Разработка системы ТУ-ТС
1.
Разработка технического задания
.1
Выбор системы ТУ-ТС
Система ТУ-ТС представляет собой интерфейс типа «общая шина».
Линия связи в проектируемой системе ТУ-ТС представляет собой коммутируемый
канал, к которому подключены 6 исполнительных пунктов и диспетчерский пункт.
Схема соединения представлена на рис. 1.
Схема подключения ИП и ДП к линии связи
Рис. 1
Особенности представленной схемы соединений:
По способу разделения каналов связи линейные системы ТУ-ТС делятся
на системы с временным и частотным разделением каналов. Аппаратно проще
реализовать временное разделение каналов, поэтому для проектируемой системы
используем именно этот способ разделения. При этом каждый сигнал занимает свой
временной интервал.
По цикличности работы выбираем асинхронный способ передачи
информации. Это означает, что первая решающая схема приемника не
синхронизирована с передающим устройством. Для обеспечения синхронизации
приемника и передатчика в формат команды специально вводится синхрокомбинация.
Данное обстоятельство вводит ряд ограничений на пропускную способность канала,
поскольку нужно передавать лишние биты информации. Преимущество такой
реализации - в очевидном упрощении приемопередающей аппаратуры.
Алгоритм работы системы полудуплексный. При такой организации
связи в определенный момент времени возможна передача информации только в одном
направлении (от ДП к ИП или наоборот). Одновременная передача информации в
обоих направлениях исключена.
1.2 Формат
команд ТУ-ТС
Исходя из алгоритма работы системы ТУ-ТС, выбираем формат
команд телеуправления и телесигнализации. Команды будем кодировать двоичным
кодом с контролем на четность, что позволяет обнаружить ошибки нечетной
кратности в переданном сообщении.
Определим количество разрядов, входящих в состав команды
телеуправления и телесигнализации согласно формуле:
N =] log2K [, (1.1)
где K - количество команд;
N - требуемое количество разрядов для кодирования K команд;
] [- округление до ближайшего большего целого.
Имеем:
для передачи 16 команд телеуправления NТУ = 4 разряда;
для передачи 8 команд телесигнализации NТС = 3 разряда;
для кодировки адресов 6 ИП NАД = 3 разряда;
для передачи синхрокомбинации NСК =3 разряда;
контроль четности NЧ = 1 разряд.
Под каждой передаваемой командой будем предполагать передачу
1 бита информации (положение «0» или «1»). Будем полагать возможным
одновременную передачу только одной команды ТУ или ТС. При этом для передачи
команды ТУ или ТС понадобится еще один бит состояния передаваемой команды.
Количество разрядов синхрокомбинации определяется исходя из
расчета помехоустойчивости системы ТУ-ТС.
Формат информационного слова будет выглядеть следующим
образом:
С - разряд синхрокомбинации;
А - разряд адреса ИП;
И - информационный разряд команды ТУ или ТС;
Ч - разряд для контроля кода на четность.
При передаче команды разряды И используются для передачи
номера команды ТУ или ТС. Адрес ИП задается аппаратно. При передаче
информационного слова от ДП и ИП в адресных разрядах указывается адрес
ИП-получателя. При передаче слова от ИП к ДП в адресных разрядах указывается
адрес ИП-отправителя для его последующей индикации на пульте ДП.
Передачи информации от одного ИП к другому ИП не происходит.
1.3 Выбор синхрокомбинации
По заданным требованиям к достоверности контрольной и
управляющей информации согласно ГОСТ 26205-83 для систем второй категории имеем
следующие вероятности событий Вероятности необнаружения ошибок:
¾ при ТУ Pош доп = 10-10;
¾ при ТС Pош доп = 10-7;
Вероятности обнаружения ошибок:
¾ при ТУ Pст доп = 10-7;
¾ при ТС Pст доп = 10-7;
Критерий достоверности передачи информации имеет вид
Pош £ Pош доп; Pст £ Pст доп, (1.2)
где Pош и Pст - вероятности необнаружения и обнаружения ошибок
при передаче;
Pош.доп и Pст.доп - допустимые значения вероятностей необнаружения
и обнаружения ошибок при передаче сигналов, задаваемые по ГОСТ 26205-83.
В коде с проверкой на четность обнаруживаются все комбинации
с нечетным числом ошибок в передаваемом сообщении и не обнаруживаются с четным
числом ошибок.
С учетом свойств кода контроля на четность, получаем
вероятность возникновения необнаруженных ошибок команд ТУ и ТС:
Pош ТУ =
, (1.3)ош ТC =
, (1.4)
где 
- число сочетаний из n по m;0
- вероятность ошибки приема одиночной посылки.
