Параметры линейки промышленных компьютеров Rokcwell Automation 2 глава

6. ПЕРЕДАЧА ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

6.1. Общие принципы передачи информации

6.1.1. Структурная схема канала
передачи информации

Важнейшими характеристиками систем передачи информации (СПИ) являются число одновременно функционирующих физических каналов связи между абонентами, надежность и скорость абонентского доступа к информации, скорость передачи информации. Исторически сложилось так, что первые системы передачи информации были аналоговыми. В зависимости от типа линии связи аналоговый сигнал может передаваться без дополнительной обработки или подвергаясь операциям модуляции и демодуляции. Например, в радиочастотном диапазоне медленно изменяющийся измерительный сигнал является модулирующим для несущей частоты передатчика. На приемном конце сигнал подвергается обратному преобразованию – демодуляции (рис. 6.1, а). В связи с меньшей помехоустойчивостью, пропускной способностью и совместимостью с современной измерительной и сетевой аппаратурой аналоговые СПИ постепенно заменяются более прогрессивными – цифровыми [103, 105, 106, 125]. Обобщенная структурная схема цифровой системы передачи информации с аналоговой линией связи показана на рис. 6.1, б.

а

б

Р и с. 6.1. Структурная схема системы передачи
цифровой информации по линии связи:
а – при передаче аналогового сигнала; б – при передаче цифрового сигнала

Источник информации (например, ПЛК) формирует информационные посылки, которые необходимо передать по каналу связи (КС) к приемнику на удаленном узле учета АСКУЭ. Реальные сообщения часто занимают много места, что существенно снижает скорость передачи информации по КС. Для устранения необоснованной информационной избыточности, повышения помехоустойчивости и согласования источника информации с цифровой системой передачи используется кодер источника. В зависимости от типа линии связи (АТС, радио-, волоконно-оптический или проводной канал) структура приемо-передающей части (ППЧ) может варьироваться как конструктивно, так и функционально. Для параметрического согласования источника и канала связи применяется кодер канала. Если в канале связи используются стандартные сигналы, отличающиеся от цифровых, то применяются модуляторы, преобразующие кодоимпульсные сигналы в аналоговые, многопозиционные, частотные и др.

На приемном конце необходимо выполнить функции, возвращающие информационный сигнал в исходную или другую требуемую форму. Для этого применяются демодулятор и декодеры. Совокупность кодера и декодера называется кодеком, модулятора и демодулятора – модемом.

Группа стандартов, разрабатываемая организациями стандартизации, в частности Институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE), и общественными организациями, например ATM Forum и Gigabit Ethernet Alliance, определяет параметры физического уровня линий связи в многоабонентских сетях. К ним относятся тактовая частота, метод кодирования, схема передачи и спектр сигнала. Основные сокращения, термины, стандарты и определения в области связи и сетевых коммуникаций приведены в прил. 7.

6.1.2. Параметры цифрового потока

Цифровой поток передается со скоростью, определяемой числом бит в единицу времени. Тактовая частота, измеряемая в герцах, – это число синусоидальных изменений сигнала в единицу времени. Чем больше форма сигнала отличается от синусоиды, тем больше гармонических составляющих он несет. Частоты гармоник кратны частоте несущей. Диапазон частот сложного сигнала называется спектральной шириной сигнала. Например, спектр кодоимпульсного сигнала включает основную (несущую) составляющую и гармонические составляющие, которые задают форму импульсов (рис. 6.2, а). При пропускании сигнала через линию низкой категории с ограниченной полосой пропускания спектр сигнала сужается, а форма импульсов отклоняется от прямоугольной (рис. 6.2, б-г). Кроме того, причиной сглаживания фронтов импульсов является дисперсия сигнала, которая увеличивается с ростом длины линии связи. Форма сигнала может отклоняться от идеальной в некоторых допустимых пределах, позволяющих с заданной достоверностью различать «0» и «1». Как правило, вероятность ошибки в телеметрических системах не должна превышать значения р_е =10^-7...10^-9 с учетом шумовых помех в канале [103, 105, 106, 125].

