11.3 Передача измерительной информации по линиям связи

Линия связи, представляющая собой совокупность технических устройств и физической среды, обеспечивает распространение сигналов от передатчика к приёмнику. Линии связи является составной частью канала связи. Различают симплексные каналы связи, в которых обмен информацией производится в одном направлении, и дуплексные - с пе­редачей информации в двух направления. Основная характеристика ли­нии связи - диапазон рабочих частот, обеспечивающих передачу сигна­лов с допустимым ослаблением.

Для передачи измерительной и управляющей информации в МС наиболее распространение получили проводные, оптические линии связи и радиолинии. Оптические линии связи являются весьма перспективными с точки зрения расширения частотного диапазона и увеличения объемов передаваемой информации.

Любая система передачи информации характеризуется такими показателями, как помехоустойчивость, эффективность и надеж­ность.

Помехоустойчивостью называется способность системы осущест­влять прием информации в условиях наличия помех в линии связи. Помехой называется стороннее возмущение, действующее в системе и препятствующее правильному приему сигналов. Помехи бывают про­мышленные (индустриальные) и атмосферные, регулярные и случайные, внутренние и внешние. Индустриальные помехи возникают при работе электродвигателей, систем зажигания двигателей внутреннего сгорания, сварочных аппаратов, рентгеновских установок и т. п. Атмосферные по­мехи создаются молниями, пыльными и снежными бурями, северным сиянием и т. п. Регулярные помехи (например, от соседней радиостан­ции) можно устранить с помощью фильтров и других средств. Если поме­ха случайная, с ней бороться сложнее. Причинами случайных помех мо­гут быть случайные колебания значений параметров канала связи.

Понятие эффективности ИС введено для оценки степени целесо­образности усложнения кодов при получении заданной помехоустойчи­вости. При одинаковой полосе передаваемых частот и мощности на со­общение более эффективной является та система, которая позволяет передать данное сообщении за более короткий промежуток времени.

Под надежностью системы понимается ее способность к безот­казной работе в течение определенного отрезка времени. Надежность связана с помехоустойчивостью и эффективностью. Увеличение эффек­тивности ведет к снижению помехоустойчивости, а повышение помехо­устойчивости и эффективности, которые часто приходится увеличивать за счет усложнения приемно-передающей аппаратуры, обычно ведет к уменьшению надежности .

Пропускная способность дискретного канала связи. При использовании различных каналов связи необходимо иметь представле­ние о том, какое количество информации может быть передано за дан­ный промежуток времени по данному каналу связи, т. е. о его пропуск­ной способности.

Пропускная способность канала связи характеризует его потен­циальные возможности и определяется максимальной скоростью переда­чи информации. Скорость передачи информации определяется количест­вом информации, переданной за единицу времени.

Скорость передачи можно повысить за счет снижения длительности элементарного символа.

Для передачи больших объемов информации на большие рас­стояния (в телеизмерительных ИС) широко используется частотное уп­лотнение каналов связи. При этом одна и та же линия связи использует­ся для передачи множества сигналов, частотные диапазоны которых раз­несены.

Проводная связь. Простейшей линией связи может служить пара параллельных изолированных друг от друга проводников. Переда­ваемый по линии сигнал (чаще всего - это последовательность импуль­сов) по мере удаления от источника подвергается изменениям, опреде­ляемым физическими характеристиками линии. Кроме того, линия связи из двух параллельных проводов представляет собой приемную рамочную антенну площадью hl, где h - расстояние между проводами линии, l -длина линии связи) для всех электромагнитных помех. Паразитные емко­стные связи между проводами линии связи и расположенными поблизо­сти другими проводниками с током также способствуют появлению в ли­нии помех. Поэтому такие линии используются для передачи достаточно высоких по уровню сигналов (единицы и десятки вольт), имеющих узкий диапазон частот (единицы-десятки килогерц).

Для снижения влияния помех на проводную линию связи и рас­ширения частотного диапазона передаваемых сигналов используют так называемую «витую пару» (перевитые провода), экранированные прово­да, коаксиальные кабели и грамотное заземление.

Наилучшие результаты дает использование коаксиального кабе­ля, который представляет собой экранированную линию связи с норми­рованным значением характеристического импеданса. Такие кабели ис­пользуются для передачи сигналов с очень широким частотным диапазо­ном (до 12-15 Мгц).

Радиосвязь. Частотный диапазон сигналов, передаваемых по радиоканалам (а, значит, и объем информации, передаваемой в единицу времени), определяется используемым диапазоном несущих радиочастот. Например, магистральные коротковолновые линии связи работают в диапазоне частот 3-30 Мгц, волноводные - на частотах нескольких сотен мегагерц и десятков гигагерц. Использование радиоканала позволяет создавать наиболее протяженные линии связи. Наибольшая дальность двусторонней передачи информации в МС, какой является автоматиче­ская межпланетная станция, достигнута при полётах к планетам. Напри­мер, при полётах к Марсу дальность связи между наземным пунктом и станцией достигала 350 млн. км, к Юпитеру - 900 млн. км.

