7.2 Линии связи

В системах передачи информации вообще и в системах теле- механики в частности основным элементом является линия связи. Именно в линии связи передаваемый сигнал подвергается наибольшим искажениям за счет воздействия естественных (а иногда и искусственно созданных) помех или шумов от самых различных источников.

Уровень шумов в линии связи принято характеризовать отношением мощности сигнала к мощности шума Р_с/Р_ш (в децибелах). Обычно на выходе линий связи это отношение составляет 20 – 30 дБ.

По мере прохождения по линии связи мощность сигнала за счет активных потерь уменьшается, т. е. линия связи вносит определенное затухание. Затухание численно означает, во сколько раз уменьшается мощность сигнала при его прохождении по линии связи определенного расстояния. Для измерения затухания используют логарифмичёскую единицу отношения – непер (Нп). Затухание 1 Нп/км означает, что мощность сигнала при прохождении 1 км уменьшается в е = 2,72 раз. Чем меньше затухание линии связи, тем на большее расстояние можно пёредать по ней сигнал без дополнительного усиления, т. е. тем больше дальность действия линии связи.

Как уровень шумов, так и затухание линии связи не одинаковы на различных частотах. Поэтому для передачи сигналов выбирают такие диапазоны частот, на которых мощность шумов и затухание линии связи имеют минимальные значения. Диапазон частот, в котором обеспечивается передача сигналов при заданном уровне шумов и затухании, называется полосой пропускания ∆F линии связи.

Наиболее полно линия связи характеризуется информационными параметрами и прежде всего пропускной способностью. Под пропускной способностью понимают то максимальное количество информации, которое можно передать по линии связи в единицу времени без ошибок. По формуле Шеннона пропускная способность

(7.1)

Таким образом, для увеличения пропускной способности линии связи необходимо расширять полосу пропускания ∆F, увеличивать мощность сигнала Р_с и снижать мощность шума Р_ш.

Рассмотрим основные виды линий связи.

Практически во всех системах телемеханики используются электрические линии связи, в которых для передачи сообщений используются электромагнитные колебания. Для подводной связи и управления находят применение акустические линии связи. Электрические линия связи принято делить на две большие группы; проводные и беспроводные. Проводные линии связи, в свою очередь, можно разделить на воздушные и кабельные линии.

Воздушные линии связи представляют собой стальные, медные или биметаллические провода, которые с помощью изоляторов крепятся к опорам. Уровень шумов и затухание в таких линиях довольно высоки, поэтому полоса пропускания их не превышает 150 – 160 кГц. Надежность воздушных линий также низкая.

Значительно более высокими параметрами обладают подземные кабельные линии связи. Полоса пропускания симметричных кабельных линий достигает 1 МГц, а коаксиальных – 50 МГц и более. Благодаря широкой полосе пропускания и высокой надежности кабельные линии все шире применяются для создания дальних линий связи, хотя стоимость их сравнительно высока. Для компенсации затухания сигнала при передаче его на большие расстояния через каждые несколько десятков километров в линию включают промежуточные усилители. В перспективе в кабельных линиях связи возможно использование оптического диапазона за счет применения лазеров и волоконной оптики. Это резко повысит полосу пропускания кабельных линий.

Для снижения стоимости телемеханических систем в качестве линий связи стремятся использовать линии, предназначенные для других целей. Так широкое применение для передачи сигналов телемеханики находят линии электропередачи. Такие линии, кроме своей основной функции – передачи электрической энергии постоянного или переменного тока промышленной частоты 50 Гц, передают сигналы телемеханики на частотах от 30 до 500 кГц. Для этой цели используют специальную аппаратуру подсоединения и обработки (АПО). В качестве линий связи в телемеханике используют также контактные сети для электрического транспорта.

Рис. 7.4

Для передачи телемеханических сигналов на большие расстояния для управления подвижными объектами и в космических системах применяют беспроводные линии: радио и лазерные линии связи.

Для передачи сигналов телемеханики по радиолиниям используют диапазон дециметровых волн (от 300 до 3000 МГц), в котором достаточно низкий уровень шумов. Для увеличения дальности действия и уменьшения влияния помех в передатчиках и приемниках радиолиний используют остронаправленные антенны. Радиоволны дециметрового диапазона могут использоваться практически только в пределах прямой видимости, которая ограничена кривизной земной поверхности. Поэтому при передаче сигналов на большое расстояние используют радиорелейные линии (рис. 7.4). Между передатчиком и приемником через каждые 40 – 60 км устанавливают промежуточные ретрансляционные пункты. В этих пунктах производится прием сигнала, отделение его от помех, усиление и дальнейшая передача. Все чаще в качестве ретрансляционных пунктов используют искусственные спутники Земли (например, спутники «Молнию» в системах передачи информации «Орбита»).

Огромными возможностями обладают лазерные линии связи, в которых может использоваться чрезвычайно широкий диапазон частот от радиоволн до видимого света (10⁵-2,3·10¹⁸ Гц). Излучения этого диапазона довольно быстро затухают в земной атмосфере, поэтому применение беспроводных лазерных линий связи наиболее перспективно для космических систем, а в земных условиях – при расстояниях не более десятков километров.

В настоящее время специальные линии связи, предназначенные только для передачи телемеханической информации, используются лишь при небольших расстояниях между ПУ и КП (например, в пределах одного предприятия), а также для управления подвижными объектами.

Как правило, в системах телемеханики применяют линии и сети связи общего назначения. В настоящее время разрабатывается Единая автоматизированная сеть связи СССР (ЕАСС СССР), которая объединит все виды линий связи (в том числе космические, лазерные и пр.). ЕАСС предназначена для передачи всех видов информации – как чисто связной (телефонной, телевизионной и пр.), так в телемеханической (сигналов ТИ, ТУ, ТС), а также для передачи данных. Каждому источнику и получателю информации, рассматриваемым в качестве абонентов этой сети, предоставляется канал связи с необходимыми ему параметрами.

В линиях и сетях связи общего назначения для передачи сигналов телемеханики предоставляются в основном каналы двух типов: телефонные (тональной частоты – ТЧ) и телеграфные (тонального телеграфирования – ТТ), параметры которых стандартизированы требованиями различных стандартов и рекомендациями МККТТ (Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии). Диапазон пропускаемых частот телефонного канала – от 300 до 3400 Гц, телеграфного от 0 до 120 Гц. Для высокоскоростных систем передачи да иных могут предоставляться широкополосные каналы с полосой пропускания до 12 МГц и более, параметры которых также стандартизированы.

Устройства телемеханики могут занимать, или абонировать, каналы постоянно либо лишь на время передачи сигнала. В первом случае канал называется выделенным, во втором – коммутируемым. В зависимости от возможного направления передачи различают каналы симплексные (сигналы передаются в одном направлении), дуплексные (возможна передача в обоих направлениях одновременно) и полудуплексные (направление передачи может быть изменено в любой момент времени).

Использование стандартных каналов связи, естественно, требует унификации и стандартизации как самих телемеханических устройств, так и сигналов, несущих информацию.