосистемы), периодическая последовательность высокочастотных импульсов (коаксиальные и волоконно-оптические кабели) и др.

Любой переносчик имеет изменяемые параметры. Для постоянного тока это - значение и направление, для последовательности импульсов – амплитуда импульса, его ширина (продолжительность), местоположение в периоде (фаза), частота следования импульсов и др.

Информация, содержащаяся в сигнале, представляет собой изменение во времени его инфомационного параметра.

Модуляция (от лат. modulation – изменение) - процесс изменения параметра переносчика в соответствии с предъявляемым сообщением.

В дискретной модуляции изменение параметра переносчика происходит не по предъявляемому элементу сообщения, а по его отображению - кодовой комбинации.

Каждый элемент кодовой комбинации принимает конечное число значений. Изменяемый (модулируемый) параметр переносчика тоже должен принимать конечное число значений. Параметр переносчика меняется в определенные мгновения времени. Количество значений модулируемого параметра всегда равно основанию кода и при двоичном кодировании (1,0) равно двум.

Дискретная модуляция – изменение в определенные мгновения времени одного или нескольких параметров переносчика, в соответствии со значениями кодовой комбинации.

В теории передачи дискретной информации (ПДИ) различают следующие понятия, связанные с дискретной модуляцией: значащая позиция (ЗнП); значащий момент (ЗнМ); единичный интервал (ЕИ); значащий интервал (ЗИ).

Рис. 8 Сигнал однополюсной модуляции, ОПМ (значение тока).

Исходная кодовая комбинация 010110

Рис. 9 Сигнал двухполюсной модуляции, ДПМ (направление тока).

На рис.8, рис.9:

ЗнП (значащая позиция) – значение параметра сигнала, соответствующее одному из значений элемента кодовой комбинации. Различают понятия: значащая позиция модуляции на передаче (ЗнПМ) и значащая позиция восстановления на приеме (ЗнПВ);

ЗнМ (значащий момент) – мгновение времени, в которое происходит изменение значащей позиции. Различают ЗнММ на передаче и ЗнМВ на приеме;

ЕИ (единичный интервал) – отрезок времени, на котором параметр сигнала, соответствующий одной цифре кодового числа, остается неизменным. Это мерный отрезок времени, принятый за эталон;

ЗИ (значащий интервал) – отрезок времени, взятый между смежными значащими моментами. В идеальном случае значащий интервал включает в себя целое число единичных интервалов;

элементарный импульс – импульс напряжения или тока, длительностью единичный интервал.

Различают параметрические и относительные виды модуляции.

При параметрической модуляции значащие позиции любого импульса оценивают значениями параметра переносчика (амплитуда, частота, фаза и др.).

При относительной модуляции значащая позиция i-го импульса оценивается по отношению к значащей позиции предыдущего (i-1)-го импульса.

Сигналы ОПМ (однополюсной модуляции) и ДПМ (двухполюсной модуляции) применяют для передачи дискретной информации по физическим цепям (воздушные, кабельные линии, витая пара) на небольшие расстояния

Если в качестве переносчика использовать переменный ток, то модулируемыми параметрами могут быть амплитуда, частота или фаза.

В соответствии с этим можно получить три вида модуляции: амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ).

Вид сигналов для указанных случаев при передаче кодовой комбинации 010110 приведен на рис. 10.

Рис. 10 Виды сигналов при амплитудной, частотной и фазовой

модуляции

Дискретные сигналы, использующие в качестве переносчика переменный ток, применяются для передачи информации по физическим цепям и каналам тональной частоты.

При использовании переменного тока в качестве переносчика в параметрических видах модуляции за эталон берется определенное значение информационного параметра, а значащие позиции определяются сравнением истинного значения параметра с эталонным. При амплитудной модуляции (АМ) - это порог срабатывания входного устройства приемника, при частотной модуляции (ЧМ) - средняя частота канала, при фазовой модуляции (ФМ) - опорная (эталонная) фаза в пределах элементарного импульса.

В реальных условиях прохождения сигналов по каналам связи их параметры изменяются сравнительно медленно относительно длительности элементарных импульсов. Это условие позволяет применять для формирования и оценки информационного параметра очередного импульса значение параметра предыдущего импульса, то есть осуществлять относительную модуляцию (ОМ).

При ОМ если передается логическая единица (1), то значащая позиция очередного i-го импульса совпадает со значащей позицией (i-1)-го импульса, а если передается логический ноль (0) – противоположна ей. Перед началом передачи необходимо в линию послать вспомогательный импульс с известным значением информационного параметра.

При ОМ, если передается «1», то значащая позиция очередного i-го импульса совпадает со значащей позицией (i-1)-го импульса, если передается «0», то значащая позиция очередного i-го импульса противоположна значащей позиции (i-1)-го импульса.

Рис. 11 Сигнал при относительной фазовой модуляции (ОФМ)

Рис. 12 Векторное представление формирования сигналов ФМ

При фазовой модуляции вектор колебания с опорной фазой Уоп остается неизменным все время. В пределах каждого элементарного импульса для значащей позиции «1» имеет направление, совпадающее с вектором опорного колебания. Для значащей позиции «0» имеет направление, противоположное вектору опорного колебания.

Рис. 13 Векторное представление формирования сигналов ОФМ

При ОФМ перед началом передачи посылается элементарный импульс с известной фазой φ_ВСП = 0⁰. Фаза первого импульса изменится по отношению к фазе вспомогательной посылки на 180⁰ (φ₁ = 180⁰), так как первый импульс равен «0». Фаза второго импульса определяется относительно фазы первого и так как второй импульс равен «1», то его фаза остается неизменной, т.е. φ₂ = 180⁰.