Недостатками радиоканала являются: сильная подверженность атмосферным и индустриальным помехам, легкость несанкционированно­го перехвата передаваемых сообщений, необходимость в дорогом и сложном оборудовании для модуляции, детектирования и других преоб­разований сигнала. Однако при этом отпадает необходимость в проклад­ке кабелей, становится возможной связь с мобильными объектами. Кроме того, с увеличением расстояния между источником сигнала и приемником радиосвязь становится все более экономически эффективной по сравне­нию с проводной.

Оптическая связь. Основные преимущества оптической связи определяются высоким значением оптической частоты (10¹³—10¹⁵ Гц): большая ширина полосы частот для передачи информации (в 10⁴ раз превышающая полосу частот всего радиодиапазона) и высокая направ­ленность излучения. Последнее достоинство оптической связи позволяет применять в передатчиках оптических систем генераторы с относительно малой мощностью и обеспечивает повышенную помехозащищенность и скрытность связи.

Структурно линия оптической связи аналогична линии радиосвя­зи. Для модуляции излучения оптического генератора либо управляют процессом генерации, воздействуя на источник питания или на оптиче­ский резонатор генератора, либо с помощью внешних устройств модули­руют выходное излучение по требуемому закону. Излучение формируется в малорасходящийся луч, достигающий приемного оптического узла, ко­торый фокусирует его на активной поверхности фотоприемника. С выхо­да последнего электрические сигналы поступают в узлы обработки ин­формации.

Сильная зависимость надёжности связи от атмосферных условий (определяющих оптическую видимость) на трассе распространения огра­ничивает применение открытых линий оптической связи относительно малыми расстояниями (несколько километров) и лишь для дублирования существующих кабельных линий связи, использования в малоинформа­тивных передвижных системах, системах сигнализации и т.п. Однако от­крытые линии оптической связи перспективны как средство связи между Землёй и космосом. Например, с помощью лазерного луча можно пере­давать информацию на расстояние до 10⁸ км со скоростью до 10⁵ бит/сек, в то время как радиолиния при таких расстояниях обеспечи­вает скорость передачи только 10 бит/сек.

В наземных условиях наиболее перспективны системы оптиче­ской связи, использующие оптоволоконные кабели. Современные стек­лянные световоды имеют затухание передаваемых сигналов не более нескольких дБ/км, что позволяет создавать оптоволоконные линии связи любой протяженности, располагая оптические ретрансляторы-усилители через несколько десятков километров друг от друга.

К достоинствам оптоволоконных линий связи следует отнести огромную пропускную способность (которая может быть выше, чем у любых других известных систем связи), возможность использования маломощных источников излучения, невосприимчивость к электромагнит­ным помехам, практически полное исключение возможности незаметного несанкционированного доступа к передаваемой информации. В настоя­щее время Россия занимает одно из ведущих мест в мире по протяжен­ности эксплуатируемых оптоволоконных линий связи.

Способы повышения эффективности линий связи. В мехатронных системах для снижения искажений сигнала, повышения достоверно­сти его передачи и уменьшения влияния различного рода помех исполь­зуются следующие способы:

1. сокращение пути, по которому прокладываются линии связи;

2. удаление линии связи от силовых цепей, мощных потребите­лей и т.п.;

3. уменьшение площади между проводами линии связи, исполь­зование витой пары, а при необходимости - экранированного или коак­сиального кабеля;

4. грамотное выполнение заземления;

5. использование низкоомных электрических цепей на обоих концах линии связи;

6. экранирование датчиков и источников электромагнитных по­мех;

5. увеличение мощности передаваемого сигнала;

5. снижение количества передаваемой информации за счет ее предварительной обработки на передающем конце;

5. уменьшение частотного диапазона передаваемого сигнала;

10) использование импульсных и кодированных сигналов вместо аналоговых сигналов интенсивности, использование кодов с исправлени­ем ошибок;

11) использование оптоволоконных линий связи.

Многие из перечисленных способов реализованы в живых орга­низмах, которые условно можно рассматривать как совершенные МС (следует иметь в виду, что протяженность линий связи у животных мо­жет достигать десятков метров, например, у кита - до 33 метров):

1. наиболее важные органы чувств (глаза, уши, и т. п.) расположены в непосредственной близости от центра обработки информации;

2. измерительные линии связи экранированы - нервы, по которым передаются электрические импульсы, окружены экраном из ткане­вых жидкостей, которые являются прекрасными проводниками;

3. почти все электрические цепи в живых организмах - низкоомные;

4. для снижения количества передаваемой информации в орга­нах чувств выполняется первичная обработка сигналов (глаз лягушки выделяет контур движущегося объекта на неподвижном фоне);

5. для снижения влияния помех частотные диапазоны органов чувств сильно ограничены (например, у человека глаз чувствителен в очень узкой части оптического диапазона - от 0,38 до 0,78 мкм, ухо – в очень узкой части звукового диапазона - от 20 Гц до 20 кГц); при этом для каждого вида животных в процессе эволюции сформировался именно тот частотный диапазон, который несет наиболее важную информацию;

6. измерительная и управляющая информация передается не в виде аналогового сигнала, а в виде импульсов; для повышения надежно­сти передачи информации она многократно дублируется.