В начало

Цифровой канал передачи информации (Тема)

 

Современные АСУ ТП содержат десятки взаимодействующих между собой устройств (ПЛК, ПК, рабочие станции), которые разнесены на десятки, сотни и даже тысячи метров. Данные цифровые устройства работают в промышленной среде, характеризирующейся высоким уровнем помех, запыленностью, повышенной температурой, агрессивностью окружающей среды, вибрациями. К каналам связи АСУ ТП предъявляют высокие требования по быстродействию и достоверности информации. Канал связи состоит из оконечной аппаратуры и линий передач (рис. 1).

 

Рис. 1. Структура цифрового канала передачи информации:

ИИ – источник информации; КИ – кодер источника; КК – кодер канала; М – модулятор; ЛС – линия связи; ИП – источник помех; ДМ – демодулятор; ДКК – декодер канала; ДКИ – декодер источника; П – приемник информации

 

КИ имеет целью обеспечить такое кодирование, при котором путем устранения избыточности существенно снижается число символов, требуемых на букву сообщения. С помощью КК обеспечивается заданная достоверность передачи сигнала путем введения избыточности. М преобразует цифровой сигнал в аналоговый. ДМ преобразует аналоговый сигнал в цифровой. ДКК проверяет достоверность и убирает избыточность.

Выбор состава устройств цифрового канала связи осуществляется исходя из особенностей передачи информации в промышленной среде. При этом возможны следующие варианты:

·        Если избыточность источника мала, а помехи в канале отсутствуют, то введение КИ и КК нецелесообразно (а также ДКИ и ДКК);

·        Если избыточность высока, а помехи незначительны, то целесообразно включать КИ (ДКИ), а КК (ДКК) исключить;

·        Если избыточность мала, а помехи велики, то включается только КК.

На физическом уровне сигналы, как носители информации, могут быть двух видов:

·        Аналоговые (непрерывные);

·        Цифровые (конечный набор значений).

С точки зрения практической реализации цифровой сигнал проще и дешевле, но имеет существенный недостаток – подвержен искажениям при передаче по линиям связи (рис. 2.2). При передаче же аналогового сигнала изменяется только амплитуда,
а форма сигнала сохраняется. Поэтому при передаче информации на большие расстояния используют аналоговые сигналы, вводя в канал связи модуляторы и демодуляторы.

Смысл модуляции заключается в том, что основной сигнал передается с помощью другого сигнала путем изменения его амплитуды, частоты или фазы по определенному закону. В качестве несущего сигнала принимается чаще всего синусоида высокой частоты, обладающая хорошей помехозащищенностью, которая позволяет использовать одну линию связи как многоканальную, в которой каждый источник сигнала использует свою частоту.
На рис. 3 показана амплитудная модуляция синусоиды импульсным сигналом.

При частотной модуляции изменяется частота несущей синусоиды, например: для передачи «1» используется частота f₁, а для «0» – f₂=0,5 f₁. Частотная модуляция применяется в низкочастотных модемах от 300 до 1200 бод (1 бод = 1 бит/с).

 

Рис. 2. Аналоговый А_и и цифровой Ц_и сигналы источников и аналоговый А_и и цифровой Ц_п сигналы на входе приемников

 

Рис. 3. Амплитудная модуляция несущего сигнала А  цифровым сигналом Ц

 

При фазовой модуляции используются два постоянных несущих сигнала (для «0» и «1»), сдвинутых по фазе на 180°. Чаще используют другой способ фазовой модуляции, при которой сдвиг по фазе на 90° по отношению к текущему сигналу указывает на то, что передается «0», а на 270° – «1».

Кодирование информации источника позволяет, используя небольшое число символов в алфавите кода (в частности «0» и «1»), передавать любую информацию. Большинство кодов, применяемых при кодировании информации источника, основаны на системах счисления. Наиболее распространенным является двоично-десятичный код (8-4-2-1).

