Передача информации в системах

Телемеханики

При управлении производственным процессом происходит по-

стоянный обмен различными сообщениями о событиях, происходя-

щих в той или иной точке процесса. Эти сообщения несут информа-

цию о его состояниях (значении контролируемого параметра, со-

стоянии исполнительного механизма, уставке регулятора) или

предназначены для изменения этих состояний (команды управле-

ния) — например, сообщение об изменении давления в трубопрово-

де или команда на закрытие задвижки.

Для получателя сообщения, как правило, интерес представляет

только его новая часть — информация, т. е. содержательные сведения

(данные), ранее ему неизвестные.

Сообщения передаются с помощью сигналов. Сигналом называ-

ется носитель (переносчик) сообщения. Таким средством могут слу-

жить любые физические явления или объекты, изменение параметров

которых во времени несет информацию в прямом или закодирован-

ном виде (свет, звук, напряжение, ток, давление и т.д.). Наибольшее

распространение получили электрические сигналы. Сигнал должен

однозначно отображать сообщение, а после преобразований восста-

навливаться без потери информации.

Процесс передачи сообщений условно показан в виде схемы, по-

казанной на рис. 11.2. Сообщение от источника поступает в передаю-

щее устройство, которое преобразует его в сигнал, передаваемый по

каналу связи. Процесс автоматического преобразования в сигнал,

происходящий в передающем устройстве, включает в себя одну или

несколько из следующих операций: преобразование из одной физи-

ческой формы в другую, квантование, модуляцию, кодирование.

Канал связи начинается на входе передающего устройства и конча-

ется на выходе приемного устройства. В процессе передачи на сигнал

накладываются различные помехи. Приемное устройство отфильтро-

вывает их и восстанавливает по полученному сигналу сообщение для

получателя.

Преобразование сообщений для передачи

По каналам связи

В зависимости от характера изменения во времени сообщения де-

лятся на четыре группы: 1) непрерывные; 2) дискретные по времени;

3) дискретные по множеству; 4) дискретные по времени и по множе-

ству. Технологические параметры, характеризующие состояние объ-

екта управления (температура, давление, уровень, скорость и т.д.),

представляют собой непрерывные сообщения, которые можно пред-

ставить в виде функции X(t), причем эта функция может принимать

любые вещественные значения в диапазоне изменения аргумента t.

Сообщения, которые могут изменяться в строго определенные мо-

менты, называются дискретными по времени. Дискретные по мно-

жеству сообщения имеют ограниченное количество значений, напри-

мер: состояние крана — открыт или закрыт. Существуют также со-

общения, дискретные как по времени, так и по множеству.

Сигналы также делятся на непрерывные и дискретные. Непре-

рывный по времени сигнал — это сигнал, определенный для любого

момента времени, т.е. он также представляет собой непрерывную

функцию. Дискретные по времени сигналы — это сигналы, опреде-

ленные только в дискретные моменты времени, например через

каждую секунду.

Любое непрерывное сообщение может быть с достаточной точно-

стью передано дискретными сигналами. Процесс замены непрерыв-

ного сообщения дискретным называется квантованием. Если сообще-

ние меняется на дискретное по множеству, квантование называется

квантованием по уровню, а если на дискретное по времени — кванто-

ванием по времени.

При квантовании по уровню значение функции X(t) в произволь-

ный момент времени заменяется своим ближайшим значением, на-

зываемым уровнем квантования. Интервал между двумя соседними

уровнями называется шагом квантования. Пример: квантование по

уровню сообщения, описываемого непрерывной функцией ƒ(t), по-

казан на рис. 11.3, а. Переход с одного уровня на другой происходит

в тот момент, когда значение функции пересекает середину шага

квантования q (на рисунке она показана пунктирной линией). Как

видно, погрешность квантования ∆шах не превышает значения q/ 2.

Тогда погрешность γ, %, передачи значений функции составит

Где ƒmax,ƒmin— соответственно максимальное и минимальное значения

квантуемой функции.

Число уровней квантования N связано с шагом квантования вы-

Ражением

На практике, как правило, решается задача определения необходи-

мого числа N исходя из заданной точности передачи, т.е. значения у.

При квантовании по в р е м е н и значения функции передаются

в определенные моменты времени независимо от того, изменилось

ее значение или нет. Необходимость такой передачи объясняется не-

сколькими причинами: во-первых, за малое время значение сообще-

ния может изменяться очень незначительно; во-вторых, обработка

сообщений получателем производится последовательно во времени;

в-третьих, передача сообщений только в фиксированные моменты

сокращает объем передаваемой и обрабатываемой информации. При-

мер квантования по времени сообщения, описываемого непрерывной

функцией f{t), показан на рис. 11.3, б. Как видно из рисунка, кван-

тованное сообщение представляется в виде отдельных отсчетов функ-

ции Д/), получаемых в моменты времени кх, к= 1, 2, .. При получе-

нии проквантованного по времени сообщения возникает задача

восстановления значений исходного сообщения в произвольные

моменты, не равные кх, к = 1, 2,.... Это возможно в том случае, если

дискретные отсчеты разделены интервалом

где ,Fmix — максимальная частота изменения исходной функции (след-

ствие теоремы Котельникова).

Для передачи полученных в результате квантования дискретных

значений, как правило, используются сигналы постоянного (видеоим-

пульсы) или переменного (радиоимпульсы) тока. Видеоимпульсы могут

быть различной формы: прямоугольные, треугольные, синусоидальные,

трапецеидальные, экспоненциальные и др. Радиоимпульсы образуются

наполнением видеоимпульсов высокочастотными гармоническими

колебаниями. Сообщение в этом случае представляется изменением

одного или нескольких параметров сигнала, например: амплитуды,

частоты, фазы и т. п. Этот процесс наложения сообщения на перенос-

чик информации называется модуляцией. Основной смысл модуля-

ции — передача низкочастотного сообщения высокочастотным сигна-

лом, который обеспечивает следующие преимущества: значительное

уменьшение мощности передатчика и затухания сигнала; возможность

одновременной передачи по одной линии связи разных сообщений;

повышение достоверности передаваемых сообщений вследствие лучшей

помехозащищенности модулированных сигналов. В зависимости от

того, какой параметр переносчика меняется, модуляция может быть

непрерывной (амплитудной, частотной, фазовой) или импульсной

(широтно-импульсной и т. д.). А сами параметры сигнала, используемые

дая передачи, называются импульсными признаками. К ним относятся:

1) полярность — этот признак является наиболее помехозащищенным,

но позволяет формировать только два различных состояния; 2) ампли-

туда импульса — с помощью этого признака можно сформировать

любое число состояний, но амплитуда сигнала наиболее подвержена

действию помех; кроме того, если амплитуды соседних сигналов от-

личаются незначительно, их трудно различать на приемной стороне;

3) длительность импульса; 4) частота импульсов; 5) фаза импульса — с

помощью этого признака обычно тоже формируется только два со-

стояния, одному из которых соответствует посылка импульса, синфаз-

ного опорному сигналу, а другому сообщению — импульса, находяще-

гося в противофазе с опорным сигналом. Наиболее часто используют-

ся полярность импульса (при передаче на постоянном токе) и частота

импульсов (при передаче на переменном токе).