Передача данных

10.3. Комбинационное разделение сигналов

Пусть имеются два канала и пусть оба канала работают двоичным кодом с элементами 0 и 1. Тогда возможны следующие комбинации сигналов в обоих каналах (табл. 10.1).

Как видим, если сигналы обоих каналов будут смешаны, то разделить их невозможно. Но мы можем вместо суммарного сигнала, передавать номер комбинации, так как этот номер однозначно определяет сигналы каждого из каналов в отдельности. Таким образом, дело сводится к передаче чисел. Эти числа могут быть переданы любым способом, т. е. закодированы любым кодом и переданы посредством любого вида модуляции.

Построение многоканальной системы сводится к созданию некоторого устройства, на n входов которого поступают сигналы п каналов и которое вырабатывает посылаемый в линию линейный сигнал в форме кодовой комбинации, отображающей совокупность мгновенных значений канальных сигналов в данный момент. Число таких комбинаций равно, очевидно, N=mn, где n— число каналов, а m— основание кода в канале до преобразования.

Таблица 10.1

Таким образом, линейный сигнал не просто есть сумма или смесь канальных сигналов, а представляет собой отражение определенной комбинации канальных сигналов, горючем выбор способа отображения зависит от нашего усмотрения. Такой  способ  разделения сигналов называется комбинационным разделением.

Примерами систем с комбинационным разделением каналов являются двухканальная система частотного телеграфирования (ДЧТ) и двухканальная система фазового телеграфирования (ДФТ). В системе ДЧТ в качестве сигналов используются колебания четырех различных частот, несущие информацию в значениях символов в каждом из двух бинарных каналов. В системе ДФТ символы двух каналов передаются с помощью отрезков гармонических колебаний одной частоты, но с различными значениями начальной фазы. Комбинационный метод разделения применяется в многоканальных системах с числом каналов 2—4. При числе каналов больше двух полоса частот, занимаемая системой, при комбинационном уплотнении шире, чем при частотном или временном способе и эта разница быстро возрастает с увеличением числа каналов.

Модели канала связи

Канал связи описывается математической моделью, задание которой сводится к определению математических моделей выходного и входного S2{\displaystyle S_{2}} и S1{\displaystyle S_{1}}, а также установлению связи между ними, характеризующейся оператором L{\displaystyle L}, то есть

S2=L(S1){\displaystyle S_{2}=L(S_{1})}.

По типу замирания сигнала модели канала связи делятся на гауссовские, релеевские, райссовские и с замираниями, моделируемые с помощью распределения Накагами.

Модели непрерывных каналов

Модели непрерывных каналов можно классифицировать на модель канала с аддитивным гауссовским шумом, модель канала с неопределенной фазой сигнала и аддитивным шумом и модель канала с межсимвольной интерференцией и аддитивным шумом.

Модель идеального канала

Модель идеального канала используется тогда, когда можно пренебречь наличием помех. При использовании этой модели выходной сигнал S2{\displaystyle S_{2}} является детерминированным, то есть

S2(t)=γ S1(t−τ){\displaystyle S_{2}(t)=\gamma ~S_{1}(t-\tau )}

где γ — константа, определяющая коэффициент передачи, τ — постоянная задержка.

Модель канала с неопределённой фазой сигнала и аддитивным шумом

Модель канала с неопределённой фазой сигнала и аддитивным шумом отличается от модели идеального канала тем, что τ{\displaystyle \tau } является случайной величиной. Например, если входной сигнал S1(t){\displaystyle S_{1}(t)} является узкополосным, то сигнал S2(t){\displaystyle S_{2}(t)} на выходе канала с неопределённой фазой сигнала и аддитивным шумом определяется следующим образом:

S2(t)=γ(cos(θ)u(t)−sin(θ)H(u(t))+n(t){\displaystyle S_{2}(t)=\gamma (cos(\theta )u(t)-sin(\theta )H(u(t))+n(t)},

где учтено, что входной сигнал S1(t){\displaystyle S_{1}(t)} может быть представлен в виде:

S1(t)=cos(θ)u(t)−sin(θ)H(u(t)){\displaystyle S_{1}(t)=cos(\theta )u(t)-sin(\theta )H(u(t))},

где H(){\displaystyle H()} — преобразование Гильберта, θ{\displaystyle \theta } — случайная фаза, распределение которой считается обычно равномерным на интервале

Модель канала с межсимвольной интерференцией и аддитивным шумом

Модель канала с межсимвольной интерференцией и аддитивным шумом учитывает появление рассеяния сигнала во времени из-за нелинейности фазо-частотной характеристики канала и ограниченности его полосы пропускания, то есть например, при передаче дискретных сообщений через канал на значение выходного сигнала будут влиять отклики канала не только на переданный символ, но и на более ранние или более поздние символы. В радиоканалах на возникновение межсимвольной интерференции влияет многолучёвое распространение радиоволн.

