Передача и прием информации

     Содержание 

    Введение           2

  1. Общие сведения о передаче, приеме     

    и обработке информации       2

      1.1. Интеллектуальные измерительные системы   3 1.2. Принципы обмена данными      4 1.3. Режимы передачи сигналов      6 1.4. Ширина полосы        7 1.5. Отношение сигнал/шум       7

      1.6. Принципы  построения передатчиков     8

      1.7. Способов кодирования - декодирования

     информации         9

    2. Разработка устройства сбора и обработки информации    22   2.1. Структурная схема  передатчика     22

     2.2. Принципиальная схема передатчика     24

3. Результаты исследования        27

Заключение          29

Список используемой литературы       30                      
 
 
 
 
 

Введение 

     Необходимость приёма и передачи информации беспокоило человечество всегда. Существует способ приёма и передачи информации между передатчиком и приемником по радиоканалу. В этом случае используется устройство модуляции и демодуляции[5].

     Обмен информацией является её передача от одной точки к другой. Многие системы обмена информации работают с аналоговыми данными – примером является телефонная связь, радио и телевидение[5].

     Понятие «распределенная система» применяется  сегодня очень широко, независимо от того, идет ли речь о комплексах из нескольких машин или мультипроцессорных системах различных архитектур. Благодаря этому в большинстве случаев оно потеряло свой смысл. Рассмотрим концепцию распределенных систем, полученных объединением датчиков и исполнительных механизмов, формирующая систему автоматизированного управления. Распределенная система управления(РСУ) представляет собой некоторое упорядоченное соединение узлов, обменивающихся друг с другом данными об измерениях и управлении[8].

     Сферы применения РСУ многочисленны, перечислим основные[8]:

  1. Компьютерная сеть
  2. Промышленность
  3. Распределенные системы измерения
  4. Распределенные системы управления
  5. Интернет

     В рамках курсовой работы будет реализовано  устройство для сбора и передачи информации по радиоканалу с Амплитудно-импульсной модуляцией. Принцип работы устройства заключается в модуляции низкочастотным сигналом несущим информацию, высокочастотного сигнала с  ультра-короткими волнами.

  1. Общие сведения о передачи, приеме и обработки информации
 

     Почти все современные измерительные  приборы связаны с цифровой передачей  данных.

     Для любой системы обмена данными необходим передатчик, чтобы отправлять данные, приемник, чтобы принимать их, и находящийся между ними канал связи. Каналом связи может быть медный провод, оптоволокно, радио или микроволновое излучение[5]. 

     Между принимающей и передающей сторонами должна быть взаимная договоренность о том, как надо декодировать данные. Приемник должен уметь понимать то, что ему передает передатчик. Правило, по которому устройства общаются друг с другом называется протоколом[5].

     Современные системы контроля и управления получают данные от измерительных приборов и передают контроллеру – обычно это компьютер, но сами измерительные приборы тоже являются такой же сравнительно не большой системой - системой сбора, передачи и обработки полученных данных от датчика базовому устройству. Управление последовательностью операций традиционно производилось с помощью реле, таймеров и других компонентов. Это нужно для контроля передачи информации на базовое устройство с приемником, через определенные промежутки времени[5]. 

    1. Цифровые измерительные системы
 

     В 1960-х годах в качестве стандарта  для измерительных приборов de facto был принят аналоговый интерфейс с токовой петлей 2—20 мА. В результате этого производители измерительного оборудования получили стандартный коммуникационный интерфейс, который они использовали при производстве своих приборов. Пользователи имели большой выбор приборов и датчиков от большого числа производителей, которые могли быть использованы в их системах управления[5].

     С приходом микропроцессоров и развитием цифровых технологий ситуация изменилась. Большинство пользователей оценили достоинства цифровых измерительных приборов. К ним относится большой объем информации, отображаемой на одном приборе, местная и удаленная индикация, надежность, экономичность, автоматическая настройка и возможность диагностирования. В настоящее время наблюдается постепенный переход от аналоговых к цифровым технологиям[5].