Из выражений (1.3-1.4) определим вероятность ошибки приема
одиночной посылки:
(1.5)
(1.6)
Из полученных вероятностей выберем наименьшую p0 =
1.35∙10-6.
Вероятность формирования ложной синхрокомбинации должна
удовлетворять условию:
(1.7)
рск = p0n = p03
= 2.46∙10-18 (1.8)
Число n в формуле (1.8) определяется количеством передаваемых
битов синхрокомбинации. Условие (1.7) при n = 3 удовлетворяется,
следовательно, разрядность синхрокомбинации выбрана верно.
2.
Условия приема элементарного сигнала
2.1
Определение скорости передачи информации
Определяем время передачи для временного разделения элементов
базового сигнала:
(2.1)
где τ0 - длительность посылки, с
B - скорость передачи, бод
- время распространения сигнала по линии связи длиной L со скоростью V.
Скорость манипуляции не должна превышать значения, при котором
эффективная ширина спектра формируемых в канале связи сигналов FC начинает выходить за пределы отведенной
полосы частот FК, т.е. значение B должно
выбираться из условия:
FЗАЩ = (0,3…0,5) FC - защитная полоса частот
Для однополосной амплитудной манипуляции гармонического
носителя эффективная ширина спектра определяется по формуле:
FC = ΔFΩ = В,
где ΔFΩ - частота сообщения.
Время распространения сигнала по линии:
(2.2)
Найдем скорость передачи по формуле:
, (2.3)
бод
Используя стандартный ряд скоростей манипуляции выбираем
ближайшую: В = 200 бод
В результате имеем:
FC = 200 Гц
FЗАЩ = 100 Гц
FК 
FC +
2FЗАЩ = 200 + 2·100 = 400 Гц.
При выборе частоты гармонического носителя FГ исходим из условия, что эффективный спектр сигналов передачи
располагается в выделенном диапазоне частот 0,3 - 3,4 кГц.
с.
Время передачи одной посылки:
?0 = 1/В = 1/200 = 5·10-3 с = 5 мс.
.2
Спектр линейного сигнала
Рассмотрим спектр сигнала передаваемого по линии связи. Он
должен удовлетворять следующим требованиям:
ширина спектра не должна выходить за заданную полосу частот;
параметры фильтра для выделения посылок должны быть физически
реализуемы.
Рисунок 2.1. Прямоугольный
импульс длительностью to
Спектральную плотность элементарной посылки рассчитаем по
формуле:
(2.4)
где А = 1 - амплитуда импульса.
Рисунок 2.2 Спектральная плотность прямоугольного импульса
длительностью τ0
Амплитудно-манипулированный сигнал представляет собой
последовательность радиоимпульсов, разделенных паузами. Его можно рассматривать
как произведение гармонического колебания с частотой w0 и колебания в виде последовательности прямоугольных импульсов
длительностью t0. Передаваемую информацию содержит амплитуда АМ
сигнала.
Временное представление линейного сигнала.
Рисунок 2.3
Несущую частоту выберем примерно в середине разрешенного
диапазона частот:нес = 1,7 кГц
Построим график спектральной плотности АМ сигнала при Fнес
= 1,7 кГц, w0 = 2×p×Fнес = 10680 с-1.
Одним из важнейших свойств преобразования Фурье является:
¦(t)×cos w0×t
. (2.5)
Воспользовавшись этим свойством, получим спектральную плотность АМ
сигнала:
(2.6)
График спектральной плотности линейного ОБП сигнала представлен на
рисунке 2.4.
Рисунок 2.4. Спектральная плотность линейного ОБП сигнала
3.
Расчет помехоустойчивости системы
Амплитудно-манипулированный (АМ) сигнал представляет собой
случайную последовательность единичных и нулевых посылок. Единичная посылка -
отрезок гармонического колебания. Нулевой посылке соответствует сигнал,
тождественно равный нулю.
Регистрация АМ сигналов осуществляется сравнением их с
пороговым уровнем А0. Если амплитуда смеси сигнала с помехой
превышает порог, регистрируется единица, если нет, то регистрируется нуль.
Ошибки возникают в следующих случаях:
·
если
при передаче единицы амплитуда смеси окажется меньше порогового уровня;
·
если
при передаче нуля амплитуда помехи окажется больше порогового уровня.
3.1
Расчет помехоустойчивости системы при флуктуационной помехе
Флуктуационная помеха имеет вид непрерывного случайно
изменяющегося колебания. Наиболее часто встречаются помехи, амплитуда которых
подчинена закону нормального распределения, поэтому флуктуационная помеха
является наиболее опасной.