Виды линий и каналов

Сформированные импульсные сигналы можно предавать по различным физическим линиям (воздушные, кабельные) с помощью стандартных каналов тональной частоты, дискретных каналов, аналоговых и цифровых систем передачи.

Вид направляющей системы или канала определяется требуемой дальностью передачи и необходимой помехоустойчивостью. Помехоустойчивость зависит от вида дискретной модуляции.

Если применены однополюсная (ОПМ) или двухполюсная (ДМП) виды модуляции, то для передачи дискретных сигналов можно использовать только физические цепи: воздушные линии связи, пары жил городского телефонного кабеля, витые пары (категории 3,4,5 и пр.). Дальность передачи будет определяться параметрами линии (активное сопротивление, проводимость изоляции, индуктивность, емкость) и составит от нескольких сотен метров (100 – 200) до нескольких километров.

По физическим цепям можно передавать дискретные сигналы и с применением дискретной модуляции на переменном токе: АМ, ЧМ, ФМ и ОФМ и пр. При этих видах модуляции дискретные сигналы чаще передают по каналам тональной частоты (ТЧ), организованным по проводным, радиорелейным, радио и спутниковым линиям. Дальность связи при этом не ограничена.

Каналы передачи дискретной информации (ПДИ) могут быть коммутируемые и выделенные.

Рис. 14 Структурная схема коммутируемого канала.

На рис.14:

АП – абонентский пункт;

АЛ – абонентская линия;

КСТ – коммутационная станция;

СЛ – служебная линия.

Канал ПДИ создается из отдельных звеньев цепи с использованием коммутационных станций.

Рис. 15 Структурная схема выделенного канала «точка – точка»

Канал работает постоянно между двумя оконечными (абонентскими) пунктами.

Рис. 16 Структурная схема группового канала

Если в один и тот же канал включаются параллельно несколько оконечных (абонентских) пунктов, то такой канал называется многопунктовым (групповым, моноканалом).

Если в канал включается один источник и несколько получателей информации, то такой канал называют «точка-многоточка».

Для повышения пропускной способности линий на одной физической паре организуют несколько каналов, создавая многоканальные системы.

В многоканальных системах используют методы частотного разделения каналов (ЧРК) или временного разделения каналов (ВРК).

Методы разделения каналов ещё называют мультиплексированием.

Искажение формы импульса, проходящего по линии, зависит от времени нарастания фронта импульса:

где: t_н – время нарастания фронта импульса;

DF – полоса пропускания линии (стальная линия связи допускает передачу частот до 30 КГц, медная линия связи пропускает частоты до 180 КГц);

1 10^{- 4}

Cu: DF = 180 КГц; t_н = ---------------- = -------- = 2,7 х 10 ^{- 6} с = 2,7 мкс;

2 х 180000 36

1 10^{- 4}

Fe: DF = 30 КГц; t_н = ---------------- = -------- = 16,7 х 10 ^{- 6} с = 16,7 мкс.

2 х 30000 6

Длительность самого короткого импульса не может быть меньше времени нарастания t_н , иначе импульс не успеет нарасти до полной амплитуды.

Поэтому

где DF_min - минимальная ширина полосы частот, откуда

Однако, на практике полосу частот для передачи импульсов выбирают примерно в 1,5 раза больше минимальной:

Рис. 17 Искажение формы импульса, проходящего по линии

Рис. 18 Построение сообщений с временным разделением импульсов

На рис. 18:

n – число импульсов;

Tз – время передачи сообщения;

t ₀ - длительность одного импульса;

DF – полоса частот.

Общая линия (или канал) связи телемеханической системы обладает определенной полосой частот пропускания, устанавливающей минимально допустимую длительность передаваемого импульса

где: DF – полоса частот;

t_min - минимальная длительность импульса.

За время допустимой задержки в передаче сообщений Tз можно обеспечить последовательную передачу n = 2 Тз DF импульсов длительностью

при

При временном мультиплексировании общий канал предоставляется разным устройствам периодически в течение цикла работы распределителя один раз.

Рис. 19 Построение сообщений с частотным разделением импульсов.

При частотном мультиплексировании каждому устройству предоставляется своя полоса частот Df в соответствии со скоростью передачи в границах допустимого частотного диапазона.

Учитывая неидеальность характеристик фильтров между рабочими полосами каналов, необходимо оставить частотную полосу расфильтровки.

При частотном разделении можно обеспечить одновременную передачу n частотно разделенных сигналов, длительностью Tз каждый.

Для оценки темпа передачи элементов сигнала вводят понятие скорость дискретной модуляции.

Под скоростью дискретной модуляции понимают количество элементарных импульсов передаваемых в секунду:

где: t₀ – длительность элементарного импульса;

В - скорость дискретной модуляции (бод).

Чем меньше длительность t₀ , тем большее их число можно передать за единицу времени.

Скорость передачи полезной информации определяется количеством информации, переданной за единицу времени и имеет размерность бит/с.

где: K – количество информационных импульсов в кодовой комбинации;

T_k = n t₀ – время передачи всей кодовой комбинации.

При двоичном кодировании и однократной модуляции каждый элементарный импульс несет один бит информации. В этом случае скорость передачи информации и скорость дискретной модуляции численно равны друг другу, т.е. В = n.

В стандартном канале ТЧ (300 – 3400 Гц) можно вести передачу дисткретной информации при однократной модуляции со скоростью не более В = 2 *DF:

В = 2*3400 = 6800 бод; t₀ = ------- = 147 мкс.