     Имеется ряд цифровых датчиков, поддерживающих обмен цифровых данных и подходящих для самых традиционных применений. К ним относятся датчики для измерения температуры, давления, уровней, потока, массы (веса), плотности и параметров систем питания.

     К главным особенностям, которые характеризуют  цифровой измерительный прибор, относятся[5]:

    • Возможность передачи цифровой информации;
    • Способность объединения с другими приборами.
    1. Принципы обмена данными 

     Каждая  система обмена данными требует:

    • источника данных (передатчик или линейный формирователь), который преобразует информацию в форму, удобную для передачи по каналу связи;
    • приемника, который принимает сигналы и преобразует их обратно в исходные данные;
    • канала связи, по которому передаются сигналы. Это может быть медный провод, оптоволокно, радио или спутниковая связь.

     Кроме того, передатчик и приемник должны понимать друг друга. Для этого должно быть выработано соглашение по ряду факторов[5]:

    • тип используемых сигналов;
    • определение логической «единицы» и логического «нуля»;
    • коды, представляющие эти символы;
    • обеспечение синхронизации между передатчиком и приемником;
    • управление потоком данных, чтобы не переполнить приемник;
    • способ обнаружения и исправления ошибок, возникающих при передаче;

     Физические  факторы обычно называют стандартом интерфейса; все остальные факторы  относятся к протоколу[5].

     Физический  способ передачи данных по каналу связи зависит от используемой среды. Например, двоичные значения 0 и 1 могут выражаться присутствием или отсутствием напряжения на медном проводе, двумя звуковыми частотами, генерируемыми и декодируемыми модемом, как это происходит в телефонной системе, или путем модуляции света, как происходит при передаче сигнала по оптоволокну[5]. 

    1. Режимы передачи сигналов
 

     Через любой канал связи, соединяющий  два устройства, данные можно передавать с использованием одного из трех режимов[5]:

  • симплексного
  • полудуплексного
  • полнодуплексного
 

     Симплексная система - это такая система, которая  приспособлена для передачи сообщений только в одном направлении (рис. 1.1). 
 
 

     Симплексная система: 

Передатчик                 Передача Приемник
      
 
 

     Рис. 1.1. Симплексная передача данных 

     Дуплексная  система предназначена для передачи сообщений в обоих направлениях. Полудуплексной считается передача, при которой данные могут передаваться в обоих направлениях, но только в разное время (рис. 1.2)[5]. 

     

     Рис. 1.2. Полудуплексная передача данных 

     В полнодуплексной системе данные могут передаваться в обоих направлениях одновременно[5].  

    1. Ширина  полосы.
 

     Единственным  наиболее важным фактором, который  ограничивает скорость передачи данных, является ширина полосы канала связи. Ширина полосы обычно выражается в герцах (Гц). Ширина полосы представляет максимальную частоту, с которой может изменяться сигнал, когда ослабление еще не начинает ухудшать сигнал. Ширина полосы близко связана с передающей средой и может быть от 5000 Гц для телефонной сети до нескольких гигагерц для оптоволоконного кабеля[5].

     Поскольку сигнал имеет свойство ослабляться с расстоянием, то каналы связи могут потребовать установки через некоторый интервал повторителей (репитеров), которые необходимы для усиления затухающего сигнала[5].

     Вычисление  теоретической максимальной скорости передачи данных использует формулу  Найквиста и включает ширину полосы и количество уровней, используемых для кодирования каждого элемента сигнала[5].