Если необходимо увеличить пропускную способность имеющейся линии, то выбирают специальные методы кодирования. К таким методам относятся уменьшение частоты переходов из «0» в «1» и наоборот (так называемой сигнальной скорости), использование нескольких сигнальных параметров (фаза, частота, поляризация), увеличение количества уровней дискретного сигнала до 3...5.

 

Р и с. 6.2. Взаимосвязь спектра и формы сигналов:
а – идеальные прямоугольные импульсы (DF1®¥); б, в, г – пропущенные
через каналы связи с полосами пропускания DF2>DF3>DF4

Скорость сигнала в непрерывном канале, подверженном воздействию шума, в соответствии с теоремой Шеннона равна

, (6.1)

где Р_с – мощность сигнала [Вт]; DF – полоса пропускания КС [Гц]; N – спектральная плотность шума [Вт/Гц].

Дискретным двоичным каналам связи соответствует выражение [100-102]

, (6.2)

где – скорость передачи сигнала; t_u – длительность одиночного импульса («1» или «0»).

Данные могут передаваться битами или байтами. Существует определенная взаимосвязь скорости передачи данных с диапазоном частот в каналах. Например, протоколами физического уровня стандарта OSI (Open System Interconnect)определены шесть категорий каналов передачи информации с соответствующими значениями пропускной способности (табл. 6.1).

Таблица 6.1

Взаимосвязь скорости передачи данных и диапазона частот сигнала

Категория канала по стандарту OSI				5е
Диапазон частот, МГц
Максимальная скорость передачи данных, Мбит/с			155...1000		Нет протоколов

 

Обмен информацией между объектами выполняется в виде кадров. Кадр – структурированная цифровая посылка с четко определенными позициями битов и байтов. Вариант кадра для передачи телеметрической информации по стандарту UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter – Универсальный асинхронный приемник/передатчик) показан на рис. 6.3. К каждому байту данных добавляется стартовый бит, бит четности и стоп-бит. Это позволяет принимающему устройству UART распознавать начало каждого символа и обнаружить ошибку в разрядах из-за помех путем проверки на четность. Бит четности верный (1), если количество единиц в информационном байте четное.

Р и с. 6.3. Формат кадра по стандарту UART

Вариант кадров в соответствии с технологией HART (будет рассмотрена ниже) показан на рис. 6.4. Всем кадрам предшествует определенный набор шестнадцатеричных символов. Эти символы называются преамбулой и предназначены для синхронизации приемника. Каждая часть кадра, включая ограничитель, обеспечена двойной проверкой на четность в каждом передаваемом байте и контрольным байтом.

Кадр «Контроллер®Датчик»»

Преамбула

Ограничитель

Адрес

Команда

Счетчик байт

[Данные]

Контр. байт

Кадр «Датчик ® Контроллер»

Преамбула

Ограничитель

Адрес

Команда

Счетчик байт

Статус

[Данные]

Контр. байт

Р и с. 6.4. Форматы HART-кадров

При пакетных посылках от нескольких групп источников могут вводиться параметры, по которым на приемном конце определяются номера узла учета и УСПД, а также режим настройки, в котором они функционируют. Последующие позиции кадра при этом занимают параметры датчиков (номер, конфигурация) и значения измеренных величин. В последних байтах может записываться служебная информация, код расшифровки (если информация защищена) и т.д. Длина и период следования кадра, его структура, длительность битового импульса, перечень служебных и других параметров обычно определяются используемыми стандартами, что позволяет унифицировать применяемое для передачи данных оборудование.

6.1.3. Мультиплексирование цифровых сигналов

При наличии нескольких передатчиков и приемников сигналов решаются задачи уплотнения сигналов и коммутации каналов передачи данных по одной или нескольким линиям связи для обеспечения высоких показателей трафика [124, 125]. Трафик – у traffic) – входящий (исходящий) поток или объем информации, проходящей через канал связи. плотнение (мультиплексирование) traffic) – входящий (исходящий) поток или объем информации, проходящей через информации в одной линии связи – может производиться во времени, а также по частоте (спектру) и другим параметрам. Цифровые сигналы по определенному алгоритму обрабатываются мультиплексором, который обеспечивает их бесконфликтную транспортировку в уплотненном виде по линии связи.