Недостаток взвешенных кодов заключается в том, что при передаче под действием помех может исказиться любой символ, причем искажение символов в старших разрядах опаснее, чем в младших, поэтому чаще используют не взвешенные коды, у которых ошибки будут одинаковыми для всех разрядов.

Помехоустойчивое кодирование основано на принципе Шеннона: при любой скорости передачи двоичных символов меньшей, чем пропускная способность канала, существует такой код, при котором вероятность ошибочного декодирования сколь угодно мала. Построение такого кода достигается введением избыточностей. Наиболее часто используют блоковые коды, когда информация передается в виде кодовых комбинаций (блоков равной длины), при этом к каждому блоку добавляется n символов, например, код на четность, когда каждому блоку добавляется в КК «0» или «1», чтобы число единиц в кодовой комбинации было всегда четным. В ДКК осуществляется автоматическая проверка на четность. Кроме кода на четность используют коды с постоянным весом, где вес – это число единиц, содержащихся в кодовых комбинациях. Недостаток таких кодов – большая избыточность.

К помехозащищенным кодам относятся также циклические коды, характеризуемые циклической перестановкой всех символов в кодовой комбинации.

Передача данных от источника к приемнику информации может осуществляться параллельным и последовательным способами. При параллельной передаче все элементы (биты) цифрового слова посылают в линию связи одновременно. При последовательном способе биты цифрового слова передаются от источника к приемнику последовательно по времени (друг за другом). Последний способ позволяет решать задачи по надежной и экономичной передаче данных на большее расстояние, однако, по сравнению с параллельным имеет большее время передачи, которое увеличивается пропорционально длине цифрового слова.

Синхронизация передаваемых данных может быть обеспечена тремя путями:

·        Синхронная передача сигнала;

·        Асинхронная передача сигнала;

·        Передача сигнала с автоподстройкой.

При синхронном способе передачи сигнала между передатчиком ПРД и приемником ПРМ, кроме линии передачи данных, существует отдельная линия передачи сигналов синхронизации от общего тактового генератора ТГ (рис. 4).

 

 

Рис. 4. Синхронная передача сигнала

 

Синхронный способ применяется в тех случаях, когда необходимо передавать большие блоки информации, при этом весь блок передается как одно целое. Блоки (кадры) информации отделяются друг от друга одним или несколькими байтами, что необходимо для разделения приемником цепочки бит на блоки.

Асинхронный способ применяется тогда, когда передаваемые данные генерируются в произвольные моменты времени. При данном способе принимающее устройство должно устанавливать синхронизацию в начале каждого передаваемого блока информации, но при этом не требуется отдельная линия синхронизации. Тактовые генераторы имеют и приемник и передатчик. При асинхронном способе с последовательным типом передачи информации поток передаваемых бит делится на кадры, при этом каждый кадр содержит стартовый бит, который включает процесс синхронизации, и стоповый бит (рис. 5). Так как частоты на приемной и передающей стороне могут отличаться друг от друга (до 3 %), стоповый бит может иметь длину от 1,5 до 2 бит. Бит паритета P добавляется к передаваемому байту для контроля кода на четность (или нечетность) с целью обеспечения достоверности передаваемой информации.

 

 

Рис. 5. Структура передаваемого кадра (байта) при асинхронном способе передачи данных

 

Стартовый бит (логический «0») каждого следующего байта посылается в любой момент времени, т.е. между передачей возможны паузы произвольной длины, при этом запускается стартовый генератор приемника, начинается прием информации. Недостатком является то, что скорость передачи очень низкая – 9600–19600 бод. Для повышения скорости в асинхронном режиме иногда используют манчестерский код, в котором синхронизируется передача каждого бита, поэтому последовательность бит в кадре может быть любой длины. После каждого простоя осуществляется предварительная синхронизация тактовым генератором, которая достигается посылкой последовательных битов (преамбула).