Огибающая смеси сигнала с нормальным шумом распределена по
закону Райса:
, (3.1)
где С - амплитуда сигнала на входе приемника;
А - амплитуда сигнала на выходе передатчика;
s2 -
дисперсия;0(x) - функция Бесселя нулевого порядка.
Амплитуда нормального шума распределена по закону Релея:
, (3.2)
где В-амплитуда квазигармонической помехи.
В соответствии с принципом регистрации сигналов
(3.3)
Полагая априорные вероятности передачи нуля и единицы равными 0,5,
получаем, что вероятность неправильной регистрации символа выражается формулой:
(3.4)
Легко заметить, что вероятность ошибки зависит от порогового
уровня А0, поэтому целесообразно подобрать такой порог, при котором
она станет минимальной. Для этого необходимо последнее выражение исследовать на
минимум.
Получаем окончательное выражение:
Рош = 
, (3.5)
где с = 
; а0 = 
; h - отношение сигнал/шум.
Вычисление Рош приходится проводить численными
методами, так как интеграл в квадратных скобках при конечных значениях а0
не берется.
При 
распределение Райса становится близким к
нормальному, в этом случае вероятность сбоя единицы
Р (0/1) =
, (3.6)
где Ф(х) - интеграл вероятностей:
(3.7)
Вероятность ошибки при и оптимальном пороге приемника АМ сигналов определяется
выражением
Рош = 
, (3.8)
при а0 = 0.5×а и а02 = 0.5×h2.
Зависимость помехоустойчивости от отношения сигнал/шум,
рассчитанная по формуле (3.8), представлена на рисунке 3.1.
По графику зависимости Рош(h) найдем отношение
сигнал/шум, соответствующее вероятности сбоя бита p0 = 1.35×10-6: h = 7.2
дБ.
Рисунок 3.1. Зависимость помехоустойчивости от отношения
сигнал/шум
3.2
Расчет помехоустойчивости системы при импульсной помехе
К второй разновидности наиболее опасных помех относится
импульсная помеха. Импульсные помехи следуют друг за другом относительно редко,
т.е. через такие промежутки времени, при которых нестационарные процессы в
приемнике от одной импульсной помехи успевают закончиться до появления
следующей импульсной помехи. В общем случае импульсные помехи представляют собой
последовательность импульсов со случайными амплитудой, длительностью и
моментами появления отдельных импульсов.
В данном случае ошибочный прием при передаче единицы возможен
тогда, когда амплитуда смеси сигнала с импульсной помехой окажется меньше
порогового уровня. Поэтому вероятность сбоя единицы равна вероятности того, что
амплитуда смеси меньше величины порога, т.е.
Р (0/1) = Р (С < А0). (3.9)
Ошибочный прием при передаче нуля возможен в том случае,
когда амплитуда импульсной помехи превысит пороговый уровень:
Р (1/0) = Р (В > А0). (3.10)
При определении вероятности ошибки Рош необходимо
учесть априорные вероятности передачи нуля р0, единицы р1
и вероятность появления импульсной помехи Pимп. При равных априорных
вероятностях р0= р1= 0,5 получим
Вероятность возникновения ошибки удобнее выразить через отношение
сигнал/шум 
и относительный пороговый уровень 
. Это позволяет записать вероятность сбоя
нуля в виде:
Р (1/0) = 
(3.12)
и вероятность сбоя единицы
Р (0/1) = 
. (3.13)
Границы для опасных значений h будут следующими:
. (3.14)
Окончательно при заданных условиях приема вероятность неправильной
регистрации посылки будет выражаться формулой:
,
где р - вероятность появления импульсной помехи.
Поскольку при оптимальном пороге 
, то получается:
Основываясь на самых общих положениях теории вероятностей, можно
полагать, что распределение числа импульсных помех в единицу времени
описывается законом распределения близким к закону Пуассона [4].
Вероятность распределения числа импульсных помех найдем по закону
Пуассона:
,
где 
среднее число импульсов помехи в единицу
времени.
Согласно техническому заданию n0 = 5 имп/сек -
математическое ожидание дискретной величины n. Максимальное значение Pимп
будет при n = n0 = 5 имп/сек. Так как факториал имеет смысл только
для целых чисел, то вероятность появления импульсной помехи будем определять
так:
Римп = 
=
=0.0202 (3.15)
Зависимость вероятности сбоя бита посылки от отношения сигнал/шум
для импульсной помехи
Рисунок 3.2
По графику видно, что ни при каких величинах h из диапазона опасных
значений заданная вероятность сбоя бита для систем второго порядка недостижима.