Модели дискретных каналов связи

Для задания модели дискретного канала необходимо определить множество входных и выходных кодовых символов, а также множество условных вероятностей выходных символов при заданных входных.

Также существуют модели дискретно-непрерывных каналов связи

1.1. Понятие системы и сети связи

Основу теории и техники электросвязи составляет передача на расстояние различного рода сообщений (информации). Под информацией понимают совокупность сведений о каких-либо предметах, событиях, процессах чьей-либо деятельности и т.д. Форма представления информации называется сообщением. Это может быть речь или музыка, рукописный или машинописный текст, чертежи, рисунки, телевизионное изображение.

Для передачи по каналам связи каждое сообщение преобразуется в электрический сигнал. Сигнал – физический процесс, отображающий передаваемое сообщение (физический носитель сообщения). Физическая величина изменением, которой обеспечивается отображение сообщений, называется информационным или представляющим параметром сигнала.

Перенос сообщений из одной точки пространства в другую осуществляет система электросвязи. Система электросвязи (телекоммуникационная система) – комплекс технических средств, обеспечивающий передачу сообщений от источника к получателю на расстояние (рисунок 1.1).

Система электросвязи в целом решает две задачи:

1)  доставка сообщений – функции системы электросвязи;

2)  формирование и распознавание сообщений – функции оконечного оборудования.

Трактом передачи называют совокупность приборов и линий, обеспечивающих передачу сообщений между пользователями.

Канал передачи (связи) – часть тракта передачи между двумя любыми точками. В канал передачи не входят оконечные устройства.

Рисунок 1.1 – Структурная схема системы электросвязи (телекоммуникационной системы)

Принцип передачи сигналов электросвязи показан на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Принцип передачи сигналов электросвязи

На входе и на выходе тракта передачи сообщений включаются оконечные устройства, обеспечивающие преобразование сообщений в электрические сигналы и обратное преобразование. Данные устройства называются первичными преобразователями и сформированные ими сигналы также называются первичными. Например, при передаче речи первичным преобразователем является микрофон, при передаче изображения – электронно-лучевая трубка, при передаче телеграммы – передающая часть телеграфного аппарата.

Источник сообщения формирует сообщение a(t), которое преобразуется в электрический сигнал s(t). В системе электросвязи происходят вторичные преобразования сигналов и они транспортируются в форме, отличной от первоначальной.

Сеть электросвязи (телекоммуникационная сеть) — совокупность линий (каналов) связи коммутационных станций, оконечных устройств, на определенной территории, обеспечивающая передачу и распределение сообщений (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 – Обобщенная структурная схема сети электросвязи (телекоммуникационной сети)

На входе и на выходе сети связи включаются оконечные устройства, обеспечивающие преобразование сообщений в электрические сигналы и обратное преобразование. Оконечные устройства соединяются с коммутационной станцией абонентскими линиями. Коммутационные станции между собой связаны соединительными линиями. Коммутационные станции осуществляют соединение входящих линий с исходящими линиями по соответствующему адресу.

В общем виде, сообщение, передаваемое от источника к получателю состоит из двух частей: адресной и информационной. По содержимому адресной части коммутационная станция определяет направление связи и осуществляет выбор конкретного получателя сообщения. Информационная часть содержит само сообщение.

Совокупность процедур и процессов, в результате выполнения которых обеспечивается передача сообщений, называется сеансом связи, а набор правил в соответствии, с которыми организуется сеанс связи, называется протоколом.

Кабельные линии связи

Структура кабеля может быть разной, но в основном все они состоят из групп проводников, которые обработаны надежной изоляцией.

Для обмена данными в компьютерных сетях используются такие типы кабелей:

• Витая пара – состоит из двух проводов, изготовленных из меди, которые свиты друг с другом и покрыты неэкранированной или экранированной оболочкой. Такой способ соединения проводников помогает повысить помехоустойчивость, возможно, что в один кабель заключается сразу несколько витых пар проводов. Такое подключение самое дешевое и доступное, монтаж кабелей достаточно простой, что и приводит к несанкционированному подключению к сетям все тех же недобросовестных абонентов.
• Коаксиальный кабель – состоит из центрального проводника, роль которого исполняет медный провод, и проводящего экрана, чаще всего в его качестве используется алюминиевая фольга или медная оплетка. Между основным проводником и экраном располагается изолирующий материал, внешняя часть экрана также покрыта изоляцией. Этот метод подключения более затратный и трудоемкий, потому несанкционированных подключений меньше. Для таких линий характерна хорошая защищенность от помех и высокая скорость передачи информации.
• Оптоволоконный кабель – похож по своему строению с коаксиальным, но вместо медного проводника в этом кабеле используется тонкое стекловолокно, роль внутренней изоляции выполняет пластиковая или стеклянная оболочка, которая не позволяет свету выходить, она образовывает полное внутренне отражение. Примечательно, что через волокно сигналы могут проходить исключительно в одну сторону, именно по этой причине в кабелях они расположены попарно. Монтаж таких линий связи очень трудоемкий, сам кабель достаточно чувствительный к повреждениям, но при этом он обеспечивает высочайшую скорость передачи сигнала до 3 Гбит/с. При условии использования оптоволоконного кабеля на стороне передачи должен использоваться преобразователь электрического сигнала в световой, а на стороне приема – преобразователь светового сигнала в электрический.

Современные телекоммуникационные системы и сети

Телекоммуникационные системы представляют собой технические средства, предназначенные для передачи больших объемов информации через оптоволоконные линии связи. Как правило, телекоммуникационные системы предназначены для обслуживания большого количества пользователей: от нескольких десятков тысяч до миллионов. Использование такой системы предполагает регулярную передачу информации в цифровом виде между всеми участниками телекоммуникационной сети.

Главная особенность современного оборудования для сетей — обеспечение бесперебойного соединения, чтобы информация передавалась постоянно. При этом допускается периодическое ухудшение качества связи в момент установления соединения, а также периодические технические неполадки, вызванные внешними факторами.

10.2. Основы теории линейной селекции

Эффективное разделение сигналов может быть осуществлено только на основе строгой теории, в которой формулируются условия разделения и даются количественные оценки различных способов разделения. Возможны два подхода к решению этой проблемы: геометрический и аналитический. С принципиальной точки зрения оба эти подхода равноценны. Геометрическая теория различения (разделения) сигналов была рассмотрена в § 2.11. Ниже рассматривается аналитическая теория разделения (линейной селекции). Основы этой теории были разработаны Д. В. Агеевым в 1935 г.

Пусть канальные сигналы записаны в виде

                                                                                                                               (10.5)

где — переносчик, а — коэффициент, отображающий передаваемое сообщение по k-му каналу. Произведение  представляет результат модуляции переносчика  сообщением . Различие между канальными сигналами — это различие между переносчиками .

Линейный сигнал представляет собой сумму канальных сигналов

                                                                                       (10.6)

Этот сигнал передается по линии связи. На приемном конце для разделения сигналов имеется п разделительных (избирательных) устройств. Действие этих устройств будем описывать оператором разделения . Далее мы предполагаем, что помехи в канале отсутствуют.

Сущность разделения состоит в том, что каждое из избирательны устройств должно реагировать на «свой» сигнал и не реагировать на все остальные. Математически это запишется в виде

 (10.7)

где

Необходимым и достаточным условием разделимости сигналов   является

условие их линейной независимости, которое состоит в том, что тождество

                                                                                                                                 (10.8)

удовлетворяется только в том единственном случае, когда все коэффициенты одновременно равны нулю.

Линейно-независимой называется такая система функций , при которой ни одна из них не может быть выражена в виде линейной комбинации остальных. Если можно подобрать такие не равные нулю значения , что тождество (10.8) удовлетворяется, то функции зависимы. Действительно, если, например, и не равны нулю, то при  функция  есть с масштабным множителем.

Большой практический интерес представляет случай, когда канальные сигналы образуют ортогональную систему функций , что является достаточным, но не необходимым условием для их разделимости. Условие ортогональности записывается в виде

                                                                                                                    (10.9)

Будем считать, кроме того, что функции нормированы так, что

                                                                                                         (10.10)

Линейный сигнал пусть представляется суммой

                                                                                                                              (10.11)

При этих условиях разделение сигналов сводится к нахождению коэффициентов разложения s(t) по ортогональным нормированным функциям . Умножая (10.11) на  и интегрируя, получим

Следовательно, оператор разделения Фтв этом случае имеет вид

                                                                                                                  (10.12)

Рис.  10.5. Схема разделения ортогональных сигналов

Результатом этой операции является выделение величины ст, т. е. сообщения соответствующего канала.

Структурная схема устройства, разделяющего ортогональные сигналы, показана на рис. 10.5. Она состоит из п корреляторов, каждый из которых выделяет соответствующий сигнал и восстанавливает переданное сообщение.

Общая теория, изложенная выше, есть в сущности, теория разделения сигналов по форме. Известные способы разделения по частоте, фазе и по времени являются частными случаями этого общего метода разделения.

В случае фазового разделения канальные сигналы с учетом нормировки запишутся в виде:

Линейный сигнал представляется суммой

Разделение происходит следующим образом:

При временном разделении по линии в любой момент времени передается только один сигнал. Поэтому условие линейной независимости (10.8) вырождается в равенство , а это возможно только при . Оператором разделения k-го канала в данном случае является временная характеристика коммутатора K, равная единице при замыкании и нулю при размыкании(рис. 10.3).

При частотном разделении условие линейной независимости канальных сигналов вытекает из того, что сигналы занимают не перекрывающиеся полосы частот. Оператором разделения k-гo канала  является фильтр, который пропускает только частоты этого канала и совершенно не пропускает частоты всех других каналов.

Система линейно-зависимых функций, как известно, может быть ортогонализована, т. е. путем линейного преобразования заманена системой ортогональных функций. Следовательно, разделение линейно-независимых сигналов всегда можно свести к разделению ортогональных функций.

Передача данных систем защиты

Технология ВЧ связи сейчас, как и раньше, играет важную роль в области передачи данных систем защиты. На магистральных и высоковольтных линиях с напряжением свыше 330 кВ, как правило, используются двойные системы защиты с разными способами измерения (например, дифференциальная защита и дистанционная защита). Для передачи данных систем защиты также используются различные способы передачи для обеспечения полной избыточности, включая коммуникационные каналы. Типичными каналами связи в этом случае является комбинация цифровых каналов по оптическим линиям для данных дифференциальной защиты и аналоговых ВЧ каналов для передачи сигналов-команд дистанционных защит. Для передачи сигналов защиты, технология ВЧ является самым надежным каналом. ВЧ связь является более надежным каналом передачи данных, чем другие, даже оптические линии не могут обеспечить такое качество по прошествии длительного времени. За пределами магистральных линий и на окончаниях сети, ВЧ связь часто становится единственным каналом для передачи данных систем защит.

Проверенная система SWT 3000 фирмы Siemens (Рисунок 4) является инновационным решением для передачи команд РЗ ПА с требуемой максимальной надежностью и одновременно с минимальным временем передачи команд в аналоговых и цифровых коммуникационных сетях.

Многолетний опыт в области передачи защитных сигналов позволил создать уникальную систему. Благодаря сложной комбинации цифровых фильтров и систем цифровой обработки сигналов удалось настолько подавить влияние импульсных помех — самых сильных помех в аналоговых каналах связи, что даже в сложных реальных условиях достигается надежная передача команд РЗ и ПА. Поддерживаются все известные режимы работы прямого отключения или разрешающего срабатывания с индивидуальными таймерами и скоординированной или нескоординированной передачей. Выбор режимов работы осуществляется с помощью программного обеспечения. Специфичные для российских электросетей функции про-тивоаварийной автоматики могут быть реализованы на той же аппаратной платформе SWT 3000.

При использовании цифровых интерфейсов идентификация устройства осуществляется по адресу. Таким образом возможно предотвращение случайного подключения других устройств по цифровым сетям.

Гибкая концепция два в одном позволяет использовать SWT 3000 во всех имеющихся каналах связи — медных кабелях, высоковольтных линиях, оптических линиях или цифровых в любых комбинациях Рисунок 5: 

• цифровая + аналоговая на одной платформе;
• 2 избыточных канала в 1 системе;
• дублированный блок питания в 1 системе;
• 2 системы в 1 среде.

Являясь очень экономичным решением SWT 3000 может интегрироваться в ВЧ систему PowerLink. В этой конфигурации обеспечивается возможность дублированной передачи — аналоговая по технологии ВЧ и цифровая, например, по SDH.