Особенности сигналов и систем ЖАТС

Виды сигналов в системах ЖАТС.

КОНСПЕКТ лекций

по дисциплине

«теория передачи сигналов»

для студентов заочной формы обучения специальности

190402 – «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте»

Составитель: Юсупов Р. Р.

Уфа 2012

Всего 16 часов

Лекция 1. (2 часа)

Задачи, назначение и краткое содержание курса.

Курс «Теория передачи сигналов» относится к числу важнейших дисциплин, формирующих будущих специалистов. Современный инженер-электрик железнодорожного транспорта должен не только в совершенстве знать существующую аппаратуру, не только уметь разрабатывать системы автоматики и связи, удовлетворяющие конкретным техническим требованиям, он должен уметь реализовывать в проектируемой аппаратуре её потенциальные возможности, должен видеть пути улучшения характеристик систем АТС, прогнозировать их будущее.

Передача информации на железнодорожном транспорте ведется в специфических условиях воздействия сильных и разнообразных помех. Поэтому системы связи должны обладать высокой помехоустойчивостью, что имеет большое значение для безопасности движения. Под помехоустойчивостью понимают способность систем связи противостоять вредному действию помех.

К системам связи предъявляются также требования высокой эффективности при относительной простоте технической реализации и эксплуатации. Это значит, что надо передавать наибольшее или заданное количество информации (сообщений) наиболее экономичным образом (по затратам энергии и полосе частот) в заданное время. Последнее достигается благодаря использованию наиболее современных способов передачи (кодирования и модуляции) и приема (декодирования и демодуляции).

Для правильного понимания принципов функционирования действующих и перспективных систем передачи информации специалисту в области автоматики, телемеханики и связи необходимо знать основные положения теории сигналов, теории информации, теории каналов и теории помехоустойчивого кодирования, принципы построения многоканальных систем передачи информации, высокоскоростных модемов, сжатия сообщений и др.

1. Теория сигналов. В ней рассматривается классификация сигналов, их основные характеристики. Одной из важнейших характеристик сигналов является их спектральный состав. Он определяет возможность передачи данного сигнала по линии связи, всегда имеющей ограниченную полосу пропускания. Поскольку сообщение потребителю заранее неизвестно, сигналы считаются случайными. При изучении таких сигналов используются статистические методы, результатом которых будет получение неслучайных характеристик случайных сигналов.

2. Теория информации. Знакомство с ней позволит понять, как можно повысить скорость передачи информации и повысить качество передачи.

3. Теория каналов. Здесь рассматриваются преобразования непрерывных сигналов в дискретные – квантование и дискретизация, искажение сигналов при их прохождении через линейные и нелинейные элементы непрерывного канала.

4. Теория помехоустойчивости. В ней рассматриваются некоторые идеи создания оптимальных систем передачи информации, способы фильтрации, соотношение между помехой в непрерывном канале и вероятностью ошибки в дискретном канале.

Рассмотрим некоторые понятия, используемые в курсе.

Информация – это сведения об окружающем мире, необходимые для выполнения каких-либо функций ( человеком, машиной). Конкретная форма представления информации– сообщение. Сообщение не может быть передано и принято без преобразования его в сигнал.

Сигнал – это физический процесс, в параметрах которого заключено сообщение. Наиболее часто используемые сигналы в технике – электрические.

Основные виды сигналов. Если сигнал принимает любые значения в некотором интервале, его называют непрерывным по состояниям (рис. а). Если сигнал представляет собой функцию S (t), принимающую только определенные дискретные значения (в простейшем случае 0 и 1), то сигнал называют дискретным по состояниям (рис. 6). Если сигнал задается на всей оси времени t, то его называют непрерывным (аналоговым, поскольку он является копией, аналогом непрерывного сообщения), а если лишь в некоторые дискретные моменты времени, то дискретным по времени (рис. в). Дискретный по времени и по состояниям (цифровой) сигнал представлен на рис. г.

Все многообразие сигналов, используемых при передаче информации, можно разделить на две группы: детерминированные и случайные. Первые характеризуются тем, что в любые моменты времени их значения являются известными величинами. Сигналы, значения которых в любые моменты времени заранее неизвестны, называются случайными.

Если передаваемое сообщение детерминированно (не случайно), т. е. заранее известно с полной достоверностью, то передача его не имеет смысла, поскольку оно не содержит информации. Реальное сообщение – это всегда случайное событие, случайные величины, случайные функции, в частности, случайные процессы. Всегда должно существовать некоторое множество вариантов сообщений, из которых с определенной вероятностью реализуется только один вариант. Сигнал всегда является случайной функцией или случайным процессом. Детерминированный сигнал не может быть переносчиком информации, его можно использовать лишь для тестирования, испытания системы связи или отдельных элементов.

По характеру передаваемой информации выделяют телефонную, телеграфную связь, передачу данных, связь систем телеуправления, диспетчерского контроля и телесигнализации.