      

    1. Отношение сигнал/шум
 

     Отношение сигнал/шум (S/N) канала связи является еще одним важным фактором, ограничивающим скорость передачи. Источники помех могут быть как внешними, так и внутренними

     Максимальная  реальная скорость передачи данных для  коммуникационного канала математически  связана с шириной полосы, отношением сигнал/шум и количеством уровней, с помощью которых кодируется каждый элемент сигнала. При уменьшении отношения сигнал/шум уменьшается и скорость передачи битов – закон Хартли[5]:

     Отношение сигнал/шум: S/N = 10lg(S/N) Дб

     S – Мощность сигнала в Вт, B – мощность шумов в Вт[5]

    1. Принципы построения передатчиков
 

     Для построения передатчиков различных  мощностей, используется два основных принципа[1]:

  1. Генератор высокочастотного сигнала, находится под воздействием модулятора, то есть модулирующие импульсы подаются на генератор, модулируя тем самым несущую. Такой способ прост в технической реализации, но низкочастотное колебание с модулятора может повлиять на несущее колебание, вызывая нестабильность не модулированных параметров сигнала. Данный принцип показан на

        рис. 1.3.[1]

 Антенна

 

     

    Рис. 1.3. Структурная схема построения передатчиков первого принципа.

    Генератор высокочастотного сигнала, собирается отдельно от модулятора и не зависит  от него, таким образом сигнал с генератора направляется в модулятор, где уже и происходит модуляция высокочастотного колебания. Модулятор не сможет вызвать не стабильность других параметров несущего колебания, а лишь промодулирует сигнал по нужному параметру. Такой способ более сложен в технической реализации, но он так же дает высокую стабильность, что является главной особенностью при передаче информации по радиоканалу. Данный принцип показан на рис. 1.4.[1]

     

       Антенна 
 

          Рис. 1.4. Структурная схема построения передатчиков второго принципа. 

    1. Обзор способов кодирования - декодирования информации
 

     Сигналы от измерительных датчиков и любых  других источников информации передаются по линиям связи к приемникам - измерительным приборам, в измерительно-вычислительные системы регистрации и обработки данных, в любые другие центры накопления и хранения данных. Как правило, информационные сигналы являются низкочастотными и ограниченными по ширине спектра. Каналы связи, напротив, являются высокочастотными, широкополосными и рассчитаны на передачу сигналов от множества источников одновременно с частотным разделением каналов. Перенос спектра сигналов из низкочастотной области в выделенную для их передачи область высоких частот выполняется операцией модуляции[5].

     Допустим, что низкочастотный сигнал, подлежащий передаче по каналу связи, задается функцией s(t). В канале связи для передачи данного сигнала выделяется определенный диапазон высоких частот. На входе канала связи в специальном передающем устройстве формируется вспомогательный, как правило, непрерывный во времени периодический высокочастотный сигнал u(t) = f(t; a1, a2, … am). Совокупность параметров ai определяет форму вспомогательного сигнала. Значения параметров ai в отсутствие модуляции являются величинами постоянными. Если на один из этих параметров перенести сигнал s(t), т.е. сделать его значение пропорционально зависимым от значения s(t) во времени, то форма сигнала u(t) приобретает новое свойство. Она несет информацию, тождественную информации в сигнале s(t). Поэтому сигнал u(t) называют несущим сигналом, несущим колебанием или просто несущей (carrier), а процесс переноса информации на параметры несущего сигнала – его модуляцией (modulation). Информационный сигнал s(t) называют модулирующим (modulating signal), результат модуляции – модулированным сигналом (modulated signal).  Обратную операцию выделения модулирующего сигнала из модулированного колебания называют демодуляцией (demodulation)[1][4][6].

     Основным  видом несущих сигналов являются гармонические колебания[1]:

     u(t) = U×cos(ωt+φ)

     которые имеют три свободных параметра: U, ω и φ. В зависимости от того, на какой из данных параметров переносится информация, различают амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) или фазовую (ФМ) модуляцию несущего сигнала. Частотная и фазовая модуляция взаимосвязаны, поскольку изменяют аргумент функции косинуса, и их обычно объединяют под общим названием - угловая модуляция (angle modulation)[1].