О величине 
говорить бессмысленно, поскольку
амплитуда сигнала намного меньше амплитуды помехи. При 
, бит не поражается ни при каких величинах
h. Исходя из предыдущих рассуждений отношение сигнал/шум выбирается равным 
, вычисленное ранее для флуктуационной
помехи для обеспечения заданной помехоустойчивости системы.
4.
Расчет линии передачи
Расчет линии производится с целью обеспечения заданного отношения
сигнал/шум на конце линии. Рабочая частота линии 
Гц.
Для расчетов выбираем медный кабель диаметром 4 мм. с параметрами:
Рабочее затухание 
,
Активное сопротивление проводов 
,
Удельная индуктивность линии связи 
,
Удельная емкость линии связи 
.
Волновое сопротивление зависит от частоты и вычисляется по
формуле:
Шумы, возникающие на участке приводят ко входу усилителя
находящегося на правом конце. Мощность шума, приведенная ко входу усилителя,
складывается из 4-х слагаемых:
, где
РС - собственные шумы,
РЛ - шумы линейных переходов,
РН - полные шумы нелинейности,
РУ - собственные приведенные шумы усилителя.
Согласно нормам МКТТ рекомендуется проектировать кабель и
аппаратуру так, чтобы: 
, 
, тогда 
Собственные шумы кабеля вычисляются через спектральную плотность:
,
где В-полоса пропускания системы,
На этапе проектирования спектральную плотность шума вычисляют по
выражению: 
Вт / Гц, где
- постоянная Больцмана, 
При инженерных расчетах все составляющие мощностей полезно
пронормировать по 
, введя понятие фактора шума:
, 
, 
, где
C - фактор собственного шума,- фактор шума
усилителя,1 - фактор шума источника сигнала.
С учетом этих обозначений приведенная мощность шума
оказывается:
,
, где
, 
, 
,
,
Фактор шума усилителя вычисляется по коэффициенту шума транзистора
входного каскада равному обычно 
дБ:
возьмем 
, тогда 
, 
,
Шумы в линии передачи накапливаются.
- шумы на выходе линии, где N - число кабельных вставок.
Абсолютный уровень определяется как:
, 
,
Отношение сигнал/шум на входе 
и выходе 
линии выражают в децибеллах: 
, где 
С ростом уровня передачи 
растут составляющие шумов 
и 
, поэтому его приходится ограничивать.
Согласно рекомендациям МКТТ 
.
Число усилительных участков определим следующим образом.
Если 
есть собственное затухание кабеля в
децибеллах и 
- уровень приема, то 
, где 
Уровень шума в свою очередь зависит от N. Пренебрегая на первом
этапе 
, вычислим уровень шума
,
Итак первое приближение для N можно получить, решив
трансцендентное уравнение
,
где 
,
,
, 
,
получим 
,
длина усилительного участка 
, затухание на участке будет 
.
Исходя из того, что уровень сигнала на выходе должен быть равен
уровню сигнала на входе, коэффициент усиления промежуточного усилителя равен 
,
, 
- реальное с учетом фактора шума источника.
4.1
Расчет зависимости помехоустойчивости от длины линии связи
Рассчитаем зависимость помехоустойчивости от длины линии. Для
расчета помехоустойчивости воспользуемся следующими соотношениями:
Pош » С26*р0
= 15*р0, 
22(l)
= Pпер - Р2 - al
где
Рпер = +7дБ, a = 5.1 дБ/км, Р2 = -62.61дБ,
Получаем:
,
Заключение
В результате проделанной работы разработана система
телемеханики, которая обеспечивает передачу 16-ти команд телеуправления 6
исполнительным пунктам, а также прием от исполнительных пунктов 8-ми команд
телесигнализации. В системе предусмотрена индикация ошибочного приема команд
телесигнализации на диспетчерском пункте. Передача информации осуществляется по
линии электропередач.
Литература
1.
Тутевич
В.Н. Телемеханика: Учеб. пособие для студентов вузов специальности «Автоматика
и телемеханика». - 2-е изд. - М.: Высш. шк., 1985. - 423 с.
2.
Телемеханика:
Задания и методические указания к выполнению курсового проекта / Составители:
Иванов В.И., Радкевич И.А. - Челябинск: ЧПИ, 1989. - 68 с.
3.
Цифровые
и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / Под ред. С.В. Якубовского. -
М.: Радио и связь, 1990. - 496 с.
4.
Иванов
В.И. Помехоустойчивость систем передачи телемеханической информации: Учебное
пособие по курсу «Телемеханика». - Челябинск: ЧПИ, 1978. - 88 с.
телемеханический
помехоустойчивость автомат приемопередающий