Демультиплексор на приемном конце разделяет сигналы, которые при необходимости распределяются по адресатам. Аппаратура функционирует в соответствии c принятыми стандартами кодирования и уплотнения, параметрами используемых линий связи и количеством активных источников информации на один физический канал. Вариант временного уплотнения сигналов с заполнением пустых временных слотов показан на рис. 6.5.

 

Р и с. 6.5. Временное уплотнение сигналов по технологии StTDM

Наиболее часто применяют синхронную схему мультиплексирования с временным разделением каналов – Synchronous Time-Division Multiplexing (SyTDM) и асинхронную схему статистического мультиплексирования Statistical Time-Division Multiplexing (StTDM), на которой базируется пакетная коммутация. Технология SyTDM предусматривает использование мультиплексоров с целью предоставления фиксированной полосы пропускания для независимых источников, обеспечивая низкий уровень задержек и их вариацию, что очень важно для трафика реального времени.

Мультиплексор формирует из n входных цифровых потоков один выходной, состоящий из повторяющихся групп по n блоков. Теоретически обеспечивается скорость передачи данных порядка n ´С, где С – скорость передачи данных одного входного канала. Например, если в качестве входного используется основной цифровой канал со скоростью 64 кбит/с, то с помощью одного мультиплексора типа 1:n можно формировать потоки n ´64 кбит/с. Если подобным образом каскадировать мультиплексоры, то в результате можно получить некую цифровую иерархию скоростей. К недостатку синхронных методов относится то, что они не позволяют смещать блоки данных по времени для заполнения неинформационных «пустот» в канале. Это приводит к неэффективному использованию полосы пропускания.

Основным достоинством технологии асинхронной пакетной коммутации StTDM является предоставление возможности объединять различные типы трафика в единый поток с помощью механизма статистического мультиплексирования, позволяющего более эффективно использовать полосу пропускания. Статистический мультиплексор способен по своему алгоритму буферизовать (задерживать во времени) данные так, чтобы уплотнить трафик разных источников и приемников информации в один общий поток (см. рис. 6.3). Это позволяет избежать незаполненных участков и обеспечить максимально эффективное использование каналов. Недостаток – трудность поддержания гарантированной величины задержки и вариации источников информации.

Таблица 6.2

Характеристика иерархий мультиплексированных цифровых потоков

Виды иерархий	Уровни иерархий	Характеристики ветвей иерархии
Европейская	Американская	Японская
Цифровой поток	Скорость, Мбит/с	Цифровой поток	Скорость, Мбит/с	Цифровой поток	Скорость, Мбит/с
PDH		E1	2,048	Т1	1,544	DS1	1,544
	E2	8,448	Т2	6,312	DS2	6,312
	E3	34,368	Т3	44,76	DSJ3	32,064
	E4	139,264	Т4	276,176	DSJ4	97,728
	E5	564,998	-	-	DSJ5	400,352
SDH		STM-0	51,84
	STM-1	155,52
	STM-4	622,08
	STM-16	2448,32
	STM-64	9793,2 8
	STM-256	39173,12

 

Объединяемые в процессе группообразования посылки связывают со ступенями иерархии, номера которых называются уровнями иерархии. Различают три ветви (американская, японская и европейская) плезиохронной иерархии PDH и синхронную (на более высоких уровнях) иерархию SDH, параметры которых представлены табл. 6.2. Ветви и уровни характеризуются скоростью передачи результирующего цифрового потока различных ступеней, кадрами цифровых потоков и символикой их обозначений

Российские телекоммуникационные операторы используют в первичных сетях в основном европейскую иерархию скоростей PDH, которая дает последовательность E1 – E2 – E3 – E4 – E5. Указанная иерархия позволяет передавать соответственно информацию от 30, 120, 480, 1920 и 7680 источников, что отражается в названии систем, работающих с использованием технологии импульсно-кодовой модуляции сигнала: ИКМ-30, ИКМ-120, ИКМ-480 и т.д.

6.2. Стандартные последовательные
цифровые коды

Кодирование информационных сигналов осуществляется с учетом максимально допустимой скорости передачи и пропускной способности используемой среды передачи. При разных типах кодов предельная скорость передачи по одному и тому же кабелю может отличаться в два раза. От выбранного кода прямо зависят также сложность приемо-передающей аппаратуры и надежность передачи информации. Некоторые коды, используемые в АСКУЭ, показаны на рис. 6.6.