     При использовании в качестве несущих  сигналов периодических последовательностей  импульсов свободными параметрами модуляции могут быть амплитуда, длительность, частота следования импульсов и фаза (положение импульса относительно определенной точки тактового интервала). Это дает четыре основных вида импульсной модуляции: Амплитудно-импульсная модуляция, Широтно-импульсная модуляция, Частотно-импульсная модуляция и фазо-импульсная[1][4][6].

     Амплитудная модуляция

     Амплитудная модуляция (amplitude modulation, АМ) была первым видом модуляции, освоенным на практике. В настоящее время АМ применяется в основном только для радиовещания на низких частотах (не выше коротких волн). Это обусловлено низким КПД использования энергии модулированных сигналов[1].

     АМ соответствует переносу информации s(t) Þ U(t) при постоянных значениях параметров несущей частоты ω0 и фазы φ0. АМ – сигнал представляет собой произведение информационной огибающей U(t) и гармонического колебания ее заполнения. Форма записи амплитудно-модулированного сигнала[1]:

     u(t) = U(t)×cos(wot+jo),                                            (1.1)  

     U(t) = Um×[1+M×s(t)],                                               (1.2)  

     где Um – постоянная амплитуда несущего колебания при отсутствии модулирующего сигнала s(t), М – коэффициент амплитудной модуляции.

     Значение  М характеризует глубину амплитудной модуляции. В простейшем случае, если модулирующий сигнал представлен одночастотным гармоническим колебанием с амплитудой So, то коэффициент модуляции равен отношению амплитуд модулирующего и несущего колебания М=So/Um. Значение М должно находиться в пределах от 0 до 1 для всех гармоник модулирующего сигнала. При значении М<1 форма огибающей несущего колебания полностью повторяет форму модулирующего сигнала s(t), что можно видеть на рис. 1.5.. Малую глубину модуляции М<<1 для основных гармоник модулирующего сигнала применять нецелесообразно, т.к. при этом мощность передаваемого информационного сигнала будет много меньше мощности несущего колебания и мощность передатчика будет использоваться неэкономично[1][4].

         

     Рис. 1.5. Амплитудно-модулированный сигнал. 

      

     Рис. 1.6. Глубокая амплитудная модуляция.

     

     Рис. 1.7. Амплитудная перемодуляция сигнала.

     На  рис. 1.6. приведен пример глубокой модуляции, при которой значение M стремится к 1. Стопроцентная модуляция (М=1) может приводить к искажениям сигналов при перегрузках передатчика, если он имеет ограниченный динамический диапазон по амплитуде несущих частот или ограниченную мощность передатчика (увеличение амплитуды несущих колебаний в пиковых интервалах сигнала U(t) в два раза требует увеличения мощности передатчика в четыре раза)[1][4].

     При М>1 возникает так называемая перемодуляция, пример которой приведен на рис. 1.7.  Форма огибающей при перемодуляции искажается относительно формы модулирующего сигнала, и после демодуляции, если применяются ее простейшие методы, информация может быть искажена.

     Демодуляция АМ-сигналов

     Может выполняться несколькими способами:

     Самый простой способ – двухполупериодное  детектирование (вычисление модуля сигнала) с последующим сглаживанием однополярных полупериодов несущей фильтром низких частот.

     На  рис. 1.8. приведен пример изменения однотонального амплитдно-модулированного сигнала и его физического спектра при детектировании (в реальной односторонней шкале частот и в реальной шкале амплитудных значений гармоник колебаний). Параметры представленного сигнала: несущая частота 30 Гц, частота модуляции 3 Гц, коэффициент модуляции М=1[4].

     

     Рис. 1.8. Изменение однотонального модулированного сигнала при детектировании.