По используемой среде распространения электромагнитных колебаний связь делят на проводную, радио, радиопроводную и оптоволоконную. Радиопроводной является связь с машинистами локомотивов движущихся поездов. До станций, ограничивающих перегон, на котором находится поезд, связь осуществляется по проводам, а со станции до локомотива – по радио.

На железнодорожном транспорте используются разнообразные технологические виды связи. Это технологическая телефонная связь, телеграфная связь, диспетчерская поездная радиосвязь, станционная радиосвязь, ремонтно-оперативная радиосвязь и др. виды радиосвязи, связь совещаний, и т.д. Технической базой организации технологической радиосвязи служат стационарные, возимые локомотивные и носимые радиостанции.

Отдельно можно выделить средства связи систем управления движением поездов. Телеуправление и телесигнализация в системах управления движением поездов должны обеспечивать высокую безопасность движения. Следовательно, передача информации в таких системах должна происходить с очень высокой верностью, практически исключающей, например, возможность отправления поезда на занятый блок-участок или станционный путь, или другую опасную ситуацию. Поэтому каналы систем телеуправления на железнодорожном транспорте организуются, как правило, с использованием мер, повышающих помехоустойчивость, таких, как многократное повторение сигналов, применение корректирующих кодов, наиболее помехоустойчивых видов модуляции и т. д.

Вопросы связи имеют огромное значение на железнодорожном транспорте – без них невозможна работа ни одной системы автоматики и телемеханики, например, ЭЦ, АБ, ДК, ДЦ, систем диагностики и контроля подвижного состава.

Перед разработчиками систем передачи информации обычно стоят две противоречивые задачи:

– как передать возможно большее количество информации в единицу времени;

– как эту информацию передать наиболее достоверно.

За повышение скорости и качества передачи надо «платить». В устройствах АТС такой «конвертируемой» валютой являются повышение мощности, увеличение времени передачи, расширение полосы частот, занятой сигналом.

Оптимальному решению этих задач и посвящен курс ТПС.

Обобщенная схема системы передачи информации.

Рассмотрим структурную схему передачи информации, на которой отражены все принципиально важные преобразования сигналов.

На рис. 1.1 представлена структурная схема системы связи, которая в общем случае состоит из передающего устройства (ПДУ), тракта передачи сигнала (ТПС) и приемного устройства (ПРУ).

Часть структурной схемы от источника информации (ИИ) до получателя информации (ПИ) представляет собой канал передачи информации, т.е. канал – это совокупность технических средств, через которые проходит сигнал.

Реальные схемы передачи информации бывают двухсторонними, т. е. передача информации происходит в обоих направлениях.

Сообщения в автоматике в основном дискретны А = (а ₁, а ₂, …, а_i, … а_n). Это команды типа «включить», «выключить». Передающее устройство содержит кодирующее устройство (К) и передатчик (ПРД). В кодирующем устройстве К сообщения А кодируются с помощью символов B = (b ₁, b ₂, …, b_i, … b_m) и преобразуются в кодовый сигнал l (t), т.е. представляются в форме, удобной для передачи. Кодом, в частности, является национальный язык. В нем слова являются кодовыми комбинациями, а буквы – элементарными кодовыми символами.В системах АиТ и в дискретных системах связи используются чаще всего двоичное кодирование с помощью символов 0 и 1.

ПРД обязательно содержит модулятор (М), преобразующий закодированный сигнал l (t) в первичный сигнал c (l,t), генератор несущей сигнала i (t) (Гн) и фильтр (Ф), формирующий рабочий диапазон и как следствие – вторичный сигнал S (l,t). Этот сигнал имеет вид, удобный для распространения его по ТПС от ПДУ к ПРУ.

Совокупность согласующих элементов (СЭ) и линии связи (ЛС) выполняют функцию ТПС, т.е. среды распространения сигнала S (l,t) от передатчика к приемнику. Особенностью ЛС является то, что в ней сигнал S (l,t) подвержен влиянию внешних помех n (t) и как следствие – искажению в смешанный с помехами сигнал Z [ S (l,t), n (t)].

Приемное устройство содержит приемник (ПР) и декодер (К^-1). Приемное устройство, как правило, наиболее ответственный и сложный элемент системы связи.

Приемник является устройством для преобразования поступающего из ТПС смешанного с помехами сигнала Z [ S (l,t), n (t)] в кодовый сигнал l' (t). Составными частями ПР обязательно являются фильтр Ф, преобразующий процесс Z [ S (l,t), n (t)] в первичный сигнал c' (l,t), демодулятор М^-1 и решающее устройство (РУ), преобразующие c' (l,t) в кодовый сигнал l' (t). Сигнал l' (t) преобразуется в сообщение А' посредством декодирования его в декодере К^-1.

В двухсторонних СПИ кодирующее и декодирующее устройства иногда объединяются в блок, называемый кодеком, модулятор и демодулятор объединяют в блок, называемый модемом.

Т.к. сигнал – физический процесс, он всегда непрерывен, поэтому понятие «дискретный сигнал» – условное.

Дата добавления: 2014-11-16