 

Р и с. 6.6. Наиболее распространенные коды передачи информации

Код NRZ (Non Return to Zero – без возврата к нулю) – это простейший код, представляющий собой последовательный цифровой сигнал. Достоинства: простая реализация, минимальная среди других кодов пропускная способность линии связи, требуемая при данной скорости передачи. Например, при скорости передачи с =10 Мбит/с (длительность одного бита t _б=100 нс) частота изменения сигнала и, соответственно, требуемая пропускная способность линии составит f_п =1/ Т ₀=1/200 нс = 5 МГц (рис. 6.7).

Р и с. 6.7. Скорость передачи и требуемая пропускная
способность при коде NRZ

Код RZ (Return to Zero – с возвратом к нулю) – трехуровневый код, у которого после значащего уровня сигнала в первой половине передаваемого бита информации следует возврат к некоему «нулевому» уровню (например, к нулевому потенциалу). Переход к нему происходит в середине каждого бита. Логическому нулю, таким образом, соответствует положительный импульс, логической единице – отрицательный (или наоборот) в первой половине битового интервала. В центре каждого бита всегда есть положительный или отрицательный переход, из которого формируется синхроимпульс (строб), поэтому потери синхронизации не произойдет при любой длине пакета.

Недостаток кода RZ состоит в том, что для него требуется вдвое большая полоса пропускания канала при той же скорости передачи по сравнению с NRZ, так как на один бит у него приходится два изменения уровня напряжения. Например, при с =10 Мбит/с требуется пропускная способность линии связи 10 МГц, а не 5 МГц, как при коде NRZ. Код RZ применяется в электрических кабелях и в оптоволоконных линиях связи. Поскольку в них не существует положительных и отрицательных уровней сигнала, используются три уровня: отсутствие света, «средний» свет («0»), «сильный» свет («1»). Даже когда нет передачи информации, свет все равно присутствует, что позволяет легко определить целостность оптоволоконной линии связи без дополнительных мер (рис. 6.8).

Р и с. 6.8. Использование кода RZ в оптоволоконных линиях

Код Манчестер-II, или манчестерский код, получил наибольшее распространение в аппаратуре передачи информации. Он также относится к самосинхронизирующимся кодам, но в отличие от кода RZ имеет не три, а всего только два уровня, что способствует его лучшей помехозащищенности. Логическому нулю соответствует положительный переход в центре бита (т.е. первая половина битового интервала – низкий уровень, вторая половина – высокий), а логической единице соответствует отрицательный переход в центре бита (или наоборот). Обязательное наличие перехода в центре бита позволяет приемнику кода Манчестер-II легко выделить из пришедшего сигнала синхросигнал, что дает возможность передавать информацию сколь угодно большими пакетами без потерь из-за рассинхронизации. Допустимое расхождение часов приемника и передатчика может достигать величины 25%. Пропускная способность линии соответствует коду RZ. Код Манчестер-II используется как в электрических, так и в оптоволоконных кабелях (в последнем случае один уровень соответствует отсутствию света, а другой – наличию света). Достоинство манчестерского кода – отсутствие постоянной составляющей в сигнале, так как в посылке половину времени сигнал положительный, другую половину – отрицательный. Это дает возможность применять для гальванической развязки импульсные трансформаторы. Частотный спектр сигнала при манчестерском кодировании включает в себя только две гармоники. При скорости передачи 10 Мбит/с – это 10 МГц для передаваемой цепочки из одних нулей или из одних единиц и 5 МГц для последовательности из чередующихся нулей и единиц: 1010101010.... Поэтому с помощью простейших полосовых фильтров можно легко отфильтровать все другие частоты (помехи, наводки, шумы).

Все известные коды предусматривают непосредственную передачу в сеть цифровых двух– или трехуровневых прямоугольных импульсов. Однако иногда используется и другой путь – модуляция информационными импульсами высокочастотного аналогового сигнала. Такое кодирование позволяет при переходе на широкополосную передачу существенно увеличить пропускную способность канала связи. К тому же при прохождении по каналу связи синусоидального сигнала не искажается форма огибающей, а только уменьшается ее амплитуда.