     Как видно на рисунке 1.8., при детектировании спектр модулированного сигнала становится однополярным, переходит на основную несущую частоту 2wo  и уменьшается по энергии. Основная часть энергии (более 4/5) трансформируется в область низких частот и распределяется между постоянной составляющей и выделенной гармоникой сигнала модуляции в зависимости от значения коэффициента модуляции М. При М=1 энергии равны, при М=0 (в отсутствие сигнала модуляции) вся энергия переходит на постоянную составляющую[1][4].

     Кроме этих составляющих в спектре появляются также 2-я, 3-я и более высокие  гармоники детектированного модулированного сигнала (т.е. на частотах 4wo±W, 6wo±W, и т.д.), которые не показаны на рисунке. Энергия второй гармоники не превышает 2%, а остальных и вовсе незначительна. Демодуляторы сигнала выделяют после детектирования только низкочастотный информационный сигнал и подавляют все остальные частоты, включая постоянную составляющую (низкочастотный фильтр с подавлением постоянной составляющей)[1].

           Очевидно также, что  в случае перемодуляции сигнала  исходный информационный сигнал будет  восстанавливаться с ошибкой[1].

           Другой распространенный метод – синхронное детектирование. При синхронном детектировании модулированный сигнал умножается на опорное колебание с частотой несущего колебания. Без учета фазовых углов колебаний[1][4]:

     y(t) = u(t)cos(wot) = U(t)cos(wot)·cos(wot) = 0,5U(t) + 0,5U(t)cos(2wot).     (1.3)

Рис. 1.9. Сопостовление двухполупериодного и синхронного детектирования. 

     Как следует из этого выражения, сигнал разделяется на два слагаемых, первое из которых повторяет исходный модулирующий сигнал, а второе повторяет модулированный сигнал на удвоенной несущей частоте 2wо[1][4].

     На  рис. 1.9. приведено визуальное сопоставление двухполупериодного и синхронного детектирования, которое наглядно показывает практически полное подобие процессов. Но форма новой несущей при синхронном детектировании является чистой гармоникой, в отличие от двухполупериодного детектирования[1][4].

     Физический  амплитудный спектр сигналов после демодуляции однозначно соотносится со спектром входного модулированного сигнала: амплитуды гармоник модулированного сигнала на частоте 2wо в два раза меньше амплитуд входного сигнала, постоянная составляющая равна амплитуде несущей частоты wo и не зависит от глубины модуляции, амплитуда информационного демодулированного сигнала в 2 раза меньше амплитуды исходного модулирующего сигнала[1].

     

     Рис. 1.10.

     Замечательной особенностью синхронного детектирования является полная независимость от глубины модуляции, т.е. коэффициент модуляции сигнала может быть больше 1. Пример синхронного детектирования перемодулированного сигнала приведен на рис. 1.10[1][4].

           Однако при синхронном детектировании требуется точное совпадение фаз и частот опорного колебания  демодулятора и несущей гармоники АМ-сигнала. При сдвиге фазы опорного колебания  на Dw относительно несущей частоты выходной сигнал демодулятора оказывается умноженным на косинус фазовой ошибки[1]:

     y(t) = U(t)cos(wot)·cos(wot-Dj) = 0,5U(t)cos(-Dj) + 0,5U(t)cos(2wot-Dj),

     и амплитуда сигнала занижается, а  при Dw=p/2 становится равной нулю.

           При сдвиге частоты  между несущим и опорным колебаниями  сигнал демодулятора оказывается умноженным на гармоническое колебание с разностной частотой[1]:

     y(t) = U(t)cos(wot)·cos(wot-Dw) = 0,5U(t)cos(-Dwt) + 0,5U(t)cos((2wo-Dw)t),

     при этом выходной сигнал демодулятора начинает пульсировать с частотой биений (beat) Dw.

           Для синхронизации  опорного колебания с несущей  частотой сигнала в составе демодуляторов используются следящие системы фазовой автоподстройки опорной частоты[4].

     

     Рис. 1.11. Балансная модуляция.

       Сигналы с угловой модуляцией

Передача и прием информации