К самым простым видам аналогового кодирования цифровых сигналов относятся следующие (рис. 6.9):

 

Р и с. 6.9. Аналоговое кодирование цифровой информации
путем модуляции несущего колебания

− амплитудная модуляция (AM), при которой логической единице соответствует наличие сигнала, а логическому нулю – его отсутствие (или сигнал меньшей амплитуды);

− частотная модуляция (ЧМ), при которой логической единице соответствует сигнал более высокой частоты, а логическому нулю – сигнал более низкой частоты (или наоборот);

− фазовая модуляция (ФМ), при которой смене логического нуля на логическую единицу и логической единицы на логический нуль соответствует резкое изменение фазы синусоидального сигнала одной и той же частоты и амплитуды.

Сигналы, непосредственно передаваемые по физическим линям связи, подвержены влиянию ряда факторов, воздействие которых может привести к возникновению ошибок в принятой информации. Ошибки могут возникать вследствие влияния на канал связи наводок и помех естественного или искусственного происхождения, а также изменения конфигурации системы передачи информации с временным нарушением или без нарушения целостности канала связи. Кардинальным способом снижения вероятности ошибок при приеме является введение избыточности в передаваемую информацию. В системах передачи информации без обратной связи данный способ реализуется в виде помехоустойчивого кодирования, многократной передачи информации или одновременной передачи информации по нескольким параллельно работающим каналам. Помехоустойчивое кодирование более доступно; при прочих равных условиях позволяет обойтись меньшей избыточностью и за счет этого повысить скорость передачи информации.

6.3. Проводные и волоконно-оптические
линии связи

6.3.1. Проводные линии

Наиболее распространенные в АСКУЭ проводные каналы связи – витая пара и коаксиальный кабель [104, 106, 118, 121].

Медный кабель на витой паре (twisted pair) очень гибок и имеет удобные для использования коннекторы, которые легко вставляются в порты сетевого оборудования, ПК и принтеров (рис. 6.10). Размер (диаметр) медных проводников витых пар определяется специальным калибром. Наиболее широко для калибрования используется американский стандарт American Wire Gage (AWG). Меньшим значениям диаметров проводников соответствуют большие значения калибра. При этом проводники большего размера обладают меньшим удельным сопротивлением на единицу длины.

а б в

Р и с. 6.10. Витые пары:
а – двужильная; б – восьмижильная (четыре пары); в – разъем RJ-45

Для изготовления оболочек кабелей обычно применяются два типа материалов: поливинилхлорид (ПВХ, PVC) и фторуглеродные полимеры. Экранирование кабелей иногда используется для обеспечения лучшей невосприимчивости к шуму и снижения излучения в окружающую среду. Обычно применяются два типа экранов в кабелях STP – фольга и сетка. Кабели на основе витой пары находят широкое применение в сетях передачи данных, определяемых национальными и международными стандартами TIA/EIA 568-A, ISO/IEC 11801, EN 50173. Эти стандарты жестко регламентируют максимальную длину кабелей, а также ряд требований, предъявляемых к кабелю как к компоненту структурированной кабельной системы. Основными из них являются собственное и переходное затухания, емкость, уровень возвратных потерь, импеданс и т.д. В зависимости от скорости передачи данных кабельные компоненты делятся на пять категорий по частотным характеристикам: Cat.3 – до 16 МГц, используется в телефонии; Cat.5 – до 100 МГц, применяется в сетях до 100 Мбит/с; Cat.5e – до 120 МГц; Cat.6 – до 250 МГц; Cat.7– с полосой 600 МГц применяется в каналах передачи данных со скоростью до 1000 Мбит/с. Для подключения витой пары в основном используется разъем RJ-45 (рис. 6.9, в). Витые пары производятся многими отечественными и зарубежными фирмами: Спецкабель, Signamax, Belden, Nexans, TELDOR, AESP и др.

Коаксиальный кабель состоит из центрального медного проводника (сплошного или многожильного), покрытого слоем полимерного изолятора, поверх которого расположен другой проводник (экран). Экран представляет собой оплетку из медного провода вокруг изолятора и/или обернутую вокруг изолятора фольгу. При наличии сильных помех используется кабель с учетверенной экранизацией из двойного слоя фольги и двойного слоя металлической оплетки. Коаксиальный кабель обеспечивает более высокую помехоустойчивость по сравнению с витой парой, но он дороже. Существуют различные виды коаксиальных кабелей, отличающиеся диаметром, волновым сопротивлением, формой, соединительными элементами. В разных сетевых коммуникациях используют один из двух типов коаксиальных кабелей: толстый и тонкий.

Толстый (thick) коаксиальный кабель (рис. 6.11, а) – относительно жесткий кабель с диаметреом около 1 см (~0,5 дюймов). Иногда его называют «стандартный Ethernet», поскольку он был первым типом кабеля, применяемым в Ethernet – популярной сетевой архитектуре. Медная жила этого кабеля позволяет передавать информацию на расстояние до 500 м. Для подключения абонента к толстому коаксиальному кабелю применяют специальное устройство – трансивер (transceiver), снабженный коннектором DB-15 или DIX. В некоторых сетях для согласования волнового сопротивления используют терминаторы, которые устанавливаются на концах открытого кабеля.

 

а б в

г

Р и с. 6.11. Коаксиальные кабели:
а – толстый одножильный; б – тонкий одножильный с экранирующей оплеткой;
в – тонкий многожильный с двойной оплеткой; г – ВNС-коннекторы и терминатор

Тонкий (thin) коаксиальный кабель (рис. 6.11, б-г) – гибкий кабель диаметром около 0,5 см (0.25 дюймов). Он прост в применении и годится практически для любого типа сети. Тонкий коаксиальный кабель способен передавать сигнал на расстояние до 185 м без заметного искажения, вызванного затуханием. Тонкий коаксиальный кабель относится к группе, которая называется семейством RG-58, его волновое сопротивление (impedance) равно 50 Ом. Для подключения тонкого коаксиального кабеля используют BNC-коннекторы (British Naval Connector, BNC).

При передаче информации по проводным линиям связи из взрывоопасных зон используют барьеры искрозащиты, которые обеспечивают взрывозащищенность электрических цепей измерительных преобразователей и исполнительных устройств в системах измерения, регулирования, сигнализации, аварийной защиты и управления энергопотреблением.

6.3.2. Волоконно-оптические линии связи

Оптическое волокно для транспортировки света, как правило, представляет собой двухслойную круглую вытянутую нить из оптически прозрачных диэлектриков (рис. 6.12, а). Сердцевина волокна с диаметром d ₁ выполнена из материала с показателем преломления n ₁ (тяжелые флинты), большим, чем у оболочки – n ₂ (легкие кроны). Волокна называются толстыми, или многомодовыми (рис. 6.12, в), если d ₁ >>l, где l – длина волны оптического излучения. В тонких волокнах d ₁ £l.

Если в тонком волокне выполняется условие

, (6.3)

то волокно становится одномодовым (рис. 6.12, г) и по нему распространяется только один луч (линия 1 на рис. 6.12, б).

Модами в оптическом волноводе называют неизменяемые поперечные распределения поля, распространяемого вдоль волновода с сохранением определенного состояния поляризации и с постоянной групповой скоростью. Излучение, распространяющееся по волокну, обычно представляют в виде одной или совокупности нескольких мод внутри числовой апертуры А (рис. 6.12, б, угол между линиями 2 и 2^/). За пределами числовой апертуры луч выходит за границу сердечника (линия 3) или за границу оболочки (линия 4).

 

a б

в г

Р и с. 6.12. Оптическое волокно круглого сечения:
а – структурная схема; б – траектория распространения меридиональных лучей;
в – многомодовое волокно; г – одномодовое волокно

Прозрачность волокна зависит от наличия паразитных примесей, длины волны, толщины волокна, применяемого материала и находится в пределах от долей единицы (для одномодовых волокон) до нескольких сотен (для многомодовых) дБел/км. Энергетические соотношения для различных типов волокон можно считать строгими при радиусе изгиба световода R_и > 60 d ₂. При нарушении этого условия часть световой энергии уходит в оболочку и за пределы волокна, что особенно важно учитывать при проектировании линий связи.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: