Управление данными в технических системах

УПРАВЛЕНИЕ ДАННЫМИ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ Конспект

лекций

Управление данными в технических системах

Изложены основы теории аналоговых и дискретных цепей и сигналов. Рассмотрены принципы построения кабельных сетей, стандарты интерфейсов, коммуникационные технологии и протоколы передачи данных в  промышленных системах контроля и управления.

ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский федеральный университет

УПРАВЛЕНИЕ ДАННЫМИ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ Конспект лекций

Красноярск СФУ 2018

УДК 004.65:62(075.8) ББК 32.81я73 У677 Авторы: С. А. Темербаев, В. П. Довгун, И. Г. Важенина, В. В. Новиков, А. Ф. Синяговский

Р е ц е н з е н т ы: С. М. Плотников, доктор технических наук, профессор кафедры АПП Сибирского государственного университета науки и технологий имени М. Ф. Решетнева; Н. П. Боярская, кандидат технических наук, доцент кафедры ТОЭ Красноярского государственного аграрного университета

У677

Управление данными в технических системах : конспект лекций / С. А. Темербаев, В. П. Довгун, И. Г. Важенина [и др.]. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2018. – 192 с. ISBN 978-5-7638-3835-0 Изложены основы теории аналоговых и дискретных цепей и сигналов. Рассмотрены принципы построения кабельных сетей, стандарты интерфейсов, коммуникационные технологии и протоколы передачи данных в промышленных системах контроля и управления. Предназначен для бакалавров направлений «Управление в технических системах», «Автоматизация технологических процессов и производств».

Электронный вариант издания см.: http://catalog.sfu-kras.ru

ISBN 978-5-7638-3835-0

УДК 004.65:62(075.8) ББК 32.81я73

© Сибирский федеральный университет, 2018

Оглавление

ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие .................................................................................................

4

Раздел I. Основы теории цепей и сигналов ............................................ Лекция 1. Основы анализа сигналов ........................................................... Лекция 2. Аналоговые линейные системы ................................................. Лекция 3. Цифровые сигналы ...................................................................... Лекция 4. Основы цифровой связи ..............................................................

5 5 19 27 35

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных. Основы построения кабельных сетей ................................... Лекция 5. Стандарты последовательной передачи данных ...................... Лекция 6. Стандарты последовательной передачи данных группы Recommended Standard (RS) ...................................................... Лекция 7. Проводные линии связи .............................................................. Лекция 8. Оптоволоконные кабельные системы .......................................

54 67 86

Раздел III. Методы кодирования информации ..................................... Лекция 9. Физическое кодирование сигналов ............................................ Лекция 10. Беспроводная передача данных. Цифровая модуляция......... Лекция 11. Кодирование информации в канале связи .............................. Лекция 12. Коды Хэмминга. Циклический код.......................................... Лекция 13. Помехи в системах передачи данных. Заземление ................

101 101 111 120 126 133

Раздел IV. Протоколы управления данными в промышленных системах ................................................... Лекция 14. Протоколы передачи данных ................................................... Лекция 15. Модель взаимодействия открытых систем ............................. Лекция 16. Открытые протоколы промышленных систем ....................... Лекция 17. Стандарт промышленной полевой шины передачи данных Profibus .......................................................... Лекция 18. Открытый коммуникационный протокол Modbus .................

44 44

148 148 154 162 172 181

Библиографический список ...................................................................... 190

3

Предисловие

ПРЕДИСЛОВИЕ Дисциплина «Управление данными в технических системах» относится к вариативной части профессионального цикла образовательной программы бакалавров направлений «Управление в технических системах», «Автоматизация технологических процессов и производств». Она является основой для изучения ряда специальных дисциплин. Предлагаемый курс лекций авторы читали в течение ряда лет студентам Сибирского федерального университета. Тематически лекции объединены в четыре раздела. В первом разделе (лекции 1–4) рассмотрены основные положения теории аналоговых и цифровых цепей и сигналов, необходимые для изучения курса. Во втором разделе (лекции 5–8) рассмотрены стандарты интерфейсов для последовательной передачи данных в телекоммуникационных системах и основы построения кабельных сетей. Третий раздел (лекции 10–13) посвящен изучению методов кодирования информации и обнаружения ошибок. В лекции 13 рассмотрены различные виды помех и способы их уменьшения. В четвертом разделе (лекции 14–18) рассмотрены протоколы управления данными в промышленных системах: протокол передачи Modbus и стандарт промышленной шины передачи данных Profibus. Представлена эталонная модель взаимодействия открытых систем (OSI). Материал лекций может быть использован для самостоятельного изучения дисциплины «Управление данными в технических системах», а также для углубленной проработки отдельных разделов курса. Авторы выражают благодарность рецензентам – доктору технических наук профессору С. М. Плотникову и кандидату технических наук Н. П. Боярской за конструктивную критику, способствовавшую улучшению содержания.

4

Лекция 1. Основы анализа сигналов

Раздел I ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЦЕПЕЙ И СИГНАЛОВ ЛЕКЦИЯ 1 ОСНОВЫ АНАЛИЗА СИГНАЛОВ План: 1. Классификация сигналов. 2. Представление сигналов во временной области. 3. Спектральное представление сигналов. Ряд Фурье. 4. Спектры непериодических сигналов. Преобразование Фурье. 5. Свойства преобразования Фурье. 6. Спектр одиночного прямоугольного импульса. 1. Классификация сигналов. Сигнал – физический процесс, несущий информацию о состоянии наблюдаемого объекта. По физической природе различают электрические, акустические, оптические сигналы. В технических системах чаще всего используют электрические сигналы. Различают детерминированные и случайные сигналы. Значение детерминированного сигнала точно определено в любой момент времени. Случайный сигнал принимает конкретные значения с некоторой вероятностью. Детерминированный сигнал можно описать математическим выражением. Пример детерминированного сигнала: x (t) = 5sin 314t. Математической моделью случайного сигнала является случайный процесс – функция, характеризующаяся тем, что ее значения в момент времени t являются случайными величинами. Еще один признак, по которому классифицируют сигналы, – периодичность. Сигнал x (t) является периодическим во времени, если его значения повторяются через интервал T, называемый периодом. Для периодического сигнала x (t) справедливо равенство x (t) = x (t ± T).

(1.1)

5

Раздел I. Основы теории цепей и сигналов

Величину, обратную периоду, называют частотой повторения сигнала (циклической частотой): f = 1 / Т. В теории сигналов используют также понятие угловой (круговой) частоты ω = 2πf. Сигнал, для которого не существует значения T, удовлетворяющего равенству (1.1), называется непериодическим. Простейшим периодическим сигналом является гармоническое колебание x (t) = Asin (ωt + ψ). Гармонический сигнал определяется тремя параметрами: амплитудой A, частотой ω и начальной фазой ψ. Гармонические сигналы часто используют в качестве тестовых воздействий, применяемых для анализа характеристик радиоэлектронных цепей. Сигналы конечной длительности (финитные сигналы). Такие сигналы отличны от нуля только на ограниченном промежутке времени. Финитный сигнал имеет конечную энергию (если не содержит разрывов второго рода). Детерминированные сигналы подразделяют на непрерывные и дискретные. Непрерывный (аналоговый) сигнал x (t) определен для всех значений времени t. Дискретный сигнал x (kT) существует только в дискретные промежутки времени. Энергия и мощность сигнала. Электрический сигнал представляет зависимость напряжения u (t) или тока i (t) от времени. В резисторе сопротивлением R такой сигнал выделяет мгновенную мощность p t  

u 2 t  или pt   Ri 2 t  . R

Энергия, выделяющаяся за время T: T

T

1 E   p  t  dt   u 2  t  dt . R0 0 Средняя мощность, выделяемая в резисторе за интервал времени T: T

E 1 P  u 2  t  dt .  T RT 0 В теории сигналов мощность часто нормируют, полагая R = 1 Ом. Вне зависимости от того, представлен сигнал напряжением или током, в нормированной форме энергия, мгновенная мощность и средняя мощность определяются выражениями: T

T

1 E   x  t  dt , p  t   x  t  , P   x 2  t  dt . T0 0 6

2

2

Лекция 1. Основы анализа сигналов

Энергия сигнала может быть конечной или бесконечной. Сигналы с ограниченной энергией отвечают условию 

2  x t dt   .



Сигнал конечной длительности имеет конечную энергию. Любой периодический сигнал имеет бесконечную энергию. 2. Представление сигналов во временной области. Для упрощения анализа прохождения сигнала через систему передачи желательно представить сигнал совокупностью элементарных функций. Такими элементарными функциями являются гармоническое колебание либо единичная ступенчатая и единичная импульсная функции. Единичная ступенчатая функция (функция Хевисайда) – функция времени, которая изменяется по закону

0 t  0; 1  t     1 t  0. Она равна нулю при отрицательных значениях аргумента и равна единице при положительных значениях аргумента. График единичной ступенчатой функции показан на рис. 1.1, а.

а

б Рис. 1.1. Единичная ступенчатая функция

Единичная ступенчатая функция, смещенная на интервал  (рис. 1.1, б), определяется выражением 0 t   1  t      . 1 t    Единичная импульсная функция (дельта-функция, или функция Дирака) представляет собой функцию времени, изменяющуюся по закону 7

Раздел I. Основы теории цепей и сигналов

 0 t  0;  t     t  0. Функция δ (t) представляет импульс бесконечно малой длительности и бесконечно большой амплитуды. Площадь импульса равна единице. Единичную импульсную функцию принято изображать в виде вертикальной стрелки, расположенной при t  0 (рис. 1.2).

δ(t)

t

Рис. 1.2. Единичная импульсная функция

Сигнал в виде единичной импульсной функции невозможно реализовать физически. Однако эта функция широко используется при анализе сигналов и систем и является производной от единичной ступенчатой функции d  t   t   1 . dt Одно из важнейших свойств единичной импульсной функции – фильтрующее свойство: если δ (t) присутствует в качестве множителя под интегралом, то результат интегрирования равен значению остального подынтегрального выражения в точке, где сосредоточена дельта-функция 

 f  t  δ  t  t 0  dt  f  t 0  .



Пределы интегрирования в последнем выражении не обязательно должны быть бесконечными. Необходимо только, чтобы в интервал интегрирования попадал момент t0. 3. Спектральное представление сигналов. Ряд Фурье. Периодическая несинусоидальная функция, отвечающая условиям Дирихле1, может быть представлена гармоническим рядом Фурье. В тригонометрической форме ряд Фурье имеет вид                                                              1

Функция, отвечающая условиям Дирихле, имеет конечное число разрывов первого рода и конечное число максимумов на конечном отрезке. 8

Лекция 1. Основы анализа сигналов

a0  f  t      an cos  n 1t   bn sin  n 1t   , 2 n1

(1.2)

где ω1 = (2π / Т) – угловая частота первой гармоники. Коэффициенты ряда an и bn вычисляются по формулам: Т /2

2 an  f (t )cos(n1 t )dt , T Т/2

(1.3)

Т /2

2 bn  f (t )sin(n1t )dt . T Т/2

(1.4)

Коэффициент a0 / 2 равен среднему значению функции f (t) за период Т /2

1 a0  f (t )dt . T Т/2

(1.5)

Объединение синуса и косинуса одной частоты в формуле (1.2) дает f (t ) 

a0    An sin( nω1t  ψ n ) , 2 n 1

(1.6)

где An  an2 bn2 , ψ n  arctg  an bn  . Совокупность гармонических составляющих несинусоидальной периодической функции называют дискретным частотным спектром. Дискретным его называют потому, что частоты соседних гармоник отличаются друг от друга на частоту первой гармоники. Совокупность амплитуд гармоник – это амплитудный спектр, а совокупность начальных фаз – фазовый спектр. По амплитудному спектру можно судить не только об амплитудах, но и мощности несинусоидального колебания. Предположим, что ток резистивного элемента сопротивлением 1 Ом изменяется по закону f (t). Мгновенная мощность, выделяемая в резисторе: 

 a   pt   i R  f t      An sinnt   n  .   n  



Активная (средняя) мощность равна среднему значению мгновенной мощности за период T: 1T P   f 2 t dt . T0 9

Раздел I. Основы теории цепей и сигналов

Если вместо f (t) подставить разложение в ряд Фурье (1.6), то интеграл разложится на ряд интегралов, дающих средние мощности отдельных гармоник: 2

  a0  An2 P   . 2 2   n1

(1.7)

Итак, средняя мощность несинусоидального колебания равна сумме средних мощностей отдельных гармоник. Соотношение (1.7) называют равенством Парсеваля. Случаи симметрии. Если периодическая функция обладает какимлибо видом симметрии, то это облегчает разложение в ряд Фурье, поскольку некоторые гармоники могут отсутствовать. Если функция f (t) четная, т. е. f (–t) = f (t) (рис. 1.3), то все коэффициенты bn равны нулю. Разложение в ряд Фурье четной функции содержит только косинусные слагаемые:

a0  f (t )    an cos(n1t ) . 2 n1

Рис. 1.3. Четная функция

Рис. 1.4. Нечетная функция

Если функция f (t) нечетная, т. е. f (–t) = –f (t) (рис. 1.4), то коэффициенты an будут равны нулю. В этом случае в разложении f (t) в ряд Фурье останутся только синусные составляющие: 10

Лекция 1. Основы анализа сигналов 

f (t )   bn sin(n1t ) . n 1

Комплексная форма ряда Фурье. Поскольку основным методом расчета цепей синусоидального тока является символический метод, при анализе сигналов ряд Фурье удобно представлять в комплексной форме. Представим функции sin (n ω1 t) и cos (n ω1 t) известными равенствами: e jn1t  e  jn1t cos  n1t   ; 2

e jn1t  e  jn1t . sin  n1t   j2

(1.8)

Подставив равенства (1.8) в соотношение (1.2), получим

a0 1  f  t      an  jbn  e jn1t   an  jbn  e  jn1t . 2 2 n1





(1.9)

Формулы (1.3) и (1.4) показывают, что коэффициент an – четная, а bn – нечетная функция индекса n, т. е. an = a–n, bn = b–n. Поэтому элемент (–jbn) можно рассматривать как слагаемое с отрицательным индексом. Изменив нижний предел суммирования в формуле (1.9) на –∞, получим

1  1   jn1t jn1t f (t )   (an  jbn )e   An e . 2 n 2 n

(1.10)

Здесь A n  an  jbn – комплексный коэффициент ряда Фурье. В показательной форме A n  A j , где An  an  bn , Ψn = –arctg (bn / an). При n = 0 в соответствии с (1.4) b0 = 0 и (an – jbn) / 2 = a0 / 2. Формула (1.10) представляет комплексную форму ряда Фурье. Она наиболее удобна для анализа сигналов. Совокупность комплексных коэффициентов гармоник A n называют комплексным частотным спектром функции f (t). Амплитуды гармоник An образуют амплитудный спектр, а начальные фазы Ψn – фазовый спектр. Периодическая функция времени f (t) имеет дискретный спектр, поскольку такую функцию можно представить в виде суммы гармоник с частотами, кратными частоте первой гармоники ω1 = 2π / Т. Выведем соотношение, определяющее комплексные амплитуды гармоник. В соответствии с (1.3) и (1.4) Т /2

2 A n  an  jbn  f (t )  cos(n1 t )  j sin(n1 t )  dt . T Т/2 11

Раздел I. Основы теории цепей и сигналов

С помощью равенств (1.8) получим Т /2  (e jn1t  e  jn1t ) (e jn1t  e  jn1t )  A  2  f (t )   dt . n T Т/2 2 2  

Из последнего выражения следует, что комплексный коэффициент ряда Фурье Т /2 A  2 f (t )e jn1t dt . (1.11) n  T Т /2 Если функция f (t) – вещественная, то из формулы (1.11) следует, что коэффициенты A n и A  n являются комплексно-сопряженными:

A n  A* n . Таким образом, амплитудный спектр вещественной функции симметричный. Пример 1.1. Найти комплексный частотный спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов, имеющих единичную амплитуду, длительность τ и период повторения Т (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Последовательность прямоугольных импульсов

В соответствии с (1.11) комплексные коэффициенты гармоник

2 2 sin  k 1  2   jk 1t Ak  e dt  , 1 T /2 T k 1  2  /2

где k – порядковый номер гармоники. Из последней формулы следует, что амплитуды гармоник изменяются по закону sin x / x. Учитывая, что ω1 = 2π / Т, получаем 12

Лекция 1. Основы анализа сигналов

2 A k  sin  k  T  . k В последнюю формулу длительность импульса и период повторения входят в виде отношения. Этот параметр, равный τ / Т, называют коэффициентом заполнения, а обратную величину – скважностью последовательности импульсов и обозначают буквой q : q = Т / τ. Узлы огибающей амплитудного спектра соответствуют тем номерам гармоник, которые обращают функцию sin (kπτ / Т) в нуль. Амплитудный спектр для случая, когда коэффициент заполнения равен 1/4, показан на рис. 1.6. Пунктиром обозначена огибающая амплитудного спектра. На рис. 1.7 представлен фазовый спектр рассматриваемой функции времени.

Рис. 1.6. Амплитудный спектр последовательности прямоугольных импульсов

Рис. 1.7. Фазовый спектр последовательности прямоугольных импульсов

13

Раздел I. Основы теории цепей и сигналов

Узлы огибающей спектра прямоугольных импульсов расположены на частотах, соответствующих гармоникам с порядковыми номерами, кратными скважности (в рассматриваемом случае k = 4n, n = 1, 2, …). Число гармоник в интервале между узлами огибающей равно скважности последовательности импульсов. Аргументы A k равны нулю в тех интервалах, где синус положителен, либо равны  в интервалах, где синус отрицателен. С увеличением периода линии спектра располагаются гуще, их число в интервале увеличивается, а амплитуды уменьшаются. 4. Спектры непериодических сигналов. Преобразование Фурье. Спектр периодического во времени бесконечного сигнала является дискретным, т. е. он равен сумме гармоник, частоты которых отличаются на частоту первой гармоники ω1 = 2π / Т. Рассмотрим, каким будет спектр непериодического сигнала f (t), имеющего конечную длительность Т1. Для этого периодически продолжим f (t) с периодом Т > Т1 (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Периодически продолженный сигнал

Спектр такого периодически продолженного сигнала fn (t) будет дискретным. Комплексные коэффициенты ряда Фурье можно определить с помощью формулы (1.10). Разложение в ряд Фурье функции fn (t) сходится к исходной апериодической функции f (t) только в пределах первого периода. При увеличении периода амплитуды гармоник, определяемые формулой (1.10), будут уменьшаться. Уменьшится и основная частота ω1, поэтому гармоники будут располагаться ближе друг к другу. При T → ∞ гармоники сольются, образуя сплошной спектр, а их амплитуды будут бесконечно малы. Однако взаимное соотношение между амплитудами гармоник останется прежним. Таким образом, непериодическая функция конечной длительности имеет сплошной спектр. Поскольку при увеличении периода амплитуды гармоник уменьшаются и в пределе обращаются в нуль, для описания сплошного спектра удобнее рассматривать интеграл в формуле (1.11): Τ /2

T F ( jn1t )  An   f (t )e  jn1t dt . 2 Τ /2 14

(1.12)

Лекция 1. Основы анализа сигналов

При T → ∞ пределы интегрирования в формуле (1.12) становятся бесконечными, а дискретная частота nω1 – непрерывной: 

F ( j) 



f (t )e  jt dt .

(1.13)



Функцию F (jω) называют спектральной функцией или спектральной плотностью. Формула (1.13) определяет прямое преобразование Фурье. С помощью прямого преобразования Фурье мы преобразуем функцию времени f (t) в комплексную функцию частоты F (jω). Прямое преобразование Фурье существует в том случае, если сигнал 

f (t) абсолютно интегрируем в бесконечных пределах, т. е.  f (t ) dt   . 

Выразим теперь f (t) через спектральную функцию F (jω). Поскольку комплексная амплитуда ряда Фурье

2 A n  F ( jn1t ) , T из (1.10) следует, что периодическая функция времени 1  f п (t )   F ( jnω1)ein1t . T n Учитывая, что Т = 2π / ω1, получаем

1  f п (t )  F ( jn1) e jn1 t ω1 .  2 

(1.14)

В пределе при T → ∞ дискретная частота nω1 становится непрерывной, а частоту первой гармоники ω1 можно рассматривать как дифференциал: ω1 → dω. При этом сумма в формуле (1.14) превратится в интеграл, который называют обратным преобразованием Фурье или интегралом Фурье: 

1 f (t )  F ( j)e jt d .  2 

(1.15)

Произведение F (jω) dω представляет «вклад» гармоники с частотой  в функцию f (t). Спектральные функции являются комплексными функциями частоты . Их составляющие (амплитуды и фазы или вещественные и мнимые части) изображают в виде графиков. Графическое изображение спектров 15

Раздел I. Основы теории цепей и сигналов

придает большую наглядность анализу цепей с помощью преобразования Фурье. 5. Свойства преобразования Фурье. Рассмотрим некоторые свойства функций времени и соответствующих спектральных функций. Эти свойства могут быть получены из соотношений (1.13) и (1.15). 1. Преобразование Фурье обладает свойством линейности: n

n

k 1

k 1

 ak f k  t   ak Fk  j , где => – знак соответствия. Из свойства линейности следует, что спектр суммы функций времени равен сумме спектров. 2. Дифференцированию функции времени соответствует умножение спектральной плотности на jω, а интегрированию – деление на jω:

df  t   jωF  jω  , dt

 f  t  dt 

1 F  jω  . jω

Множитель jω называют оператором дифференцирования сигнала в частотной области. 3. Умножению спектральных функций соответствует свертка функций времени:

F1  jω  F2  jω  



 f1    f2  t    d .



4. Соотношение между длительностью и шириной спектра сигнала. Если функции времени f (t) соответствует спектральная функция F (jω), то f (t / a) имеет спектральную функцию aF (jаω). Следовательно, если a > 1, то f (t) сжимается по оси времени в a раз. При этом спектр укороченного сигнала становится в a раз шире. С помощью соотношений (1.13), (1.15) можно показать, что сигналу конечной длительности соответствует бесконечный спектр. И, наоборот, сигнал, спектр которого занимает ограниченную полосу, имеет бесконечную длительность. Рассмотрим возможность вычисления энергии апериодических сигналов по их спектральным функциям. Интеграл квадрата функции времени 





   1 j t f  t  dt  f t F j e d         dt .   2     2

(1.16)

Поскольку переменные t и ω независимы, изменим порядок интегрирования в правой части (1.16): 16

Лекция 1. Основы анализа сигналов 





   j t f  t    F  j e d dt   F  j    

  jt   f  t  e dt  d .   

Внутренний интеграл представляет сопряженную спектральную функцию

F   j  



j t  f  t  e dt .



Поскольку F (jω) F (–jω) = |F (jω)|2, формула (1.16) примет вид 

2



1 f 2  t  dt   F  j d . 2 





Учитывая, что квадрат модуля |F (jω)|2 есть четная функция частоты, запишем последнее равенство в виде: 





2 1 f  t  dt   F  j d . 0 2



(1.17)

Формулу (1.17) называют формулой Рейли. Значение интеграла в левой части (1.17) пропорционально суммарной энергии апериодического сигнала. В соответствии с (1.17) эта энергия может быть вычислена путем интегрирования f (t) во временной области либо путем интегрирования |F (jω)|2 в частотной области. Функция |F (jω)|2 характеризует плотность распределения энергии по частоте. Ее называют спектральной плотностью энергии сигнала, изменяющегося по закону f (t). Интегрируя |F (jω)|2 в заданном диапазоне частот, мы можем определить долю энергии сигнала, сосредоточенную в этом диапазоне. 6. Спектр одиночного прямоугольного импульса. Определим спектральную функцию одиночного прямоугольного импульса (рис. 1.9). Амплитуда импульса равна U, а длительность – τ. В соответствии с формулой (1.12) спектральная функция

F  j  

2

 Ue

 2

 jt

2

dt 

 U  cos t  j sin t  dt .

 2

Рассматриваемый импульс – четная функция времени, поэтому мнимая часть спектральной функции равна нулю, так как она является интегралом от нечетных функций. Следовательно, F  j  

2

2

 U cos  dt  2U  cos  dt 

 2

0

2U  . sin  2

(1.18)

17

Раздел I. Основы теории цепей и сигналов

F (jω)

f (t)

t

Рис. 1.9. Одиночный прямоугольный импульс

Рис. 1.10. Спектральная функция одиночного прямоугольного импульса

График F (jω) показан на рис. 1.10. Спектральная функция обращается в нуль на частотах k 

2k  , k = 1, 2, 3 … . С уменьшением длительно

сти импульсов полоса частот между соседними нулями F (jω) растет. Следовательно, чем короче импульс, тем более широкий диапазон частот занимает его спектр. Таким образом, при передаче импульсных сигналов ширина полосы пропускания должна быть тем больше, чем короче импульсы. Определим теперь спектральную плотность единичной импульсной функции δ0 (t). Для этого предположим, что длительность импульса τ стремится к нулю, а произведение Uτ остается равным единице. Из (1.18) следует, что спектральная плотность такого импульса

F  j  

  sin .  

При τ → 0 F (jω) → 1, т. е. огибающая спектральной плотности единичной импульсной функции превратится в прямую, параллельную оси абсцисс. Это означает, что спектр единичной импульсной функции содержит все гармонические составляющие с частотами от –∞ до +∞.

18

Лекция 2. Аналоговые линейные системы

ЛЕКЦИЯ 2 АНАЛОГОВЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ План: 1. Временные характеристики линейных систем. 2. Комплексные передаточные функции (комплексные частотные характеристики). 3. Аналоговые фильтры. 4. Передача сигналов через линейные системы. 1. Временные характеристики линейных систем. Для рассматриваемых линейных систем справедлив принцип наложения (суперпозиции): реакция на сумму сигналов равна сумме реакций на действие сигналов, поданных на вход системы в отдельности. Поведение линейных систем описывается дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами. Кроме того, рассматриваемые системы являются стационарными, или системами с постоянными параметрами. Это означает, что задержка входного сигнала приводит к такой же задержке выходного сигнала. При этом форма выходного сигнала не изменяется. Поведение таких систем описывается линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами. Переходная и импульсная характеристики. Во временной области линейные системы описываются переходными и импульсными характеристиками. Переходной характеристикой h (t) называют реакцию системы, находящейся при нулевых начальных условиях, на воздействие в форме единичной ступенчатой функции. Импульсная характеристика h (t) – реакция системы, находящейся при нулевых начальных условиях, на входное воздействие в форме единичной импульсной функции δ (t). Поскольку единичная импульсная функция – производная ступенчатой функции, то в соответствии с принципом наложения импульсная характеристика линейной цепи является dh t  производной переходной характеристики: ht   1 . dt Физически реализуемые системы обладают свойством причинности, т. е. реакция системы не может возникнуть раньше входного воздействия. Поэтому для физически реализуемой системы переходная и импульсная характеристики равны нулю при t < 0. 19

Раздел I. Основы теории цепей и сигналов

Выходной сигнал линейной системы представляет собой свертку входного сигнала и импульсной характеристики: t

s2  t   s1  t   h  t    s1   h  t    d  .

(2.1)

0

где s1 (t) – входной сигнал, s2 (t) – выходной сигнал (реакция) линейной системы. Знак «*» в формуле (2.1) обозначает операцию свертки. 2. Комплексные передаточные функции (комплексные частотные характеристики). Помимо единичной ступенчатой функции и дельтафункции, распространенным тестовым воздействием являются гармонические сигналы. Реакцию линейных систем на гармонические воздействия оценивают с помощью комплексных передаточных функций. Комплексная передаточная функция равна отношению комплексных амплитуд реакции и входного воздействия:

U 2 H  jω   , U 1 где U  , U  – комплексные амплитуды напряжений соответственно на входе и выходе цепи. В показательной форме записи j  H  j   H  j  e   .

Модуль комплексной передаточной функции H (ω) = |H (jω)| называют амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), а аргумент φ (ω) – фазочастотной характеристикой (ФЧХ). Значение H (ω) показывает, как изменяется амплитуда синусоидального сигнала, проходящего через систему, а значение φ (ω) – фазовый сдвиг между выходным и входным сигналами. Амплитуда реакции равна произведению амплитуды входного воздействия на модуль комплексной передаточной функции:

U 2  H  jω  U 1 . Начальная фаза реакции равна сумме начальной фазы входного воздействия и значения фазочастотной характеристики на частоте : ψ2 = ψ1 + φ (ω). Как правило, фазочастотная характеристика φ (ω) изменяется монотонно в зависимости от частоты. 20

Лекция 2. Аналоговые линейные системы

Логарифмические частотные характеристики. Значения амплитудно-частотных характеристик систем, используемых для передачи и обработки сигналов, могут изменяться в очень широких пределах. В таких случаях удобнее оперировать логарифмическими частотными характеристиками (ЛАХ), которые пропорциональны логарифму от соответствующей безразмерной АЧХ. Обычно используют аббревиатуры ЛАХ или ЛАЧХ. Величину ЛАХ принято оценивать в децибелах (дБ): A (ω) = 20 lg H (ω), где lg – логарифм при основании 10. Переход к логарифмической шкале позволяет «сжать» пределы изменения амплитудно-частотных характеристик. Усилению сигнала в два раза соответствует приращение A (ω) на 6 дБ; усилению в 10 раз соответствует значение A (ω), равное 20 дБ. Величину A (ω) называют логарифмическим усилением или усилением в децибелах. Усилению сигнала соответствуют положительные значения A (ω), ослаблению – отрицательные значения логарифмического усиления. При исследовании ЛАЧХ в широком диапазоне частот изменение частоты также целесообразно оценивать в логарифмических единицах. Отношение частот двух гармонических колебаний называют интервалом, а интервал, соответствующий удвоению частоты, – октавой. Например, изменению частоты в четыре раза соответствует интервал в две октавы, а восьмикратному увеличению частоты – в три октавы. Число октав N2 может быть приближенно найдено из формулы

N   . lg

 . 

Интервал, соответствующий изменению частоты в десять раз, называют декадой. Число декад определяется формулой

N  lg

 . 

Изменению частоты в 10 раз соответствует одна декада, в 100 раз – две декады и т. д. 3. Аналоговые фильтры. Электронный фильтр – частотноизбирательное устройство, которое служит для передачи (пропускания) сигналов в заданном диапазоне частот (полосе пропускания) и подавления сигналов в других диапазонах частот (полоса задерживания). Фильтры широко используются в системах связи, в схемах защиты электронных систем от помех. 21

Раздел I. Основы теории цепей и сигналов

Различают аналоговые фильтры, в которых обрабатываемый сигнал имеет аналоговую форму, и цифровые фильтры, предназначенные для обработки цифровых сигналов. Классификация фильтров. Фильтры принято классифицировать по следующим признакам. По виду амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) различают фильтры нижних частот (ФНЧ), верхних частот (ФВЧ), полоснопропускающие или полосовые (ПП), полосно-задерживающие (ПЗ). По типам элементов, используемых для реализации, – это пассивные LC-фильтры, активные RC-фильтры, фильтры на переключаемых конденсаторах и т. д. На рис. 2.1, а–г представлены идеальные АЧХ фильтров нижних частот, верхних частот, полосно-пропускающего и полосно-задерживающего.

а

б

в

г

Рис. 2.1. Идеальные АЧХ фильтров: нижних частот (а), верхних частот (б) полосно-пропускающего (в) и полосно-задерживающего (г)

С помощью цепи, состоящей из конечного числа элементов, невозможно реализовать идеальные характеристики (рис. 2.1). В качестве примера (рис. 2.2) представлена АЧХ реального фильтра нижних частот. 22

Лекция 2. Аналоговые линейные системы

Аmax

Полоса задерживания

Аmin

Рис. 2.2. Реальная АЧХ фильтра нижних частот

Поскольку с помощью реальной цепи невозможно реализовать постоянную амплитудно-частотную характеристику, задают максимальное отклонение АЧХ в полосе пропускания Amax, а в полосе задерживания – минимальную величину ослабления сигнала Amin. Реальный фильтр всегда имеет переходную полосу между полосами пропускания и задерживания. Она расположена между частотой среза ωc и граничной частотой полосы задерживания ωs. Отношение ωs / ωc характеризует избирательность фильтра. Процедура синтеза электронного фильтра включает два основных этапа. Первым этапом является аппроксимация – получение передаточной функции, с заданной точностью воспроизводящей заданные частотные или временные характеристики. Передаточная функция, найденная на этапе аппроксимации, затем реализуется электрической цепью. Перечислим наиболее распространенные передаточные функции, аппроксимирующие АЧХ фильтра нижних частот. 1. Фильтр Баттерворта с максимально плоской амплитудно-частотной характеристикой. 2. Фильтр Чебышева с равноволновой характеристикой в полосе пропускания. 3. Инверсный фильтр Чебышева с равноволновой характеристикой в полосе задерживания. 4. Эллиптический фильтр, имеющий равноволновые характеристики в полосе пропускания и полосе задерживания. 5. Фильтр Бесселя с фазочастотной характеристикой, близкой к линейной. Рассмотрим подробнее передаточные функции фильтров Баттерворта. Амплитудно-частотная характеристика фильтра Баттерворта обладает следующими свойствами: 23

Раздел I. Основы теории цепей и сигналов

1. При любом порядке n значение АЧХ |H (j0)| = 1. 2. На частоте среза ωc |H (jωc)| = 0,7. Передаточная функция фильтра нижних частот Баттерворта n-го порядка характеризуется выражением

H  j  

1

2

1   ω ωс 

2n

, n  1.

С ростом частоты АЧХ фильтра монотонно убывает. По этой причине фильтры Баттерворта называют фильтрами с максимально плоскими характеристиками. На рис. 2.3 показаны графики амплитудно-частотных характеристик фильтров Баттерворта 3-го и 5-го порядков. Очевидно, что чем больше порядок фильтра, тем точнее аппроксимируется АЧХ идеального фильтра нижних частот.

Рис. 2.3. АЧХ фильтров Баттерворта

На нормированной частоте среза (ω / ωc = 1) ослабление сигнала равно 1 2 . Часто ослабление определяют в логарифмических единицах. В логарифмическом масштабе ослаблению в 2 раз соответствует – 3 дБ. Порядок передаточной функции n выбирают из условия обеспечения требуемого затухания в полосе задерживания на частоте ω > ωc. Модуль передаточной функции фильтра Баттерворта в полосе задерживания H  j 

1 1  2 n



1 . n

Увеличению частоты сигнала в 10 раз ослабление, вносимое фильтром Баттерворта, составит –20n дБ (n – порядок фильтра).

24

Лекция 2. Аналоговые линейные системы

4. Передача сигналов через линейные системы. Неискаженная передача сигналов. Рассмотрим линейную систему, имеющую комплексную передаточную функцию H (jω). На входе действует сигнал, спектр которого F1 (jω). Спектр реакции равен произведению спектра входного сигнала и передаточной функции линейной системы: F2 (jω) = H (jω) F1 (jω). Определим условия, при которых сигнал будет передаваться без искажений. Рассмотрим идеальную систему передачи с постоянной амплитудой и линейной фазочастотной характеристикой в бесконечной полосе частот:

H  jω   K ,

(2.2а)

φ (jω) = t0 ω,

(2.2б)

здесь t0 – угловой коэффициент ФЧХ. Система, имеющая такие характеристики, пропускает все гармоники сигнала без изменения их относительных амплитуд. При этом начальные фазы гармоник изменяются на углы, пропорциональные их частотам. Таким образом, через линейную систему, описываемую равенствами (2.5), сигнал проходит без искажений. Он повторяет форму входного сигнала и запаздывает на время t 0 . Частотные характеристики реальных систем передачи всегда отличаются от идеальных. Коэффициент передачи |H (jω)| зависит от частоты, а фазочастотная характеристика нелинейна. Поэтому на практике сигналы, проходящие через линейные системы, всегда искажаются. Для ослабления искажений в систему включают дополнительные схемы для коррекции амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик. Прохождение сигнала через идеальный фильтр. Рассмотрим систему, имеющую характеристики идеального фильтра нижних частот (рис. 2.4). В полосе пропускания модуль коэффициента передачи постоянный, а фазочастотная характеристика линейна:

e  jt0  c    c ; H  j      c .  0 Такая система без искажения пропускает гармоники, частоты которых не превышают частоту среза. Высокочастотная часть спектра полностью подавляется. Предположим, что входной сигнал f1 (t) имеет форму единичного импульса, спектральная функция которого F1 (jω) = 1. Выходной сигнал представляет собой импульсную характеристику идеального ФНЧ: 25

Раздел I. Основы теории цепей и сигналов  c sin 0  t  t0   1 c j t t0    . f2 t   1 e d  0  t  t0  2 

(2.3)

c

В теории передачи дискретной информации эту функцию называют функцией отсчетов или функцией В. А. Котельникова. График выходного сигнала, соответствующий формуле (2.6), показан на рис. 2.5.

Рис. 2.4. Характеристики идеального ФНЧ

a( t )

 0.069  10

t

15

Рис. 2.5. Выходной сигнал ФНЧ

Как следует из рис. 2.5, выходной сигнал значительно отличается от входного импульса. Он запаздывает и растягивается во времени. Максимум главного лепестка импульсной характеристики запаздывает на величину t0, определяемую крутизной ФЧХ. Ширина лепестка тем больше, чем меньше полоса пропускания фильтра. В соответствии с формулой (2.6) сигнал на выходе идеального фильтра должен существовать и при t < 0. Это говорит о том, что фильтр с идеальной АЧХ физически нереализуем.

26

Лекция 3. Цифровые сигналы

ЛЕКЦИЯ 3 ЦИФРОВЫЕ СИГНАЛЫ План: 1. Аналоговые, дискретные и цифровые сигналы. 2. Аналого-цифровое преобразование сигналов. 3. Спектр дискретного сигнала. 4. Z-преобразование и его свойства. 1. Аналоговые, дискретные и цифровые сигналы. Как правило, измеряемый сигнал является непрерывной функцией времени. Такие сигналы называют аналоговыми. Напряжение или ток – классические примеры аналоговых сигналов, т. е. сигналов, определенных во все моменты времени. Дискретизированный сигнал представляет последовательность импульсов с амплитудами, определяемыми значениями аналогового сигнала в соответствующий момент времени. Значения дискретизированного сигнала называются отсчетами. Как правило, отсчеты берутся через равные промежутки времени Т, называемые периодом (или интервалом) дискретизации. Процесс получения дискретного сигнала из аналогового называют дискретизацией. Дискретизацию аналоговых сигналов реализуют с помощью устройств выборки-хранения. Цифровые сигналы – это дискретные сигналы с квантованными значениями. Цифровой сигнал представляет последовательность чисел, которые определяют значения сигнала в отдельные (дискретные) моменты времени. Дискретизированный аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). На выходе АЦП получается двоичное представление аналогового сигнала, которое затем обрабатывается цифровым сигнальным процессором по заданному алгоритму. После обработки содержащаяся в цифровом сигнале информация может быть преобразована в аналоговую форму с использованием цифроаналогового преобразователя (ЦАП). Процесс преобразования значений дискретного сигнала в числа называется квантованием по уровню. Оно сводится к замене мгновенного значения сигнала одним из конечного множества разрешенных значений, называемых уровнями квантования. Отсчеты представляются в виде двоичных чисел, имеющих ограниченное число разрядов. Возникающие при этом ошибки называются ошибками квантования. Следовательно, при проекти27

Раздел I. Основы теории цепей и сигналов

ровании устройств передачи и обработки цифровых сигналов необходимо определить число разрядов или уровней квантования, необходимых для представления сигнала. Выбирая достаточно большое количество уровней, можно увеличить точность представления сигнала, но это приведет к удорожанию устройства. Очевидно, что должен обеспечиваться компромисс между точностью представления сигнала и стоимостью устройства. 2. Аналого-цифровое преобразование сигналов. Для преобразования аналогового сигнала в цифровую форму необходимо выполнить три основных операции: дискретизацию, квантование и кодирование. Дискретизация – представление непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений (отсчетов). Эти отсчеты берутся в моменты времени, отделенные друг от друга интервалом дискретизации. Величину, обратную интервалу между отсчетами, называют частотой дискретизации. Квантование – это замена величины отсчета сигнала ближайшим значением из набора фиксированных величин – уровней квантования. Уровни квантования делят весь диапазон возможного изменения значений сигнала на конечное число интервалов – шагов квантования. Расположение уровней квантования обусловлено шкалой квантования. Используются как равномерные, так и неравномерные шкалы. На рис. 3.1 представлен пример дискретизации и квантования аналогового сигнала. Как видно из рис. 3.1, процесс квантования вносит погрешность, которая определяется как разность между измеренным значением сигнала и ближайшим уровнем квантования. Чем меньше шаг квантования, тем меньше погрешность.

Рис. 3.1. Дискретизация и квантование сигнала

28

Лекция 3. Цифровые сигналы

Цифровое кодирование. Квантованный сигнал – в отличие от исходного аналогового – может принимать только конечное число значений. Это позволяет представить его в пределах каждого интервала дискретизации числом, равным порядковому номеру уровня квантования. В свою очередь, это число можно выразить комбинацией некоторых знаков или символов. Совокупность знаков (символов) и систему правил, при помощи которых данные представляются в виде набора символов, называют кодом, а конечную последовательность кодовых символов – кодовым словом. Квантованный сигнал можно преобразовать в последовательность кодовых слов. Эта операция является кодированием. Для кодирования сигналов применяют двоичный код. Операции, связанные с преобразованием аналогового сигнала в цифровую форму (дискретизация, квантование и кодирование), выполняются одним устройством – аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Классический АЦП представляет собой интегральную микросхему. Обратная процедура, т.е. восстановление аналогового сигнала из последовательности кодовых слов, производится в цифроаналоговом преобразователе (ЦАП). Основные преимущества цифровой передачи данных заключаются в следующем: 1. Легкость восстановления цифровых сигналов по сравнению с аналоговыми. При прохождении через канал связи под влиянием помех импульсы искажаются. Причина искажения сигнала – неидеальные частотные характеристики канала передачи данных, а также электрические шумы и помехи. Восстановить импульсный сигнал, имеющий всего два состояния, значительно проще, чем аналоговый, принимающий бесконечное число значений. 2. Цифровые технологии позволяют выявлять и исправлять ошибки при передаче сигналов. Для аналоговых сигналов подобных методов восстановления нет. 3. Цифровые каналы связи надежнее и дешевле, чем аналоговые. 4. Важное преимущество цифровой обработки сигналов – универсальность. Любой аналоговый сигнал независимо от его физической природы (ток, напряжение, свет, температура и т. д.) после преобразований можно представить в цифровом виде. 5. В цифровых системах связи легко использовать функции, обеспечивающие шифрование сигнала. 3. Спектр дискретного сигнала. Обозначим x (k) отсчеты аналогового сигнала s (t), взятые в моменты времени kT, k = 1, 2, …; x (k) = s (kT). Представим дискретизированный сигнал в виде последовательности единичных импульсов с весовыми коэффициентами, равными отсчетам x (k):

sд  t  





 x  k    t  kT   s  t     t  kT  .

k 

(3.1)

k 

29

Раздел I. Основы теории цепей и сигналов

Сумма в формуле (3.1) является периодической и может быть разложена в ряд Фурье. Коэффициенты этого ряда

2 T2 2  jk t Ak   t e д dt  ,  T T 2 T где ωд = 2π / Т – частота дискретизации. В последнем выражении мы учли, что в интервал интегрирования попадает только одна δ-функция, соответствующая k = 0, а ее спектр равен единице. Таким образом, периодической последовательности единичных импульсов соответствует ряд Фурье 

2  jn t  δ  t  kT   T  e , k  n 

(3.2)

где ωn = 2πn / Т = nωд. Подставив последнее выражение в (3.1), получим

sд  t   s  t 

2  jn t e . T n

Умножению сигнала на e jn t соответствует сдвиг спектральной функции на ωn. Поэтому для спектра дискретного сигнала справедливо равенство 2  S д  jω   S  j ω  nω д  . T n Эта формула определяет главное свойство спектра дискретного сигнала: он является периодическим с периодом ωд = 2π / Т.Спектр дискретного сигнала представляет сумму копий спектра непрерывного сигнала, сдвинутых на частоту дискретизации. Характер спектра дискретного сигнала является следствием частотно-временной дуальности преобразования Фурье:  периодическому сигналу соответствует дискретный спектр;  дискретному сигналу соответствует периодический спектр. Предположим, что спектр аналогового сигнала занимает диапазон частот от 0 до ωв. В пределах исходной полосы спектр дискретного сигнала равен, с точностью до постоянного множителя, спектру исходного сигнала s (t). Спектр дискретного сигнала повторяется с интервалом ωд. Каждая спектральная копия отделяется от соседних полосой частот, равной ωд. Для восстановления непрерывного сигнала по дискретным отсчетам необходимо пропустить дискретный сигнал через фильтр, имеющий характеристику идеального ФНЧ. Частота среза фильтра равна половине частоты дискретизации. 30

Лекция 3. Цифровые сигналы

Очевидно, что точное восстановление сигнала возможно, если сдвинутые копии сигнала не перекрываются. Для этого необходимо, чтобы частота дискретизации по меньшей мере в два раза превышала верхнюю граничную частоту в спектре непрерывного сигнала: ωд > 2ωв. Подводя итог сказанному, сформулируем теорему дискретизации (теорему Котельникова): любой сигнал s (t), спектр которого не содержит составляющих с частотами выше некоторого значения ωв = 2π fв, может быть без потери информации представлен своими дискретными отсчетами s (k), взятыми с интервалом T, удовлетворяющим неравенству

T

1   . 2 f в ωв

Если ωд = 2ωв, то для восстановления аналогового сигнала требуется идеальный ФНЧ с абсолютно крутыми фронтами. Если ωд > 2ωв, копии спектра отдалятся, что облегчит процедуру фильтрации. При уменьшении частоты дискретизации до ωд < 2ωв копии начнут перекрываться и информация частично будет потеряна. Это явление называется наложением (aliasing). Частота дискретизации ωд = 2ωв – это предел, ниже которого происходит наложение. В качестве примера (рис. 3.2), иллюстрирующего эффект наложения спектра, приведена временная диаграмма дискретизированного синусоидального сигнала, где частота дискретизации fд незначительно превышает частоту аналогового сигнала fа, т. е. условия дискретизации по теореме Котельникова нарушены. Обратите внимание, что в результате дискретизации получены отсчеты сигнала, частота которого равна разности частот дискретизации и исходного сигнала fд – fа, т. е. наблюдается низкочастотный образ реального сигнала. Это явление известно в технике как стробоскопический эффект. Для борьбы с наложением выполняется предварительная фильтрация сигнала для того, чтобы уменьшить максимальную частоту до величины ωв  ω д . Все реальные фильтры имеют переходную полосу АЧХ. Обычно она составляет 10–20 % от ширины полосы сигнала. Поэтому на практике используют условие ω д  2,2ωв . (3.3) Наиболее экономичным решением задачи преобразования аналогового сигнала в цифровой является выборка с запасом (oversampling). При31

Раздел I. Основы теории цепей и сигналов

чина заключается в том, что цифровая обработка дешевле аналоговой. Используется более простой и дешевый аналоговый фильтр с относительно широкой переходной полосой. Из-за этого приходится увеличивать частоту дискретизации.

Рис. 3.2. Стробоскопический эффект во временной области, приводящий к наложению спектров входного сигнала

Пример 3.1. Определить частоту дискретизации для музыкальной системы с шириной полосы 20 кГц. В соответствии с условием (3.3) частота дискретизации должна превышать 44 тысячи выборок в секунду. Отметим, что частота дискретизации проигрывателя компакт-дисков составляет 44,1 тысячи выборок в секунду. Стандартная частота дискретизации аудиодисков студийного качества составляет 48,0 тысяч выборок в секунду. 4. Z-преобразование и его свойства. При анализе дискретных сигналов и цифровых цепей широко используют z-преобразование. Для дискретных сигналов оно имеет такое же значение, как преобразования Фурье и Лапласа при обработке аналоговых сигналов. Прямое z-преобразование определяется формулой

X  z 



 x  k  z k ,

k 

Здесь z – комплексная частотная переменная: z = x + jy = re jφ.

32

(3.4)

Лекция 3. Цифровые сигналы

Только в области абсолютной сходимости ряда z-преобразование справедливо (3.4): 

 x  k  z k

 .

k 

Рассмотрим примеры вычисления z-преобразования простейших дискретных сигналов. Пример 3.2. Единичная импульсная функция. Она представляет собой одиночный отсчет с единичным значением

1, k  0, x0  k    0, k  0. Используя определение z-преобразования (3.4), получаем

X0  z 



 x0  k  z  k  1  z 0  1 .

k 

Пример 3.3. Дискретная ступенчатая функция. Единичная ступенчатая функция в дискретной форме

0 k  0, x1 k    1 k  0. С помощью формулы (3.4) нетрудно найти, что z-преобразование дискретной ступенчатой функции

X1  z  





k 



x1  k  z  k  1 z  k .

(3.5)

k 0

Ряд (3.5) представляет собой бесконечную геометрическую прогрессию, первый член которой 1·z –0 = 1, а знаменатель равен z –1. При |z –1| < 1 сумма такого ряда равна

X1  z  

1 . 1  z 1

Пример 3.4. Дискретная экспоненциальная функция. Эта функция определяется следующим образом:

 0, k  0, xk    k a , k  0. 33

Раздел I. Основы теории цепей и сигналов

В соответствии с (3.4)

 







k  

k 0

k 0

X  z    x k z  k   a k z  k   a 1 z

k

.

(3.6)

При |az –1| < 1 ряд (3.6) сходится. Таким образом, z-преобразование дискретной экспоненциальной функции

X z  

1 . 1  a z 1

Рассмотренные примеры показывают, что z-преобразования дискретных последовательностей являются дробно-рациональными функциями комплексной переменной z.

34

Лекция 4. Основы цифровой связи

ЛЕКЦИЯ 4 ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ СВЯЗИ План: 1. Принципы цифровой связи. 2. Форматирование текстовой информации. 3. Форматирование аналоговых сигналов. 4. Режимы передачи сигналов. 5. Асинхронные и синхронные системы передачи данных. 6. Основные характеристики канала связи. 1. Принципы цифровой связи. Современные системы автоматики, контроля и управления, а также интеллектуальные измерительные устройства оперируют с цифровыми данными. Информация представляется последовательностью двоичных чисел: нулей и единиц. Двоичные цифры называют битами (англ. binary digit – bit). Строка из восьми бит образует символ – 1 байт. На рис. 4.1 показана функциональная схема системы цифровой связи. Форматирование является первым этапом обработки сигналов. Задача этого этапа – преобразование исходной информации в цифровые символы. Исходная информация может иметь аналоговую, текстовую или цифровую форму. Если данные, предназначенные для передачи, уже имеют цифровой формат, они пропускают этап форматирования. Для преобразования текстовой информации в двоичные цифры используется кодер. Форматирование аналоговых сигналов осуществляется с помощью трех процессов: дискретизации, квантования и кодирования. Во всех случаях результат форматирования – последовательность двоичных цифр (поток битов). Биты формируются в группы из k бит, называемые символами сообщений. Набор символов является конечным и образует алфавит, содержащий M = 2k элементов. Цифровой сигнал необходимо передать через канал связи, такой как двухпроводная линия, коаксиальный кабель и т. п. При этом двоичные цифры должны быть преобразованы в электрические сигналы, совместимые с этим каналом. Преобразование цифр из двоичного кода в последовательность импульсов происходит в блоке «Импульсная модуляция». Затем импульсы могут быть переданы по каналу передачи данных. Принятые импульсные сигналы восстанавливаются в двоичный код (демодулируются) и проходят этап декодирования. 35

Раздел I. Основы теории цепей и сигналов

Цифровая информация Текстовая информация Аналоговая информация

АЦП

Кодирование

Импульсная модуляция

Передача

Форматирование Канал Аналоговая информация

Фильтр нижних частот

Декодирование

Демодуляция

Прием

Текстовая информация Цифровая информация Рис. 4.1. Функциональная схема системы цифровой связи

К основным принципам цифрового обмена данными можно отнести следующие факторы: 1. Согласование типов используемых каналов связи между передатчиком и приемником (металлические проводники, радиоканал, оптоволокно и др.) 2. Определение логической единицы и логического нуля. Для того чтобы приемник и передатчик одинаково и однозначно воспринимали, какой бит информации они передают/получают, должны быть согласованы уровни напряжений для логического нуля и единицы. 3. Согласование кодов для кодирования и декодирования информации. 4. Обеспечение синхронизации между передатчиком и приемником, которая позволяет определить, когда начинается процесс передачи (бита, символа, пакета) и когда заканчивается. 5. Управление потоком данных для того, чтобы не переполнить память приемника. 6. Способы обнаружения и исправления ошибок, возникающих при передаче. 2. Форматирование текстовой информации. Если информация представлена буквенно-цифровым текстом, то используется один из стандартных форматов. 36

Лекция 4. Основы цифровой связи

Первым кодом, все символы которого имели одинаковую длину (5 битов), был код Бодо. С его помощью можно представить 25 = 32 символа. Код Бодо использовался в первых телетайпах, а его современная версия принята в качестве стандарта для телеграфных сообщений. Наиболее распространенным форматом является американский стандартный код обмена информацией (ASCII). В нем используется строка из 7 битов, что позволяет представить 127 символов (буквы в верхнем и нижнем регистрах, цифры, знаки пунктуации, управляющие символы). Для передачи только числовых данных удобен четырехразрядный двоичный код, дающий 16 символов. Числа от 0 до 9 представляются двоичными кодами (от 0000 до 1001), а остальные коды используются для десятичных точек. Использование четырехразрядного двоичного кода позволяет увеличить скорость передачи. Расширением четырехразрядного двоичного кода является двоичнодесятичный код. При двоично-десятичном кодировании каждая цифра десятеричного числа преобразуется в четырехразрядный двоичный код. Для двоично-десятичного кодирования используются только первые десять чисел – от 0 до 9. Код Грея удобен, когда происходит последовательное изменение чисел (например, датчик угла поворота вала). При увеличении числа изменяется только 1 бит. Код Грея показан в табл. 4.1. Таблица 4.1 Код Грея

Десятичное число 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Код Грея 0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111

3. Форматирование аналоговых сигналов. Динамический диапазон дискретного сигнала x (kT) разбивается на конечное число дискретных уровней – уровней квантования. Каждому отсчету сигнала присваивается значение одного из ближайших уровней, между которыми он оказывается. 37

Раздел I. Основы теории цепей и сигналов

Уровни квантования кодируются двоичными числами разрядности b, зависящей от числа уровней квантования L (L ≤ 2b). Далее биты кодового слова преобразуются в импульсные сигналы. Рассмотрим процедуру форматирования аналоговых сигналов на примере. На рис. 4.2 показан отрезок аналогового сигнала, изменяющегося в диапазоне от – 4 до + 4 В. Шаг между уровнями квантования составляет 1 В. Таким образом, используются 8 уровней: –3,5, –2,5, …, +3,5 В. Уровень –3,5 В имеет кодовый номер 0, а уровень +3,5 В – кодовый номер 7. В двоичной арифметике кодовому номеру 0 соответствует слово 000, а кодовому номеру 7 соответствует слово 111.

Рис. 4.2. Форматирование аналогового сигнала

38

Лекция 4. Основы цифровой связи

Очевидно, что квантование сигналов приводит к появлению ошибок квантования. Каждая выборка сигнала может быть представлена в виде

x (n) = x′ (n) + e (n), где x (n) – истинное значение выборки, а e (n) – соответствующая ошибка. Величина ошибки зависит от шага квантования Δ. В случае трехбитового квантования ошибка определяется формулой –Δ / 2 < e (n) ≤ Δ / 2. Для уменьшения ошибок квантования необходимо увеличить число уровней. При этом повышается разрядность цифрового слова. Например, если удвоить число уровней квантования (в рассматриваемом случае до 16), то каждая выборка сигнала будет представлена четырехбитовым словом. Для передачи сигналов в реальном времени необходимо повысить скорость передачи данных. Это требует расширения полосы пропускания канала. Таким образом, платой за повышение точности воспроизведения сигнала является расширение полосы пропускания. 4. Режимы передачи сигналов. Различают три режима передачи сигналов. 1. Симплексный – в любой момент времени данные передаются только в одном направлении, от передатчика к приемнику. Такая связь используется в радио-, теле- и спутниковом вещании, поскольку нет необходимости передавать какие-либо данные обратно на радиопередающую станцию (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Симплексный режим передачи

2. Полудуплексный – передача ведется по одному каналу связи в обоих направлениях, но с разделением по времени (т. е. в любой момент времени передача ведется только в одном из направлений). На рис. 4.4 передатчик станции А посылает данные приемнику на станции В. Когда требуется передача в обратном направлении, имеет место процедура переключения линии. После этого передатчик станции В получает возможность связаться с приемником станции А. Задержка при переключении линии снижает передаваемый по каналу связи объем данных. 39

Раздел I. Основы теории цепей и сигналов Станция А

Передатчик

Приемник

Станция В

Поток данных

Обратный поток

Приемник

Передатчик

Рис. 4.4. Полудуплексный режим передачи

Явление, когда несколько передающих узлов пытаются в один и тот же момент времени осуществлять передачу, называется коллизией. Пример – телефонный разговор или радиопереговоры, когда оба собеседника выходят в эфир одновременно. 3. Дуплексный – передача данных может производиться одновременно с приёмом данных (иногда его также называют «полнодуплексным», для того чтобы яснее показать разницу с полудуплексным). Станция А

Станция В

Передатчик

Приемник Одновременный двухсторонний поток данных

Приемник

Передатчик

Рис. 4.5. Дуплексный режим передачи

Дуплексная связь обычно осуществляется с использованием двух каналов связи (рис. 4.5): первый канал – исходящая связь для первого устройства и входящая для второго, второй канал – исходящая для второго устройства и входящая для первого. Примером является сеть Ethernet, или Internet, когда можно одновременно «скачивать» и «закачивать» информацию. 5. Асинхронные и синхронные системы передачи данных. Для передачи цифровых данных используются асинхронные или синхронные системы. В асинхронных системах каждый символ посылается в виде отдельного кадра. Приемник начинает прием данных после того, как он принимает первый бит, называемый стартовым. Стартовый бит представляется на40

Лекция 4. Основы цифровой связи

пряжением, противоположным напряжению паузы. Это позволяет приемнику синхронизироваться с передатчиком. Асинхронный кадр может иметь следующий формат (рис. 4.6):  стартовый бит;  данные (7 или 8 бит);  бит проверки на четность;  стоповые биты. Асинхронным описанный режим называется потому, что каждый принятый байт может быть смещен во времени относительно переданного байта на случайный промежуток времени (рис. 4.7). Стартовый Стартовый Бит бит

Данные

0

1

0

0

0

1

1

0

Пауза

Пауза

Стартовый Стартовый Бит бит Рис. 4.6. Формат асинхронного кадра данных Сообщение 1 Пауза

Сообщение 2

Пауза

Сообщение 3 Пауза

Произвольные задержки между сообщениями

Рис. 4.7. Смещение байтов в асинхронном режиме передачи

Это снижает требования к характеристикам системы передачи. В то же время асинхронность не влияет на корректность принимаемых данных, так как в начале и в конце каждого байта происходит дополнительная синхронизация приемника с источником за счет «стартовых» и «стоповых» битов. В синхронных системах приемник изначально синхронизируется по импульсам передатчика, которые содержатся в потоке передаваемых дан41

Раздел I. Основы теории цепей и сигналов

ных. Это позволяет передавать длинные сообщения с высокой скоростью. Синхронные системы упаковывают множество символов вместе и посылают их в виде непрерывного потока, называемого пакетом (или кадром).

Рис. 4.8. Кадр синхронной системы передачи данных

Пример кадра синхронной системы показан на рис. 4.8. 6. Основные характеристики канала связи. Эффективность системы связи оценивается качеством передачи, а также скоростью передачи информации. В реальных системах связи качество передачи зависит от степени искажения сообщений, вызванных действием помех. В цифровых системах связи скорость передачи информации измеряется числом передаваемых символов в секунду и измеряется в бодах. Например, скорость в 1000 бод соответствует импульсам, следующим через 1 мс. Скорость передачи данных оценивается пропускной способностью (емкостью) канала связи и равна числу битов, передаваемых в секунду, выражается в битах в секунду (бит/с). Часто используются кратные единицы: кбит/с, Мбит/с, Гбит/с. Следует учитывать, что скорость передачи данных меньше, чем скорость передачи битов, так как всегда требуется передача дополнительных битов – стартового и стопового, битов четности и др. Основными факторами, ограничивающими скорость передачи данных, является ширина полосы пропускания канала связи и отношение сигнал/шум. Ширина полосы измеряется в герцах и представляет собой максимальную частоту, на которой ослабление сигнала превышает заданную величину (например, мощность сигнала ослабляется более чем в два раза). Ширина полосы зависит от среды, в которой передается сигнал, и может изменяться от нескольких килогерц (телефонная линия) до нескольких гигагерц (оптоволоконный кабель). Скорость передачи битов в канале связи зависит от отношения сигнал/шум. Поскольку уровни сигнала и шума могут отличаться на несколько порядков, отношение сигнал/шум принято выражать в децибелах:

SNR = 10lg (S / N). Здесь S – мощность сигнала, Вт; N – мощность шума, Вт. Например, отношению сигнал/шум, равному 1000, соответствуют 60 дБ. 42

Лекция 4. Основы цифровой связи

Максимальная скорость передачи данных по каналу связи определяется теоремой Шеннона – Хартли:

C = B lg2 (1 + S / N).

(4.1)

Здесь С – максимальная скорость передачи, бит/с; B – ширина полосы, Гц. Из соотношения (4.1) следует, что для увеличения скорости передачи данных необходимо увеличить мощность сигнала или снизить мощность помех. Необходимо учитывать также, что скорость передачи зависит от логарифма отношения сигнал/шум. Поэтому при соотношении S / N = 100 увеличение мощности сигнала передатчика в два раза приведет к росту максимальной скорости передачи данных только на 15 %.

Владимир Александрович Котельников (1908–2005) Владимир Александрович Котельников – действительный член Академии наук, вице-президент АН СССР, дважды Герой Социалистического Труда, лауреат Государственной и Ленинской премий, профессор – родился в Казани в 1908 году. Он окончил Московский энергетический институт. Как одного из лучших выпускников его оставили в аспирантуре МЭИ. В 1933 году опубликовал научную работу «О пропускной способности эфира и проволоки в электросвязи», в которой впервые сформулировал теорему о точном представлении функции с ограниченным спектром совокупностью ее отсчетов, произведенных в отдельно взятых точках. В радиотехнике она известна как теорема Котельникова, широко применяется в радиофизике, оптике, теории цифровой обработки сигналов. В годы Великой Отечественной войны В. А. Котельников занимался разработкой новых систем связи, за которые был дважды удостоен Государственной премии СССР. Широкую известность ученому принесла фундаментальная работа «Теория потенциальной помехоустойчивости» (1947), где установлены предельные возможности радиоприема при наличии шумов. Его идеи в области приема сигналов послужили основой для создания нового научного направления – планетной радиолокации. Радиолокация Венеры, Марса, Меркурия в 1961–1964 годах позволила получить основополагающие данные о физическом состоянии этих планет – период и направление вращения Венеры, коэффициенты отражения поверхности планет. В 1993 году IEEE за выдающийся вклад в развитие теории и практики радиосвязи, основополагающие исследования и руководство работами в области радиолокационной астрономии наградил академика В. А. Котельникова медалью им. Хернанда и Созенеса Бена. 43

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

Раздел II ИНТЕРФЕЙСЫ ДЛЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ КАБЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ ЛЕКЦИЯ 5 СТАНДАРТЫ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ План: 1. Стандарты передачи данных. 2. Симметричные и несимметричные линии передачи 3. Интерфейс «токовая петля». 4. Универсальный асинхронный приемопередатчик. 1. Стандарты передачи данных. Под стандартом в области передачи данных понимают совокупность правил, требований и рекомендаций, которые организуют взаимодействие (позволяют осуществлять передачу данных) между оборудованием различных производителей. Разработкой стандартов в области передачи данных занимаются специальные международные организации, комитеты и рабочие группы:  Международная организация по стандартизации – International Standards Organization (ISO);  Институт инженеров по электротехнике и электронике – Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE);  Международный союз электросвязи (МСЭ) – International Telecommunication Union (ITU);  Альянс электронной промышленности – Electronic Industries Alliance (EIA). Рассмотрим их более подробно. ISO основана в 1946 г. для разработки и координации международных стандартов в различных областях техники, производственной и других видах деятельности. Она объединяет более 70 национальных организаций по стандартизации. 44

Лекция 5. Стандарты последовательной передачи данных

Наиболее известный стандарт ISO в области телекоммуникаций – эталонная модель взаимодействия открытых систем – Open Systems Interconnection (OSI), которая представляет собой семиуровневую модель протоколов передачи данных, разработанную для сопряжения вычислительного, коммуникационного и другого оборудования различных производителей. IEEE – профессиональное сообщество специалистов по электронике и электротехнике, созданное в США. Имеет отделения в других странах, в том числе и в России. Выпускает свои стандарты, которые часто де-факто становятся международными. Стандарты IEEE работают в различных отраслях промышленности, включая энергетику, информационные и телекоммуникационные технологии, транспорт и т. д. Наиболее значительные стандарты, имеющие отношение к передаче данных по компьютерным сетям, разработаны комитетом IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee (LMSC). В состав комитета входит более десятка активных рабочих групп, которые разрабатывают и сопровождают стандарты физического и канального уровней модели OSI. Наиболее известные из них: 802.3 (Ethernet), 802.11 (WLAN, или Wi-Fi) и 802.16 (Broadband Wireless Access, в частности стандарты Wi MAX). ITU является специализированным подразделением Организации Объединенных Наций (ООН). Наряду с представителями министерств связи стран – членов ООН в работе ITU принимают участие почтовотелеграфные, телефонные организации и академические учреждения, хотя во многих решениях они имеют лишь право совещательного голоса. ITU определяет полный набор стандартов, касающихся телекоммуникационного оборудования. В контексте стандартизации передачи данных интерес представляет сектор стандартизации электросвязи Международного союза электросвязи – International Telecommunication Union – Telecommunication sector (ITU-T). В задачи ITU-T входит установление стандартов в области электросвязи. Наиболее известными стандартами и протоколами, разработанными ITU-T, являются:  стандарты серии Н на средства и методы обработки и передачи аудио/видео данных (H series: Audio visualand multimedia systems): H.264, MPEG-4 Part 10 или AVC (Advanced Video Coding) – лицензируемый стандарт сжатия видео, предназначенный для достижения высокой степени сжатия видеопотока при сохранении высокого качества;  стандарты серии Х, определяющие принципы взаимодействия открытых систем передачи данных и компьютерной безопасности (Xseries: Datanetworks, open system communication sand security): X.25 – один из первых стандартов, определяющих протокол пакетной передачи данных в публичных сетях, в дальнейшем лег в основу современного межсетевого протокола – Internet Protocol (IP); 45

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

EIA – организация, расположенная в США, разрабатывающая электрические и функциональные стандарты с идентификатором RS (Recommended Standards). Ранее стандарты EIA имели префикс RS (Recommended Standart), что означает рекомендуемый стандарт, но позже новые спецификации стандартов были разработаны совместно с ассоциацией телекоммуникационной промышленности – Telecommunications Industry Association (TIA), поэтому RS был заменен на EIA/TIA с целью облегчить идентификацию своих стандартов. Однако в большей части технической литературы и руководствах по эксплуатации к оборудованию до сих пор применяется префикс RS. Самыми известными и распространенными в промышленности стандартами являются RS-232, RS-422 и RS-485. 2. Симметричные и несимметричные линии передачи. Рассмотрим стандарты передачи данных, основные типы линий передачи сигналов. Несимметричная передача. В системе, использующей несимметричные линии, имеется один общий опорный проводник для нескольких устройств и схем. Этот проводник называется иногда «землей». Сигнал в виде напряжения передается только по одному проводу. Передаваемый сигнал является напряжением между сигнальным и общим проводом («землей»). Несимметричная передача работает хорошо, если токи невелики и общий провод имеет малое сопротивление. На практике это выполняется только для коротких каналов связи. При больших расстояниях общий проводник имеет разные потенциалы в разных точках. Кроме того, на него могут воздействовать помехи или паразитные напряжения. Симметричная передача. В симметричной передаче для каждого сигнала требуются два провода. Напряжение на приемном конце измеряется между этими проводами. Такую систему передачи сигналов называют симметричной или дифференциальной. Она позволяет устранить многие проблемы, связанные с использованием одного общего проводника при несимметричной передаче. Симметричная передача обеспечивает большую помехоустойчивость. Как правило, помехи представляют синфазный сигнал, т. е. сигнал, одинаковый на обоих проводах линии. Такой синфазный сигнал легко подавить на приемном конце с помощью дифференциального усилителя. Симметричная передача используется в большинстве быстродействующих интерфейсов. Она предпочтительна в промышленных сетях, где помехи представляют серьезную проблему. 3. Интерфейс «токовая петля». Интерфейс «токовая петля» применяется для передачи информации с 1950-х годов. Первоначально в нем использовался ток 60 мА; позднее, с 1962 года, получил распространение ин46

Лекция 5. Стандарты последовательной передачи данных

терфейс с током 20 мА, преимущественно в телетайпных аппаратах. В 1980-е годы начала широко применяться токовая петля 4–20 мА в разнообразном технологическом оборудовании, датчиках и исполнительных устройствах средств автоматики. В передатчике токовой петли используется источник тока. По определению величина тока идеального источника тока не зависит от параметров нагрузки. Поэтому в токовой петле величина тока не зависит от сопротивления кабеля Rк, сопротивления нагрузки Rн и ЭДС индуктивной помехи Еинд (рис. 5.1), а также от напряжения питания источника тока Еn (рис. 5.2, а). Ток в петле может измениться только вследствие утечек в кабеле, которые очень малы. Это свойство токовой петли является основным и определяет все варианты ее применения. Емкостная наводка Еемк, ЭДС которой приложена параллельно источнику тока, не может быть ослаблена в токовой петле и для ее подавления следует использовать экранирование. В качестве линии передачи обычно используется экранированная витая пара, которая совместно с дифференциальным приемником позволяет ослабить синфазную помеху. На приемном конце ток петли преобразуется в напряжение с помощью калиброванного сопротивления Rн. При токе 20 мА для получения стандартного напряжения 2,5; 5; или 10 В используют резистор сопротивлением 125, 250 или 500 Ом соответственно. Основным недостатком токовой петли является низкое быстродействие, которое ограничивается скоростью заряда емкости кабеля Ск от источника тока: например, при типовой погонной емкости кабеля 75 пФ/м и длине 1 км емкость кабеля составит Ск = 75 нФ. Для заряда такой емкости от источника тока 20 мА до напряжения 5 В необходимо время 19 мкс dU (учтем, что ток заряда емкости кабеля I  Ск ). dt Eинд.

Rк

Eемк.

Rн

Ск

Рис. 5.1. Принцип действия токовой петли

47

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

Другой недостаток токовой петли, ограничивающий ее практическое применение, это отсутствие стандарта на конструктивное исполнение разъемов и электрические параметры, хотя фактически стали общепринятыми диапазоны токовых сигналов 0–20 мА и 4–20 мА. Интерфейс «токовая петля» распространен в двух версиях: цифровой и аналоговой. Аналоговая токовая петля используется, как правило, для передачи сигналов от разнообразных датчиков к контроллеру или от контроллера к исполнительным устройствам. Применение токовой петли в данном случае дает два преимущества: приведение диапазона изменения измеряемой величины к стандартному диапазону обеспечивает взаимозаменяемость компонентов; становится возможной передача сигнала на большое расстояние с высокой точностью (погрешность токовой петли может быть снижена до ±0,05 %). Кроме того, интерфейс «токовая петля» поддерживается большинством производителей средств промышленной автоматизации. При использовании токовой петли с диапазоном сигнала 4–20 мА в качестве начала отсчета принят ток 4 мА. Это позволяет производить диагностику целостности кабеля (если ток равен нулю, значит, кабель имеет разрыв) в отличие от варианта с диапазоном 0–20 мА, где величина 0 мА может означать не только нулевую величину сигнала, но и обрыв кабеля. Еще одним преимуществом уровня отсчета 4 мА является возможность подачи энергии для питания датчика. На рис. 5.2, а, б показаны варианты построения аналоговой токовой петли. В варианте «а» используется встроенный незаземленный источник питания Еn, в варианте «б» источник питания – внешний. Встроенный источник удобен при монтаже системы, а внешний – тем, что его можно выбрать с любыми параметрами в зависимости от поставленной задачи. Принцип действия токовой петли состоит в том, что при бесконечно большом коэффициенте усиления операционного усилителя (ОУ) напряжение между его входами равно нулю, и поэтому ток Iо через резистор Rо U равен I о  вх . Поскольку у идеального ОУ ток входов равен нулю, то ток Rо U через резистор равен току в петле I  вх и, как следует из этой формулы, Rо не зависит от сопротивления нагрузки. Поэтому напряжение на выходе R приемника определяется как IRн  н U вх . Rо Достоинством схемы с операционным усилителем является возможность калибровки передатчика без подключенного к нему кабеля и приемника, поскольку вносимая ими погрешность пренебрежимо мала. 48

Лекция 5. Стандарты последовательной передачи данных

Напряжение источника Еn должно обеспечивать работу транзистора передатчика в активном режиме и компенсировать падение напряжения на проводах кабеля и сопротивлениях Rо, Rн. Для этого выбирают Еn > I (Rо + Rк + Rн) + Uнас, где Uнас – напряжение насыщения транзистора (в общем случае от 1 до 2 В). При типовых значениях Rо = Rн = 500 Ом и Rк = 100 Ом (при длине 1 км) получим напряжение источника питания петли Еn = 22 В, ближайшее значение из ряда стандартных напряжений 24 В. Отметим, что мощность, связанная с избыточным напряжением источника питания по сравнению с рассчитанным значением, будет рассеиваться на транзисторе, что особенно существенно для интегральных передатчиков, не имеющих теплоотвода.

En Rк U вх

Rн I

Rо Iо а

Rк Rн U вх

Rо  E

n

Iо

I б

Рис. 5.2. Аналоговая токовая петля: а – с встроенным в передатчик источником питания; б – с внешним источником питания

49

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

Цифровая токовая петля используется обычно в версии 0–20 мА, поскольку она реализуется гораздо проще, чем вариант 4–20 мА (рис. 5.3). Так как при цифровой передаче данных точность передачи логических уровней роли не играет, можно использовать источник тока с не очень большим внутренним сопротивлением и низкой точностью. При стандартном значении напряжения питания Еn = 24 В и напряжения на входе приемника 0,8 В для получения тока 20 мА сопротивление Rо должно быть

Rо 

24  0,8 = 1,16 кОм. 20  103

Сопротивление кабеля сечением 0,35 мм2 и длиной 1 км  97 Ом, что составит около 10 % от общего сопротивления петли, поэтому им можно пренебречь. Падение напряжения на диоде оптрона составляет около 3,3 % от напряжения источника питания, и его влиянием на ток в петле также можно пренебречь. Поэтому с достаточной для практики точностью можно считать, что передатчик в этой схеме является источником тока. En

Rо

I

Рис. 5.3. Схема реализации цифровой токовой петли

Рис. 5.4. Передача информации нескольким приемникам с помощью токовой петли

50

Лекция 5. Стандарты последовательной передачи данных

Как аналоговая, так и цифровая токовая петля может использоваться для передачи информации нескольким приемникам одновременно (рис. 5.4). Вследствие низкой скорости передачи информации по токовой петле согласования длинной линии с передатчиком и приемником не требуется. Популярность токовой петли начала падать после появления стандарта на интерфейс RS-485 (1983 г.) и в настоящее время в новом оборудовании она практически не применяется. 4. Универсальный асинхронный приемопередатчик (UART). Представляет собой микросхему или является частью большой интегральной схемы и предназначен для организации цифровой связи между устройствами. Главная задача UART – обеспечение операций, связанных с подготовкой выходного сигнала микропроцессора к асинхронной последовательной передаче данных. Аналогично UART для организации синхронной передачи данных используется универсальный синхронный приемопередатчик – Universal Synchronous Receiver-Transmitter (USRT). В отличие от токовой петли во всех передатчиках на основе UART используется не источник тока, а источник напряжения, т. е. на выходе UART биты данных представляются последовательностью импульсов напряжения. Физически UART реализуется на основе полупроводников с использованием технологии ТТЛ или КМОП, поэтому выход UART не подключается непосредственно к каналу связи. Чтобы обеспечить необходимые уровни напряжений логического 0 и 1, соответствующие используемому каналу связи, применяют дополнительные устройства, называемые линейными формирователями и линейными приемниками. При передаче данных UART выполняет следующие операции: 1. Устанавливает скорость двоичной передачи символов из общепринятого ряда стандартных скоростей (300, 600, 1 200, 2 400, 4 800, 9 600, 19 200, 38 400, 57 600, 115 200, 230 400, 460 800 и 921 600 бод). 2. Принимает биты символа от микропроцессора в виде параллельной группы, которая, как правило, состоит из 8 бит (1 байт информации), но существуют реализации UART, позволяющие передавать другое количество битов (5, 6, 7, 9 и др.). 3. Генерирует стартовый бит. В случае отсутствия потока данных (т. е. когда не происходит процесс приема/передачи информации) на входе и выходе UART уровень сигнала соответствует логической 1. Поэтому общепринятым уровнем для стартового бита всегда считается логический 0. Таким образом, приемник фиксирует изменение состояния сигнала в линии связи и готовится к приему данных. 4. Добавляет биты данных к стартовому биту, формирует минимальную посылку. 51

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

5. Определяет четность и добавляет бит четности (если необходимо). Контроль четности – один из простейших методов контроля целостности передаваемых данных. Если функция контроля на четность включена, то UART добавляет к минимальной посылке служебный бит, который содержит информацию о четности количества единичных битов в этой посылке. Значение служебного бита четности зависит от выбранного типа контроля: контроль на четность (англ. evenparity) или контроль на нечетность (англ. oddparity). В табл. 5.1 приведен пример расчета бита четности в зависимости от выбранного типа контроля. В случае, если функция проверки на четность в UART выключена, к минимальной посылке ничего не добавляется. 6. Генерирует стоповые биты и заканчивает передачу. Уровень стопового бита всегда соответствует логической 1, но длительность бита может быть 1; 1,5 и 2 битовых интервала. 7. Сигнализирует процессору, что он готов к обработке следующего символа. Таблица 5.1 Вычисление бита четности в зависимости от выбранного типа контроля

Данные

Сумма единичных битов

0000000 1001010 1101111 1111111

0 3 6 7

Тип контроля Even Odd 0 1 1 0 0 1 1 0

Операции, которые UART выполняет при приеме данных: 1. Устанавливает скорость двоичного приема. Скорости передатчика и приемника должны жестко соответствовать друг другу, в противном случае приемник не сможет обработать входящий поток данных. 2. Распознает стартовый бит и готовится к приему данных. 3. Считывает биты данных, поступающие в виде последовательной группы. Как приемник, так и передатчик должны быть настроены на одинаковое количество битов данных. Если в посылке содержит 8 бит данных, то после приема стартового бита UART начинает отсчет восьми битовых интервалов с заранее установленной скоростью. 4. Считывает бит четности и проводит проверку на четность. Должно соблюдаться однозначное соответствие в выборе типа контроля на четность между приемником и передатчиком.

52

Лекция 5. Стандарты последовательной передачи данных

5. Распознает стоповые биты. Между приемником и передатчиком также должна быть согласованность в вопросе длины стопового бита, иначе прием данных произойдет с ошибками. 6. Передает символ в параллельном виде микропроцессору. Применение UART устраняет необходимость программирования перечисленных выше операций в микропроцессоре, так как все они реализуются UART. Поскольку UART имеет отдельную сигнальную линию для передачи – Transmit Data (ТxD) и отдельную для приема – Receive Data (RxD), передача данных может осуществляться в полнодуплексном или полудуплексном режиме. Для внутренних операций формирования временных битовых интервалов UART, а также для управления операциями в схемах передатчика и приемника необходимо иметь источник тактового сигнала. Частота тактового сигнала значительно выше, чем скорость последовательной передачи. Благодаря тактовому сигналу приемник и передатчик формируют и распознают биты с заданной скоростью (одинаковым битовым интервалом). В специальной литературе, руководствах по эксплуатации оборудования и средств автоматизации, а также в программном обеспечении часто используется краткий формат записи основных параметров UART, который выглядит следующим образом: «9600/8-N-1» – на первом месте обычно указана скорость UART, в данном случае это 9600 бит/с, далее – количество битов данных 8, затем тип контроля на четность N (None, без контроля на четность), затем – длительность стопового бита, в нашем случае это 1. Изначально UART предназначался для организации связи между двумя устройствами, поэтому на его основе были реализованы стандарты для топологии «точка-точка», такие как стандарт беспроводного интерфейсного обмена через инфракрасный порт – Infra Red Data Association (IrDA), RS-232 и др. В дальнейшем на основе UART были разработаны стандарты RS-422, RS-485 и другие, реализующие более сложные сетевые топологии, такие как кольцо, звезда, магистраль.

53

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

ЛЕКЦИЯ 6 СТАНДАРТЫ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ГРУППЫ RECOMMENDED STANDARD (RS) План: 1. Стандарт RS-232. 2. Стандарт RS-422. 3. Стандарт RS-485. 1. Стандарт RS-232. Одним из наиболее распространенных стандартов для организации последовательной передачи данных является рекомендованный стандарт (Recommended Standard) RS-232. Он был разработан для обеспечения связи между терминальным оборудованием DTE (Data Terminal Equipment) и аппаратурой передачи данных DCE (Data Communication Equipment). Устройство DTE является ведущим (активным), оно отдает команды ведомому (пассивному) устройству DCE. Терминальным оборудованием может быть компьютер, а аппаратурой передачи данных модем, который принимает данные от компьютера и передает их в канал передачи данных (например, телефонную линию). Первый вариант стандарта RS-232 был выпущен в 1969 году. Его модификации используются до сих пор. Текущей модификацией этого стандарта является EIA/TIA-232F, которая была разработана Ассоциацией промышленных средств связи (Telecommunication Industry Association – TIA) и «Ассоциацией электронной промышленности» (Electronic Industries Alliance – EIA). Стандарт RS-232 устанавливает электрические и механические параметры интерфейса передачи данных, а также функциональное описание цепей обмена. Однако RS-232 не определяет протокол связи. Электрические параметры сигнала. Стандарт RS-232 устанавливает границы уровней напряжения для логического 0 и 1 на выходе передатчика, а также на входе приемника. Передатчик должен обеспечивать следующие уровни напряжения сигнала:  логическая 1: от –5 до –25 В;  логический 0: от +5 до +25 В;  неопределенный логический уровень: от –5 до +5 В. Для приемника определены следующие уровни напряжения сигналов:  логическая 1: от –3 до –25 В;  логический 0: от +3 до +25 В;  неопределенный логический уровень: от –3 до +3 В. 54

Лекция 6. Стандарты последовательной передачи данных группы Recommended Standard (RS)

Как видно, на выходе передатчика RS-232 нижняя граница диапазона напряжений имеет более высокий уровень, чем на входе приемника. Это позволяет компенсировать падение напряжения в линии передачи. Поскольку аппаратная реализация приемника и передатчика RS-232 основана на использовании UART, первичные уровни напряжения на выходе UARTне превышают 5 В (напряжение ТТЛ). Чтобы довести напряжение до необходимого уровня, на передающей стороне используется специальное устройство – линейный формирователь. Аналогичное устройство используется и на стороне приемника. Электрическое соединение устройств DCE и DTE по стандарту RS-232 осуществляется при помощи четырех групп линий:  линии данных;  линии управления;  линии синхронизации;  дополнительные. Линии данных предназначены для приема/передачи данных. Линия передачи данных – TxD (Transmitted Data), по которой устройство DTE передает сигналы, связывает контакт с выхода передатчика на DTEустройстве с контактом, ответственным за прием, на DCE-устройстве. Линия приема данных – RxD (Receive Data), по которой устройство DTE принимает данные от устройства DCE, связывает контакт с выхода передатчика на DCE-устройстве с контактом, ответственным за прием на DTE стороне. Стандартом RS-232 предусмотрено использование несимметричных линий передачи, в которых применяется один общий провод, называемый сигнальной землей – Signal Ground (GND). Относительно сигнальной земли определяются уровни напряжений всех линий. Такой способ передачи сигналов очень чувствителен к электромагнитным помехам, поэтому несимметричные линии удовлетворительно работают только на небольших расстояниях. Главная проблема – общий провод, потенциал которого может значительно отличаться в начале и в конце линии передачи. Линии управления используются для организации процесса приема/передачи данных без потерь, обычно это называют аппаратным квитированием (hard ware hand shake). К основным линиям управления относятся: линия запроса передачи – RTS (Request To Send); линия сброса (очистки) передачи – CTS (Clear To Send) – сброс (очистка) передачи; линия готовности DCE-устройства к передаче – DSR (Data Set Ready); линия готовности терминала к приему – DTR (Data Terminal Ready). Линии управления имеют такой же диапазон напряжений, что и линии данных, но противоположную полярность. Диапазон напряжений управляющей линии, активизированной устройством DTE, составляет от +5 до +25 В. Устройство DCE, подключенное к этой управляющей линии, 55

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

допускает диапазон напряжений от +3 до +25 В. Линия управления, переведенная устройством DTE в неактивный режим, имеет диапазон напряжений от –5 до –25 В. Устройство DCE имеет диапазон напряжений от –3 до –25 В. Скорость передачи данных по стандарту RS-232 выбирается из ряда стандартных скоростей, определенных для UART (300; 600; 1 200; 2 400; 4 800 бод и т. д.). От выбранной скорости передачи данных зависит максимально возможная длина кабеля, поскольку чем больше скорость, тем больше искажения сигнала, вызванные емкостными характеристиками кабеля, а емкость кабеля увеличивается с его длиной. Стандарт RS-232 не ограничивает максимальную длину кабеля, но определяет его предельную емкость Cmax = 2500 пФ. При погонной емкости современных типов кабелей = 100 пФ/м максимальная длина кабеля составит lmax = 25 м. На практике максимальная длина не превышает 15 м. Для соединения узлов, расположенных на расстоянии более 15 м, применяются специальные преобразователи. Механические характеристики интерфейса RS-232. Изначально стандарт описывал применение 25-контактного соединителя типа DB-25. Интерфейс должен состоять из штекера и гнезда. Устройство DTE должно оснащаться штекером, DCE-устройство – гнездом. Позднее стали использовать усеченный вариант интерфейса и 9-контактный соединитель DB-9, наиболее распространенный в настоящее время. Разъемы DB-9 и DB-25 представлены на рис. 6.1. Помимо перечисленных разъемов реализация интерфейса RS-232 может быть выполнена с помощью разъема любого типа (RJ-45, RJ-25, RJ-12, Mini Jack 3,5 и т. д.). Возможна реализация в виде обычных клемм с винтом или зажимами. В классическом варианте в ЭВМ интерфейс RS-232 реализуется последовательным портом, или коротко COM-портом (communication sport). Порт называется последовательным, так как информация через него передается последовательно, бит за битом.

. Рис. 6.1. Разъемы RS-232

56

Лекция 6. Стандарты последовательной передачи данных группы Recommended Standard (RS)

Назначение контактов разъемов DB-9 и DB-25 для DTE-устройства представлено в табл. 6.1. Таблица 6.1 Назначение контактов разъемов DB-9 и DB-25 для DTE-устройства по стандарту RS-232

Номер контакта устройства DTE 1

Назначение контактов разъема DB-9

Назначение контактов разъема DB-25

DCD

2

RxD

PG TxD

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

TxD DTR GND (SG) DSR RTS CTS RI

RxD RTS CTS DSR GND (SG) DCD Зарезервирован (V+) Зарезервирован (V–) Не задействован SDCD SCTS STxD TST STxD RST LL SRTS DTR RL RI DSRS TST TM

Назначение контактов усеченного варианта DB-25 TxD RxD RTS CTS DSR GND (SG) DCD

DTR RI

Расшифруем и дадим пояснения к обозначению контактов разъема DB-25 на примере DTE-устройства. 1. PG (Protective Ground) – защитное заземление. Защитное заземление обеспечивает равенство потенциалов общих шин устройств DTE и DCE. 57

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

2. TxD (Transmitted Data) – передаваемые данные. Эта линия передает данные от DTE-устройства к DCE-устройству. Во время паузы на линии поддерживается отрицательный потенциал. 3. RxD (Receive Data) – принимаемые данные. Эта линия передает данные от DCE-устройства к DTE-устройству. 4. RTS (Request To Send) – запрос передачи. Управляющая линия RTS служит для запроса передачи. Она становится активной (напряжение положительно), когда DTE-устройство запрашивает разрешение на передачу данных. После этого DCE-устройство активизирует линию CTS. 5. CTS (Clear To Send) – сброс (очистка) передачи. Когда DTEустройство принимает данные, оно удерживает линию RTS неактивной. Когда наступает очередь DTE-устройства передавать данные, оно активизирует линию RTS. Сигнал CTS информирует DTE-устройство, что можно передавать данные. 6. DSR (Data Set Ready) – готовность DCE-устройства к передаче данных. 7. GND (SG) Signal Ground– сигнальная земля (общий провод). Это общая линия для всех цепей интерфейса. 8. DCD (Data Carrier Detected) – обнаружение несущей данных. Используется модемом, становится активной, когда модем обнаруживает сигнал несущей частоты. 9. Зарезервирован для положительного контрольного напряжения (U+). 10. Зарезервирован для отрицательного контрольного напряжения (U–). 11. Не задействован. Предполагается что разработчики оборудования могут использовать контакт по своему усмотрению. 12. SDCD (Secondary Data Carrier Detect) – обнаружение несущей частоты во вторичном канале. 13. SCTS (Secondary Clear To Send) – сброс (очистка) передачи во вторичном канале. 14. STxD (Secondary Transmitted Data) – передаваемые данные во вторичном канале. 15. TST (Transmitter Signal Timing DC Esource) – сигнал источника синхронизации передатчика DCE-устройства. 16. SRxD (Secondary Receive Data) – принимаемые данные во вторичном канале. 17. RST (Receiver Signal Timing) – синхронизация приемника сигнала. 18. LL (Local Loop Back) – локальная петля обратной связи. 19. SRTS (Secondary Request To Send) – запрос передачи во вторичном канале. 20. DTR (Data Terminal Ready) – готовность терминала к приему данных. 58

Лекция 6. Стандарты последовательной передачи данных группы Recommended Standard (RS)

21. RL (Remote Loop Back) – удаленная петля обратной связи. 22. RI (Ring Indicator) – индикатор звонка. 23. DSRS (Data Signal Rate Selector) – переключатель скорости сигнала данных. 24. TST (Transmitter Signal Timing DTE Source) – сигнал источника синхронизации времени передатчика DTE-устройства. 25. TM (Test Mode) – тестовый режим. При использовании разъема DB-9 и в усеченном варианте DB-25 задействованы только контакты: DCD, TxD, RxD, GND, RTS, CTS, DSR, DTR и RI. Поскольку стандарт имеет рекомендованный характер, назначение разъемов может отличаться в оборудовании разных производителей, поэтому всегда необходимо ориентироваться на руководство по эксплуатации конкретного оборудования, в котором, как правило, приводится подробная схема соединения. Нуль-модемный кабель. Кроме соединения устройства DTE с DCE стандарт RS-232 позволяет соединять между собой устройства, имеющие одинаковый набор контактов (например, DTE и DTE, DCE и DCE). Возможно соединение устройств с разными требованиями к квитированию. В этом случае обычно используется нуль-модемный кабель с минимальным набором из трех проводников (TxD, RxD и GND) для организации полнодуплексного обмена (рис. 6.2). DCD

1

1

DCD

RxD

2

2

RxD

TxD

3

3

TxD

DTR

4

4

DTR

GND

5

5

GND

DSR

6

6

DSR

RTS

7

7

RTS

CTS

8

8

CTS

Rl

9

9

Rl

Рис. 6.2. Минимальный нуль-модемный кабель RS-232

Как видно из рис. 6.2, такой вариант соединения не подразумевает использования линий управления (квитирования). Если режим квитирования включен по умолчанию, но фактически не требуется для передачи данных, сигналы портов замыкают перемычками, тем самым исключается их влияние на режим обмена. 59

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

Схема нуль-модемного кабеля с «обходом квитирования» показана на рис. 6.3. Когда необходима аппаратная поддержка квитирования между соединяемыми устройствами, используется полный нуль-модемный кабель (рис. 6.4). DCD

1

1

DCD

DCD

1

1

DCD

RxD

2

2

RxD

RxD

2

2

RxD

TxD

3

3

TxD

TxD

3

3

TxD

DTR

4

4

DTR

DTR

4

4

DTR

GND

5

5

GND

GND

5

5

GND

DSR

6

6

DSR

DSR

6

6

DSR

RTS

7

7

RTS

RTS

7

7

RTS

CTS

8

8

CTS

CTS

8

8

CTS

Rl

9

9

Rl

Rl

9

9

Rl

Рис. 6.3. Нуль-модемный кабель RS-232 (с «обходом квитирования»)

Рис. 6.4. Полный нуль-модемный кабель RS-232

Модемный кабель. Данный кабель применяется для классического подключения модема (DCE) к компьютеру (DTE). Различают прямой и обратный модемные кабели (рис. 6.5). DCD

1

1

DCD

DCD

1

1

DCD

RxD

2

2

RxD

RxD

2

2

RxD

TxD

3

3

TxD

TxD

3

3

TxD

DTR

4

4

DTR

DTR

4

4

DTR

GND

5

5

GND

GND

5

5

GND

DSR

6

6

DSR

DSR

6

6

DSR

RTS

7

7

RTS

RTS

7

7

RTS

CTS

8

8

CTS

CTS

8

8

CTS

Rl

9

9

Rl

Rl

9

9

Rl

Рис. 6.5. Прямой (слева) и обратный (справа) модемный кабель RS-232

Существуют и другие разновидности соединения разъемов DB-9 и DB-25, применение которых обусловлено особенностями конкретных протоколов передачи данных.

60

Лекция 6. Стандарты последовательной передачи данных группы Recommended Standard (RS)

Стандарт RS-232 широко используется в промышленности для организации синхронных и асинхронных систем передачи данных. Однако он имеет ряд ограничений: 1. Отсутствие возможности многоточечного подключения. Возможно только двухточечное соединение устройств (одного DTE-устройства с одним устройством DCE или DTE). 2. Ограничение расстояния – максимум 15 м. 3. Недостаточная для современных объемов данных скорость передачи – до 115,2 кбит/с. 4. Уровни напряжений несовместимы с современными стандартами источников питания. 2. Стандарт RS-422. Принципиальное отличие стандарта RS-422 от RS-232 заключается в использовании симметричной линии связи, когда для передачи сигнала используются два проводника. Напряжение между двумя проводниками формирует уровни логического 0 и 1. Такую систему называют симметричной или дифференциальной. Это позволяет использовать высокие скорости передачи данных и снижать уровень шумов. Основные характеристики интерфейса RS-422: 1. Максимальное расстояние, на которое можно передавать данные, до 1200 м. 2. Максимальная скорость передачи – до 10 Мбит/с. 3. Подключения множества устройств к одной линии (шине) передачи данных. 4. На линии может быть только один линейный формирователь, т. е. одно ведущее устройство, которое отдает команды в сеть. 5. К одному формирователю может подключаться до 10 приемников (ведомых устройств). 6. Стандарт позволяет организовать полнодуплексную передачу данных, поскольку для передачи и приема данных используются разные пары проводников. Для передачи «TxD+» и «TxD–», а для приема – «RxD+» и «RxD–». Дифференциальные напряжения линий:  логическая 1: от –2 до –6 В.  логический 0: от +2 до +6 В. Линейный формирователь для RS-422 обеспечивает до 6 В дифференциального напряжения между двумя проводами. Поскольку дифференциальный приемник чувствителен только к разности напряжений, то синфазные помехи, воздействующие на оба провода, будут влиять на работу приемника незначительно. Стандартные разъемы для реализации интерфейса RS-422 аналогичны RS-232, это DB-9 и DB-25. На рис. 6.6 показано соединение двух устройств по стандарту RS-422 с минимальным набором проводников. 61

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

DTE

1

2

6

DCE

3

7

5

4

8

Контакты 2: TxD + 4: RxD + 7: TxD – 8: RxD –

9

1

2

6

3

7

5

4

8

9

Контакты 2: TxD + 3: RxD – 7: TxD – 8: RxD +

Рис. 6.6. Соединение DTE- и DCE-устройств по стандарту RS-422

Очевидным недостатком является необходимость большего количества проводников для каждого сигнала, чем в RS-232. В связи с быстрым появлением более простого и универсального стандартаRS-485 применение RS-422 в чистом виде не нашло широкого применения. 3. Стандарт RS-485. Интерфейсный стандарт RS-485 является расширением стандарта RS-422. Он обеспечивает те же расстояния и скорости передачи, но допускает большее количество передатчиков и приемников, позволяя подключать к одной линии до 32 линейных формирователей и до 32 приемников. Принято различать два вида RS-485: двухпроводный RS-485 (2W) и четырехпроводный RS-485 (4W). Стандарт RS-485 (4W) является полным аналогом RS-422, даже поддерживает работу с ним в одной линии. Двухпроводный RS-485 (2W) использует для организации передачи данных только 2-го провода, поэтому в отличие от полнодуплексных RS-422 и RS-485 (4W) реализует только полудуплексный режим передачи данных. Основные характеристики RS-485: 1. Максимальное расстояние – до 1200 м (как у RS-422). 2. Скорость передачи – до 10 Мбит/с (как у RS-422). 62

Лекция 6. Стандарты последовательной передачи данных группы Recommended Standard (RS)

3. Подключение до 32 линейных формирователей на одну линию. 4. Подключение до 32 приемников на одну линию. Дифференциальные напряжения линий:  логическая 1: от –1,5 до –5 В.  логический 0: от +1,5 до+5 В. На рис. 6.7 представлено назначение выводов всех рассмотренных ранее стандартов RS. Как видно, назначение контактов у RS-485 (4W) и RS-422 абсолютно идентичное. 1

2

6

3

7

4

8

5

9

PIN

RS-232

RS-485 (4W)

RS-485 (2W)

RS-422

1

DCD

TxD-(A)

--

TxD-(A)

2

RXD

TxD+(B)

--

TxD+(B)

3

TXD

RxD+(B)

Data+(B)

RxD+(B)

4

DTR

GND

Data-(A)

RxD-(A)

5

GND

--

GND

GND

6

DSR

--

--

--

7

RTS

--7

--7

--

8

CTS

--

--

--

9

--

--

--

--

Рис. 6.7. Назначение выводов разъема DB-9 по стандартам RS-232, RS-422 и RS-485

Главная особенность и отличие интерфейса RS-485 от RS-422 в том, что линейный формирователь может работать в трех состояниях: логический 0, логическая 1 и так называемый высокоимпедансный (tristate) режим, когда сопротивление линейного формирователя становится бесконечно большим. Наличие третьего состояния позволяет осуществить полудуплексный обмен между любыми двумя устройствами, подключенными к линии, всего по двум проводам. В состоянии высокого сопротивления линейный формирователь не потребляет ток. Это состояние называется отключенным. Оно инициализируется сигналом, подаваемым на управляющий контакт линейного формирователя, обычно сигналом RTS (Request To Send). 63

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

Благодаря высокоимпедансному режиму возможно многоточечное подключение (до 32 передатчиков), так как в любой момент времени может быть активным только один из передатчиков, а остальные находятся в состоянии tristate. Стандарт RS-485 очень удобен для систем, где к одной линии подключено несколько измерительных приборов. Топология сети на основе интерфейса RS-485 определяется необходимостью устранения отражений в линии передачи. Поскольку отражения происходят от любой неоднородности, в том числе ответвлений от линии, то правильной топологией сети будет такая, которая выглядит как единая линия без отводов, к которой не более чем в 32 точках подключены устройства. Любые варианты, в которых линия имеет длинные отводы или соединение нескольких кабелей в одной точке, приводят к отражениям и снижению качества передачи. На рис. 6.8 показаны правильные и неправильные с точки зрения топологии варианты сети RS-485.

а

б

Рис. 6.8. Правильная (а) и неправильная (б) топология сети RS-485

Однако на практике это справедливо только для высоких скоростей передачи (более 9600 бит/с), когда эффекты отражения влияют на достоверность передачи. Для низких скоростей передачи длина отвода может быть произвольной. В сложной системе передачи данных используется оборудование с различными стандартами передачи, такими как токовая петля, RS-232, RS-422, RS-485 и т. д., поэтому возникает необходимость в преобразовате64

Лекция 6. Стандарты последовательной передачи данных группы Recommended Standard (RS)

лях интерфейсов, которые позволяют взаимодействовать устройствам между собой. Пример системы передачи данных с использованием преобразователя RS-232 RS-485 представлен на рис. 6.9. Как видно из рисунка, необходимость в преобразовании интерфейсов возникла в связи с удаленностью устройств DTE (компьютера) и DCE (прибора) друг от друга на расстояние более 15 м, что исключило возможность соединения устройств напрямую по интерфейсу RS-232. Прибор

Преобразователь RS232 RS485/422

Преобразователь RS485/422 RS232

RS232 TxD RxD SG

Компьютер RS232

T R SG

R+ RT+ T>1000м

+5В

R T SG

T+ TR+ R-

TxD RxD SG

+5В

+5В

+5В

~ 220В

~ 220В

Рис. 6.9. Система передачи данных с преобразователями интерфейсов

В заключение обзора стандартов RS-232, RS-422 и RS-485 приведем сравнительную таблицу (табл. 6.2). Таблица 6.2 Сравнение стандартов RS-232, RS-422 и RS-485

Соединения Количество устройств

RS-232 Двухточечное 1 передатчик 1 приемник

RS-422 Многоточечное До 10 приемников на 1 передатчик

Вид протокола

Дуплексный

Дуплексный

Максимальная длина провода

~15 м

~1200 м

RS-485 Многоточечное 32 передатчика 32 приемника Полудуплексный RS-485 (2W) Полнодуплексный RS-485 (4W) ~1200 м

65

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных Окончание табл. 6.2

Максимальная скорость передачи Тип линии Двоичная 1 Двоичный 0 Чувствительность приемника Выходной ток

RS-232

RS-422

RS-485

До 115,2 кбит/c

До 10 Mбит/c

До 10 Mбит/c

Несимметричный –5 В мин. –15 В макс. 5 В мин. 15 В макс.

Симметричный 2 В мин (B > A) 6 В макс (B > A) 2 В мин (A > B) 6 В макс (A > B)

Симметричный 1,5 В мин (B > A) 5 В макс (B > A) 1,5 В мин (A > B) 5 В макс (A > B)

±3 В

0,2 В диф.

0,2 В диф.

500 мА

150 мА

250 мА

При проектировании технических систем выбор конкретного стандарта передачи данных зависит от множества факторов, таких как количество узлов сети, расстояние между ними, наличие соответствующих интерфейсов в используемом оборудовании, требования протоколов передачи данных и т. д.

66

Лекция 7. Проводные линии связи

ЛЕКЦИЯ 7 ПРОВОДНЫЕ ЛИНИИ СВЯЗИ План: 1. Общие понятия об организации проводных линий связи. 2. Провода и кабели. 3. Витая пара. 4. Коаксиальные кабели. 5. Первичные параметры кабельных линий 1. Общие понятия об организации проводных линий связи. Упрощенная схема системы связи (системы передачи данных) представлена на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Упрощенная схема передачи данных

Как видно из схемы, передача сигнала от источника информации к приемнику осуществляется по каналу (линии) связи. Линии связи, или линии передачи данных, – это промежуточная аппаратура и физическая среда, по которой передаются информационные сигналы. В одной линии связи можно образовать несколько каналов связи (виртуальных или логических), например путем частотного или временного разделения каналов. Канал связи – это средство односторонней передачи данных. Если линия связи монопольно используется каналом связи, то в этом случае ее называют каналом связи. Линии связи можно разделить на две большие группы: проводные (витая пара, коаксиальный кабель, оптоволокно и др.) и беспроводные. Беспроводные линии связи используют среду передачи без физических проводников, сигнал передается по радиоканалу (воздуху) в виде электромагнитной волны, частота которой может принимать значения от 3 кГц до 3 000 ГГц. Наиболее известным примером использования беспроводного способа передачи являются системы мобильной связи. 67

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

Проводные линии связи содержат проводники, которые обеспечивают передачу данных в виде электрических сигналов (тока и напряжения). Примерами таких проводников могут служить металлические кабели и провода. Отдельно стоит отметить такой вид кабельных систем, как оптические волокна, где информация передается посредством электромагнитной волны. На сегодняшний день в системах передачи данных для соединения узлов и организации связи широко применяются провода и кабели. 2. Провода и кабели. Согласно действующему ГОСТ 15845–80 проводом называют изделие, содержащее одну или несколько скрученных проволок или одну или более изолированных жил, поверх которых в зависимости от условий прокладки и эксплуатации может иметься легкая неметаллическая оболочка, обмотка и (или) оплетка из волокнистых материалов или проволоки, и не предназначенное, как правило, для прокладки в земле. Кабель – это изделие, содержащее одну или более изолированных жил (проводников), заключенных в защитную оболочку (ГОСТ 15845–80). Оболочка кабеля предназначена для защиты проводников и изоляторов от внешних воздействий, прежде всего от влаги, которая приводит к нарушению изоляции электрических кабелей и помутнению оптических волокон. Оболочка кабеля может состоять из одного и более герметизирующих и армирующих слоев, в качестве которых могут применяться различные материалы: ткань, пластмассы, металл, резина и проч. Кабели для передачи электрических сигналов могут быть снабжены экраном из металлической сетки, листового металла (фольги) или полимерной пленки с тонким металлическим покрытием. Воздушные линии связи представляют собой провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и висящие в воздухе. В недавнем прошлом такие линии связи были основными для передачи телефонных или телеграфных сигналов. Сегодня технология воздушных линий связи переживает второе рождение при организации сетей высокочастотных сигналов (ВЧ) с использованием линий электропередачи (ЛЭП). Кабельные линии имеют достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической и, возможно, климатической. Кроме того, в зависимости от используемого стандарта передачи данных кабель может быть оснащен специальными разъемами, позволяющими быстро выполнять присоединение к нему различного оборудования. Простым примером является двухпроводной плоский кабель в оболочке из тефлона или полиэтилена (рис. 7.2). По существу, конструкция 68

Лекция 7. Проводные линии связи

кабеля аналогична воздушной линии, за исключением того, что изолятор между проводящими жилами заменен сплошным твердым диэлектриком, обеспечивающим равноудаленное размещение проводов по всему кабелю.

Рис. 7.2. Двухпроводной плоский кабель

В настоящей лекции рассмотрим такие виды кабелей, как витая пара (на основе скрученных пар медных проводов) и коаксиальные. Кабели на основе оптоволокна будут рассмотрены в отдельном разделе. 3. Витая пара. Линии передачи с витыми парами образуют скручиванием двух изолированных проводников (рис. 7.3). Витые пары часто объединяют в скрутки, а затем – в кабельный массив. Массив покрывают различными защитными оболочками. Для снижения влияния внешних электромагнитных и радиопомех соседних источников (обычно искусственного происхождения), как, например, светильники люминесцентного излучения, силовые кабели, двигатели, переключатели и трансформаторы, соседние пары скручивают с различным шагом (длиной скрутки). Скручивание проводов снижает также взаимное электромагнитное влияние между проводами.

Рис. 7.3. Витая пара

Кабели с витыми парами используются как для аналоговых, так и цифровых сигналов. Они очень широко распространены в различных коммуникационных и промышленных сетях. Линии передачи с витыми парами часто выбираются также для использования в локальных сетях из-за простоты монтажа и относительно невысокой стоимости (по сравнению с коаксиальными и оптическими кабелями). 69

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

Существует несколько категорий кабеля витая пара, которые нумеруются от 1 до 8. Категория определяет эффективный пропускаемый частотный диапазон. Кабель более высокой категории обычно содержит больше пар проводов и каждая пара имеет больше витков на единицу длины. Категории неэкранированной витой пары описываются в стандарте EIA/TIA 568 и в международном стандарте ISO 11801, а также приняты ГОСТ Р 53246–2008 и ГОСТ Р 53245–2008. Различные категории витой пары и области их применения представлены в табл. 7.1. Таблица 7.1 Категории витой пары

Категория

Полоса частот (МГц)

Cat. 1 Cat. 2 Cat. 3 Cat. 4

0,1 (0,4) 1 (4) 16 20

Cat. 5

100

Cat. 5e

100

Cat. 6 Cat. 6A Cat. 7 Cat. 7A Cat. 8/8.1 Cat. 8.2

250 500 600 1000 1600–2000 1600–2000

Области применения, технология передачи данных Телефонные и старые модемные линии Старые терминалы (такие как IBM 3270) 10BASE-T, 100BASE-T4 Ethernet Token Ring, сейчас не используется Fast Ethernet (100BASE-TX), Gigabit Ethernet (1000BASE-T) Fast Ethernet (100BASE-TX), Gigabit Ethernet (1000BASE-T) 10 Gigabit Ethernet (10GBASE-T) 10 Gigabit Ethernet (10GBASE-T) 10 Gigabit Ethernet (10GBASE-T) 10 Gigabit Ethernet (10GBASE-T) 100 Gigabit Ethernet (40GBASE-T) 100 Gigabit Ethernet (40GBASE-T)

Два главных физических различия между кабелями Cat. 5 и Cat. 6 – это шаг скрутки (длина одного плотного витка спирали, образуемой вдоль продольной оси кабеля одним из его компонентов) и толщина оплетки. Шаг скрутки влияет на механические и электрические свойства проводов, определяется системой скрутки токопроводящих жил, а также диаметром токоведующей жилы и наружным диаметром всего кабеля. Обычно у категории Cat. 5e длина витка составляет 1,5–2 витка на сантиметр, а у категории Cat. 6 количество витков больше 2. Внутри одного кабеля отдельные пары отличаются друг от друга цветом изоляции, что упрощает проведение монтажных работ, и шагом скрутки для уменьшения электромагнитных влияний. Длины витков подобраны таким образом, чтобы у различных пар они не совпадали. Как можно видеть на рис. 7.4, на один дюйм каждая пара имеет разное количество витков. 70

Лекция 7. Проводные линии связи

Рис. 7.4. Отличие витой пары Cat-5, Cat-5e и Cat-6

Недостатком электрических кабельных линий, в том числе и витых пар, являются перекрестные помехи, т. е. наводки со стороны соседних линий, которые могут приводить к искажению передаваемых данных. Один из способов уменьшения наведенных помех уже был рассмотрен – это симметрирование кабеля, т. е. его скрутка с определенным шагом. Вторым возможным способом является использование в конструкции кабеля специального экранирующего слоя. В кабелях с экранированными витыми парами каждая пара обматывается фольгой, а сам кабель заключается в медную оплетку. Уменьшение влияния помех позволяет передавать данные с более высокой скоростью и на большие расстояния. Следует отметить еще один классификационный признак для кабелей на основе витых пар, среди которых различают цельный кабель (Solid Twisted Pair) и скрученный кабель (Stranded Twisted Pair). Понятия цельного и скрученного кабелей относятся к медным проводникам внутри кабеля. Цельный кабель (рис. 7.5, а) означает, что внутренний проводник представлен в виде единого куска меди, а в скрученных кабелях – из нескольких тонких медных проводников, скрученных вместе (рис. 7.5, б). Соединение кабеля и оконечного оборудования происходит с помощью соответствующего интерфейса – общей границы между двумя функциональными объектами (например, компьютером и кабелем). Вид интерфейса (VGA, HDMI, RS-232, mini USB и т. д.) определяется стандартом передачи данных, видом данных (аналоговые или цифровые), областью применения оборудования. Как правило, оборудование, которое поддерживает работу по протоколу Ethernet, имеет на своем корпусе соответствующую Ethernet розетку (разъем типа female), а витая пара обжимается разъемом 8P8C (часто именуемым коннектором RJ45) типа male с помощью специального инструмента – кримпера. Кримпер (англ. сrimp – обжим, прессовка) – электромонтажный инструмент, предназначенный для 71

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

соединения проводов между собой или с контактами разъема при электромонтажных работах без применения пайки или сварки. Существуют два варианта прессовки разъема на кабеле: 1. Прямой порядок обжима – для соединения порта сетевой карты с коммутатором или концентратором, 2. Перекрестный порядок обжима – для соединения напрямую двухсетевых плат, установленных в компьютерах, а также для соединения некоторых старых моделей концентраторов или коммутаторов.

а

б

Рис. 7.5. Скрученный кабель (а) и цельный кабель (б)

Прямой порядок обжима. Установка коннекторов в сетях Ethernet регламентируется международным телекоммуникационным стандартом EIA/TIA-568, согласно ему каждая схема обжима витой пары имеет свое назначение и зависит от типа и пропускной способности линии. Схема расположения жил по цвету внешней оболочки, согласно версии EIA/TIA 568B (используется чаще), следующая: 1 – бело-оранжевый; 2 – оранжевый; 3 – бело-зеленый; 4 – синий; 5 – бело-синий; 6 – зеленый; 7 – бело-коричневый; 8 – коричневый (рис. 7.6, обозначения на рис. номеров жил по порядку).

Рис. 7.6. Схема прессовки прямого кабеля по стандарту EIA/TIA-568B

72

Лекция 7. Проводные линии связи

При монтаже по схеме версии EIA/TIA-568A порядок расположения проводников следующий: 1 – бело-зеленый; 2 – зелёный; 3 – белооранжевый; 4 – синий; 5 – бело-синий; 6 – оранжевый; 7 – белокоричневый; 8 – коричневый (рис. 7.7 обозначения на рис. номеров жил по порядку).

Рис. 7.7. Схема прессовки прямого кабеля по стандарту EIA/TIA-568A

По одной из этих схем прессуются разъемы с обеих сторон. Перекрестный порядок обжима. Предназначен для соединения однотипного оборудования (например, компьютер-компьютер) через создание так называемого кроссового кабеля (crossover cable) на скоростях 100 и 1 000 Мбит/с. Скорость 100 Мбит/с реализуется через MDI-X разъем, который является интерфейсом, свойственным портам повторителя или коммутатора, а также используется для соединения, например, компьютер-компьютер (со скоростью до 100 Мбит/с). Схемы подключения кабелей EIA/TIA-568B и EIA/TIA-568А даны на рис. 7.8.

а

б

Рис. 7.8. Схема прессовки 100 Мбит/c для перекрестного кабеля: а – EIA/TIA–568B и б – EIA/TIA–568А

Схема обжима при коммутации оборудования, обеспечивающего скорости передачи 1 Гбит/с, при изготовлении crossover кабеля подразумевает, что одну сторону надо прессовать по стандарту EIA/TIA-568B, а вторую так: 1 – бело-зеленый; 2 – зеленый; 3 – бело-оранжевый; 4 – белокоричневый; 5 – коричневый; 6 – оранжевый; 7 – синий; 8 – бело-синий (рис. 7.9). 73

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

а

б

Рис. 7.9. Схема прессовки 1 Гбит/c: а – для перекрестного кабеля; б – EIA/TIA–568B

Однако большинство современных сетевых устройств способно автоматически определить метод опрессовки кабеля и подстроиться под него (Auto MDI/MDI-X). Широко применяемые витые пары имеют четыре пары проводников, каждая из которых выполняет определенную функцию при передаче данных. Пара 1–2 (TDP-TDN) используется для передачи от порта MDI к порту MDI-X, пара 3–6 (RDP-RDN) применяется для приема портом MDI от порта MDI-X (табл. 7.2). Пары 4–5 и 7–8 применяются в зависимости от потребности (например, при использовании кабеля категории 3 в спецификации 100 Base-T4) и обычно осуществляют прием-передачу информации равнозначно как в прямом, так и в обратном направлениях. Назначение контактов витой пары

Таблица 7.2

Обозначение TX+ (TXP) TX- (TXN) RX+ (RXP)

Описание Прямой сигнал передачи Инверсный сигнал передачи Прямой сигнал приема

RX- (RXN)

Инверсный сигнал приема

Использование кабеля, опрессованного не по стандарту, может привести (в зависимости от длины кабеля) к тому, что он не будет работать совсем или будет очень большой процент потерь передаваемых пакетов. Для проверки правильности опрессовки кабеля, помимо визуального контроля, используют специальные устройства – кабельные тестеры. Такое устройство состоит из передатчика и приемника. Передатчик поочередно подает сигнал на каждую из восьми жил кабеля, дублируя эту передачу зажиганием одного из восьми светодиодов, а на приемнике, подсоединенному к другому концу линии, соответственно загорается один из восьми светодиодов. Если на передаче и на приеме светодиоды загораются подряд, 74

Лекция 7. Проводные линии связи

значит, кабель опрессован без ошибки. Более дорогие модели кабельных тестеров могут иметь встроенное переговорное устройство, индикатор обрыва с указанием расстояния до обрыва и другие функции. Указанная схема опрессовки подходит как для 100-мегабитного соединения, так и гигабитного. В 100-мегабитном соединении используются только две из четырех пар, а именно оранжевая (1–2 TDP-TDN) и зеленая (3–6 RDP-RDN) пары. Синяя и коричневая пары могут оставаться незадействованными либо использоваться для передачи питания в некоторых вариантах PoE. Power over Ethernet (PoE) – технология, позволяющая передавать удаленному устройству электрическую энергию вместе с данными через стандартную витую пару в сети Ethernet. Данная технология предназначается для IP-телефонии, точек доступа беспроводных сетей, IP-камер, сетевых концентраторов и других устройств, к которым нежелательно или невозможно проводить отдельный электрический кабель. Для обеспечения гигабитного соединения используются все четыре пары проводников стандартного кабеля. 4. Коаксиальные кабели. В недавнем прошлом конструктивные особенности витых пар делали их пригодными только для низкоскоростной передачи данных (до 10 Мбит/c). На более высоких скоростях радиоизлучающие и диэлектрические потери, а также восприимчивость к внешним помехам у них были слишком велики. Поэтому для снижения потерь при высокоскоростной передаче данных отдавали предпочтение коаксиальным кабелям. Однако современные витые пары стандартов UTP и STP работают на скоростях свыше 1 Гбит/с. Кроме того, в высокоскоростных компьютерных сетях с большими объемами передаваемых данных предпочтение отдается волоконно-оптическим кабелям. Коаксиальные кабели все меньше и меньше используются в компьютерных сетях, хотя все еще очень популярны в линиях передачи для аналоговых систем видеонаблюдения, сетей распределения кабельного телевидения. Коаксиальный кабель состоит из центрального проводника и внешнего в виде концентрического (равноудаленного от центра) экрана. Между центральным и внешним проводниками располагается диэлектрический материал (или изолированные прокладки), с внешней стороны находится наружная оболочка, защищающая от воздействий окружающей среды (рис. 7.10). Экран представляет собой плетеную, или скрученную, сетку (оплетку). Коаксиальный кабель с одним слоем изоляции из фольги (станиоля) и одним слоем плетеного экрана называется кабелем с двойным экранированием. В средах с высоким уровнем помех используют четырехслойный экран, состоящий из двух слоев изоляции из фольги и двух слоев плетеного металлического экрана.

75

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

Центральный проводник коаксиального кабеля – это сигнальный провод, а плетеный внешний проводник – земля. При относительно высоких скоростях передачи плетеный внешний проводник обеспечивает превосходное экранирование от внешних помех. Однако при более низких скоростях экранирование, как правило, экономически неэффективно. Первым признаком, по которому можно проводить классификацию данного типа кабеля, является материал диэлектрика. В этой категории можно выделить два основных типа коаксиальных кабелей – жесткие и плотные гибкие.

а

б

Рис. 7.10. Типы коаксиальных кабелей: а – жесткий с воздушным наполнением; б – гибкий с полиэтиленовой изоляцией

В кабеле с жесткой конструкцией изолирующим материалом между центральным и внешним проводниками является воздух, а целостность конструкции обеспечивается кольцевыми прокладками из диэлектрических материалов (рис. 7.10, а). На рис. 7.10, б представлен плотный гибкий коаксиальный кабель, внешний проводник которого в виде плетеной сетки отделен от центрального сплошным изолирующим материалом (полиэтилен, фторопласт), обеспечивающим как опору, так и электрическую изоляцию. Внутренний проводник представляет собой медный провод, который может быть либо сплошным, либо полым. Жесткие с воздушным заполнением коаксиальные кабели дороги в производстве. У сплошных коаксиальных кабелей потери ниже, чем у полых, и они проще в производстве, монтаже и обслуживании. Коаксиальные кабели сравнительно невосприимчивы к внешним излучениям, сами излучают немного, поэтому они более надежны, чем кабели с витыми парами. Коаксиальные кабели могут также использоваться на более длинных расстояниях и позволяют подключать большее число станций в сети с общей средой передачи, чем кабели с витыми парами. Основные недостатками коаксиальных линий передачи являются недостаточное соотношение расходов и эффективности, низкая прочность и дорогостоящая эксплуатация. 76

Лекция 7. Проводные линии связи

Основное назначение коаксиального кабеля – передача высокочастотных сигналов. Он применяется в различных областях техники:  системы связи;  вещательные сети;  компьютерные сети;  антенно-фидерные системы;  АСУТП и другие производственные и научно-исследовательские технические системы;  системы дистанционного управления, измерения и контроля;  системы сигнализации и автоматики;  системы объективного контроля и видеонаблюдения;  каналы связи различных радиоэлектронных устройств мобильных объектов (судов, летательных аппаратов и др.);  внутриблочные и межблочные связи в составе радиоэлектронной аппаратуры;  каналы связи в бытовой и любительской технике;  военная техника и другие области специального применения. В зависимости от конструктивных особенностей можно выделить две группы коаксиальных кабелей (табл. 7.3):  «толстые» коаксиалы;  «тонкие» коаксиалы. Таблица 7.3 Характеристики «толстого» и «тонкого» коаксиального кабеля

Тип Толстый (Thicknet) Тонкий (Thinnet)

Диаметр, Эффективная Скорость Обозначение см длина сегмента, м передачи, Мбит/с по стандарту IEEE 802.3 1

500

50

10 base 5

0,5

185

10

10 base 2

Толстый коаксиальный кабель имеет наружный диаметр 12,5 мм и достаточно толстый проводник (2,17 мм), обеспечивающий хорошие электрические и механические характеристики. Скорость передачи данных по толстому коаксиальному кабелю высокая (до 50 Мбит/с), но, учитывая определенное неудобство работы с ним и его значительную стоимость, рекомендовать его для использования в сетях передачи данных можно далеко не всегда. Тонкий коаксиальный кабель имеет наружный диаметр 5–6 мм, он дешевле и удобнее в работе, но тонкий проводник в нем (0,9 мм) обусловливает худшие электрические (передает сигнал с допустимым затуханием 77

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

на меньшее расстояние) и механические характеристики. Рекомендуемые скорости передачи данных при использовании данного типа кабеля не превышают 10 Мбит/с. Маркировка и назначение коаксиальных кабелей представлена в табл. 7.4. Таблица 7.4 Маркировка и назначение коаксиальных кабелей

Тип

RG-8 и RG-11

RG-58 RG-59

RG-6 RG-62

Название, значение сопротивления Thicknet, 50 и 75 Ом. Магистральный кабель, практически незаменим, если требуется решить вопрос с большими расстояниями. Этот вид кабеля можно использовать даже на расстояниях около 600 м. Укрепленная внешняя изоляция позволяет без проблем использовать этот кабель в сложных условиях (улица, колодцы). Существует вариант S1160 с тросом, который используется для надежной проброски кабеля по воздуху, например между домами RG-58/U – Thinnet, 50 Ом, сплошной центральный медный проводник RG-58A/U – Thinnet, 50 Ом, центральный многожильный проводник RG-58C/U – Thinnet, 50 Ом, военный кабель Broad band / Cable television (широковещательное и кабельное телевидение), 75 Ом. Российский аналог РК-75-х-х (радиочастотный Broad band / Cable Television (широковещательное и кабельное телевидение), 75 Ом. Кабель категории RG-6 имеет несколько разновидностей, которые характеризируют его тип и материал исполнения. Российский аналог РК-75-х-х ARCNet, 93 Ом

Разъемы и соединители коаксиального кабеля. Коаксиальный радиочастотный разъем (RF-разъем – англ. radio frequency connector; коаксиальный соединитель – англ. coaxial RF connector) – электрический соединитель, предназначенный для соединения коаксиального кабеля с оборудованием и для соединения двух коаксиальных кабелей друг с другом. Существует множество радиочастотных соединителей (7/16, N, TNC, BNC, MCX, SMB, SMP, SMA и др.) Наиболее распространенными соединительными разъемами являются BNC и FME. Разъем BNC. Соединитель/разъем/коннектор BNC (BNC – аббревиатура от англ. bayonet Neill-Concelman) – электрический разъем с байонетной фиксацией. Назван в честь разработчиков Пола Нейла из лаборатории Bell Labs и Карла Концельмана из фирмы Amphenol. Служит для подключения коаксиального кабеля c волновым сопротивлением 50 или 75 Ом и диаметром до 8 мм. Потери в таком разъеме обычно не превышают 0,3 дБ.

78

Лекция 7. Проводные линии связи

Кабели с разъемами BNC применяются для соединения радиоэлектронных устройств (генераторов, осциллографов и других приборов), а также построения сетей стандарта Ethernet по технологии 10BASE2. Кабельному разъему – штекеру соответствует приборный разъем – гнездо, устанавливаемый на корпусе устройств (рис. 7.11).

а

б

Рис. 7.11. Разъем BNC: а – штекер; б – гнездо

Разъем FME. Предназначен для подключения коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом и работы на частотах до 2 ГГц включительно. Используется для соединения конечных устройств систем подвижной связи, радиоусилителей, сотовых терминалов и других с мобильными антеннами. В частности, применяются для подключения антенн GSM. Адаптирован к интерфейсам UHF, Mini UHF, TNC, BNC и N. Конструкция гнезда соединителя (англ. rotating nipple) позволяет кабелю поворачиваться на 360°; предусмотрена резьба для фиксации соединения накидной гайкой (рис. 7.12).

а

б

Рис. 7.12. Разъем FME: а – штекер; б – гнездо

Существуют модификации для коаксиальных кабелей RG-58, RG-59, RG-174. Коннектор F. Соединительный коннектор F типа разработан для телевизионного оборудования (рис. 7.13). На сегодняшний день является самым дешевым разъемом для высоких частот (ВЧ). Центральная жила кабеля используется для соединения. Работает с частотами до 2150 МГц. 79

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

а

б

Рис. 7.13. Коннектор F: а – штекер; б – гнездо

Разъемы F обычно рассчитываются для коаксиальных кабелей диаметром до 7 мм. В разъемах для кабелей диаметром до 11 мм используются специальные вставки и насадки на центральную жилу. 5. Первичные параметры кабельных линий. Разнообразие представленных проводных электрических линий передачи обусловлено различием в их реакции на подводимую к ним энергию в виде электромагнитной волны. Основными параметрами для данных устройств, по которым можно выполнить анализ результатов воздействия тока (напряжения), являются первичные (погонные) параметры линии – продольное активное сопротивление R0 (Ом/м), индуктивность L0 (Гн/м), емкость C0 (Ф/м) и поперечная проводимость C0 (См/м). Ниже будут представлены примеры определения указанных параметров для коаксиального кабеля и двухпроводной линии. Пример 7.1. Определить первичные параметры коаксиального кабеля. Структура коаксиального кабеля, являющегося несимметричной линией, характеризуется такими параметрами, как радиус внутреннего проводника r1 и радиус наружного проводника r2 (рис. 7.14).

Рис. 7.14. Общий вид конструкции коаксиального кабеля

Продольное активное сопротивление R0 коаксиального проводника складывается из сопротивления внутреннего проводника Rвнутр и сопротивления внешнего проводника Rнаруж:

R0 = Rвнутр + Rнаруж. 80

(7.1)

Лекция 7. Проводные линии связи

Если учесть, что

Rвнутр 

2 2r2

f внутр внутр

и Rнаруж 

10

f наруж наруж

2 2r1

10

,

(7.2)

то R0 

2 2r2

f  внутр внутр 10



2 2r1

f  наруж наруж 10

,

(7.3)

где μвнутр и μнаруж – относительная магнитная проницаемость материала внутреннего и внешнего проводника (Г/м); f – частота тока (Гц); ρвнутр и ρнаруж – удельное сопротивление материала проводника (Ом·мм2 / м). Погонная индуктивность также определяется параметрами внутреннего и наружного проводника

L0  Lвнутр  Lнаруж 

2  внутр  103 2 10 k1 r1



2  наруж 103 2 10 k2 r2

,

(7.4)

где k   /  . Поперечная проводимость и погонная емкость могут быть вычислены из выражений G0 = ω C tg δ;

(7.5)

2  а  . ln  r2 r1 

(7.6)

С0 

В формулах (7.5) и (7.6) использованы следующие параметры: ω = 2πf – циклическая частота (рад/с); δ – величина диэлектрических потерь; εа – абсолютная диэлектрическая проницаемость среды (Ф/м); ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды. Применение меди как материала внутреннего и внешнего проводника (μвнутр = μнаруж = 1, ρвнутр = ρнаруж = 0,0175 Ом·мм2 / м) упрощает выражения (7.3) и (7.4)

 1 1  R0  8,35  105 f   ,  2r2 2r1  r2 0,65  105  1 1  L0  0,46  10 lg    . r1 f  r1 r2  6

(7.7)

81

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

Определим первичные параметры кабеля RG-58A/U при следующих параметрах r1 = 0,99 мм, r2 = 1,385 мм, материал проводников – медь, материал диэлектрика – ПВХ (tg δ = 0,020, εа = 23,01·10–12 Ф/м, ε = 2,6), f = 150 МГц. Продольное активное сопротивление

1 1   R0  8,35  105 150  106    = 5,95 Ом/м.  2  1,385 2  0,09  Индуктивность

1,385 0,65  105  1 1  L0  0,46  10 lg   = 0,546·10–6 Гн/м.   0,09 150  106  0,09 1,385  6

Погонная емкость

2  2,6  23,01  1012 C0  = 137,44·10–12 Ф/м. 1,385 ln 0,09 Поперечная проводимость G0 = 2π·150·106·137,44·10–12·0,02 = 2,59·10–3 См/м. Рассчитанные первичные параметры позволяют определить коэффициент затухания α, который является реальной частью коэффициента распространения 

 R0 

jL0  G0  jC0  ,

(7.8)

подставляя в выражение (7.8) ранее рассчитанные значения и выделяя реальную часть получим α = 129 дБ/км. Пример 7.2. Определить первичные параметры двухпроводной линии. Схема расположения проводников представлена на рис. 7.15. Первичные параметры данной системы будут зависеть от расстояния между проводниками а1 и диаметра проводников d. Выражение для расчета продольного активного сопротивления R0 запишем при следующих условиях: оба проводника медные и для передачи используются частоты свыше 1 МГц, R0 = 0,167·10

82

–3

2 f  1 d   1     . d  2  a1    

(7.9)

Лекция 7. Проводные линии связи

Рис. 7.15. Расположение одиночных проводников в двухпроводной линии

Общая индуктивность цепи L0 будет складываться из внутренней индуктивности двух проводников 2Li и внешней индуктивности Le, т. е. индуктивности между проводниками L0 = 2Li + Le.

(7.10)

Внутренняя индуктивность проводника Li (Гн/м) с учетом влияния эффекта близости может быть определена по формуле Li =

 Q (ka)·10–7, 2

(7.11)

где μ – относительная магнитная проницаемость материала проводников (для меди μ = 1), Q (ka) – коэффициент, учитывающий влияние эффекта близости, определяемый по табл. 7.5, ka = 0,0105d f (единица измерения диаметра проводника – мм). Внешняя индуктивность двухпроводной цепи может быть определена выражением 2a  d Le = 9,21 lg 1 . (7.12) d Выражение для определения погонной емкости приводится с учетом следующих условий: линия – воздушная и электрические оси совпадают с геометрическими осями, тогда

C0 

 a . 2a1 ln d

(7.13)

Поперечная проводимость

G0 

1  nf , Rиз

(7.14)

83

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

где Rиз – сопротивление изоляции при постоянном токе между проводниками, n – коэффициент, учитывающий потери в диэлектрике и равный 0,05·10–9 для сухой погоды и 0,25·10–9 для сырой. Таблица 7.5 Значения коэффициентов

ka 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 7,0 10,0

F(ka) 0 0,000326 0,00519 0,0258 0,0782 0,1756 0,318 0,492 0,678 0,862 1,042 1,743 2,799

G(ka) 0 0,000975 0,01519 0,0691 0,1724 0,295 0,405 0,499 0,584 0,669 0,755 1,109 1,641

>10

2ka  3 4

2ka  1 8

H(ka) 0,0417 0,042 0,053 0,092 0,169 0,263 0,348 0,416 0,466 0,503 0,530 0,596 0,643

Q(ka) 1 0,9998 0,997 0,987 0,961 0,913 0,845 0,766 0,686 0,616 0,556 0,400 0,282

1  3 2ka  5 2 2     4  2ka  1 ka 

2 2 ka

Выполним расчет для воздушной линии связи при наличии сухой погоды, расстояния между медными проводниками а1 = 10 мм, диаметр проводников d = 3 мм и частота передачи f = 150 МГц. Продольное активное сопротивление

R0  0,167  10

3

150  106 3

 1  3 2  1     = 0,712 Ом/м.  2  10  

Общая индуктивность цепи

2  10 1  L0  2  7,33  103  107   9,2lg 3 2 

3

= 6,93 Гн/м.

Погонная емкость

  23,01  1012 = 3,81·10–11 Ф/м. C0  2  10 ln 3 84

Лекция 7. Проводные линии связи

Поперечную проводимость рассчитаем с учетом равенства нулю первого слагаемого в уравнении (7.14) G0 = 0,05·10–9·150·106 = 7,5·10–3 См/м. Полученное значение является весьма значительным и, следовательно, использование двухпроводной линии в области высоких частот нецелесообразно. Передача данных по двухпроводным линиям, исходя из значения постоянной затухания (0,107 дБ/м при частоте 10 кГц), возможна в двух диапазонах частот – очень низкие (3–30 кГц) и низкие (30–300 кГц).

85

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

ЛЕКЦИЯ 8 ОПТОВОЛОКОННЫЕ КАБЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ План: 1. Принципы передачи сигналов в оптоволокне. 2. Классификация оптических волокон. 3. Структура волоконно-оптической линии связи. Коннекторы и разъемы. 4. Преимущества и недостатки оптоволоконных систем. 5. Основные параметры, определяющие выбор физической среды передачи. 1. Принципы передачи сигналов в оптоволокне. Волоконнооптические кабели – это одна из перспективных передающих сред практически для всех форм цифровой связи и самых разных приложений – от сетей внутри зданий (структурированных кабельных сетей) и местных (городских и сельских) до междугородных и межконтинентальных. В оптическом волокне свет распространяется через среду, представляющую собой прозрачный диэлектрический материал. При переходе света из оптически более плотной среды в менее плотную свет как преломляется, так и отражается. Эти явления описываются законами отражения и преломления света. Закон отражения гласит, что падающий луч, перпендикуляр к границе раздела двух сред в точке падения, и отраженный луч лежат в одной плоскости, причем угол падения равен углу отражения. На рис. 8.1 угол падения α1 равен углу отражения 1* .

1

1 1*

max  90 2  0

n2 3

n1

Рис. 8.1. Преломление и отражение света

86

Лекция 8. Оптоволоконные кабельные системы

Согласно закону преломления падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости, причем отношение синуса угла падения к синусу угла преломления постоянно для данной пары сред и равно показателю преломления второй среды относительно первой:

sin  n2   n, sin  n1 где α – угол падения света; β – угол преломления света; n2 – показатель преломления среды, в которую попадает свет; n1 – показатель преломления среды, из которой падает на границу раздела; n – относительный показатель преломления двух сред. С ростом угла падения α возрастает и угол преломления β. При определенном критическом угле α0 угол преломления становится максимально возможным (βmax = 90°). При дальнейшем увеличении угла падения α преломление света во вторую среду прекращается, свет полностью отражается от границы раздела и наступает эффект полного внутреннего отражения. Волны света распространяются в оптоволокне именно благодаря эффекту полного внутреннего отражения (рис. 8.2). Сердцевина

Оболочка

Источник света

Рис. 8.2. Распространение света в оптоволокне

В сущности, оптические системы передачи – это системы, использующие свет в качестве переносчика информации. Распространение света в атмосфере Земли затруднено и часто непрактично. Поэтому в оптических системах передачи используют стеклянные или пластиковые волокна в кабелях для «удерживания» волн света и направления их подобно тому, как электромагнитные сигналы направляются по металлическим проводникам. Передача информационного сигнала в оптоволоконных линиях производится в основном при трех значениях длины волны света – 850, 1 310 и 1 550 нм (окна прозрачности), что обусловлено относительно малым затуханием при данных значениях. Проводящая часть оптического кабеля включает сердечник из оптоволокна и его оболочку (рис. 8.3). Для герметизации и сохранения прочно87

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

сти волокна на внешнюю часть оболочки сердечника наносятся специальные покрытия из лака, кремнийорганического соединения или акрилата, что помогает сохранить характеристики затухания кабеля. Сердечник и его оболочка окружены буферным покрытием, которое обеспечивает дополнительную защиту от механических повреждений и ударов. Обычно для буферного покрытия используют сталь, стекловолокно, пластмассу, огнестойкий поливинилхлорид или бумагу. Буферное покрытие заключено в упрочняющий слой, который увеличивает продольный предел прочности на растяжение всей кабельной системы. Наконец, вся кабельная система помещается во внешнюю оболочку из полиуретана.

Рис. 8.3. Структура оптоволоконного кабеля

Каждое оптоволокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон с отдельными коннекторами. 2. Классификация оптических волокон. Первым критерием, по которому можно классифицировать оптические волокна, является материал проводящей части (сердцевины и оболочки). На сегодняшний день широко применяется три основных типа оптических волокон:  пластмассовая сердцевина и оболочка;  стеклянная сердцевина с пластмассовой оболочкой (волокно типа PCS – plastic-cladsilica – стекло в пластмассе);  стеклянная сердцевина и стеклянное покрытие (волокно типа SCS – silica-cladsilica – стекло в стекле). Пластмассовые волокна являются более гибкими и, следовательно, более стойкими, чем стекло. Пластмассовые кабели в сравнении с оптическими волокнами типа SCS обладают следующими преимуществами: простота монтажа, большая стойкость к механическим нагрузкам, меньшие стоимость и вес. Однако пластмассовые волокна обладают повышенными характеристиками затухания(100–200 дБ/км), поэтому область применения пластмассовых волокон ограничена относительно короткими кабельными 88

Лекция 8. Оптоволоконные кабельные системы

трассами (десятки метров) и средними значениями скорости передачи данных (порядка 200 Мбит/с). Волокна со стеклянными сердцевинами имеют значительно меньшее затухание, чем пластмассовые (от 0,25 до 0,60 дБ/км). Причем стекло в пластмассе (PCS) характеризуется более низкими значениями затухания, чем стекло в стекле (SCS). Однако этот тип волокон менее прочен. Второй критерий, по которому можно классифицировать оптические волокна, – это количество распространяющихся мод. Выделяют одномодовые (ОМ) и многомодовые (ММ). Количество мод определяет такие параметры оптоволокна, как показатель преломления и диаметр сердцевины и оболочки. Первичное покрытие ММ Оболочка волокна

Сердцевина

62,5 мкм

ММ

50 мкм

ОМ

7–9 мкм

Рис. 8.4. Одномодовые и многомодовые оптические волокна

Диаметр сердечника ММ волокон обычно равен 50 или 62,5 мкм (рис. 8.4), что почти на два порядка больше, чем длина световой волны. Это означает, что свет может распространяться в волокне по нескольким независимым путям – модам. При этом очевидно, что разные моды имеют разную длину траектории, поэтому возникает задержка во времени их распространения – межмодовая дисперсия (рис. 8.5, а). Помимо межмодовой выделяют еще хроматическую (межчастотную) и поляризационную модовую дисперсию. Хроматическая дисперсия вызвана «неидеальностью» источника света, любой источник излучает не одну длину волны, а спектр незначительно отличающихся длин волн, которые распространяются с разной скоростью. Поляризационная модовая дисперсия вызвана наличием в моде двух взаимно перпендикулярных составляющих (поляризационные моды), которые могут распространяться с различными скоростями. Оптоволокно ОМ имеет диаметр сердцевины 7–9 мкм (рис. 8.4). Благодаря малому диаметру достигается передача только одной моды электромагнитного излучения, что исключает влияние межмодовых дисперсионных искажений (рис. 8.5, б). 89

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

а

б Рис. 8.5. Многомодовое (а) и одномодовое (б) оптоволокно

Третьим критерием в классификации оптических волокон является профиль показателя преломления. Исходя из формы изменения показателя преломления вдоль диаметра его поперечного сечения оптоволокно ММ делится на ступенчатое и градиентное. Оптоволокно ОМ делится на ступенчатое, со смещенной дисперсией и с ненулевой смещенной дисперсией. Ступенчатый профиль преломления оптоволокна изображен на рис. 8.6, а. Показатель преломления от оболочки «п1» к сердцевине «п2» изменяется скачкообразно, коэффициент преломления сердцевины (плотность материала сердечника) «п2» постоянный, отсюда и название профиля – ступенчатый. Из-за большой межмодовой дисперсии оптоволокно ММ с постоянным коэффициентом преломления сердцевины (постоянной плотностью) по всему сечению сердечника не используется. Лучшими показателями распространения обладает градиентное волокно, которое имеет неравномерный коэффициент преломления сердцевины «п2». На рис. 8.6, б хорошо видно, что траектории мод сильно сокращены по сравнению со случаем ступенчатого профиля за счет сглаживания. Изменение плотности материала «п2» от центра к внешнему радиусу описывается параболическим законом. Меньшее значение плотности материала вблизи оболочки обеспечивает большее значение скорости распространения по сравнению со скоростью моды с траекторией вдоль сердцевины. В результате более длинные траектории компенсируются большей скоростью. При удачном подборе параметров можно свести к минимуму разницу во времени распространения. Соответственно, межмодовая дисперсия градиентного волокна будет намного меньше, чем у волокна 90

Лекция 8. Оптоволоконные кабельные системы

с постоянной плотностью сердечника. Однако как бы ни были сбалансированы градиентные многомодовые (ММ) волокна, полностью устранить эту проблему можно только при использовании одномодовых (ОМ) волокон, т. е. в случае распространения одного-единственного луча (рис. 8.6, б).

а

б Рис. 8.6. Ступенчатый профиль ММ оптоволокна (а); градиентное ММ оптоволокно (б)

Ступенчатый профиль ОМ оптоволокна (рис. 8.7, а) аналогичен ступенчатому профилю ММ оптоволокна (рис. 8.6, а). Одномодовый режим в ступенчатом ОМ волокне реализуется при длине волны 1 310 и 1 550 нм. Распространение только одной моды устраняет межмодовую дисперсию и обеспечивает очень высокую пропускную способность одномодового волокна. Наилучший режим распространения с точки зрения хроматической дисперсии достигается в окрестности длины волны 1 310 нм, когда хроматическая дисперсия обращается в ноль. Но с точки зрения потерь это не самая лучшая длина волны, так как потери составляют 0,3–0,4 дБ/км, в то время как наименьшее затухание 0,2–0,25 дБ/км достигается при длине 1 550 нм. Для сохранения нулевой хроматической дисперсии при длине волны 1 550 нм было разработано одномодовое волокно с нулевой смещенной дисперсией. Это волокно обладает нулевой дисперсией и имеет минимальные потери, что достигается за счет более сложной структуры световедущей жилы, а именно специально заданного распределения коэффициента 91

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

преломления по диаметру жилы (рис. 8.7, б). Главным недостатком одномодового волокна с нулевой смещенной дисперсией является ограничение по использованию только одной длины волны (1 550 нм).

а

б

Рис. 8.7. Профили показателя преломления ОМ: ступенчатый (а) и со смещенной нулевой дисперсией (б)

Профиль показателя преломления в ОМ оптоволокне с ненулевой смещенной дисперсией был разработан для длин волн в диапазоне от 1 530 до 1 565 нм. Уровень хроматической дисперсии, равный 0,1–6 пс/(нм·км), позволяет обеспечивать скорость передачи до 10 Гбит/с. Стоит отметить, что затраты на комплектующие и монтажные работы значительно увеличивают стоимость проектных решений в случае применения ОМ перед ММ. Сравнение ОМ и ММ видов кабелей представлено в табл. 8.1. Таблица 8.1 Сравнение одномодовых и многомодовых технологий

Параметры Используемые длины волн Затухание, дБ/км Тип передатчика Толщина сердечника Стоимость волокон и кабелей (для сопоставимых условий эксплуатации)

Средняя стоимость конвертера в витую пару Fast Ethernet

92

Типы волокон одномодовое многомодовое 1 310 и 1 550 нм 850 нм и 1 310 нм 0,2–0,4 1,0–3,0 Лазер, реже светодиод Светодиод 8 мкм 50 или 62,5 мкм

Около 70 % от многомодового

 23,70 руб/м CABEUS TB-ZIP-5-02TLSZH-IN-25, 2 волокна, плотное буферное покрытие, ZIP CORD, для внутренней

$300

$100

Лекция 8. Оптоволоконные кабельные системы Окончание табл. 8.1

Параметры Дальность передачи Fast Ethernet Дальность передачи специальных устройств Fast Etherne Возможная скорость передачи

Типы волокон одномодовое многомодовое Около 20 км До 2 км Более 100 км 10 Гбит/с и более

Область применения

Телекоммуникации

До 5 км До 1 Гбит/с на ограниченной длине эксплуатационного Локальные сети

Выбор волокна для заданного варианта применения зависит от требований конкретной системы. Всегда существуют компромиссы, которые основаны на экономических и технических соображениях, связанных с конкретным вариантом применения. 3. Структура волоконно-оптической линии связи. Коннекторы и разъемы. Основными элементами волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) является активное оборудование, оптический кросс и непосредственно сама оптоволоконная линия (рис. 8.8).

Рис. 8.8. Структура волоконно-оптической линии связи

Оптический кросс относится к пассивному контрольно-распределительному оборудованию средств связи и представляет собой устройство для разъемного соединения оконцованного оптического кабеля и оптических шнуров, оборудованных специальными розетками. Среди основных функций кросса можно выделить следующие: ввод/вывод в оконечный пункт магистральных кабелей; переход от одного вида кабеля к другому; осуществление транзитных соединений; коммутация (соединение) отдельных линий связи друг с другом. Оптические кроссы изготавливаются двух видов: рэковые (для установки в коммутационные шкафы и телекоммуникационные стойки) и настенные. 93

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

Механическое соединение оптических волокон между собой или с приемо-передающей аппаратурой осуществляется коннекторами. Соединение узлов линии связи осуществляется патч-кордами и пигтейлами. Пигтейл – это отрезок оптического кабеля, имеющий коннектор только с одной стороны. Своему названию этот тип шнура обязан английскому слову pigtail, что в переводе означает «поросячий хвостик». Пигтейлы применяются для соединения оборудования с магистральным оптическим кабелем. Один конец пигтейла оконцовывается коннектором, а другой остается свободным. Свободный конец соединяют с оптоволоконным кабелем при помощи сварки. Патч-корды (англ. patchcord – шнур соединительный) – это отрезки оптического кабеля с коннекторами на обоих концах, используются для коммутации двух распределительных устройств (кроссов) либо для связи распределительных устройств с активным оборудованием. Обычно все соединительные патч-корды маркируются цветом по общепринятому международному стандарту:  одномодовые 9/125 (SM – singlemode) шнуры – желтым цветом;  многомодовые 50/125 (MM – multimode) – оранжевым цветом;  многомодовые 62,5/125 (MM – multimode) – серым цветом. В зависимости от установленных коннекторов различают два типа оптических патч-кордов:  соединительный – имеет на разных концах коннекторы одного типа;  переходной – имеет на разных концах коннекторы разных типов. Платформой для установки коннекторов служит розетка. Коннекторы фиксируются в ней таким образом, чтобы оси их наконечников были отцентрированы, параллельны и плотно прижаты. Подобные розетки обычно устанавливают в оптические кроссы, вставки монтажных коробов или элементы активного сетевого оборудования, например коммутаторы и маршрутизаторы. ST-коннекторы. Коннекторы различаются не только применяемыми наконечниками, но и типом фиксации конструкции в розетке. Самым распространенным в линиях волоконной связи является коннектор ST-типа (англ. straight tip – прямой разъем), рис. 8.9. Керамический наконечник имеет цилиндрическую форму диаметром 2,5 мм со скругленным торцом. Фиксация производится за счет поворота оправы вокруг оси коннектора, при этом вращение основы коннектора отсутствует (теоретически) за счет паза в разъеме розетки. Направляющие оправы, сцепляясь с упорами STрозетки, при вращении вдавливают конструкцию в гнездо. Пружинный элемент обеспечивает необходимое прижатие. Слабым местом ST-технологии является вращательное движение оправы при подключении/отключении коннектора. Оно требует большого 94

Лекция 8. Оптоволоконные кабельные системы

жизненного пространства для одного соединения, что важно в многопортовых кабельных системах. Более того, вращение наконечника отсутствует только теоретически. Даже минимальные изменения положения последнего влекут рост потерь в оптических соединениях. Наконечник выступает из основы конструкции на 5–7 мм, что ведет к его загрязнению.

Рис. 8.9. Общий вид ST-коннектора

SC-коннекторы (англ. subscriber connector – абонентский разъем). Недостатки ST-коннекторов в настоящее время устраняют за счет применения SC-технологии (рис. 8.10). Сечение корпуса имеет прямоугольную форму. Подключение/отключение коннектора осуществляется поступательным движением по направляющим и фиксируется защелками. Керамический наконечник также имеет цилиндрическую форму диаметром 2,5 мм со скругленным торцом, а некоторые модели имеют скос поверхности. Наконечник почти полностью покрывается корпусом и потому менее подвержен загрязнению, чем в ST-конструкции. Отсутствие вращательных движений обеспечивает более осторожное прижатие наконечников. В некоторых случаях SC-коннекторы применяются в дуплексном варианте. На конструкции могут быть предусмотрены фиксаторы для спаривания коннекторов или применены специальные скобы для группировки корпусов. Коннекторы на одномодовом волокне обычно имеют голубой цвет, а на многомодовом – серый.

Рис. 8.10. Общий вид SС-коннекторов

95

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

LC-коннекторы. Коннекторы типа LC (Local (Little) Connector) – это малогабаритный вариант SC-коннекторов (рис. 8.11). Конструкция в виде пластмассового корпуса прямоугольного сечения снабжается такой же защелкой, как для модульных коннекторов медных кабельных систем. Вследствие этого и подключение коннектора производится схожим образом. Наконечник изготавливается из керамики и имеет диаметр 1,25 мм.

Рис. 8.11. Общий вид LС-коннектора

Встречаются как многомодовые, так и одномодовые варианты коннекторов. Ниша этих изделий – многопортовые оптические системы. FC-коннекторы. Коннекторы FC (Fibre Channel – волоконный канал) используются в одномодовых системах (рис. 8.12), характеризуются отличными геометрическими характеристиками и высокой защитой наконечника. Находят широкое применение в телекоммуникационных сетях, кабельном телевидении, специализированных системах, измерительной технике.

Рис. 8.12. Общий вид FС-коннектора

Преимуществом коннектора является фиксация на адаптере посредством гайки с резьбой, что обеспечивает хорошее соединение. Керамический феруль с пружинным механизмом коннектора полностью развязан от корпуса разъема и оболочки кабеля, что также гарантирует высокую механическую надежность соединения. Корпус разъема изготовлен из никелированной латуни. 4. Преимущества и недостатки оптоволоконных систем. Преимущества волоконно-оптических кабелей следующие: 1. Широкая полоса частот и большая пропускная способность. 96

Лекция 8. Оптоволоконные кабельные системы

2. Стойкость к переходным влияниям. Использование в качестве среды передачи диэлектрических материалов, а в качестве несущего сигнала – электромагнитной волны приводит к отсутствию вокруг проводника изменяющегося магнитного поля, вызывающего в металлических проводниках наличие переходных помех. 3. Стойкость к воздействиям статического электричества. Поскольку волоконно-оптические кабели выполнены из материалов, не проводящих электрический ток, они не восприимчивы к статическим напряжениям, обусловленным электромагнитными помехами промышленного происхождения, осветительными системами, реле, электродвигателями и другими источниками электрических помех. 4. Невосприимчивость к климатическим изменениям окружающей среды. Волоконно-оптические кабели более, чем металлические кабели, устойчивы к экстремальным изменениям окружающей среды (включая изменения погодных условий). Оптические кабели также могут функционировать в более широком температурном диапазоне, чем металлические проводники, и в отличие от кабелей с металлическими жилами они не подвержены воздействию коррозии. 5. Безопасность и удобство. Поскольку в стеклянных и пластмассовых волокнах отсутствуют электрические токи и напряжения, их безопаснее использовать в агрессивных средах летучих жидкостей и газов с потенциальной угрозой возникновения взрывов или воспламенения. Оптические волокна легче и компактнее, чем металлические кабели. 6. Незначительные потери при передаче сигналов. Оптические волокна отличаются существенно меньшими потерями сигнала, чем их металлические аналоги. В настоящее время изготавливаются оптические волокна с потерями, составляющими несколько десятых дБ/км. В силу этого оптические регенераторы и усилители могут находиться на значительно большем расстоянии друг от друга, чем на металлических линиях передачи. 7. Конфиденциальность. Волоконно-оптические кабели отличаются более высокой защищенностью от прослушивания или перехвата информации. Фактически невозможно создать ответвление от волоконнооптического кабеля так, чтобы об этом не узнал пользователь. 8. Долговечность и надежность обеспечивается широким диапазоном допустимых изменений условий окружающей среды. Хотя преимущества волоконно-оптических кабелей значительно превосходят их недостатки, тем не менее важно знать эти недостатки. Недостатки волоконно-оптических кабелей: 1. Затраты на стыковку. Оптические кабели сами по себе практически бесполезны. Для эффективного использования волоконно-оптические 97

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

системы должны стыковываться с другими (электрическими) сетями и системами связи. Часто для этого требуются дорогостоящие интерфейсы. 2. Малая прочность. Оптические волокна сами по себе обладают значительно меньшей прочностью на растяжение или разрыв, чем, например, коаксиальные кабели. Кроме того, стекловолокно отличается бóльшей хрупкостью, чем медный провод, что лишает его преимуществ в тех случаях, когда аппаратура должна быть портативной. 3. Дистанционное электропитание. Иногда необходимо обеспечить электропитание для удаленного оборудования, усилителей или регенераторов. Это невозможно реализовать в случае полностью оптического кабеля, и поэтому в состав линий передачи информации должны быть включены дополнительные металлические провода для подачи питающего напряжения. 4. Более чувствительны к потерям, вызываемым изгибами кабеля. Электромагнитные волны распространяются через оптическое волокно благодаря преломлению или отражению. Поэтому изгиб кабеля вызывает нарушение размеров волноводной линии, что приводит к потере мощности сигнала. Также по этой причине оптические волокна более чувствительны к нарушениям технологии производства и образованию дефектов. 5. Специализированные инструменты и оборудование. Для волоконно-оптических кабелей требуется комплект специальных инструментов, чтобы можно было производить сварку и ремонт кабелей, а также специальное испытательное оборудование для выполнения профилактических и текущих измерений. Ремонт волоконно-оптических кабелей является трудным и дорогостоящим, при этом технический персонал должен обладать специальным опытом и иметь соответствующую подготовку. Кроме того, иногда трудно локализовать повреждения в оптоволоконных сетях, поскольку в них отсутствует электрическая целостность. 5. Основные параметры, определяющие выбор физической среды передачи. Каждый тип кабеля имеет свои преимущества и недостатки. При его выборе надо учитывать как особенности решаемой задачи, так и конкретной сети, в том числе используемую топологию. В настоящее время действует стандарт на кабели EIA/TIA 568 (Commercial Building Telecommunications Cabling Standard), принятый в 1995 году и заменивший все действовавшие ранее фирменные стандарты. В табл. 8.2 даны основные различия кабелей по скорости и максимальному расстоянию передачи данных. Факторы, являющиеся существенными при выборе физической среды передачи (кабельной системы):  пропускная способность, скорость передачи в сети;  размер сети; 98

Лекция 8. Оптоволоконные кабельные системы

 набор служб (передача данных, речи, мультимедиа и т. д.), кото-

рый необходимо организовать.  уровень шумов и помехозащищенности;  общая стоимость проекта, включающая покупку оборудования, монтаж и последующую эксплуатацию. Таблица 8.2 Расстояние и скорость передачи по различным типам кабеля

Тип кабеля Коаксиальный Витая пара Оптоволоконный кабель

Максимальное расстояние передачи 185–500 м 30–100 м 2 км

Максимальная скорость передачи 10 Мбит/с 10 Мбит/с – 1 Гбит/с 10 Мбит/с – 2 Гбит/с

Основные линии передачи данных в компьютерных сетях – неэкранированная витая пара и многомодовое оптоволокно. Системы на основе коаксиальных кабелей еще сохранились, но их количество уменьшается со временем.

История развития волоконно-оптических систем передачи информации История развития волоконно-оптических линий связи началась в середине 1960-х годов, когда появились опытные волноводные линии связи для передачи широкополосной информации. В 1966 году английские специалисты по технике связи Ч. Као и Ч. Хокхем показали, что оптические волокна могут использоваться как среда передачи при достижении прозрачности, обеспечивающей затухание менее 20 дБ/км. Прототипом современного оптоволокна стало устройство, разработанное Ч. Хокхемом, которое могло служить средой для передачи света, хотя качество передачи все же еще оставалось низким по сравнению с электрическими кабелями. В начале 1970-х годов развернулись работы по созданию надежных оптических кабельных систем. Создание волоконных световодов и полупроводниковых лазеров сыграло решающую роль в развитии волоконнооптической связи. Первое волокно с затуханием менее 20 дБ/км было получено в 1970 году Р. Маурером и его коллегами из фирмы Corning Glass Work. В середине 1970-х годов началось внедрение волоконно-оптических линий в военно-морском флоте и ВВС. Сначала была запущена волоконнооптическая система длиной 2 км и скоростью передачи информации 20 МГб/с, связавшая станцию спутниковой связи с центром управления. 99

Раздел II. Интерфейсы для последовательной передачи данных

Достичь современных показателей качества ВОЛС помогла разработка самоусиливающегося волокна и настройка лазера в солитонный (в очень узком диапазоне спектра) режим. Обе технологии были предложены в 1990 году Л. Молинаром, сотрудником фирмы Bellcore. В настоящее время они широко используются в вычислительной технике, кабельном телевидении, телефонии, системах управления и контроля за технологическими процессами.

100

Лекция 9. Физическое кодирование сигналов

Раздел III МЕТОДЫ КОДИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ ЛЕКЦИЯ 9 ФИЗИЧЕСКОЕ КОДИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ План: 1. Общие понятия физического кодирования. 2. Классификация сигналов импульсно-кодовой модуляции. 3. Манчестерский код. 4. Биполярное кодирование с альтернативной инверсией. 1. Общие понятия физического кодирования. При форматировании аналоговых сигналов исходный сигнал преобразуется в двоичный цифровой код. Для того чтобы передать двоичные цифры по низкочастотному каналу связи, их необходимо представить электрическими импульсами. Цифровое кодирование (Digital Encoding) определяет способ представления двоичных цифр в физическом канале передачи данных. Кодирование цифровых сигналов должно соответствовать следующим требованиям: 1. Сигнал должен иметь наименьшую ширину спектра для передачи большого объема данных по имеющемуся каналу связи. 2. Обеспечивать синхронизацию между передатчиком и приемником. 3. Способность распознавать ошибки. 4. Желательно, чтобы сигнал был неполяризованным, для того чтобы можно было не обращать внимание на полярность подключения проводников в каждой паре. 5. Малая стоимость реализации. Узкий спектр сигнала позволяет добиться более высокой скорости передачи данных по одной и той же линии. Если система использует трансформаторную связь, в спектре сигнала должна отсутствовать постоянная составляющая. Каждой системе цифровой связи необходима синхронизация передатчика и приемника, для того чтобы приемник знал, когда нужно считывать новую информацию, пришедшую по линии связи. При небольших 101

Раздел III. Методы кодирования информации

расстояниях можно использовать отдельную тактирующую линию. Однако при больших расстояниях использование такой схемы неэффективно из-за неравномерности скорости распространения сигналов по линиям. Поэтому при передаче на большие расстояния используют коды, имеющие функцию синхронизации. Методы кодирования подразделяются на физические и логические. Физические методы кодирования реализуются аппаратными средствами. Логическое кодирование обеспечивается специализированными алгоритмами. Самым нижним уровнем в иерархии кодирования является физическое кодирование, которое определяет потенциальное число дискретных уровней сигнала. С точки зрения физического кодирования цифровой сигнал может иметь два, три, четыре, пять и т. д. уровней амплитуды напряжения, тока, света и т. п. 2. Классификация сигналов импульсно-кодовой модуляции. Сигналы импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) делятся на следующие группы: 1. Без возврата к нулю (Non-Return-to-Zero – NRZ). 2. С возвратом к нулю (Return-to-Zero – RZ). 3. Манчестерское кодирование. 4. Фазовое кодирование. 5. Многоуровневое бинарное кодирование. Код NRZ – это простейший код, представляющий собой обычный цифровой сигнал. Классическая кодировка NRZ используется в цифровых логических схемах. Двоичная единица представляется одним уровнем напряжения, а двоичный нуль – другим (рис. 9.1). В течение битового интервала (bittime, BT), т. е. времени передачи одного бита, никаких изменений уровня сигнала не происходит. Изменение уровня происходит при переходе в последовательности передаваемых битов от 0 к 1 или от 1 к 0. +U

0

1

0

1

1

0

0

0

0 1 бит 100 нс

период Период 200 200 нс нс

Рис. 9.1. Пример NRZ-кодирования

Основные достоинства кода NRZ: 1. Прост в реализации (исходный сигнал не надо ни специально кодировать на стороне передатчика, ни декодировать на стороне приемника), обладает хорошей распознаваемостью ошибок. 102

Лекция 9. Физическое кодирование сигналов

2. Необходима минимальная среди других кодов пропускная способность линии связи, требуемая при данной скорости передачи. Наиболее частое изменение сигнала в сети будет при непрерывном чередовании единиц и нулей, т. е. при последовательности 1010101010... Поэтому при скорости передачи, равной 10 Мбит/с (длительность одного бита равна 100 нс), частота изменения сигнала и соответственно требуемая пропускная способность линии составит 1 / 200 нс = 5 МГц. Недостатки кода NRZ: 1. Возможность потери синхронизации приемником во время приема слишком длинных блоков (пакетов) информации. Приемник может привязывать момент начала приема только к первому (стартовому) биту пакета, а в течение приема пакета он вынужден пользоваться только внутренним тактовым генератором (внутренними часами). Например, если передается последовательность нулей или последовательность единиц, то приемник может определить, где проходят границы битовых интервалов, только по внутренним часам (рис. 9.2). А если часы приемника расходятся с часами передатчика, то временной сдвиг к концу приема пакета может превысить длительность одного или даже нескольких битов. В результате произойдет потеря переданных данных. Так, при длине пакета в 10 000 бит допустимое расхождение часов составит не более 0,01 % даже при идеальной передаче формы сигнала по кабелю. NRZ

0

1

0

1

1

0

0

0

Синхросигнал

Рис. 9.2. Синхросигнал для определения битовых интервалов

Во избежание потери синхронизации можно было бы ввести вторую линию связи для синхросигнала. Но при этом требуемое количество кабеля, число приемников и передатчиков увеличивается в два раза. При большой длине сети и значительном количестве абонентов это невыгодно. В связи с этим код NRZ используется только для передачи короткими пакетами (обычно до 1 Кбит). 2. Может обеспечить обмен сообщениями (последовательностями, пакетами) только фиксированной, заранее обговоренной длины. Дело в том, что по принимаемой информации приемник не может определить, идет ли еще передача или уже закончилась. Для синхронизации начала приема пакета используется стартовый служебный бит, чей уровень отли103

Раздел III. Методы кодирования информации

чается от пассивного состояния линии связи (например, пассивное состояние линии при отсутствии передачи – 0, стартовый бит – 1). Заканчивается прием после отсчета приемником заданного количества битов последовательности (рис. 9.3). Отдельно можно выделить группу инверсного кодирования без возврата к нулю (Non-Return-to-Zero-Invertive – NRZI), в которую входят следующие подгруппы:  NRZ-M (M = mark – метка);  NRZ-S (S = space – пауза). При использовании кодировки NRZ-M двоичная единица, или метка (mark), представляется изменением уровня, а нуль – отсутствием изменения уровня (рис. 9.4). Такую кодировку часто называют дифференциальной. Кодировка NRZ-S является инверсной по отношению к NRZ-M: двоичная единица представляется отсутствием изменения уровня, а двоичный нуль – изменением уровня (рис. 9.4). Стартовый бит Пассивное 0 состояние линии

Прием данных

Информационные биты 1

0

1

1

0

0

0

1

2

3

4

5

6

7

Отсчет заранее известногоколичества количествабитов бит данных Отсчет заранее известного данных

Рис. 9.3. Синхронизация начала и конца приема/передачи при NRZ-кодировании

Рис. 9.4. Пример NRZI-кодирования

104

Пассивное состояние линии

Лекция 9. Физическое кодирование сигналов

Достоинства кода NRZI: 1. Простота реализации. 2. Хорошая распознаваемость ошибок (благодаря наличию двух резко отличающихся потенциалов). Основная гармоника f0 имеет достаточно низкую частоту, равную N/2 Гц, где N – битовая скорость передачи дискретных данных (бит/с). Это приводит к узкому спектру. Недостатки кода NRZI: 1. Не обладает свойством самосинхронизации. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приемник может ошибиться с выбором момента съема данных, так как частоты двух генераторов никогда не бывают полностью идентичными. Поэтому при высоких скоростях обмена данными и длинных последовательностях единиц или нулей небольшое рассогласование тактовых частот может привести к ошибке в целый такт и, соответственно, считыванию некорректного значения бита. 2. Спектр сигнала имеет низкочастотную составляющую, которая приближается к постоянному сигналу при передаче длинных последовательностей единиц и нулей (можно обойти сжатием передаваемых данных). Из-за этого многие линии связи, не обеспечивающие прямого гальванического соединения между приемником и источником, этот вид кодирования не поддерживают. Поэтому в сетях код NRZI в основном используется в виде различных его модификаций, в которых устранены как плохая самосинхронизация кода, так и проблемы постоянной составляющей. Код RZ (Return to zero – с возвратом к нулю). Это трехуровневый код, который получил свое название потому, что после значащего уровня сигнала в первой половине битового интервала следует возврат к некоему нулевому, среднему уровню (например, к нулевому потенциалу). Переход к нему происходит в середине каждого битового интервала (рис. 9.5). Логическому нулю, таким образом, соответствует положительный импульс, логической единице – отрицательный (или наоборот) в первой половине битового интервала. +U

0

1

0

1

1

0

0

0

0 -U

Рис. 9.5. Пример RZ-кодирования

В центре битового интервала всегда есть переход сигнала (положительный или отрицательный). Следовательно, из этого кода приемник легко может выделить синхроимпульс (строб). Возможна временная привязка не 105

Раздел III. Методы кодирования информации

только к началу пакета, как в случае кода NRZ, но и к каждому отдельному биту, поэтому потери синхронизации не будет при любой длине пакета. Важное достоинство кода RZ – простая временная привязка приема, как к началу последовательности, так и ее концу. Приемник просто должен анализировать, есть изменение уровня сигнала в течение битового интервала или нет. Первый битовый интервал без изменения уровня сигнала соответствует окончанию принимаемой последовательности битов (рис. 9.6). Поэтому в коде RZ можно использовать передачу последовательностями переменной длины. Пассивное состояние линии

0

1

0

1

1

0

0

Пассивное состояние линии

Прием данных

Рис. 9.6. Синхронизация начала и конца приема/передачи при RZ-кодировании

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 здесь на один битовый интервал приходится два изменения уровня сигнала). Например, для скорости передачи информации 10 Мбит/с требуется пропускная способность линии связи 10 МГц, а не 5 МГц, как при коде NRZ. Другой серьезный недостаток – наличие трех уровней, что усложняет аппаратуру как передатчика, так и приемника. 0

1

Нет света

0

1

Средний свет

1

0

0

0

Сильный свет

Рис. 9.7. RZ-кодирование в оптоволоконных сетях

Код RZ применяется не только в сетях на основе электрического кабеля, но и в оптоволоконных. Правда, в них не существует положительных и отрицательных уровней сигнала, поэтому используется три следующих уровня: отсутствие света, средний свет, сильный свет (рис. 9.7). Это очень 106

Лекция 9. Физическое кодирование сигналов

удобно: даже когда нет передачи информации, свет все равно присутствует, что позволяет легко определить целостность оптоволоконной линии связи без дополнительных мер. 3. Манчестерский код. В локальных сетях до недавнего времени самым распространенным методом кодирования был так называемый манчестерский код, или Манчестер-II. Он также относится к самосинхронизирующимся кодам, но в отличие от RZ имеет не три, а всего два уровня, что способствует его лучшей помехозащищенности и упрощению приемных и передающих узлов. Он применяется в технологиях Ethernet, Token Ring, в оптоволоконных и электропроводных сетях. Ни в одной из версий технологии Ethernet не применяется прямое двоичное кодирование бита 0 напряжением 0 В и бита 1 – напряжением +5 В, так как такой способ приводит к неоднозначности. Если одна станция посылает битовую строку 00010000, то другая станция может интерпретировать ее либо как 10000, либо как 01000, так как она не может отличить отсутствие сигнала в линии от бита 0. Поэтому приемнику необходим способ однозначного определения начала, конца и середины каждого бита без помощи внешнего таймера. Манчестерское кодирование позволяет приемнику синхронизироваться с передатчиком по смене уровня напряжения в середине битового интервала. При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала в середине каждого такта. Логическому нулю соответствует переход на верхний уровень в центре битового интервала, логической единице – переход на нижний уровень. Возможна обратная ситуация, когда единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а нуль – перепадом от высокого к низкому (рис. 9.8). 0

1

0

1

1

0

0

0

+U

-U

Рис. 9.8. Пример манчестерского кодирования

Достоинства манчестерского кодирования: 1. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных, то манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами. 107

Раздел III. Методы кодирования информации

2. Важная характеристика манчестерского кода – отсутствие у сигнала постоянной составляющей при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Благодаря этому передатчики и приемники можно развязать гальванически с помощью импульсных трансформаторов. 3. Спектр сигнала содержит только две частотные составляющие. Для десятимегабитового протокола это 10 МГц при передаче последовательности одних нулей или единиц и 5 МГц при их чередовании. Поэтому все другие частоты можно удалить с помощью полосовых фильтров. 4. Биполярное кодирование с альтернативной инверсией. Одной из модификаций метода NRZ является метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (Bipolar Alternate Mark Inversion – AMI) (рис. 9.9). В биполярном коде данные представлены полным импульсом или же его частью – фронтом. Код AMI использует следующие представления битов: 0 – нулевым напряжением (0 В); 1– поочередно значениями –U или +U (В). +U

0

1

0

1

1

0

0

0

0 -U

Рис. 9.9. Пример AMI-кодирования

Код AMI отличается от классического манчестерского кода тем, что он не зависит от перемены мест двух проводов кабеля. Особенно это удобно в случае, когда для связи применяется витая пара, провода которой легко перепутать. Именно этот код используется в одной из самых известных сетей Token-Ring компании IBM. При передаче чередующихся единиц и нулей основная гармоника f0 имеет частоту N/4 Гц. Код AMI предоставляет также некоторые возможности по распознаванию ошибочных сигналов. Так, нарушение строгого чередования полярности сигналов говорит о ложном импульсе или исчезновении в линии связи корректного импульса. Сигнал с некорректной полярностью называется запрещенным сигналом (signal violation). Однако постоянная составляющая может присутствовать, например, при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Недостатком кода является ограничение на плотность нулей в потоке данных, поскольку длинные последовательности нулей ведут к потере синхронизации. В коде AMI используется не два, а три уровня сигнала на линии связи. Дополнительный уровень требует увеличения мощности передатчика 108

Лекция 9. Физическое кодирование сигналов

примерно на 3 дБ для обеспечения той же достоверности приема битов на линии, что является общим недостатком кодов с несколькими состояниями сигнала по сравнению с кодами, которые различают только два состояния. Кроме того, спектр у него шире, чем у потенциальных кодов. Так, при передаче всех нулей или единиц частота основной гармоники кода будет равна N Гц, что в два раза выше основной гармоники кода NRZ и в четыре раза выше основной гармоники кода AMI при передаче чередующихся единиц и нулей. Из-за слишком широкого спектра биполярный импульсный код используется редко. Недостатком метода AMI является ограничение на плотность нулей в потоке данных, поскольку длинные последовательности 0 ведут к потере синхронизации. Простейший метод NRZ используется в протоколах на базе интерфейса RS-232, в сетях Ethernet применяется манчестерское кодирование. Выбор метода кодирования зависит от полосы канала связи, используемой кабельной системы, скорости передачи данных и других параметров.

+U

0

1

0

1

1

0

0

0

NRZ 0

+U NRZI 0 +U RZ

0 -U +U

Манчестер -U +U AMI

0 -U

Рис. 9.10. Методы физического кодирования

109

Раздел III. Методы кодирования информации

Следует упомянуть о том, что часто совершенно неправомерно считается, что единица измерения скорости передачи бодов – это то же самое, что бит в секунду, а скорость передачи в бодах равняется скорости передачи в битах в секунду. Это верно только в случае кода NRZ. Скорость в бодах характеризует не количество передаваемых битов в секунду, а число изменений уровня сигнала в секунду. При RZ-кодировании или манчестерском коде требуемая скорость в бодах оказывается вдвое выше, чем при NRZ. В бодах измеряется скорость передачи сигнала, а в битах в секунду – скорость передачи информации. Поэтому чтобы избежать неоднозначного понимания, скорость передачи по сети лучше указывать в битах в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с, Гбит/с). На рис. 9.10 представлены примеры всех рассмотренных методов физического кодирования.

110

Лекция 10. Беспроводная передача данных. Цифровая модуляция

ЛЕКЦИЯ 10 БЕСПРОВОДНАЯ ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ. ЦИФРОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ План: 1. Принципы беспроводной передачи данных. 2. Цифровая модуляция. 3. Амплитудная, частотная и фазовая манипуляции. 1. Принципы беспроводной передачи данных. Упрощенная схема беспроводной передачи данных представлена на рис. 10.1.

Источник информации

Антенна

Передатчик Модулятор

Получатель информации

Антенна

Приемник Усилитель

Усилитель

Демодулятор

Генератор несущей

Рис. 10.1. Упрощенная схема беспроводной передачи данных

Аналоговый или цифровой низкочастотный сигнал поступает на вход передатчика в виде электромагнитного колебания (тока или напряжения), где он модулируется с помощью высокочастотного несущего сигнала, усиливается, затем с помощью антенны преобразуется в электромагнитную волну (радиоволну) и излучается в пространство. На стороне приемника происходит обратное преобразование электромагнитного излучения в электрический сигнал, с помощью демодулятора выделяется полезный информационный сигнал и передается получателю информации. 2. Цифровая модуляция. В большинстве случаев информационные сигналы непрактично или невозможно передавать в их исходном виде по стандартным беспроводным передающим средам, поэтому часто в качестве передающего сигнала используется высокочастотный аналоговый сигнал, называемый несущей, который модулируется информационным сигналом. 111

Раздел III. Методы кодирования информации

Модуляция (лат. modulatio – размеренность, ритмичность) – процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала (сообщения). Передаваемая информация заложена в управляющем (модулирующем) сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим (модулируемым). Таким образом, модуляция представляет собой процесс наложения информационного колебания поверх заведомо известной несущей с целью получения нового, модулированного сигнала (рис. 10.2).

Несущий сигнал

Информационный сигнал

Модулированный сигнал

Рис. 10.2. Пример модуляции

В качестве несущего могут быть использованы колебания различной формы (прямоугольные, треугольные и т. д.), однако чаще всего применяются гармонические. В зависимости от того, какой из параметров несущего колебания изменяется, различают амплитудную модуляцию (АМ), частотную модуляцию (ЧМ) и фазовую модуляцию (ФМ) (рис. 10.3). Вид модулирующего сигнала: аналоговый

цифровой

АМ ЧМ ФМ  S (t) = A sin (ωt + φ)  АМН ЧМН ФМН

Рис. 10.3. Виды модуляции и манипуляции

112

Лекция 10. Беспроводная передача данных. Цифровая модуляция

Способ передачи цифровых сигналов с помощью модуляции аналоговой несущей называется цифровой модуляцией или манипуляцией, и обозначается соответственно: АМН – амплитудная манипуляция, ЧМН – частотная манипуляция, ФМН – фазовая манипуляция. Процесс извлечения информационного сообщения из модулированного сигнала называют демодуляцией. 3. Амплитудная, частотная и фазовая манипуляции. Простейшим методом цифровой модуляции является амплитудная манипуляция – АМН (англ. Amplitude Shift Keying – ASK), при которой двоичный информационный сигнал непосредственно модулирует аналоговую несущую. АМН аналогична обычной амплитудной модуляции, за исключением того, что при АМН возможны только два значения амплитуды на выходе (высокий и низкий уровень сигнала). Иногда амплитудную манипуляцию называют цифровой амплитудной модуляцией – ЦАМ (анг. Digital Amplitude Modulation – DAM). Выражение для амплитудной манипуляции имеет вид

A  S( ask ) (t )  1  S m (t )  cos(t )  , 2 

(10.1)

где S(ask) (t) – сигнал амплитудной манипуляции; Sm (t) – цифровой информационный (модулирующий) сигнал, В; А – амплитуда немодулированного несущего сигнала, В; ω – круговая (угловая) частота аналогового несущего сигнала, рад/c. В выражении (10.1) модулирующий сигнал Sm (t) представляет собой нормированный двоичный сигнал, в котором +1 В соответствует логической 1, а –1 В соответствует логическому 0. Поэтому при логической 1 на входе Sm (t) = 1 выражение (10.1) приводится к виду

A  S( ask )  t   1  1 cos(t )   A cos  t  , 2  а при логическом 0 на входе Sm (t) = –1 уравнение (10.1) принимает вид

A  S( ask )  t   1  1 cos  t    0 . 2  Таким образом, модулированный сигнал S(ask) (t) равен либо A cos (ωt), либо 0. Поэтому несущая либо «включена, либо «выключена», из-за чего амплитудную манипуляцию иногда обозначают термином on – off («включил – выключил»). На рис. 10.4 показана форма сигнала на входе и выходе модулятора АМН. Из рисунка видно, что каждому изменению во входном потоке двоичных данных соответствует одно изменение в форме сигнала АМН, 113

Раздел III. Методы кодирования информации

и длительность одного бита равна длительности одного аналогового сигнального элемента. Важно заметить, что пока двоичный сигнал на входе имеет высокий уровень, сигнал на выходе – постоянной амплитуды и частоты. При низком уровне сигнала на входе несущая частота выключена. 1

Входной двоичный сигнал

0

1

Выходной сигнал АМН

Рис. 10.4. Сигнал на входе и выходе модулятора АМН

Использование амплитудно-модулированной аналоговой несущей для передачи цифровой информации является относительно низкокачественным дешевым типом цифровой модуляции. Поэтому такая модуляция применяется редко и исключительно для низкоскоростных каналов связи. Помимо рассмотренного вида амплитудной цифровой модуляции, когда логическая 1 представлена наличием несущей, а логический 0 – ее отсутствием, возможны варианты АМН, когда логическая 1 представляется более высоким уровнем сигнала, чем логический 0, например (рис. 10.5): Логическая 1 = 1 В; Логический 0 = 0,5 В. 1

0

1

+1,0 +0,5 -0,5 -1,0 Рис. 10.5. Пример амплитудной манипуляции

114

Лекция 10. Беспроводная передача данных. Цифровая модуляция

Частотная манипуляция – ЧМН (англ. Frequency Shift Keying – FSK). Это еще один относительно простой малопроизводительный тип цифровой модуляции, а также форма угловой модуляции с постоянной амплитудой, аналогичная стандартной частотной модуляции ЧМ, за исключением того, что модулирующий сигнал является двоичным и изменяется между двумя дискретными уровнями напряжения, а не непрерывно, как аналоговый сигнал. Поэтому иногда ЧМН называют двоичной (бинарной) ЧМН (англ. Binary Frequency Shift Keying – BFSK). Общее выражение для ЧМН имеет следующий вид: S(fsk) (t) = A cos [2π [fc + Sm (t) Δf] t],

(10.2)

где S(fsk) (t) – сигнал двоичной ЧМН; A – максимальная амплитуда аналогового несущего сигнала, В; fc – средняя частота аналогового несущего сигнала, Гц; Δf – максимальное изменение (сдвиг) частоты аналоговой несущей, Гц; Sm (t) – двоичный входной (модулирующий) сигнал, В. Из уравнения (10.2) видно, что максимальный сдвиг несущей частоты f пропорционален амплитуде двоичного входного сигнала Sm (t) и направление сдвига определяется его полярностью. Модулирующий сигнал представляется в нормированной двоичной форме, где логической 1 соответствует +1 В, алогическому 0 соответствует –1 В. Тогда, если на входе логическая 1, то Sm (t) = 1, а уравнение (10.2) приобретает вид S(fsk) (t) = A cos [2π [fc + Δf] t]. Если на входе логический 0, то Sm (t) = –1 и выражение (10.2) приобретает вид S(fsk) (t) = A cos [2π [fc – Δf] t]. Как показано на рис. 10.6, при ЧМН средняя частота fc несущего сигнала сдвигается (отклоняется) вверх и вниз по частотному диапазону в соответствии со значениями двоичного входного сигнала. При переходе входного двоичного сигнала от логического 0 в логическую 1 и наоборот выходная частота изменяется между двумя частотами: знаку (логической 1) соответствует частота fm, а пробелу (логическому 0) – частота fs. Частота знака и частота пробела удалены от несущей частоты на одинаковую величину отклонения (девиацию) Δf, а между собой разнесены на величину 2Δf. Девиация частоты при ЧМН определяется как разность между частотой пробела или знака и несущей частотой или как половина разности частот знака и пробела. Отклонение частоты выражается математически как

f 

fm  fs . 2 115

Раздел III. Методы кодирования информации

Лог. 1 Лог. 0 Рис. 10.6. Представление ЧМН-сигнала в частотной области

На рис. 10.7, а показан двоичный сигнал на выходе модулятора ЧМН во временной области. Как видно, при изменении двоичного сигнала на входе частота ЧМН-сигнала на выходе смещается от значения знака fm к частоте пробела fs. Таблица истинности (рис. 10.7, б) показывает возможные комбинации входов и выходов для данного типа цифровой модуляции. Входной двоичный сигнал

0

1

0

1

1

0

0

0

Выходной ЧМН-сигнал а Входной сигнал Выходной сигнал 0 fs 1 fm

б Рис. 10.7. Сигнал ЧМН во временной области (а) и таблица истинности (б)

Как видно из рис. 10.7, при смене значения с логической 1 на логический 0 или наоборот происходит скачок фазы сигнала на выходе ЧМН. Такого недостатка лишена частотная манипуляция с непрерывной фазой ЧМН-НФ (англ. Continuous Phase Frequency Shift Keying – CP-FSK). Отли116

Лекция 10. Беспроводная передача данных. Цифровая модуляция

чительной особенностью ЧМН-НФ является синхронизация выходного сигнала со скоростью входного потока битов, частоты знака fm и пробела fs выбираются таким образом, чтобы они отличались от средней частоты на величину, точно равную половине скорости битов. Это обеспечивает сглаженный переход фазы аналогового сигнала на выходе при переходе от логического 0 к логической 1 или наоборот. На рис. 10.8 показан сигнал ЧМН-НФ. Входной двоичный сигнал

0

1

0

1

1

0

0

0

Выходной ЧМН-НФ сигнал

Рис. 10.8. Сигнал ЧМН-НФ во временной области

При использовании ЧМН-НФ вместо обычной ЧМН снижается вероятность битовых ошибок в процессе передачи сигнала. Основной недостаток ЧМН-НФ заключается в том, что при такой модуляции требуется специальная схема синхронизации. Схема передатчика и приемника ЧМН. На рис. 10.9 показана упрощенная схема модулятора (передатчика) ЧМН на основе генератора, управляемого напряжением (ГУН). Средняя частота fs выбирается равной среднему значению частот fm и fs. Отклонение частоты Δf – это произведение максимального положительного или отрицательного напряжения двоичного сигнала на чувствительность отклонения ГУН. Если максимальное напряжение для логической 1 такое же, как для логического 0, то величина отклонения частоты будет одинаковой как для 1, так и для 0.

Входной двоичный сигнал в коде NRZ

Выходной ЧМН сигнал Модулятор ЧМН (ГУН)

Рис. 10.9. Упрощенная схема передатчика ЧМН

117

Раздел III. Методы кодирования информации

Демодуляция ЧМН-сигнала довольна проста, упрощенная схема приемника (демодулятора) представлена на рис. 10.10. Входной сигнал ЧМН через делитель мощности одновременно подается на входы двух полосовых фильтров (ПФ), каждый из которых пропускает только частоту знака fm или частоту пробела fs. С выходов ПФ сигналы поступают на выпрямитель, который формирует постоянный ток, после чего в компараторе сравнивается мощность выпрямленных сигналов. В зависимости от того, мощность какого сигнала оказывается больше, приемник детектирует логический 0 или логическую 1. Такой тип детектирования ЧМН называется некогерентным детектированием, так как в процесс демодуляции не включен сигнал, синхронизированный с входящим ЧМН-сигналом по фазе или частоте либо по обоим этим параметрам. Выпрямленный сигнал

fs Входной ЧМН-сигнал

ПФ Разветвитель мощности

Выпрямитель

_

Выпрямитель

+

Выходной двоичный сигнал

fm ПФ

Рис. 10.10. Упрощенная схема приемника ЧМН

Фазовая манипуляция – ФМН (англ. Phase-Shift Keying – PSK) представляет еще один вид угловой модуляции с постоянной амплитудой. Она аналогична обычной фазовой модуляции, за исключением того, что при ФМН на вход модулятора поступает двоичный цифровой сигнал, а число возможных фаз на выходе ограничено. Перед модуляцией несущего сигнала входная двоичная информация кодируется по группам бит. Количество возможных выходных состояний определяется уравнением 2N = M , где N – количество битов в группе, M – количество возможных выходных состояний. Простейшая форма ФМН – это двоичная фазовая манипуляция ДФМН или ФМ2 (англ. Binary Phase Shift Keying – BPSK), при N = 1 и M = 2, т. е. для несущей возможны две фазы: одна представляет логическую 1, а вторая – логический 0. Когда входной цифровой сигнал изменяет состояние (с 1 в 0 или наоборот), фаза выходной несущей частоты сдвигается на 180. Аналогичным образом можно получить более сложные формы фазовой манипуляции: квадратурная фазовая манипуляция (англ. Quadrature 118

Лекция 10. Беспроводная передача данных. Цифровая модуляция

Phase Shift Keying – QPSK), или ФМ4; восьмеричная фазовая манипуляция (8-PSK), или ФМ8 и другие формы более высокого порядка. Общим для них будет принцип группировки выходных битов 2N = M и введение взаимно-однозначного соответствия между множеством выходных значений M и множеством сдвига фаз модулированного сигнала, в котором значения фаз отличаются на одинаковую величину. Входной двоичный сигнал

0

1

0

1

1

0

0

0

Выходной ФМ2 сигнал sin(ωt)

-sin(ωt) sin(ωt) -sin(ωt) -sin(ωt) sin(ωt) sin(ωt) sin(ωt)

Рис. 10.11. Сигнал ФМ2 во временной области

Для удобства сигнал ФМН можно представить в виде двумерной точечной диаграммы на комплексной плоскости, точками на которой являются все возможные варианты выходного сигнала, представленные в геометрической форме. Иногда такие диаграммы называют сигнальными созвездиями (рис. 10.12).

Рис. 10.12. Сигнальные созвездия ФМ2, ФМ4 и ФМ8

Таким образом, на диаграмме отмечаются все значения, которые может принимать двоичный сигнал на выходе для выбранной схемы манипуляции как точки на комплексной плоскости. 119

Раздел III. Методы кодирования информации

ЛЕКЦИЯ 11 КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ В КАНАЛЕ СВЯЗИ План: 1. Общие принципы кодирования и классификация кодов. 2. Помехоустойчивые коды. 3. Блочные коды. 4. Коды с контролем четности. 1. Общие принципы кодирования. Кодирование сигнала – это преобразование сигнала, выполняемое для повышения качества связи. В результате этого сигнал становится менее подвержен шумам и помехам. При кодировании дискретных сообщений широко используется двоичная система счисления. Ее достоинства – простота и компактность. Теория кодирования быстро развивалась во второй половине XX века. Это связано с развитием средств цифровой обработки сигналов и созданием сетей передачи данных, обеспечивающих высокие требования к достоверности передачи, обработки и хранения информации. Это, в свою очередь, привело к созданию таких методов кодирования информации, которые обеспечивают возможности обнаружения и исправления ошибок. Помехоустойчивое кодирование используется в различных системах связи, при хранении и передаче данных в компьютерных сетях, аудиои видеотехнике. Задача кодирования – добавить к блоку входных данных такое минимально необходимое число проверочных символов, чтобы обеспечить наилучшее исправление ошибок. Проверочные символы должны быть логически связаны между собой. В процессе кодирования элементы передаваемого сообщения преобразуются в соответствующие им числа – кодовые символы. Каждому элементу соответствует определенная совокупность кодовых символов – кодовая комбинация. Совокупность кодовых комбинаций представляет код. Число разрядов n, образующих кодовую комбинацию, называют разрядностью кода или длиной кодовой комбинации. Ошибка в кодовой комбинации появляется при ее передаче по каналу связи вследствие замены одних элементов другими под воздействием помех. Например, двукратная ошибка возникает при замене (искажении) двух элементов. Например, если кодовая комбинация 0110111 принята как 0100110, то имеет место двукратная ошибка. Коды, применяемые для передачи сигналов, классифицируют по следующим признакам: 120

Лекция 11. Кодирование информации в канале связи

1. По длине кодов и взаимному расположению символов различают равномерные и неравномерные коды. Равномерные коды имеют одинаковую длину комбинаций. Число возможных комбинаций составляет mn (m – основание системы счисления, n – разрядность кодовой комбинации). Пример – пятизначный код Бодо, применяемый в телеграфии. Он содержит пять двоичных элементов. Число возможных комбинаций в этом коде 25 = 32. Неравномерные коды отличаются тем, что кодовые комбинации отличаются не только расположением символов, но и их количеством. Простейший пример – код Морзе. 2. По признаку помехозащищенности коды делят на примитивные (безызбыточные) и помехоустойчивые (избыточные). Примитивными называют коды, у которых все возможные кодовые комбинации используют для передачи информации. В простых равномерных кодах изменение одного символа в кодовой комбинации на другой приводит к ошибке в принятом сообщении. Помехоустойчивость кода достигается за счет введения избыточности. Избыточность позволяет так выбирать передаваемые последовательности символов, чтобы они удовлетворяли дополнительным условиям, проверка которых на приемной стороне дает возможность обнаруживать и исправлять ошибки. Теория помехоустойчивого кодирования базируется на результатах исследований, проведенных К. Шенноном и сформулированных в виде теоремы: 1. При любой производительности источника сообщений, меньшей, чем пропускная способность канала, существует такой способ кодирования, который позволяет обеспечить передачу всей информации, создаваемой источником сообщений, со сколь угодно малой вероятностью ошибки. 2. Не существует способа кодирования, позволяющего вести передачу информации со сколь угодно малой вероятностью ошибки, если производительность источника сообщений больше пропускной способности канала. Из теоремы Шеннона следует, что помехи в канале не накладывают ограничений на точность передачи. Ограничение накладывается только на скорость передачи, при которой может быть достигнута сколь угодно высокая точность. Теорема не затрагивает вопроса о путях построения кодов, обеспечивающих идеальную передачу информации, но, обосновав принципиальную возможность такого кодирования, позволяет вести разработку конкретных кодов. При любой конечной скорости передачи информации сколь угодно малая вероятность ошибки достигается лишь при безграничном увеличении 121

Раздел III. Методы кодирования информации

длительности кодируемых последовательностей знаков. Таким образом, безошибочная передача при наличии помех возможна лишь теоретически. Обеспечение передачи информации с весьма малой вероятностью ошибки и достаточно высокой эффективностью возможно при кодировании чрезвычайно длинными последовательностями знаков. На практике точность передачи информации и эффективность каналов связи ограничивается двумя факторами: 1) размером и стоимостью аппаратуры кодирования/декодирования; 2) временем задержки передаваемого сообщения. 2. Помехоустойчивые коды. Коды, которые обеспечивают возможность обнаружения и исправления ошибки, называют помехоустойчивыми. Способность кодов обнаруживать и исправлять ошибки достигается путем введения избыточности в исходное сообщение. Перед тем как начать рассмотрение помехоустойчивых кодов, рассмотрим два основных метода использования избыточности для защиты от ошибок. Первый метод заключается в обнаружении ошибок и повторной передаче. Для проверки на наличие ошибки используется контрольный бит четности (дополнительный бит, присоединяемый к данным). При этом приемное оконечное устройство не пытается исправить ошибку, а посылает передатчику запрос на повторную передачу некорректно полученного сообщения. Второй метод заключается в прямом исправлении ошибок. В этом случае контрольный бит четности служит как для обнаружения, так и исправления ошибок. Если защита от ошибок заключается только в их обнаружении, система связи должна сообщить, что обнаружена ошибка и требуется повторная передача. Такие методы защиты от ошибок называются методами автоматического запроса повторной передачи (Automatic Repeat Request – ARQ). Первый метод – запрос ARQ с остановками. Его реализация требует полудуплексного соединения. Передатчик перед началом каждой передачи ждет подтверждения об успешном приеме предыдущей. Если блок принят с ошибкой, приёмник передает отрицательное подтверждение приема. Передатчик повторяет передачу этого блока сообщения и затем передает следующий блок. Второй метод – непрерывный запрос ARQ с возвратом. В этом случае требуется полнодуплексное соединение. Оба оконечных устройства начинают передачу одновременно. Каждому блоку передаваемых данных присваивается порядковый номер. Если от приемника пришел сигнал, сообщающий об ошибке в блоке, передатчик возвращается к блоку с ошибкой и снова передает всю информацию, начиная с поврежденного сообщения. Третий метод – непрерывный запрос с выборочным повторением. В этой процедуре повторно передается только искаженное сообщение. За122

Лекция 11. Кодирование информации в канале связи

тем передатчик продолжает передачу с того места, где она прервалась. В этом случае также требуется полнодуплексное соединение. 3. Блочные коды. При использовании блочных кодов исходные данные делятся на блоки из k битов, которые называют информационными битами или битами сообщения. В процессе кодирования каждый k – битовый блок данных преобразуется в блок из n битов (n > k), который называется канальным символом, или кодовым словом. К каждому блоку данных кодирующее устройство прибавляет (n – k) бит, которые называются контрольными битами или битами четности. Для обозначения блочного кода используется запись (n, k). Отношение числа избыточных битов к числу информационных битов, равное (n – k) / k, называется избыточностью кода. Отношение числа информационных битов к общему числу битов, равное k / n, называют степенью кодирования. Степень кодирования определяет долю кода, которая приходится на полезную информацию. Величина k / n характеризует относительную скорость передачи информации. Если производительность источника информации составляет V символов в секунду, то после кодирования скорость передачи информации окажется равной n R V, k поскольку в кодированной последовательности из каждых n символов только k символов являются информационными. Увеличение избыточности кода приводит к увеличению необходимой ширины полосы частот канала. Например, метод, использующий код со степенью избыточности 1/2, требует удвоенной полосы пропускания. Ключевыми понятиями, определяющими структуру блочных кодов, являются весовой коэффициент Хэмминга и расстояние Хэмминга. Весовой коэффициент Хэмминга определяется числом ненулевых символов в кодовом слове. Например, если кодовое слово U = 100101101, то w (U) = 5. Расстояние Хэмминга между двумя кодовыми словами U и V равно количеству элементов, в которых они отличаются. Например, если второе кодовое слово V = 011110100, то расстояние Хэмминга d (U, V) = 6. Нетрудно убедиться, что расстояние Хэмминга между двумя кодовыми словами равно весовому коэффициенту Хэмминга их суммы, т. е. d (U, V) = w (U + V). Кроме того, весовой коэффициент Хэмминга кодового слова равен его расстоянию до нулевого вектора. Рассмотрим множество расстояний всеми между парами кодовых слов. Оптимальный выбор кода соответствует максимизации минимального рас123

Раздел III. Методы кодирования информации

стояния Хэмминга: dmin = max. Это означает, что кодовые слова будут достаточно разнесены, чтобы декодировать передаваемый сигнал даже в том случае, если часть закодированного сообщения будет принята некорректно. Оптимальный выбор блочного кода соответствует максимизации минимального кодового расстояния. Декодирование после приема сообщения производится таким образом, чтобы принятая кодовая комбинация отождествлялась с разрешенной комбинацией, которая находится на наименьшем кодовом расстоянии. Такое декодирование называют декодированием по методу максимального правдоподобия. Кодовое расстояние является основным параметром, характеризующим корректирующие свойства кода. Очевидно, что при dmin = 1 все кодовые комбинации являются разрешенными. Любая одиночная ошибка трансформирует кодовое слово в другое разрешенное кодовое слово. Это случай безызбыточного кода, не обладающего корректирующей способностью. Если dmin = 1, то при одиночной ошибке ни одно из разрешенных кодовых слов не переходит в другое разрешенное кодовое слово. Предположим, что в процессе передачи произошло t ошибок. Если dmin ≥ 2t + 1, тогда ближайшее кодовое слово является правильным. Таким образом, способность кода к исправлению ошибок определяется как максимальное число гарантированно исправимых ошибок на кодовое слово и определяется формулой  d  1 t   min  .  2  Здесь символ  x  обозначает наибольшее целое, не превышающее x. 4. Коды с контролем четности. Простейшим случаем блочного кодирования является организация проверки на четность. В кодах с контролем четности для обнаружения или исправления ошибок используются линейные суммы информационных битов. В коде с одним контрольным битом к блоку информационных битов добавляют еще один бит. Бит четности может быть равен нулю или единице, причем его значение выбирается так, чтобы сумма всех битов в кодовом слове была четной или нечетной. В операции суммирования используется арифметика по модулю 2 (исключающее или). Если бит четности выбран так, что результат четный, то схема кодирования реализует проверку на четность (even parity). Если при добавлении контрольного бита результирующий блок данных является нечетным, то схема кодирования реализует проверку на нечетность (oddparity). Такой код имеет степень кодирования, равную k / (k + 1). Декодирование, которое проводится в приемном устройстве, заключается в проверке, дает ли нуль сумма принятых битов кодового слова по 124

Лекция 11. Кодирование информации в канале связи

модулю 2 (положительная четность). Если результат равен 1, то кодовое слово содержит ошибки. Достоинства кода с контролем четности:  дешевизна и простота аппаратной реализации;  быстрота проверки точности данных; Однако организация проверки на четность имеет очень скромные возможности с точки зрения выявления ошибок. С ее помощью можно только обнаруживать, но не исправлять ошибки. Кроме того, можно обнаружить только нечетное количество ошибок (1, 3 и т. д.). Коды с контролем четности используются в простейших случаях, когда уровень помех невелик и длительность импульса помехи не превышает длительность одного бита. Пример. Трехбитовый код используется для представления четырех символов, а остальные комбинации не используются. В этом случае можно предложить следующую схему кодирования: A B C D

000 011 110 101

Этот код имеет минимальное расстояние Хэмминга dmin = 2. Следовательно, ошибочными должны быть по крайней мере два бита, прежде чем приемник считает ошибочный символ. Можно показать, что расстояние Хэмминга dmin = 3 требует трех дополнительных битов, если имеются четыре информационных бита. Такой код называют кодом Хэмминга (7, 4). Прямоугольный код. Увеличивая избыточность и вводя дополнительные разряды, можно не только обнаруживать ошибки, но и определять позицию ошибки и исправлять ее. Прямоугольный код создается следующим образом. Вначале из битов сообщения строится таблица, имеющая М строк и N столбцов. Затем к каждой строке и каждому столбцу прибавляется бит четности, что в результате дает таблицу размером (M + 1)×(N + 1). Степень кодирования прямоугольного кода k MN .  n  M  1   N  1 Отдельная ошибка приведет к нарушению четности в одной строке и одном столбце. Таким образом, прямоугольный код может исправить любую единичную ошибку, так как ее расположение определяется пересечением строки и столбца, в которых нарушена четность. 125

Раздел III. Методы кодирования информации

ЛЕКЦИЯ 12 КОДЫ ХЭММИНГА. ЦИКЛИЧЕСКИЙ КОД План занятия: 1. Коды Хэмминга. 2. Контроль с помощью избыточного циклического кода. 1. Коды Хэмминга. Код с проверкой на четность, рассмотренный в предыдущей лекции, способен только обнаруживать ошибки, но не исправлять их. Коды Хэмминга относятся к блочным кодам с исправлением ошибок, которые используют преимущества кода с проверкой на четность. Кодами Хэмминга называют блочные коды, имеющие следующую структуру: (n, k) = (2m – 1,2m – 1 – m), m = 2, 3, … . При m = 3 (n, k) = (7, 4); При m = 4 (n, k) = (15, 11); При m = 5 (n, k) = (31, 26). Идея кодов Хэмминга заключается в разбиении данных на блоки фиксированной длины и вводе в эти блоки контрольных битов, дополняющих до четности несколько пересекающихся групп, охватывающих все биты блока. Предположим, что длина информационного блока, который требуется закодировать, равна m бит. Если количество контрольных битов, используемых для кодирования, равно k, то закодированный блок будет иметь длину n = m + k. Минимальное количество контрольных битов, необходимых для исправления однократной ошибки, определяется из неравенства 2k ≥ n + 1 или k ≥ log2 (n + 1). Например, для информационных данных длиной 7 бит (m = 7) необходимы 4 контрольных бита (k = 4), чтобы обеспечить исправление однократных ошибок, а для данных длиной 128 бит необходимо 8 контрольных битов. После определения минимального количества контрольных битов необходимо закодировать исходную последовательность, используя следующий алгоритм: 1. Все биты в конечной последовательности n, порядковые номера которых являются степенью двойки, – это контрольные биты. Так, первый контрольный бит k1 будет расположен под порядковым номером N (k1) = 20 = 1, второй контрольный бит k2 под порядковым номером N (k2) = 21 = 2, … N (k3) = 22 = 4, … и т. д. 126

Лекция 12. Коды Хэмминга. Циклический код

2. Далее для каждого контрольного бита необходимо определить группы битов в конечной последовательности, которые он будет контролировать. Контрольный бит, расположенный в позиции N, контролирует все последующие N бит через каждые N бит, начиная с позиции N. 3. Рассчитать значения контрольных битов путем суммирования по модулю два всех подконтрольных ему битов. Если в случае суммирования всех подконтрольных бит получилось четное число, то значение контрольного бита равно нулю, если сумма нечетная, то значение контрольного бита равно единице. После передачи закодированной последовательности по каналу связи приемник повторно вычисляет значения всех контрольных битов. Если все рассчитанные значения равны 0, то мы имеем «нулевой синдром», свидетельствующий о том, что при передаче данных не возникло однократной ошибки. Если синдром не равен нулю, можно определить, в каком месте последовательности произошла ошибка. Для этого необходимо разложить последовательность контрольных битов по степеням двойки и просуммировать: N (ошибки) = 20·k1 + 21·k2 + 22·k3 … Например, после передачи последовательности из 12 бит мы получили синдром «0010», т. е. рассчитанные значения контрольных битов равны: k1 = 0, k2 = 0, k3 = 1, k4 = 0. Следовательно, ошибка произошла в четвертом бите: N = 20·0 + 21·0 + 22·1 + 23·0 = 4.

Пример кода Хэмминга. Рассмотрим пример кодирования строки из ASCII символов. 1. Закодируем последовательность из символов «ТСА». Используя таблицу кодировки Windows-1251 (Windows-1251 – набор символов и кодировка, являющаяся стандартной 8-битной кодировкой для русских версий Microsoft Windows до 10-й версии), представим нашу последовательность в двоичном виде. Символ Т С A

DEC-формат 210 209 192

BIN-формат 11010010 11010001 11000000

2. Определим необходимое число контрольных битов. Исходная последовательность m = 8·3 = 24 бита. Минимальное количество контрольных битов k должно удовлетворять условию 2k ≥ n + 1. 127

Раздел III. Методы кодирования информации

При k = 4: 24 ≤ 24 + 4 + 1 (не удовлетворяет условию). При k = 5: 25 ≥ 24 + 5 + 1 (удовлетворяет условию), следовательно k = 5. Формируем конечную последовательность n = m + k. Контрольные биты приравниваем к нулю. Определяем группы подконтрольных битов по правилу: контрольный бит, расположенный в позиции N, контролирует все последующие N бит через каждые N бит, начиная с позиции N. Группа бит К1 контролируется битом k1 и состоит из бит: 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23, 25, 27, 29. Номер 1 k1 Зна0 чение К1 Х К2 К4 К8 К16

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 k2 k3 k4 k5

0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 Х Х Х

Х

Х Х Х Х Х Х Х

Х

Х Х Х

Х

Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х

Х

Х Х Х

Х

Х Х Х Х Х Х Х

Х

Х Х Х

Х

Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х

3. Производим расчет значений для контрольных битов. Производим суммирование битов в каждой группе. Если сумма четная, то значение контрольного бита приравниваем к нулю, если нечетная, то к единице: К1 = 0+1+1+1+0+1+1+0+1+0+1+1+0+0+0 = 8  k1 = 0. К2 = (0+1)+(0+1)+(0+1)+(1+0)+(0+0)+(1+1)+(0+0) = 6  k2 = 0. К4 = (0+1+0+1)+(0+1+1+0)+(0+1+1+1)+(0+0) = 7  k3 = 1. К8 = (0+0+0+1+0+1+1+0)+(0+0+0+0+0+0) = 3  k4 = 1. К16 = (0+1+0+0+0+1+1+1+0+0+0+0+0+0) = 4  k5 = 0. 4. Вставляем значения контрольных битов в конечную последовательность. Номер 1 k1 Зна0 чение К1 Х К2 К4 К8 К16

128

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 k2 k3 k4 k5

0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 Х Х Х

Х

Х Х Х Х Х Х Х

Х

Х Х Х

Х

Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х

Х

Х Х Х

Х

Х Х Х Х Х Х Х

Х

Х Х Х

Х

Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х

Лекция 12. Коды Хэмминга. Циклический код

Если при передаче данных не происходит однократной ошибки, то повторный расчет значений контрольных бит должен быть равен «нулевому синдрому». Проверяем: К1 = 0+1+1+1+0+1+1+0+1+0+1+1+0+0+0=8  k1 = 0. К2 = (0+1)+(0+1)+(0+1)+(1+0)+(0+0)+(1+1)+(0+0) = 6  k2 = 0. К4 = (1+1+1+1)+(0+1+1+0)+(0+1+1+1)+(0+0) = 8  k3 = 0. К8 = (1+0+0+1+0+1+1+0)+(0+0+0+0+0+0) = 4  k4 = 0. К16 = (0+1+0+0+0+1+1+1+0+0+0+0+0+0) = 4  k5 = 0. Синдром равен нулю. 5. Предположим, что в процессе передачи данных произошла однократная ошибка в бите под номером 14. Номер 1 k1 Зна0 чение К1 Х К2 К4 К8 К16

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 k2 k3 k4 k5

0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 Х Х Х

Х

Х Х Х Х Х Х Х

Х

Х Х Х

Х

Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х

Х

Х Х Х

Х

Х Х Х Х Х Х Х

Х

Х Х Х

Х

Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х

Рассчитаем синдром для полученной последовательности: К1 = 0+1+1+1+0+1+1+0+1+0+1+1+0+0+0 = 8  k1 = 0. К2 = (0+1)+(0+1)+(0+1)+(0+0)+(0+0)+(1+1)+(0+0) = 5  k2 = 1. К4 = (1+1+1+1)+(0+0+1+0)+(0+1+1+1)+(0+0) = 7  k3 = 1. К8 = (1+0+0+1+0+0+1+0)+(0+0+0+0+0+0) = 3  k4 = 1. К16 = (0+1+0+0+0+1+1+1+0+0+0+0+0+0) = 4  k5 = 0. Синдром равен 01110. Следовательно, произошла однократная ошибка в бите под номером 14: N = 20·0 + 21·1 + 22·1 + 23·1 + 24·0 = 2 + 4 + 8 = 14. Необходимо отметить, что в случае многократных ошибок синдром может быть как нулевым, так и ненулевым, поэтому данный метод кодирования не позволяет исправлять многократные ошибки. Рассмотренный пример показывает, что алгоритм коррекции ошибок Хемминга достаточно прост и надежен. При этом эффективность кода растет при увеличении информационных блоков. Так, для кодирования 7 бит данных избыточность составляет чуть больше 57 %, для кодирования 256 бит избыточность будет 3,5 %, а для 1024 – 1 %. 129

Раздел III. Методы кодирования информации

Алгоритм кодирования Хэмминга очень популярен и позволяет значительно повысить надежность передачи и хранения информации. Особенно он выгоден при кодировании больших блоков данных. Существуют различные способы реализации этого алгоритма. 2. Контроль с помощью избыточного циклического кода. Эффективным механизмом обнаружения ошибок при передаче длинных сообщений являются циклические избыточные коды (Cyclic Redundancy Codes – CRC). Механизм контроля с помощью циклического избыточного кода эффективен для обнаружения «пакетных ошибок», когда помехи искажают целую строку битов. Для таких кодов найдены сравнительно простые методы аппаратной и программной реализации. Циклическим называется код, в котором кодовая комбинация, полученная путем циклического сдвига разрешенной кодовой комбинации, является также разрешенной кодовой комбинацией. Сдвиг осуществляется справа налево, при этом крайний левый символ переносится в конец комбинации. Циклические коды являются разновидностью систематических кодов и поэтому обладают всеми их свойствами. Первоначально они были созданы для упрощения схем кодирования и декодирования. Их эффективность при обнаружении и исправлении ошибок обеспечила им широкое применение на практике. Принцип построения циклических кодов. При построении циклических кодов n-разрядные кодовые комбинации представляются в виде полиномов фиктивной переменной x. Показатели степени у переменной x соответствуют номерам разрядов начиная с нулевого. Такое представление позволяет свести действия над кодовыми комбинациями к действиям над многочленами (используя аппарат полиномиальной алгебры). Например, кодовую комбинацию 01011 можно записать в виде полинома Q (x) = 0·x4 + 1·x3 + 0·x2 + 1·x1 + 1, или после упрощения

Q (x) = x3 + x1 + 1.

Наибольшую степень x в слагаемом с ненулевым коэффициентом называют степенью полинома. Сдвиг образующего полинома без переноса единицы в конец кодовой комбинации соответствует умножению на x. Например, умножив комбинацию 001011, соответствующую полиному Q0 (x) = x3 + x1 + 1, на x, получим комбинацию 010110, соответствующую многочлену xQ0 (x). Циклический сдвиг кодовой комбинации с единицей в старшем разряде эквивалентен умножению соответствующего полинома на x с одновременным вычитанием из результата x4 – 1, т. е. с приведением по модулю x4 + 1. Следовательно, любая разрешенная комбинация может 130

Лекция 12. Коды Хэмминга. Циклический код

быть получена в результате умножения образующего полинома на другой полином с приведением результата по модулю x4 + 1. При соответствующем выборе образующего полинома любой полином циклического кода делится на него без остатка. Ни один полином, соответствующий запрещенной кодовой комбинации, на образующий полином без остатка не делится. С помощью циклического избыточного кода передающее устройство создает некоторое число, называемое контрольной суммой и являющееся функцией сообщения, и добавляет его в конец этого сообщения. Приемное устройство, используя тот же самый алгоритм, рассчитывает контрольную сумму принятого сообщения и сравнивает ее с переданным значением. В CRC-алгоритме используется полиномиальная арифметика по модулю 2. Это означает, что действия, выполняемые во время вычисления CRC, являются арифметическими операциями без учета переноса. То есть сложение и вычитание выполняются побитово, без учета переноса, благодаря чему эти две операции дают эквивалентный результат. Операции сложения и вычитания в этом случае идентичны операции XOR (исключающее ИЛИ). Пример расчета CRC. Чтобы выполнить вычисление CRC, нам необходимо выбрать делитель. Говоря математическим языком, делитель называется порождающим полиномом (generator polinomial), или просто полиномом, и это ключевое слово любого CRC-алгоритма. Для простоты мы будет называть CRC-полином просто полиномом. Можно выбрать и использовать в CRC любой полином. Однако некоторые справляются со своей задачей лучше остальных, поэтому имеет смысл их протестировать. Степень полинома W (width – ширина) (позиция самого старшего единичного бита) чрезвычайно важна, так как от нее зависят все остальные расчеты. Обычно выбирают степень 16 или 32, так как это облегчает реализацию алгоритма на современных компьютерах. Степень полинома – это действительная позиция старшего бита, например, степень полинома 10011 равна 4, а не 5. В качестве примера в дальнейшем мы и будет использовать этот полином (полином 4-й степени «10011»). Выбрав полином, приступим к расчетам. Это будет простое деление (в терминах CRC-арифметики) сообщения на наш полином. Единственное, что надо будет сделать до начала работы, так это дополнить сообщение W нулевыми битами. Исходное сообщение: 1101011011. Полином: 10011. Сообщение, дополненное W нулевыми битами: 11010110110000.

131

Раздел III. Методы кодирования информации

11010110110000 Выровненное сообщение ( P ( x ) +0000) 10011 Делитель ( G ( x) ) Выполним деление: 11010110110000 10011 010011 10011 0000010110 10011 0010100 10011 001110

10011 1100001001

Результат: 1100001001 Частное от деления 1110 Остаток от деления = CRC

Для вычисления CRC необходимо выполнить следующие действия: 1. Выбрать степень полинома W и полином G (степени W). 2. Добавить к сообщению W нулевых битов. Назовем полученную строку M'. 3. Поделим M' на G с использованием правил CRC-арифметики. Полученный остаток и будет контрольной суммой. Как правило, контрольная сумма добавляется к сообщению и вместе с ним передается по каналам связи. В нашем случае будет передано следующее сообщение:11010110111110. На другом конце канала приемник выполняет одно из равноценных действий: 1. Выделяет текст собственно сообщения, вычисляет для него контрольную сумму (дополняя при этом сообщение W битами) и сравнивает ее с переданной. 2. Вычисляет контрольную сумму для всего переданного сообщения (без добавления нулей) и проверяет остаток. Если ошибок нет, результирующий остаток состоит из нулей. Если ошибки имеются, остаток будет отличен от нуля.

132

Лекция 13. Помехи в системах передачи данных. Заземление

ЛЕКЦИЯ 13 ПОМЕХИ В СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ. ЗАЗЕМЛЕНИЕ План: 1. Основные понятия. Источники помех. 2. Помехи из сети электроснабжения. 3. Общие понятия и принципы заземления. 4. Заземление гальванически связанных и развязанных цепей. 1. Основные понятия. Источники помех. Самые дорогие и надежные контроллеры, модули ввода-вывода, датчики могут оказаться неработоспособными, если монтаж системы выполнен без учета требований электромагнитной совместимости и правил заземления. Неправильное заземление во многих случаях является причиной дорогостоящего ремонта оборудования, используемого в нефтяной, автомобильной и горной промышленности. Его следствием могут быть сбои в работе систем автоматики, повышенная погрешность измерений, выход из строя чувствительных элементов, замедление работы системы вследствие появления ошибок в каналах связи, нестабильность регулируемых параметров, ошибки в собираемых данных. ГОСТ Р 50397–2011 дает следующее определение электромагнитной помехи: это любое электромагнитное явление, которое может ухудшить качество функционирования технического средства. Для нормального функционирования электронных устройств необходимо обеспечивать их электромагнитную совместимость (ЭМС) с электромагнитной обстановкой (ЭМО) на объекте. Под электромагнитной обстановкой понимается совокупность электромагнитных явлений и процессов, существующих в заданной области пространства, частотном и временном диапазонах. Проблема заземления в промышленной автоматизации мало разработана. Сложность связана с тем, что источники помех, приемники и пути их прохождения распределены в пространстве, момент и факт их появления часто является случайной и ненаблюдаемой величиной, а местонахождение заранее неизвестно. Нелегко провести измерение помех, практически невозможно сделать достаточно точный теоретический анализ. Поэтому обоснование того или иного метода заземления, которое, строго говоря, должно опираться на математические расчеты, на практике приходится делать на основании опыта и интуиции, путем проб и ошибок. 133

Раздел III. Методы кодирования информации

Понимание причин возникновения помех при проектировании систем автоматизации позволяет избежать ошибок в выборе оборудования, его размещении, экранировании и кабельной разводке, а также ускорить процесс внедрения системы. Подключение новых элементов к измерительной системе часто выявляет неожиданные проблемы, причина которых кроется в том, что источники помех и погрешностей, вызванных паразитными связями, являются скрытыми от проектировщика: их нет на электрической схеме. Об их местонахождении можно только догадываться, появление трудно предсказать, а устранить можно только в процессе эксплуатации. Тем не менее ряд типовых условий возникновения помех и методов их устранения достаточно хорошо изучен. Любая помеха является следствием воздействия на систему передачи данных одного из физических полей, их условная классификация представлена на рис. 13.1. Физические поля – источники помех

Гравитационное

Тепловое

Электромагнитное

Акустическое

Магнитное

Оптическое (световое)

Электростатическое

Радиационное

Рис. 13.1. Физические поля – источники помех

Все помехи, воздействующие на кабели, датчики, исполнительные механизмы, контроллеры и металлические шкафы автоматики, в большинстве случаев имеют электромагнитную природу. Источниками и причинами помех могут быть молния, статическое электричество, электромагнитное излучение, сеть электропитания, нелинейные сетевые нагрузки, гальванические пары, термоэлектрический эффект, электролитические процессы, движение проводника в магнитном поле и др. Государственные центры стандартизации и сертификации во всех странах мира не допускают к производству оборудование, являющееся источником помех недопустимо высокого уровня. Однако уровень помех невозможно сделать равным нулю. Кроме того, на практике встречается достаточно много источников помех, связанных с неисправностями или применением несертифицированного оборудования. 134

Лекция 13. Помехи в системах передачи данных. Заземление

В России допустимый уровень помех и устойчивость оборудования к их воздействию нормируются ГОСТ 30804.3.2–2013, ГОСТ 30805.14.2– 2013, ГОСТ 30804.6.1–2013, ГОСТ Р 50648–94 и др. Помехи, воздействующие на системы передачи данных, имеют широкий спектр частот (рис. 13.2). Помехи, лежащие в полосе пропускания аналоговых систем автоматики, имеют частоты до десятков кГц. На цифровые цепи воздействуют помехи в полосе до сотен МГц. Помехи с частотой от 1 ГГц в большей степени относят к радиопомехам, которые оказывают влияние на беспроводные системы передачи данных. Цифровые системы

Аналоговые системы

10-1

100

101

102

103 104 105 Частота, Гц

Беспроводные системы 106

107

108

Рис. 13.2. Частоты помех, воздействующих на системы передачи данных

Устройства, в которых происходят резкие скачки уровня тока или напряжения за короткий промежуток времени, являются источниками широкополосных помех (двигатели, выключатели, реле и контакторы, трамвайные токосъемники и т. п.). Устройства, в которых происходит периодическое изменение тока или напряжения с ограниченной скоростью нарастания, дают узкополосные помехи (например, сотовые телефоны, радиопередатчики, генераторы сигналов, микроволновые печи, микропроцессорные системы). В сигнальных цепях и цепях заземления систем автоматизации содержится весь спектр возможных помех. Однако паразитное влияние оказывают только помехи, частоты которых лежат в полосе пропускания устройств автоматики. Среднеквадратическое значение напряжения или тока помехи Епомехи определяется шириной ее спектра

Eпомехи 

fв

e

2

( f )df .

fн

Здесь e2 (f) – спектральная плотность мощности помехи; fв и fн – верхняя (максимальная) и нижняя (минимальная) частота помехи. В частном случае, когда e2 (f) слабо зависит от частоты, приведенное соотношение упрощается Eпомехи  e 2 ( f в  f н ) . 135

Раздел III. Методы кодирования информации

Таким образом, для уменьшения влияния помех на системы передачи данных необходимо сужать ширину полосы пропускания (fв – fн) аналоговых модулей ввода и вывода. 2. Помехи из сети электроснабжения. Питающая сеть 220/380 В с частотой 50 Гц и подключенные к ней блоки питания являются источниками следующих помех:  фон с частотой 50 Гц;  импульсы напряжения;  кратковременные затухающие колебания и переходные процессы, возникающие при переключении нагрузки;  высокочастотный шум;  низкочастотный шум, проявляющийся как нестабильность во времени величины среднеквадратического значения сетевого напряжения;  искажения синусоидальной формы кривой тока и напряжения высшими гармоническими составляющими. Причинами и источниками сетевых помех могут быть разряды молнии, попадающие в линию электропередачи, включение или выключение нагрузки, тиристорные регуляторы мощности, реле, электромагнитные клапаны, электродвигатели, электросварочное оборудование и другие нелинейные нагрузки. Классический путь проникновения сетевой помехи показан на рис. 13.3. Силовой, или развязывающий, трансформатор включен в сеть 220 В, 50 Гц. Сеть представлена эквивалентным источником напряжения E = 220 В и эквивалентным источником помех Епомехи. Нулевой провод источника сетевого напряжения заземлен на главном щите у ввода в здание. Если выход источника питания тоже заземлен, что часто необходимо для целей электробезопасности, то возникает путь протекания тока помехи (рис. 13.3) включающий сопротивление заземляющего проводника Rземли. Основным звеном в этой цепи является емкость между обмотками силового трансформатора C1. Ток помехи протекает по общему проводу источника питания и заземляющему проводнику, создавая на их сопротивлении падение напряжения помехи (участки цепи выделены жирной линией). Ток источника помехи может замыкаться не на трансформаторной подстанции, а через внутреннее сопротивление других электроприборов, подключенных к электрической сети, и емкость кабеля. Таким образом, на шине заземления падает напряжение помехи, делая ее «грязной», и часть напряжения помехи попадает на выход источника питания через участок провода, выделенный жирной линией. Путь тока помехи через емкость между первичной обмоткой трансформатора и его заземленным сердечником C3 показан на рис. 13.3. Этот ток также замыкается через общий провод источника питания и зазем136

Лекция 13. Помехи в системах передачи данных. Заземление

ляющий проводник. Именно эта емкость является причиной того, что незаземленные электроприборы «бьют током». При отсутствии заземления потенциал металлического корпуса приборов, подключенных к сети 220 В, составляет от нескольких десятков до 220 В в зависимости от сопротивления утечки на землю. Для уменьшения этого напряжения корпус прибора, включенного в сеть 220 В, должен быть заземлен. Eпомехи

E

C1

C2

C3

CФ

RН

Rземли

Рис. 13.3. Путь проникновения сетевой помехи

При использовании DC-DC (Direct Current – Direct Current) и AC-DC (Alternating Current – Direct Current) преобразователей напряжения, которые содержат внутренний генератор, к источнику помехи Епомехи добавляется емкостная и индуктивная наводка от собственного генератора преобразователя. Поэтому уровень помех на общем проводе у преобразователей DC-DC и AC-DC выше, чем в источниках с обычным силовым трансформатором, хотя проходная емкость C1 в преобразователях может быть уменьшена до единиц пикофарад по сравнению с сотнями пикофарад для обычного силового трансформатора. Для снижения проникновения помех в источниках питания используют раздельное экранирование первичной и вторичной обмотки трансформатора, а также разделение защитной, сигнальной и корпусной (экранной) земли (рис. 13.4). На рисунке сплошной линией обозначен металлический корпус прибора; кружками обозначены соединительные клеммы, изолированные от корпуса. Подробно методы соединения различных земель между собой будут описаны ниже. Наиболее мощной в системах автоматизации является помеха с частотой питающей сети 50 Гц. Поэтому для ее подавления используют узко137

Раздел III. Методы кодирования информации

полосные фильтры, настроенные точно на частоту 50 Гц и кратные ей частоты. При еще большей инерционности датчиков или контролируемой системы (например, датчик стоит в печи, время выхода на режим которой составляет несколько часов) можно использовать процедуру многократных измерений или дополнительную цифровую фильтрацию в управляющем контроллере или компьютере. В общем случае чем больше время измерения, тем точнее можно выделить сигнал на фоне шума и тем сильнее ослабить требования к уровню помех.

C1

E

C3

CФ RН

Рис. 13.4. Источник питания с тремя типами земель. Слева направо: защитная земля, экранная земля и сигнальная. Экран показан штриховой линией

Следует отметить, что наличие фильтра не всегда спасает от влияния помех. Если высокочастотная помеха, перед тем как попасть на вход модуля ввода, детектируется или выпрямляется на нелинейных элементах, то из сигнала помехи выделяется постоянная или низкочастотная составляющая, которая уже не может быть ослаблена фильтром модуля ввода. В качестве нелинейных элементов могут выступать, например, контакты разнородных металлов, защитные диоды, стабилитроны, варисторы. 3. Общие понятия и принципы заземления. Изучение влияния помех, связанных с неправильным заземлением, требует составления правдоподобных упрощенных моделей системы, включающих источники, приемники и пути прохождения помехи. Анализ таких моделей позволяет оценить влияние помех на характеристики системы. Термин «заземление» имеет много смысловых оттенков. Не будем рассматривать вопросы заземления энергетических электроустановок. Речь пойдет только о заземлении, используемом в технических системах пере138

Лекция 13. Помехи в системах передачи данных. Заземление

дачи данных и системах автоматизации для обеспечения их стабильного функционирования, а также с целью защиты персонала от поражения электрическим током. Большинство проблем заземления в системах автоматизации возникают вследствие необходимости защиты человека от поражения электрическим током. С землей соединена нейтраль трансформатора электрической подстанции, земля является частью генератора электростатического заряда во время грозы, а также проводником, в котором за счет явления электромагнитной индукции наводятся токи. Земля как проводник участвует практически в любой электрической системе, и ее наличие нельзя игнорировать. Рассмотрим общие термины и понятия, связанные с заземлением. Под заземлением понимают как соединение с грунтом Земли, так и с некоторым общим проводом электрической системы, относительно которого измеряют электрический потенциал. В космическом корабле или самолете землей считают металлический корпус. В приемнике с батарейным питанием – систему внутренних проводников, которые являются общим проводом для всей электронной схемы. В дальнейшем будем использовать именно такое понятие земли. Потенциал земли в электрической системе не всегда равен нулю относительно грунта Земли. В летящем самолете, например, за счет генерации электростатического заряда потенциал земли (корпуса) самолета может составлять сотни и тысячи вольт относительно поверхности Земли. Уменьшенным вариантом земли космического корабля является плавающая земля – не соединенная с грунтом Земли система проводников, относительно которой отсчитывается потенциал в отдельной части электрической системы. Например, в модуле аналогового ввода с гальванической развязкой внутренняя аналоговая земля модуля может не соединяться с грунтом Земли, т. е. быть плавающей. Общим проводом называют проводник в системе автоматики, относительно которого отсчитываются потенциалы. Обычно он является общим для источника питания и подключенных к нему электронных устройств. Примером может быть провод, общий для всех 8 входов 8-канального модуля аналогового ввода с одиночными (не дифференциальными) входами. Общий провод во многих случаях является синонимом земли, но он может быть вообще не соединен с грунтом Земли. Сигнальным заземлением называют соединение с землей общего провода цепей передачи сигнала. Силовая земля – общий провод в системе, соединенный с защитной землей, по которому протекает большой ток (большой по сравнению с током для передачи сигнала). 139

Раздел III. Методы кодирования информации

В основе такого деления земель лежит различный уровень чувствительности к помехам аналоговых и цифровых цепей, а также сигнальных и мощных (силовых) цепей. Заземляющие проводники – проводники, соединяющие оборудование с заземлителем, должны быть по возможности короткими, чтобы их активное и индуктивное сопротивление было как можно меньше. Для эффективного заземления на частотах более 1 МГц проводник должен быть короче 1/20, а лучше 1/50 длины волны самой высокочастотной гармоники в спектре помехи. При частоте помехи 10 МГц (длина волны 30 м) и длине проводника 7,5 м (1/4 от длины волны) модуль его полного сопротивления на частоте помехи будет равен бесконечности, т. е. такой проводник можно использовать в качестве изолятора на частоте помехи, но не для заземления. При наличии фильтров в системе автоматизации за максимальную частоту влияющей помехи можно принимать верхнюю граничную частоту фильтра. Чтобы снизить падение напряжения на заземлителе, надо уменьшать его длину. Индуктивное сопротивление провода заземления на частоте помехи f равно XL = 2π f L l, где L в типовых случаях равно примерно 0,8 мкГн/м (погонная индуктивность провода); l – длина провода; f – частота помехи. Если провода заземления располагаются близко один от другого, то между ними передается помеха через взаимную индуктивность. Это особенно существенно на высоких частотах. Заземляющий проводник не должен касаться других металлических предметов, поскольку такие случайные нестабильные контакты могут быть источником дополнительных помех. Виды заземлений. Одним из путей ослабления вредного влияния цепей заземления на системы автоматизации является раздельное выполнение заземлений для устройств, имеющих разную чувствительность к помехам или являющихся источниками помех разной мощности. Раздельное исполнение заземляющих проводников позволяет выполнить их соединение с защитной землей в одной точке. При этом заземляющие проводники разных систем земель представляют собой лучи звезды, центром которой является контакт к шине защитного заземления здания. Благодаря такой топологии помехи «грязной» земли не проникают в проводники «чистой» земли. Таким образом, несмотря на то что системы заземления разделены и имеют разные названия, в конечном счете все они соединены с землей через систему защитного заземления. Исключение составляет только «плавающая» земля. Силовое заземление. В системах автоматики могут использоваться электромагнитные реле, серводвигатели, электромагнитные клапаны 140

Лекция 13. Помехи в системах передачи данных. Заземление

и другие устройства, ток потребления которых существенно превышает ток потребления модулей ввода-вывода и контроллеров. Цепи питания таких устройств выполняют отдельной парой свитых проводов (для уменьшения излучаемых помех), один из которых соединяется с шиной защитного заземления. Общий провод системы (обычно провод, подключенный к отрицательному выводу источника питания) является силовой землей. Аналоговая и цифровая земля. Системы промышленной автоматики являются аналого-цифровыми. Поэтому один из источников погрешностей аналоговой части – помеха, создаваемая цифровой частью системы. Для исключения прохождения помех через цепи заземления цифровую и аналоговую землю выполняют в виде несвязанных проводников, соединенных вместе только в одной общей точке. Для этого модули ввода-вывода и промышленные контроллеры имеют отдельные выводы аналоговой земли (Analog Grou ND – AGND) и цифровой (Digital Grou ND – DGND). «Плавающая» земля» образуется в случае, когда общий провод небольшой части системы электрически не соединяется с шиной защитного заземления (т. е. с Землей). Типовыми примерами таких систем являются батарейные измерительные приборы, системы автоматики автомобиля, самолета или космического корабля. «Плавающая» земля может быть получена с помощью DC-DC- или AC-DC-преобразователей, если вывод вторичного источника питания в них не заземлен. Такое решение позволяет полностью исключить наводки через общий провод заземления. Кроме того, допустимое напряжение синфазного сигнала может достигать 300 В и более; практически полным становится подавление синфазного сигнала, снижается влияние емкостных помех. Однако на высоких частотах токи через емкость на землю существенно снижают последние два достоинства. Если «плавающая» земля получена с помощью устройств гальванической развязки на оптронах и DC-DC- преобразователях, то надо принять особые меры для предотвращения накопления заряда в емкости между Землей и «плавающей» землей, которое может привести к пробою оптрона. Пример образования «плавающей» земли показан на рис. 13.5. Вывод AGND-модуля ввода сигналов термопар не соединен с землей. Аналоговая часть модуля имеет эквивалентную емкость на землю Cплав, которая включает в себя емкость входных цепей на землю, емкость проводников печатной платы на землю, проходную емкость DC-DC-преобразователя и оптронов гальванической развязки. Величина этой емкости может составлять около 100 пФ и более. Поскольку воздух и другие диэлектрики, с которыми контактирует емкость Cплав, имеют не бесконечное электрическое сопротивление, то емкость может медленно, в течение минут или часов, зарядиться током утечки Iутеч до потенциала электризованных тел, высоковольтных источников питания или потенциала, связанного с атмо141

Раздел III. Методы кодирования информации

сферным электричеством. Потенциал «плавающей» земли может превысить напряжение пробоя изоляции оптронов и вывести систему из строя. В качестве защитных мер при использовании «плавающей» земли можно рекомендовать соединение «плавающей» части с землей через сопротивление величиной от десятков кОм до единиц МОм. Вторым способом является применение батарейного питания одновременно с передачей информации через оптический кабель. U пит I утеч

Cплав

Рис. 13.5. Пример «плавающей» земли

«Плавающая» земля чаще используется в технике измерений малых сигналов и реже – в промышленной автоматизации. 4. Заземление гальванически связанных и развязанных цепей. Техника заземления в системах промышленной автоматизации сильно различается для гальванически связанных и гальванически развязанных цепей. Большинство методов, описанных в литературе, относится к гальванически связанным цепям, доля которых в последнее время существенно уменьшилась. Гальванически связанные цепи. Рекомендуется избегать применения гальванически связанных цепей, но если другого варианта нет, то желательно, чтобы размер этих цепей был по возможности малым и они располагались в пределах одного шкафа. Чтобы пояснить, как правильно выполнить заземление, рассмотрим вариант неправильного (рис. 13.6) и правильного (рис. 13.7) монтажа. На рис. 13.6 допущены следующие ошибки:  ток мощной нагрузки (двигателя постоянного тока) замыкается по той же шине заземления, что и сигнал, создавая падение напряжения Uземли; 142

Лекция 13. Помехи в системах передачи данных. Заземление

 использовано однополярное включение приемника сигнала, а не

дифференциальное;  применен модуль ввода без гальванической развязки цифровой и аналоговой части, поэтому ток питания цифровой части, содержащий помеху, протекает через вывод AGND и создает дополнительное падение напряжения помехи на сопротивлении R1. Перечисленные ошибки приводят к тому, что напряжение на входе приемника Uвх равно сумме напряжения сигнала Uвых и напряжения помехи Uземли = R1 (Iпит + IМ). Для устранения этого недостатка в качестве проводника заземления можно использовать медную шину большого сечения, однако лучше выполнить заземление так, как показано на рис. 13.7, а именно:  все цепи заземления соединить в одной точке. При этом ток помехи IМ уже не замыкается через сопротивление R1;  проводник заземления приемника сигнала присоединить к той же общей точке. При этом ток Iпит уже не протекает через сопротивление R1, а падение напряжения на сопротивлении проводника R2 не складывается с выходным напряжением источника сигнала Uвых. Общим правилом ослабления связи через общий провод заземления является деление земель на аналоговую, цифровую, силовую и защитную с последующим их соединением только в одной точке. При разделении заземлений гальванически связанных цепей используется общий принцип: цепи заземления с большим уровнем помех должны выполняться отдельно от цепей с малым уровнем помех, а соединяться – только в одной общей точке. Точек заземления может быть несколько, если топология такой цепи не приводит к появлению участков «грязной» земли в контуре, включающем источник и приемник сигнала, а также если в цепи заземления не образуются замкнутые контуры, по которым циркулирует ток, наведенный электромагнитной помехой. Недостатком метода разделения проводников заземления является низкая эффективность на высоких частотах, когда большую роль играет взаимная индуктивность между рядом идущими проводниками заземления, которая только заменяет гальванические связи на индуктивные, не решая проблемы в целом. Большая длина проводников приводит также к увеличению сопротивления заземления, что важно на высоких частотах. Поэтому заземление в одной точке используется на частотах до 1 МГц, свыше 10 МГц заземлять лучше в нескольких точках, в промежуточном диапазоне от 1 до 10 МГц следует использовать одноточечную схему, если наиболее длинный проводник в цепи заземления меньше 1/20 от длины волны помехи. В противном случае используется многоточечная схема. 143

Раздел III. Методы кодирования информации

U пит

U пит

Епит

M

U вх AGND

IM

U вых U земли

IM

I пит

R1

Рис. 13.6. Неправильное заземление

U пит

U пит

Епит

M

U вх AGND

U вых U земли1 R1

I пит U земли2

R2

Рис. 13.7. Правильное заземление

144

IM IM

Лекция 13. Помехи в системах передачи данных. Заземление

Заземление в одной точке часто используется в военных и космических устройствах. Гальванически развязанные цепи. Гальваническая развязка (изоляция) цепей является радикальным решением большинства проблем, связанных с заземлением, и ее применение фактически стало стандартом в системах промышленной автоматизации. Для осуществления гальванической развязки необходимо выполнить подачу энергии в изолированную часть цепи и обмен с ней сигналами. Подача энергии выполняется с помощью развязывающего трансформатора (в DC-DC- или AC-DC-преобразователях) или автономных источников питания: гальванических батарей и аккумуляторов. Передача сигнала осуществляется через оптроны и трансформаторы, элементы с магнитной связью, конденсаторы или оптоволокно. Основная идея гальванической развязки заключается в том, что в электрической цепи полностью устраняется путь, по которому возможна передача кондуктивной помехи. Гальваническая изоляция позволяет решить следующие проблемы:  исключает появление паразитных токов по шине земли, вызванных разностью потенциалов отдаленных друг от друга земель, и тем самым снижает индуктивные наводки, вызванные этими токами;  уменьшает практически до нуля напряжение синфазной помехи на входе дифференциального приемника аналогового сигнала;  защищает входные и выходные цепи модулей ввода и вывода от пробоя большим синфазным напряжением. Для применения гальванической развязки система автоматизации делится на автономные изолированные подсистемы, обмен информацией между которыми выполняется с помощью элементов гальванической развязки. Каждая подсистема имеет свою локальную землю и локальный источник питания. Подсистемы заземляют только для обеспечения электробезопасности и локальной защиты от помех. Основным недостатком цепей с гальванической развязкой является повышенный уровень помех от DC-DC-преобразователей. При использовании гальванически развязанных цепей понятие «напряжение изоляции» часто трактуется неправильно. В частности, если напряжение изоляции модуля ввода составляет 3 кВ, это не означает, что его входы могут находиться под таким высоким напряжением в рабочих условиях. Главное различие состоит в том, что в одних случаях речь идет о напряжении, которое может быть приложено к изоляции неограниченно долго (рабочее напряжение изоляции), в других случаях – об «испытательном напряжении» (напряжение изоляции), которое прикладывается к образцу в течение от 1 минуты до нескольких микросекунд. Испытательное напря145

Раздел III. Методы кодирования информации

жение может в 10 раз превышать рабочее и предназначено для ускоренных испытаний в процессе производства, поскольку напряжение, при котором наступает пробой, зависит от длительности тестового импульса.

U пит

U пит M AGND

Eпит

Cвч

U AGND

I ут1

IM IM

I ут2

RAGND

Рис. 13.8. Гальваническая развязка с раздельным заземлением

Радикальным решением случая неправильного заземления, показанного на рис. 13.6, является применение гальванической изоляции с раздельным заземлением цифровой, аналоговой и силовой части системы (рис. 13.8). Применение гальванической изоляции позволяет разделить аналоговую и цифровую землю, а это, в свою очередь, исключает протекание по аналоговой земле токов помехи от силовой и цифровой земли.

Клод Шеннон (1916–2001) Американский инженер и математик Клод Шеннон родился 30 апреля 1916 года в городе Петоцки, штат Мичиган, США. В 1936 году окончил Мичиганский университет, получив степень бакалавра сразу по двум специальностям – математика и электротехника. Статья «Символьный анализ реле и коммутаторов», написанная на основе его магистерской работы, была опубликована в 1938 году в издании Американского института инженеровэлектриков (AIEE). За эту статью К. Шеннон был награжден Премией имени Альфреда Нобеля Американского института инженеров-электриков. 146

Лекция 13. Помехи в системах передачи данных. Заземление

Специалисты считают эту работу «возможно, самой важной, а также самой известной магистерской диссертацией XX столетия». В докладе «Организация двухполюсных переключающих цепей», К. Шеннон предложил новый метод их организации, позволяющий уменьшить количество контактов реле, необходимых для реализации сложных логических функций. Во время Второй мировой войны он разрабатывал криптографические системы, в том числе и правительственную связь, которая обеспечивала переговоры Черчилля и Рузвельта. Работа в области криптографии подтолкнула его к созданию теории информации. В 1948 году К. Шеннон опубликовал свою основополагающую работу «Математическая теория связи». Он изложил ее в виде теорем, составляющих фундамент современной теории информации. Клод Шеннон был награжден многими научными наградами и медалями.

Ричард Хэмминг (1915–1998) Американский математик Ричард Весли Хэмминг родился 11 февраля 1915 года в Чикаго. В 1937 году он получил степень бакалавра в Чикагском университете. Почти 30 лет, с 1956 по 1976 год, Р. Хэмминг работал в компании Bell Labs. Он постоянно вел активные научные исследования, но известность ему принесла статья, посвященная кодам для коррекции ошибок. В статье рассматривалась конструкция блочного кода, корректирующего одиночные ошибки, возникающие при передаче сообщений. Он предложил важнейшие понятия теории кодирования «расстояние Хэмминга между кодовыми комбинациями» и «весовой коэффициент Хэмминга». Методы построения кодов, предложенные Р. Хэммингом, нашли практическое применение при создании систем передачи данных. Его работа имела важнейшее значение для дальнейшего развития теории кодирования. Она стимулировала обширные исследования этой области, выполненные во второй половине XX в. Р. Хэмминг известен не только как ученый, но и как выдающийся педагог. Он обладал широчайшей эрудицией. Им написаны прекрасные учебники по теории кодирования и теории информации, цифровым фильтрам, численным методам. Благодаря доступности и простоте изложения они пользуются большой популярностью. Его работа отмечена многими наградами. В 1968 г. он стал почетным членом В его честь IEEE учредил медаль, которой награждаются ученые, внесшие значительный вклад в теорию информации. 147

Раздел IV. Протоколы управления данными в промышленных системах

Раздел IV ПРОТОКОЛЫ УПРАВЛЕНИЯ ДАННЫМИ В ПРОМЫШЛЕННЫХ СИСТЕМАХ ЛЕКЦИЯ 14 ПРОТОКОЛЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ План: 1. Аппаратное и программное управление потоком данных. 2. Двоичный синхронный протокол. 3. Протоколы автоматического запроса повторной передачи (ARQ). 1. Аппаратное и программное управление потоком данных. Протокол можно определить как набор правил, управляющих обменом данными между передатчиком и приемником по каналу связи. Протокол решает следующие задачи:  инициализация, необходимая для начала передачи данных;  формирование кадра и синхронизация кадров – определение начала и конца кадра и обеспечение синхронизации приемника с кадром;  управление потоком, необходимое для того, чтобы не произошло переполнение приемника данными;  управление линиями, применяемое в полудуплексных каналах связи, в которых передатчик сообщает приемнику о начале передачи;  контроль за ошибками. Самые простые протоколы относятся только к управлению потоком данных. Двумя наиболее распространенными способами управления потоком данных являются XON/XOFF и ETX/ACK. Для управления потоком данных (Flow Control) могут использоваться два варианта – аппаратный и программный. Иногда управление потоком путают с квитированием, но это разные методы достижения одной цели – согласования темпа передачи и приема. Квитирование (Handshaking) подразумевает посылку уведомления о получении (квитанции) элемента, в то время как управление потоком предполагает посылку уведомления о невозможности последующего приема данных (или готовности приема). 148

Лекция 14. Протоколы передачи данных

Аппаратный протокол управления потоком RTS/CTS (Hardware Flow Control) использует сигнал CTS, который позволяет остановить передачу данных, если приемник не готов к их приему. Работу этого протокола иллюстрирует рис. 14.1. Передатчик отправляет очередной байт только при включенном состоянии линии CTS. Байт, который уже начал передаваться, задержать сигналом CTS невозможно (это гарантирует целостность посылки). Аппаратный протокол обеспечивает самую быструю реакцию на состояние приемника. Обычно микросхемы асинхронных приемопередатчиков имеют не менее двух регистров в приемной части: сдвигающий для приема очередной посылки и хранящий, из которого принятый байт считывается. Это позволяет реализовывать обмен с аппаратным протоколом без потери данных, не прибегая к программной буферизации. Аппаратный протокол удобно использовать при подключении конечных устройств к передающему терминалу, если они поддерживают этот режим. На рис. 14.2 приведена схема соединения контактов кабеля DB-9 для использования с аппаратным протоколом управления потоком RTS/CTS.

Рис. 14.1. Аппаратное управление потоком данных

DCD

1

1

DCD

RxD

2

2

RxD

TxD

3

3

TxD

DTR

4

4

DTR

GND

5

5

GND

DSR

6

6

DSR

RTS

7

7

RTS

CTS

8

8

CTS

Rl

9

9

Rl

Рис. 14.2. Кабель DB-9 для подключения с протоколом RTS/CTS

149

Раздел IV. Протоколы управления данными в промышленных системах

Программный протокол управления потоком XON/XOFF предполагает наличие двунаправленного канала передачи данных. Работает он следующим образом: если устройство, принимающее данные, обнаруживает причины, по которым оно не может их дальше принимать, оно по обратному последовательному каналу посылает байт-символ XOFF (13h). Передающее устройство, приняв этот символ, приостановит процесс передачи данных. Далее, когда принимающее устройство снова будет готово к приему данных, оно пошлет символ XON (11h), приняв который передающее устройство возобновит процесс передачи данных. Время реакции передатчика на изменение состояния приемника по сравнению с аппаратным протоколом увеличивается как минимум на время передачи символа (XON или XOFF) плюс время реакции программы передатчика на прием символа (рис. 14.3). Из этого следует, что данные без потерь могут приниматься только приемником, имеющим дополнительный буфер принимаемых данных и сигнализирующим о неготовности заблаговременно (имея в буфере свободное место).

TxD

RxD

1 байт

3 байт

2 байт

4 байт

5 байт

XON

XOFF

Прием XOFF

Прием XON

Приемник не готов

Рис. 14.3. Программное управление потоком XON/XOFF

Преимущество программного протокола при непосредственном соединении устройств заключается в отсутствии необходимости передачи управляющих сигналов интерфейса. Поэтому минимальный кабель для двустороннего обмена может иметь только три провода (минимальный нуль-модемный кабель). Недостатком, кроме требования наличия буфера и большего времени реакции (снижающего и общую производительность канала из-за ожидания прохождения сигнала XON), является сложность реализации полнодуплексного режима обмена. В этом случае из потока принимаемых данных должны выделяться (и обрабатываться) символы управления потоком, что ограничивает набор передаваемых символов. Схема соединения контактов кабеля для подключения с протоколом XON/XOFF приведена на рис. 14.4. 150

Лекция 14. Протоколы передачи данных DCD

1

1

DCD

RxD

2

2

RxD

TxD

3

3

TxD

DTR

4

4

DTR

GND

5

5

GND

DSR

6

6

DSR

RTS

7

7

RTS

CTS

8

8

CTS

Rl

9

9

Rl

Рис. 14.4. Кабель DB-9 для подключения с протоколом XON/XOFF

Кроме этих двух распространенных стандартных протоколов, поддерживаемых и устройствами, и операционными системами, существуют другие, более сложные протоколы. 2. Двоичный синхронный протокол. Протокол XON/XOFF удобен для передачи коротких сообщений между терминалом и компьютером, но он гораздо меньше подходит для блочной передачи, когда передаются большие сообщения, содержащие сотни и тысячи символов. Двоичный синхронный протокол управления (Binary Synchronous Communication – BSC) был специально создан для работы с большими блоками данных. Для разделения различных полей BSC-сообщения и обмена подтверждающей информацией используются управляющие символы (табл. 14.1). Управляющие символы BSC

Сокращение ACK ACK1 ACK2 DLE ENQ EOT ETB ETX NAK SOH STX SYN

Значение Подтверждение Подтверждение 1 Подтверждение 2 Символ ESC Запрос Конец передаваемых данных Конец блока данных Конец текста Отрицательное подтверждение Начало заголовка Начало текста Флаг синхронизации

Таблица 14.1

Описание Полученный блок в порядке Полученный нечетный блок в порядке Полученный четный блок в порядке Далее следует управляющий символ Необходимо отправить данные Конец передачи Конец блока Конец текстовых данных Ошибка в принятом блоке Передача информации Начало текстового сообщения Синхронизация приемника

151

Раздел IV. Протоколы управления данными в промышленных системах

Для синхронизации с началом сообщения приемник использует два символа SYN (комбинация битов 0010110). Символы SYN не считаются частью сообщения и не используются в символе проверки блока. Чтобы обеспечить синхронизацию, передатчик вставляет символы SYN в текстовое сообщение один раз в секунду. Текстовое поле начинается с символа STX и заканчивается символом ETX, ETB, EOT (в зависимости от конкретной ситуации). Если сообщение принято без ошибки, то приемник в качестве первого ответа выдает сигнал АСК1, в качестве второго ответа – сигнал АСК2 и т. д. Эти ответы чередуются, так что нечетное сообщение соответствует АСК1, а четное – АСК2. Это позволяет передатчику контролировать сообщения и обнаруживать неподтвержденные. Если приемник обнаружит в сообщении ошибку, то он отреагирует сигналом NAK. 3. Протоколы автоматического запроса повторной передачи (ARQ). Наиболее общим типом пакетного протокола является протокол автоматического запроса повторной передачи (Automatic Repeat Request – ARQ), при использовании которого в принимаемых пакетах определяется наличие ошибки. Отсутствие подтверждения правильности пакета автоматически приводит к его повторной передаче. На рис. 14.5 показаны три наиболее распространенные процедуры ARQ. Первая процедура ARQ (рис. 14.5, а) – запрос ARQ с остановками (stop-and-wait ARQ). Так как передатчик перед началом отправки очередного пакета ожидает подтверждения об успешном приеме (АСК) предыдущей посылки, то реализация stop-and-wait ARQ требует только полудуплексного соединения. На рис. 14.5, а третий блок передаваемых данных принят с ошибкой. Следовательно, приемник передает отрицательное подтверждение приема (NAK). Передатчик повторяет передачу третьего блока сообщения и только после этого передает следующий по очередности блок. Непрерывный запрос ARQ с возвратом (continuous ARQ with pullback). Вторая процедура ARQ (рис. 14.5, б) требует полнодуплексного соединения. Оба оконечных устройства начинают передачу одновременно: передатчик отправляет информацию, а приемник передает подтверждение о приеме данных. Каждому блоку передаваемых данных присваивается порядковый номер. Кроме того, номера кадров АСК и NAK должны быть согласованы, т. е. задержка распространения сигнала должна быть известна априори, чтобы передатчик знал, к какому блоку сообщения относится данный кадр подтверждения приема. На рис. 14.5, б время подобрано так, что между отправленным блоком сообщений и полученным подтверждением о приеме существует постоянный интервал в два блока. Например, после отправки сообщения 5 приходит сигнал NAK, информирующий об 152

Лекция 14. Протоколы передачи данных

ошибке в блоке 3. При использовании процедуры ARQ передатчик «возвращается» к сообщению с ошибкой и снова передает всю информацию, начиная с поврежденного сообщения. stop-and-wait ARQ Передатчик

1

Приемник

2

3

3

4

5

АСК

АСК

NAK

АСК

АСК

1

2

3

3

5 NAK

4

5

Ошибка

Ошибка

а

continuous ARQ with pullback Передатчик

1

Приемник

2

3

4

5

3

4

5

6

7

8

6

7

8

9

1

2

3

4

5

3

4

5

6

7

8

6

7

8

Ошибка

Ошибка

б

continuous ARQ with selective repeat Передатчик

Приемник

1

2

3

4

5

3

6

7

8

9 10 8 11 12 13

1

2

3

4

5

3

6

7

8

Ошибка

9 10 8 11 12

Ошибка

в Рис. 14.5. Примеры ARQ-процедур

Третья процедура (рис. 14.5, в) называется непрерывным запросом ARQ с выборочным повторением (continuous ARQ with selective repeat). Как и во второй процедуре, в ней требуется полнодуплексное соединение. В этой процедуре повторно передается только искаженное сообщение, а затем передатчик продолжает передачу с того места, где она прервалась, не выполняя повторной передачи правильно принятых сообщений. Компромиссом между требованиями эффективности применения ресурсов связи и необходимостью полнодуплексной связи является выбор конкретной процедуры ARQ. Полудуплексная связь требует меньших затрат, чем полнодуплексная, но в то же время она менее эффективна, что можно определить по количеству пустых временных интервалов. Более эффективная работа требует более дорогой полнодуплексной связи. 153

Раздел IV. Протоколы управления данными в промышленных системах

ЛЕКЦИЯ 15 МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ План занятия: 1. Открытые системы передачи данных. 2. Эталонная модель взаимодействия открытых систем (OSI). 3. Упрощенная модель OSI. 1. Открытые системы передачи данных. В цифровых системах передачи данных необходимо соблюдать определенные требования к аппаратному и программному обеспечению. Если все устройства изготовлены одним производителем, то проблемы, как правило, не возникают, поскольку система проектируется с соблюдением одинаковых рекомендаций и спецификаций. Они могут возникать в тех случаях, когда в одной сети используются устройства, выпущенные разными производителями. Системы, в которых используются устройства, выпущенные одним производителем, или специализированная аппаратура и протоколы, называют закрытыми. Открытые системы – это системы, которые отвечают определенным спецификациям и «открыты» для всех. Они позволяют использовать в одной сети оборудование, выпущенное разными производителями. Это оборудование должно отвечать определенным стандартам. Идеологической основой стандартизации является многоуровневый подход к разработке средств сетевого взаимодействия. В вычислительной технике под термином «спецификация» понимают формализованное описание аппаратных или программных компонентов, способов их функционирования, взаимодействия с другими компонентами, условий эксплуатации, ограничений и особых характеристик. Под открытыми спецификациями понимаются опубликованные, общедоступные спецификации, соответствующие стандартам и принятые в результате достижения согласия после всестороннего обсуждения всеми заинтересованными сторонами. Открытая спецификация не зависит от конкретных аппаратных и программных средств или продуктов отдельных производителей. В ее развитии могут участвовать все заинтересованные стороны. Использование при разработке систем открытых спецификаций позволяет третьим сторонам создавать для этих систем различные аппаратные или программные средства расширения и модификации, а также создавать программно-аппаратные комплексы из продуктов разных производителей. 154

Лекция 15. Модель взаимодействия открытых систем

Соблюдение принципов открытости дает следующие преимущества:  возможность построения сети из аппаратных и программных средств различных производителей, придерживающихся одного и того же стандарта;  возможность безболезненной замены отдельных компонентов сети другими, более совершенными, что позволяет сети развиваться с минимальными затратами;  возможность легкого сопряжения одной сети с другой;  простота освоения и обслуживания сети. Примером открытой системы является сеть Internet. Само название стандартов, определяющих работу сети Internet – Request For Comments (RFC), что можно перевести как «запрос на комментарии», – показывает гласный и открытый характер принимаемых стандартов. В результате сеть Internet сумела объединить в себе самое разнообразное оборудование и программное обеспечение огромного числа сетей, разбросанных по всему миру. 2. Эталонная модель взаимодействия открытых систем (OSI). Эталонная модель взаимодействия открытых систем (OSI) обеспечивает общую базу для разработки стандартов взаимодействия систем передачи данных. Она может быть применена ко всем коммуникационным системам – от персональных компьютеров до спутниковых каналов связи. OSI определяет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень. Идеей, которая положена в основу эталонной модели, является разбиение процесса информационного взаимодействия между системами на уровни с четко разграниченными функциями. Структура OSI состоит из семи уровней. Каждый уровень имеет определенное назначение и взаимодействует с соседними верхним и нижним уровнями. Стандарты определяются для каждого уровня таким образом, чтобы обеспечить определенную гибкость при проектировании. Такая организация обеспечивает независимую разработку стандартов для каждого уровня, модульность создания аппаратуры и программного обеспечения информационно-вычислительных систем и способствует тем самым техническому прогрессу в данной области. Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколом. Модули, реализующие протоколы соседних уровней и находящиеся в одном узле, также взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко определенными правилами и с помощью стандартизованных форматов сообщений. Эти правила принято называть интерфейсом. Интерфейс определяет набор сервисов, предоставляемый данным уровнем соседнему уровню. 155

Раздел IV. Протоколы управления данными в промышленных системах

Средства каждого уровня должны отрабатывать, во-первых, свой собственный протокол, а во-вторых, интерфейсы с соседними уровнями. Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов. Коммуникационные протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней часто реализуются комбинацией программных и аппаратных средств, а протоколы верхних уровней, как правило, – чисто программными средствами. Протоколы реализуются не только компьютерами, но и другими сетевыми устройствами – концентраторами, мостами, коммутаторами, маршрутизаторами и т. д. В зависимости от типа устройства в нем должны быть встроенные средства, реализующие тот или иной набор протоколов. Эталонная модель OSI является общим каркасом, определяющим протоколы, а также функции, которые должны обеспечиваться каждым уровнем. Эталонная модель состоит из следующих уровней:  Уровень 1 – физический. Он определяет электрические и механические характеристики системы.  Уровень 2 – канальный. Функции этого уровня – создание кадров и коррекция ошибок.  Уровень 3 – сетевой. Это комплексный уровень, который определяет возможность соединения и выбор маршрутов прохождения пакетов информации по сети.  Уровень 4 – транспортный. Определяет управление связью между двумя конечными точками системы передачи данных, обеспечивает надежность передачи сообщений.  Уровень 5 – сеансовый. Управляет сеансами взаимодействия между прикладными задачами, синхронизирует диалог между объектами представительного уровня и управляет обменом информацией между ними, а также обеспечивает восстановление прерванных сеансов связи.  Уровень 6 – представления. Преобразует формат и синтаксис данных в форму, подходящую для транспортного уровня, осуществляет кодирование и сжатие данных.  Уровень 7 – прикладной. Отвечает за передачу данных и обмен сообщениями. На рис. 15.1 схематично показано взаимодействие двух устройств согласно структуре эталонной модели взаимодействия открытых систем. Три нижних уровня – физический, канальный и сетевой – мало зависят от технических особенностей сети. На протоколы этих уровней не влияют изменения в топологии сети, замена оборудования или переход на 156

Лекция 15. Модель взаимодействия открытых систем

другую сетевую технологию. Транспортный уровень является промежуточным. Он скрывает детали функционирования нижних уровней от верхних. Это позволяет разрабатывать приложения, не зависящие от технических средств непосредственной передачи сообщений. Устройство А 7. Прикладной (application) 6. Представления (presentation) 5. Сеансовый (session) 4. Транспортный (transport) 3. Сетевой (network) 2. Канальный (datalink) 1. Физический (physical)

Устройство Б Данные Поток Сеанс Сегмент Пакеты Кадры Биты

7. Прикладной (application) 6. Представления (presentation) 5. Сеансовый (session) 4. Транспортный (transport) 3. Сетевой (network) 2. Канальный (datalink) 1. Физический (physical)

Рис. 15.1. Взаимодействие устройств согласно модели OSI

Как правило, все протоколы, начиная с транспортного уровня и выше, реализуются программными средствами конечных узлов сети – компонентами их сетевых операционных систем. Рассмотрим более подробно функции отдельных уровней OSI. Физический уровень. Этот уровень необходим всегда, он определяет физическое соединение между устройствами. Спецификации физического уровня определяют уровни напряжений, характеристики электрических сигналов, скорость передачи информации, тип кодирования, типы разъемов и назначение контактов. Например, спецификация 10BaseT технологии Ethernet определяет в качестве используемого кабеля неэкранированную витую пару категории 3 с волновым сопротивлением 100 Ом, разъем RJ45, максимальную длину физического сегмента 100 метров, манчестерский код для представления данных в кабеле и другие характеристики среды и электрических сигналов. Канальный уровень. Определяет топологию сети, способ доступа к сети для передачи и приема сообщений, процедуры управления обменом данных между пользователями. Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность битов в начало и конец каждого кадра для его выделения, а также вычисляет контрольную сумму, определенным способом обрабатывая все байты 157

Раздел IV. Протоколы управления данными в промышленных системах

кадра и добавляя контрольную сумму к кадру. В протоколах канального уровня, используемых в локальных сетях, заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их адресации. Канальный уровень обеспечивает доставку кадра между любыми двумя узлами только в сети с определенной топологией связей, для которой он был разработан. К таким топологиям относятся общая шина, кольцо и звезда. Примеры протоколов канального уровня: Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN. Сетевой уровень. Служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети могут использовать совершенно различные принципы передачи сообщений между конечными узлами и обладать произвольной структурой связей. Функции сетевого уровня достаточно разнообразны. Начнем их рассмотрение на примере объединения локальных сетей. Внутри локальной сети доставка данных обеспечивается соответствующим канальным уровнем, доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень. Сети соединяются между собой маршрутизаторами. Маршрутизатор собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершать некоторое количество транзитных передач между сетями, каждый раз выбирая подходящий маршрут. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет. Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, и ее решение является одной из главных задач сетевого уровня. Критериями при выборе маршрута могут быть время передачи данных по маршруту, надежность передачи и др. Сетевой уровень решает также задачи согласования различных технологий, упрощения адресации в крупных сетях, создания надежных и гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями и т. д. Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами. При организации доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие «номер сети». Адрес получателя состоит из старшей части – номера сети – и младшей – номера узла в этой сети. Все узлы одной сети должны иметь одну и ту же старшую часть адреса, поэтому термину «сеть» на сетевом уровне можно дать и другое, более формальное определение: сеть – это совокупность узлов, сетевой адрес которых содержит один и тот же номер сети. На сетевом уровне определяется два вида протоколов:  сетевые протоколы (routed protocols). Эти протоколы реализуют продвижение пакетов через сеть; 158

Лекция 15. Модель взаимодействия открытых систем

 протоколы маршрутизации (routing protocols). С их помощью

маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений. Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов. Примеры: протокол межсетевого взаимодействия IP-стека TCP/IP, протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека Novell. Транспортный уровень. Модель OSI определяет пять классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем и отличающихся качеством предоставляемых услуг:  срочностью;  возможностью восстановления прерванной связи;  наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол;  способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов. Выбор класса сервиса транспортного уровня определяется, с одной стороны, тем, в какой степени задача обеспечения надежности решается самими приложениями и протоколами более высоких, чем транспортный, уровней, а с другой стороны, этот выбор зависит от того, насколько надежной является система транспортировки данных в сети, обеспечиваемая уровнями, расположенными ниже транспортного, – сетевым, канальным и физическим. Сеансовый уровень. На этом уровне осуществляется управление взаимодействием между устройствами. Сеансовый уровень предоставляет средства синхронизации и обеспечивает восстановление прерванных сеансов связи. Функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе. Уровень представления. Определяет форму представления передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания. За счет уровня представления информация, передаваемая прикладным уровнем одной системы, всегда понятна прикладному уровню другой системы. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных служб. Пример: протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP. Прикладной уровень. Является уровнем OSI, самым близким к пользователю, и отвечает за предоставление приложениям доступа к сети. 159

Раздел IV. Протоколы управления данными в промышленных системах

Примерами прикладных задач могут быть передача файлов, электронная почта, программы интеллектуальных терминалов. Прикладной уровень должен реализовать все функции, которые необходимы для взаимодействия открытых систем. К ним относится управление системами, прикладными процессами и прикладным уровнем. Нижние уровни не дублируют эти функции. 3. Упрощенная модель OSI. Для многих промышленных протоколов использование всех семи уровней модели OSI не требуется. Поэтому для промышленных применений часто применяют упрощенную модель, в которой приоритетной является скорость обмена данными, а не функциональность, предусматриваемая семиуровневой моделью. Обычно в большинстве промышленных протоколов используется три или четыре уровня: физический, канальный, сетевой и прикладной (рис. 15.2). Модель OSI 7. Прикладной (application) 6. Представления (presentation) 5. Сеансовый (session) 4. Транспортный (transport) 3. Сетевой (network) 2. Канальный (datalink) 1. Физический (physical)

Упрощенная модель OSI 7. Прикладной (application)

3. Сетевой (network) 2. Канальный (datalink) 1. Физический (physical)

Рис. 15.2. Упрощенная модель OSI

Упрощенная модель OSI имеет следующие ограничения:  поскольку транспортный уровень отсутствует, то размер прикладных сообщений ограничен максимальным размером, допускаемым каналом;  из-за отсутствия сетевого уровня невозможна маршрутизация сообщений между разными сетями;  отсутствие сеансового уровня не позволяет использовать дуплексный режим;  из-за отсутствия уровня представления формат сообщений должен быть одинаковым для всех узлов. Сокращенную модель OSI используют открытые промышленные системы Fieldbus, Modbus, Profibus, CAN и др. Стандарты протоколов интеллектуальных измерительных приборов HART также предусматривают только три уровня модели OSI. Необходимо отметить, что упрощенная модель OSI может содержать и другой набор уровней. Например, для стека протоколов TCP/IP можно 160

Лекция 15. Модель взаимодействия открытых систем

выделить следующие уровни: физический, канальный, сетевой, транспортный и прикладной (рис. 15.3). При этом физический и канальный уровни реализованы одним стандартом пакетной передачи данных Ethernet. Модель OSI 7. Прикладной (application) 6. Представления (presentation) 5. Сеансовый (session) 4. Транспортный (transport) 3. Сетевой (network) 2. Канальный (datalink) 1. Физический (physical)

Стек TCP/IP 7. Прикладной (application) DNS, FTP, HTTP, SMTP и др. 4. Транспортный (transport) TCP, UDP, SSL/TLS 3. Сетевой (network) IP, IPsec 2. Канальный (datalink) Ethernet 1. Физический (physical) Ethernet

Рис. 15.3. Стек TCP/IP в соответствие с сокращенной моделью OSI

В компьютерных сетях идеологической основой стандартизации является многоуровневый подход к разработке средств сетевого взаимодействия. Модель OSI – это управляющая структура, которая упрощает передачу данных в иерархической системе, состоящей из семи уровней. Важно понимать, что эталонная модель OSI не протокол или набор правил для его написания, а общий каркас, определяющий протоколы.

161

Раздел IV. Протоколы управления данными в промышленных системах

ЛЕКЦИЯ 16 ОТКРЫТЫЕ ПРОТОКОЛЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ СИСТЕМ План: 1. Протокол Highway Addressable Remoute Transduser (HART). 2. Стандартная сеть Foundation Fieldbus. 1. Протокол Highway Addressable Remoute Transduser (HART) разработан фирмой Rosemount в середине 1980-х годов. Он занимает промежуточное положение между аналоговой и полностью цифровой передачей данных и широко известен как промышленный стандарт для усовершенствования токовой петли 4–20 мА до возможности цифровой коммуникации. При этом сохраняется полная совместимость и надежность существующих аналоговых линий 4–20 мА. Для передачи цифровой информации протокол HART использует принцип частотной модуляции. В настоящее время существует несколько десятков открытых протоколов для построения промышленных сетей: HART, Foundation Fieldbus, Profibus, Interbus, CAN, LON, As-і, Control Net и др. Так как не существует одного универсального совершенного протокола, подходящего для всех задач, всегда будет несколько возможных решений. Стандарты для сетей промышленных предприятий не могут быть созданы по принципу «один для всех», поскольку в каждой области существуют свои технологические особенности, а каждый протокол – это лишь инструмент, который имеет свои области применения. Архитектура многоуровневой промышленной сети включает в себя множество открытых протоколов передачи данных (рис. 16.1). Протокол построен по принципу ведущий/ведомый, т. е. полевое устройство отвечает по запросу системы. Он допускает наличие двух управляющих устройств – ПК управляющей системы и коммуникатора. Протокол HART нацелен на связь контроллера с интеллектуальными приборами и предусматривает два варианта их связи. При первом варианте реализуется связь «точка–точка», когда HART-прибор соединен с контроллером (ЭВМ) отдельной парой проводов через HART-модем. При таком подключении по проводам могут проходить как аналоговый (например, 4–20 мА), так и цифровые сигналы (рис. 16.2). Последние содержат дополнительную информацию о работе прибора: диапазон и единицы измерения, дату калибровки, результаты самодиагностики и т. д. 162

Лекция 16. Открытые протоколы промышленных систем Верхний уровень (центра сбора и передачи данных, диспетчерский, операторский)

БД

Сервер

АРМ HSE (High Speed Ethernet)

Средний уровень (коммуникационный, уровень контроллеров) Нижний уровень (измерительный, датчиков и исполнительных модулей, полевых устройств)

АРМ

УСПД

УСПД

HART

УСПД

MODBUS

Модуль связи

CAN

PROFIBUS

Рис. 16.1. Пример архитектуры промышленной сети

Рис. 16.2. Схема подключения «точка–точка». Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом

При втором варианте связи реализуется соединение всех приборов с контроллером по одной шине, т. е. общей паре проводов (рис. 16.3). В этом случае по паре проводов могут проходить только цифровые сигналы. Питание прибора осуществляется от блока питания в контроллере по этой же паре проводов. Основные характеристики сети: метод доступа – ведущий/ведомый (в сети может быть до двух ведущих узлов); физическая среда передачи – витая пара; топология сети – звезда (при присоединении к контроллеру датчиков с аналоговыми выходными сигналами) или шина (при цифровых выходных сигналах датчиков); режимы работы – асинхронный (когда ве163

Раздел IV. Протоколы управления данными в промышленных системах

дущий узел посылает запрос, а ведомый – ответ) или синхронный (когда ведомые узлы непрерывно передают свои данные ведущему узлу); длина линии связи – до 1 500 м; скорость передачи данных – 1 200 бит/с.

ЭВМ RS-232

HARTприбор

HARTприбор

HART-модем

До 15 устройств

HART

HARTкоммуникатор

HARTприбор

Рис. 16.3. Схема многоточечного режима работы датчиков

При шинной архитектуре к сети может быть подключено до 15 ведомых узлов (обычно подключают до восьми приборов). Команды от ведущих узлов могут быть трех видов: универсальные на все ведомые узлы, типовые на многие ведомые узлы, специфические на конкретные ведомые узлы. Каждое сообщение от прибора может содержать информацию двух типов: текущие данные и статус прибора. Статус определяет оперативное состояние прибора. Различают несколько статусов:  нормальный последовательный статус, когда данные от прибора могут быть использованы для вычислений и управления;  нормальный непоследовательный статус, когда данные корректны, но вызывают некоторое сомнение;  неопределенный статус, когда данные не полностью корректны, но все же могут быть использованы;  плохой статус, когда данные не могут быть использованы. Можно удаленно осуществлять полную настройку и конфигурирование датчика. В многоточечном режиме датчик передает и получает информацию только в цифровом виде. Аналоговый выход автоматически приобретает минимальное фиксированное значение 4 мА (только для питания устройства) и не содержит информации об измеряемой величине. К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Все приборы в многоточечном режиме имеют свой уникальный адрес от 1 до 15, и обращение к каждому идет по соответствующему адресу. Коммуни164

Лекция 16. Открытые протоколы промышленных систем

катор (или система управления) определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать с любым из них. В качестве среды передачи сигнала используется экранированная витая пара. В HART-протоколе максимальная длина кабеля связана с эквивалентным сопротивлением сети и максимально допустимой емкостью системы. В табл. 16.1 представлена информация о максимальной длине кабеля как функции от числа приборов, подключенных к цепи, и удельной емкости кабеля. Таблица 16.1 Максимальная длина кабеля при использовании протокола HART

Число приборов 1 5 10 15

Максимальная длина кабеля, км (при удельной емкости) 65 нФ/км 95 нФ/км 160 нФ/км 225 нФ/км 2,8 2,0 1,3 1,0 2,5 1,8 1,1 0,9 2,2 1,6 1,0 0,8 1,8 1,4 0,9 0,7

Рис. 16.4. Использование HART-мультиплексора

Часто в аналоговой информационно-измерительной сети присутствует множество интеллектуальных приборов, работающих в режиме совместимости с токовой петлей 4–20 мА. В этом случае удаленная настройка и конфигурирование датчиков с помощью HART-коммуникатора, или НART-модема, требуют последовательного подключения коммуникационного устройства к каждой линии 4–20 мА, идущей от соответствующих приборов. Для решения поставленной задачи предлагается использовать HART-мультиплексор (рис. 16.4). При таком подходе приборы продолжа165

Раздел IV. Протоколы управления данными в промышленных системах

ют передавать измерительную информацию в систему по токовому выходу 4–20 мА, а их конфигурация может быть изменена с одного цифрового выхода управляющей системы. Связь мультиплексора с системой управления осуществляется по интерфейсу RS-485 или RS-232. При этом можно объединить в сеть около 500 приборов (например, 30 мультиплексоров, соединенных по интерфейсу RS-485, 16 каналов каждый). Согласно семиуровневой модели взаимодействия открытых систем (модель OSI) HART-протокол реализует уровни 1, 2, 3, 4 и 7 (физический, канальный, сетевой, транспортный и прикладной). Физический уровень описывает характеристики сигнала и среду передачи данных. Для передачи цифровой информации HART-протокол использует метод частотной модуляции. В режиме тока высокочастотная HART-составляющая накладывается на аналоговый измерительный сигнал 4–20 мА. Двоичные значения передаются со скоростью обмена данными 1 200 бод. Логическая 1 представлена одиночным циклом 1 200 Гц, а логический 0 – приблизительно двумя циклами 2 200 Гц. Такой выбор частот для формирования сигнала и скорости передачи данных соответствует телефонному стандарту Bell 202 (кодировка сигнала методом частотного сдвига) в полудуплексной форме. Двустороннюю цифровую коммуникацию обеспечивает HART-сигнал, а HART-протокол позволяет управляющей системе получить от удаленного устройства два-четыре цифровых сообщения в секунду (рис. 16.5).

Рис. 16.5. Обмен данными по HART-протоколу

166

Лекция 16. Открытые протоколы промышленных систем

НART-сообщение кодируется как последовательность 8-разрядных байтов, которые передаются с использованием стандартного универсального асинхронного приемопередатчика (Universal Asynchronous Receiver/ Transmitter – UART). К каждому байту добавляется стартовый бит, бит четности и стоповый бит. В HART-протоколе предусмотрена проверка на четность. Одиночный 8-разрядный байт посылается в виде следующей последовательности битов (рис. 16.6): один начальный (стартовый) бит (0), восемь битов информации (D1–D8), один бит четности (P) и один конечный (стоповый) бит (1). Бит четности верен (P = 1), если число единиц в информационном байте четное.

Рис. 16.6. Формат байта в HART-сообщении

Канальный уровень подразделен на подуровни:  логического контроля связи, который позволяет принимать сообщение;  контроля доступа к среде, который определяет время обращения данного устройства к каналу для передачи сообщения. Обмен информацией между HART-объектами выполняется в виде кадров (рис. 16.7). Всем кадрам, передаваемым HART-приборами, предшествует определенный набор шестнадцатеричных символов. Эти символы называются преамбулой и обусловлены задачами физического уровня для синхронизации приемника. Все части кадра (включая ограничитель) обеспечены двойной проверкой на четность в каждом передаваемом байте и контрольным байтом. Кадр «управляющее устройство – датчик» Преамбула

Стартовый байт

Адрес

Команда

Счетчик байт

Данные

Контрольный байт

Кадр «датчик – управляющее устройство» Преамбула

Стартовый Счетчик Контрольный Адрес Команда Статус Данные байт байт байт Рис. 16.7. Формат HART-кадров

167

Раздел IV. Протоколы управления данными в промышленных системах

Преамбула состоит из 5–20 байтов FF (все единицы). Это позволяет приемнику синхронизировать частоту сигнала и входящий поток байтов. Стартовый байт в HART-сообщениях может принимать несколько возможных значений, определяющих формат используемого фрейма, источник сообщения и режим передачи (нормальный или монопольный). Возможные значения стартового байта: Message type Master to slave Slave to master Burst message from slave

Short frame 02 06 01

Long frame 82 86 81

При ожидании сообщения устройства-приемники слушают линию до прихода одного из этих байтов после как минимум двух байтов FF. Это означает начало сообщения. Поле адреса включает оба адреса master- и slave-устройств. Они могут состоять из 1 байта (короткий фрейм – short frame format) или из 5 байт (длинный фрейм – long frame format). В обоих фреймах адрес masterустройства занимает 1 первый бит (primary – 1; secondary – 0). Адрес slaveустройства занимает остальные биты. В коротком фрейме адрес slaveустройства от 0 до 15 – так называемый polling address. В длинном фрейме polling address не используется, вместо него остающиеся биты заполняет уникальный идентификатор slave-устройства, используемый как адрес. Если эти биты заполнить нулями, получится широковещательный адрес и такое сообщение получат все устройства. Это возможно только в случае, если данные в сообщении однозначно определяют, какое устройство должно ответить. Командный байт – целое число в диапазоне от 0 до 253 (0xFD), представляет собой одну из HART-команд. Полученный командный код передается и обратно при ответе slave-устройства. Счетчик байтов – количество байтов в данном сообщении (статус и данные, контрольная сумма не включается). Приемник использует его для идентификации байта контрольной суммы и того, что все сообщение получено. Рассчитывается как сумма количества байтов полей статуса и данных. Из-за лимита поля данных в 25 байт счетчик байт может принимать значения от 0 до 27. Поле статуса включается только в сообщения-ответы от slaveустройства. Оно состоит из 2 байт, сообщающих об ошибках коммуникации, статусе полученного сообщения (такие как устройство занято или не распознало команду) и оперативном состоянии slave-устройства. Не все команды и ответы содержат поле данных. Максимальная длина поля – 25 байт (хотя это жестко и не оговаривается в спецификации 168

Лекция 16. Открытые протоколы промышленных систем

HART). Данные могут быть в форме целых чисел без знака, чисел с плавающей точкой или строк символов ASCII. Число байтов и формат данных, используемых для каждого элемента, указывается для каждой команды. Байт контрольной суммы рассчитывается как продольная четность байтов (longitudinal parity), предшествующих ему начиная со стартового байта включительно. Используется для проверки целостности передачи. Сетевой уровень обеспечивает сервисы маршрутизации, защиты тракта передачи сообщений между конечными пунктами и транспорта сообщений. Он управляет «сессиями» сквозной связи с соответствующими устройствами. Транспортный уровень обеспечивает успешное прохождение сообщений от одного устройства к другому. Транспортный уровень может использоваться для обеспечения сквозной связи. На прикладном уровне осуществляется взаимодействие с пользователем. Здесь описываются команды HART-протокола, используемые для работы с первичными НART-устройствами. Существует четыре типа HART-команд: универсальные, общие, специальные и команды семейства устройств. Универсальные команды поддерживают все полевые HARTприборы. Эти команды обеспечивают взаимодействие между продуктами от разных производителей и доступ к наиболее общей информации, одинаковой для всех полевых приборов (переменные процесса, производитель, модель и маркировка). Команды общего пользования представляют собой функции, которые выполняет большое число полевых устройств. Эти команды являются необязательными. Они включают в себя такие действия, как изменение диапазона, выбор единиц измерения и самотестирование. Обычно полевое HART-устройство поддерживает 12–15 общих команд. Специальные команды различны для каждого прибора. Эти команды представляют собой уникальные функции устройства или способы доступа к данным и назначаются конкретным производителем. Команды семейства устройств содержат набор стандартизированных функций устройств для определенных видов измерений, который обеспечивает полный типовой доступ без использования команд для конкретных устройств. Без подробного технического описания каждого полевого устройства трудно создавать программное обеспечение, использующее функции прибора в полном объеме. Эту возможность дает язык описания устройства – DDL (Device Description Language). Производители полевого оборудования применяют DDL для создания описания устройства со всеми уникальными характеристиками приборов. Таким образом, DDL-совместимая система 169

Раздел IV. Протоколы управления данными в промышленных системах

может использовать все возможности устройства, в том числе поддержку специальных команд. Центральная база данных всех описаний устройств поддерживается фондом HART-коммуникации (HART Communication Foundation). Благодаря этому приборы от разных производителей становятся полностью совместимыми. Использование HART-протокола в информационных измерительных системах для автоматизации технологических процессов является оптимальным по стоимости и функциональности. Нет необходимости заменять существующую систему, поскольку датчики HART можно устанавливать вместо существующих аналоговых и использовать все преимущества цифрового обмена. 2. Стандартная сеть Foundation Fieldbus создана ассоциацией Fieldbus Foundation, которая опубликовала и поддерживает стандарт сети, а также производит сертификацию устройств на соответствие стандарту. В нее входит около 90 % производителей средств и услуг в области автоматизации. Сеть включена в международный стандарт IEC 61158, принятый в 1999 году. Ее можно считать наиболее перспективной стандартной полевой сетью. Сеть обеспечивает связь контроллеров с выносными блоками вводавывода и интеллектуальными приборами при учете специфики работы приборов во взрывоопасной среде. По сети передается питание от контроллера к приборам, подключенным к сети. Для более рационального использования мощности современных микропроцессоров, встраиваемых в интеллектуальные приборы, применительно к сети Foundation Fieldbus разработана специальная идеология, которая ставит своей целью перенос типовых алгоритмов переработки измерительной информации (фильтрации, масштабирования, линеаризации и т. п.), регулирования (стабилизации, слежения, каскадного управления и т. п.), логического управления (пуска, останова, блокировки группы механизмов и т. п.) на самый нижний уровень управления – уровень интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов. В соответствии с этой идеологией в стандарт Foundation Fieldbus внесены специальные правила работы и обмена информацией между интеллектуальными приборами в сети с учетом того, что каждый прибор в сети кроме обычных функций аналого-цифрового или цифро-аналогового преобразования может реализовывать типовые функции контроля и управления. Базовый вариант сети Foundation Fieldbus H1 (FF H1) реализует безопасную работу приборов во взрывоопасной среде. Обычно используется для соединения напрямую с полевыми устройствами. Кроме базового варианта существует Foundation Fieldbus HSE (High-speed Ethernet), который используется, как правило, для соединения входов/выходов подсис170

Лекция 16. Открытые протоколы промышленных систем

тем, хост-систем, шлюзов и полевых устройств с помощью стандартного кабеля Ethernet. Реализация HSE не обеспечивает поддержку технологии питания по кабелю (Power over Ethernet – PoE), хотя ведутся работы, чтобы решить эту проблему. Основные характеристики сети FF Н1: топология сети – шина или дерево; физически передача данных в сети – RS-485 и экранированная витая пара; длина линии передачи – 1,9 км; скорость передачи данных – 31,25 Кбит/с; число подключаемых к сети устройств – до 32. Сеть Foundation Fieldbus была первоначально предназначена в качестве замены для стандарта 4–20 мА. Интерфейс Foundation Fieldbus сегодня используется как перспективная информационная шина для устройств автоматизированных систем во многих тяжелых производствах, таких как нефтепереработка, нефтехимия, энергетика. Протокол сети реализует три уровня по модели OSI – первый (физический уровень), второй (канальный уровень) и седьмой (прикладной уровень), а также добавочный пользовательский уровень, на котором фиксируется ряд важных функций и правил. Метод доступа к сети – маркер. Управление сетью может быть распределено между несколькими активными master-устройствами, которые могут резервировать друг друга. Периодический цикл передачи информации с учетом отработки в приборах контуров управления составляет 50 мс. Аналогично HART-протоколу здесь используется понятие «статус». Каждый цикл «статус» может передаваться каждым прибором по сети вместе с его данными. Пользовательский уровень стандарта FF Н1 определяет связи, с помощью которых оператор может взаимодействовать с приборами либо через так называемую серию блоков, либо через описатели приборов. Через серию блоков пользователь может определять работу приборов по вводу и выводу сигналов, по их преобразованию, реализации функций контроля и управления. Функциональные блоки могут при их соответствующем соединении друг с другом реализовывать простейшие цепи управления как в отдельном приборе, так и распределенно через сеть в нескольких приборах.

171

Раздел IV. Протоколы управления данными в промышленных системах

ЛЕКЦИЯ 17 СТАНДАРТ ПРОМЫШЛЕННОЙ ПОЛЕВОЙ ШИНЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ PROFIBUS План: 1. Введение в стандарт Profibus. 2. Физический уровень Profibus. 3. Канальный уровень. 4. Прикладной уровень. 1. Введение в стандарт Profibus. Стандарт промышленной полевой шины (Process Field Bus – Profibus) является открытым стандартом передачи данных полевого уровня. Изначально он был разработан компанией Siemens для своих промышленных контроллеров Simatic, в дальнейшем доработан и принят как международный стандарт. Поддержкой, стандартизацией и развитием сетей на основе стандарта Profibus занимается Profibus Network Organization (PNO). Наиболее широкое применение стандарт получил в Европе, в таких отраслях, как машиностроение, добыча и транспортировка полезных ископаемых, управление промышленным оборудованием. В общей сложности имеется три возможных модификации Profibus: PROFIBUS-DP (Decentralized Peripheral) предназначен для подключения распределенной периферии и конечных полевых устройств, быстрой коммуникации контроллеров с удаленными блоками ввода-вывода и интеллектуальными приборами; PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification) применяется для обмена данными с контроллерами и компьютерами на регистровом уровне. Profibus-FMS предоставляет большую гибкость при передаче значительных объемов данных, но проигрывает модификации Profibus-DP в популярности вследствие своей сложности; PROFIBUS-РА (Process Automation) предназначен для автоматизации технологических процессов. Использует во время работы физический уровень, основанный на стандарте IEC 1158-2, благодаря которому обеспечивается питание через шину сетевых устройств. Отличительной особенностью Profibus-PA является возможность применения во взрывоопасной среде. Для совместимости с модификациями DP/FMS устройства PA подключаются в сеть Profibus через специальный блок преобразователь DP/PA. 172

Лекция 17. Стандарт промышленной полевой шины передачи данных Profibus

Все модификации Profibus используют одинаковые технологии передачи данных и общий метод доступа к шине, поэтому могут функционировать на одной шине. Архитектура протоколов Profibus базируется на модели OSI (табл. 17.1). Таблица 17.1 Модификации Profibus в соответствии с моделью OSI

Уровень 7. Прикладной 6. Представления 5. Сеансовый 4. Транспортный 3. Сетевой 2. Канальный 1. Физический

Profibus-DP Не используется

Profibus-FMS Fieldbus Message Specification (FMS)

Profibus-PA Не используется

Нет Канальный уровень Fieldbus (FDL) RS-485, оптоволоконный интерфейс

IEC 1158-2 ІЕС 1158-2

2. Физический уровень Profibus определяет тип передающей среды. В сетях Profibus-DP/FMS основной средой передачи данных является экранированная витая пара, а основной способ передачи данных соответствует стандарту EIA/TIA 485 (RS-485). Для передачи данных используется код NRZ. Для соединения устройств в сети стандартом Profibus рекомендуется кабель, который должен отвечать следующим условиям:  волновое сопротивление – от 135 до 165 Ом на частотах от 3 до 20 МГц;  погонная емкость – до 30пФ/м;  погонное сопротивление – до 110 Ом/км; 2  площадь сечения – от 0,34 мм . Максимальная длина сегмента сети Profibus при условии использования рекомендуемого кабеля зависит от выбранной скорости передачи данных (табл. 17.2). Таблица 17.2 Максимальная длина сегмента сети Profibus

Скорость (кбит/с) Длина сегмента (м)

9,6–93,75 1200

187,5 1000

500 400

1500 200

3000–12000 100

Для шины Profibus стандартным разъемом для соединения устройств является D-sub (DB-9). На корпусе устройств устанавливают разъем 173

Раздел IV. Протоколы управления данными в промышленных системах

с гнездами типа female, а на кабеле – разъем типа male. Схема и назначение контактов разъема приведены в табл. 17.3. Для сетей Profibus была разработана модификация интерфейса RS-485 для взрывоопасных зон, которая получила название RS-485-IS (Intrinsically Safe – действительно безопасный). Существенным ее отличием является наличие резисторов, ограничивающих ток в линии до значений, установленных стандартом на искробезопасные электрические цепи. Таблица 17.3 Назначение контактов DB-9 для шины Profibus

Контакт Название Примечание 1 SHIELD Экран 2 М24 –24 В 3 RxD/TxD (+) Прием, передача данных (положительный вывод, провод В) Сигнал для управления направлением передачи, положи4 CNTR (+) тельный вывод 5 DGND Общий провод данных 6 VP Напряжение питания. «+» 7 P24 +24 В 8 RxD/TxD (–) Прием, передача данных (отрицательный вывод, провод А) Сигнал для управления направлением передачи, отрица9 CNTR (–) тельный вывод

Стандарт RS-485 допускает единственную топологию сети Profibus в виде линии с отводами (или шинная структура), рис. 17.1. Каждое устройство выполняет роль активного – Master или пассивного – Slave.

Рис. 17.1. Шина Profibus RS-485

При этом суммарное максимальное количество устройств (Master + Slave) на один сегмент сети должно быть не более 32, оно может быть увеличено до 126 при использовании повторителей интерфейса RS-485 (рис. 17.2). 174

Лекция 17. Стандарт промышленной полевой шины передачи данных Profibus

Рис. 17.2. Использование повторителей интерфейса RS-485 в сети Profibus

Альтернативной средой передачи данных в сетях Profibus-DP/FMS может быть оптоволокно, благодаря чему максимальную длину сегментавозможно увеличить до 80 м, если используется оптоволокно с пластиковыми световодами, и до 15 км, если используется оптоволокно со стеклянными световодами. Оптоволоконные интерфейсы выполняются в виде отдельных модулей для контроллеров. Интегрированное LWL (Licht Wellen Leiter) подключение позволяет подключить устройства Profibus напрямую к оптоволокну. Модуль OLM (Optical Link Module) по логике работы похож на повторитель RS-485 интерфейса. Имеет два функционально разделенных электрических канала и выходы для одного или двух оптических каналов. Модули OLM соединяются с отдельными участниками или сегментами шины через интерфейс RS-485, а оптические линии связи позволяют соединить несколько сегментов сети, удаленных друг от друга на расстояние до 15 км (рис. 17.3). Модуль OLP (Optic Link Plug). С помощью модулей OLP можно соединять друг с другом оптическим волокном несколько пассивных устройств (Slave). Модули OLP подключаются к разъему DB-9 и получают 175

Раздел IV. Протоколы управления данными в промышленных системах

питание от Slave-устройства, поэтому не нуждаются в отдельном источнике напряжении. Для подключения активных устройств шины (Master) к OLP-кольцу всегда используется OLM.

Рис. 17.3. Использование OLM модулей в Profibus

Рис. 17.4. Использование OLP модулей в Profibus

Версия Profibus-PA использует физический уровень, соответствующий стандарту IEC 1158-2. Данные передаются с помощью уровней тока +9 мА и –9 мА (токовая петля). Применяется манчестерский код. Скорость передачи составляет 31,25 кбит/с. Один сегмент сети может содержать до 32 устройств. Максимальная длина кабеля достигает 1,9 км. В качестве среды передачи для Profibus-PA используется двухжильный кабель (обычно витая пара), технические данные которого не нормированы. В каждом сегменте сети с обеих сторон кабеля подключены последовательные RC-цепи, состоящие из конденсатора емкостью 1 мкФ и резистора сопротивлением 100 Ом. Благодаря низкой энергии передаваемого сигнала Profibus-PA является искробезопасной электрической це176

Лекция 17. Стандарт промышленной полевой шины передачи данных Profibus

пью и может применяться во взрывоопасных зонах. Интеграция устройств Profibus-DP и Profibus-PAобеспечивается с помощью специальных соединительных элементов DP/PA Coupler (рис. 17.5).

Рис. 17.5. Структура сети Profibus-DP/PA

В табл. 17.4 представлена сводная информация по используемым интерфейсами топологиям на физическом уровне в Profibus. Таблица 17.4 Варианты реализации физического уровня Profibus

Физический уровень Profibus Метод кодирования Скорость Тип кабеля

Топология

Количество устройств

Количество повторителей

RS-485

RS-485-IS

Оптоволокно

IEC 1158-2

NRZ

NRZ

NRZ

Манчестер II

9,6–12 000

9,6–1 500

9,6–12 000

31,25

Экранирован- Экранирован- Одномодовое ная медная ная медная и многомодовитая пара витая пара вое волокно Звезда и Шина Шина кольцо (возможна шина) До 32 на сег- До 32 на сегмент и до 126 мент и до 126 До 126 на всю на всю сеть на всю сеть сеть с повторите- с повторителями лями До 9

До 9

–

Экранированная медная витая пара Шина, дерево До 32 на сегмент и до 126 на всю сеть с повторителями До 4

Версии FMS, DP и PA легко соединять в одной системе, поскольку основные различия между ними представляет физический уровень. Это позволяет использовать относительно дешевые устройства (FMS) на большей части предприятия и быстродействующие устройства (DP) там, где необ177

Раздел IV. Протоколы управления данными в промышленных системах

ходима скорость. Устройства PA используются только в тех случаях, когда необходима внутренняя защита. 3. Канальный уровень Profibus. Согласно модели OSI на канальном уровне реализуются функции управления доступом к шине, обеспечение безопасности данных и формирование минимальных посылок. Канальный уровень в Profibus обозначается как FDL-уровень (Fieldbus Data Link). Доступ к шине Profibus должен отвечать нескольким требованиям:  каждому из равноправных ведущих (Master) устройств автоматизации надо получать доступ к шине в течение определенного периода времени для выполнения своих основных задач;  необходим быстрый обмен данными между Master-устройствами и распределенной периферией (Slave), вышестоящими контроллерами и ЭВМ. В сети Profibus для доступа ведущих устройств к шине используется метод передачи маркера (рис. 17.6). При таком подходе сеть имеет логическую топологию кольца и каждое ведущее устройство получает доступ к сети только при получении маркера. Маркер выполняет роль арбитра, который предоставляет устройству право доступа. По истечении определенного времени это устройство должно передать маркер следующему ведущему устройству, которое получает доступ также на время, пока маркер находится у него. Таким образом, каждому ведущему устройству выделяется точно заданный интервал времени. Этот интервал может быть установлен при конфигурировании системы. Логическое кольцо

Master

Slave

Master

Slave

Master

Slave

Master

Slave

Slave

Рис. 17.6. Схема передачи маркера

Каждому мастеру в сети назначаются свои ведомые устройства (рис. 17.6). В методе ведущий/ведомый процедуру коммуникации с ведомыми устройствами выполняет мастер, который обладает маркером. На время обладания маркером мастер становится ведущим также по отно178

Лекция 17. Стандарт промышленной полевой шины передачи данных Profibus

шению к другим мастерам, т. е. может выполнять с ними коммуникацию типа «мастер-мастер». Стандарт Profibus допускает широковещательный режим работы, когда ведущее устройство посылает сообщение всем, не ожидая уведомления о получении, и многоадресный режим, когда ведущее устройство посылает одно и то же сообщение сразу нескольким участникам сети. В Profibus используется два типа сервисов для передачи сообщений: 1. SRD (Sendand Receive Data with Acknowledge – отправка и прием данных с уведомлением). 2. SND (Send Data with Noacknowledge – отправка данных без уведомления). Сервис SRD позволяет отправить и получить данные в одном цикле обмена. Этот способ обмена наиболее распространен и очень удобен при работе с устройствами ввода-вывода, поскольку в одном цикле можно и отправить, и получить данные. Сервис SND используется, когда надо отправить данные одновременно группе ведомых устройств (многоадресный режим) или всем ведомым устройствам (широковещательный режим). При этом ведомые устройства не отправляют свои уведомления мастеру. Сообщение в Profibus называется телеграммой. Телеграмма может содержать до 256 байт, из них 244 байта данные, плюс 11 служебных байтов (заголовок телеграммы), рис. 17.7.

Рис. 17.7. Структура телеграммы Profibus

Все телеграммы имеют заголовки одинаковой длины, за исключением телеграммы с названием Data_Exchange. Заметим, что 11 байт служебной информации делают Profibus очень неэффективным при передаче коротких сообщений. Однако при больших объемах данных такой формат телеграммы достаточно эффективен. Поля телеграммы (рис. 17.7) имеют следующие значения: SD – стартовый разделитель. Используется для указания начала телеграммы и ее формата. Имеется четыре типа разделителей для телеграмм запроса и ответа и один тип для короткого уведомления. Короткое уведомление имеет поле SD, но не в начале телеграммы; LE – длина передаваемых данных (DA+SA+FC+DSAP+SSAP+DU); LEr – повторение поля LE с целью его резервирования; DA – адрес устройства-получателя телеграммы; SA – адрес отправителя; 179

Раздел IV. Протоколы управления данными в промышленных системах

FC – код типа телеграммы (запрос, уведомление, ответ, диагностические данные, тип устройства – мастер или ведомый, приоритет, уведомление); DSAP – устройство-получатель использует это поле, чтобы определить, какой тип сервиса нужно выполнить; SSAP – COM порт отправителя; DU – данные длиной от 1 до 244 байт; FCS – контрольная сумма телеграммы (сумма значений полей DA+SA+ FC+DU, по модулю 255); ED – признак конца. 4. Прикладной уровень Profibus. Седьмой уровень модели OSI предоставляет в распоряжение пользователя полезные коммуникационные службы. Прикладной уровень Profibus состоит из двух частей: спецификации сообщений (Fieldbus Message Spesification – FMS) и интерфейса нижнего уровня (Lower Layer Interface – LLI). Профиль FMS соответствуют функциям прибора, т. е. в FMS-профилях Profibus Network Organization (PNO) определяет необходимый объем функций и конкретных требований, которым должно отвечать устройство. Таким образом, FMS-профили обеспечивают совместимость и взаимозаменяемость приборов различных производителей на прикладном уровне. Можно выделить следующие FMS-профили: Профиль для коммуникации между контроллерами (3.002). Коммуникационный профиль устанавливает, какие FMS-службы применяются для коммуникаций между программируемыми логическими контроллерами (ПЛК) (Programmable Logic Controller – PLC). При помощи точно определенных классов контроллеров установлены службы, параметры и типы данных, которые каждый ПЛК должен поддерживать. Профиль для автоматизации зданий (3.011). Отраслевой (специализированный) профиль и основа для многих открытых стандартов в автоматизации зданий. Описывает, как осуществляется обмен, управление, регулирование, обслуживание, обработка и архивирование сигналов в системах автоматизации зданий через FMS. Профиль для коммутационных низковольтных приборов (3.032). Пользовательский FMS-профиль определяет порядок взаимодействия низковольтных коммутационных приборов при коммуникациях через FMS. Интерфейс нижнего уровня (LLI) производит управление потоком данных и мониторинг соединения для различных устройств.

180

Лекция 18. Открытый коммуникационный протокол Modbus

ЛЕКЦИЯ 18 ОТКРЫТЫЙ КОММУНИКАЦИОННЫЙ ПРОТОКОЛ MODBUS План: 1. Общие сведения о протоколе Modbus. 2. Физический уровень Modbus. 3. Канальный уровень Modbus. 4. Прикладной уровень Modbus. 1. Общие сведения о протоколе Modbus. Открытый коммуникационный протокол Modbus и промышленные сети на его основе являются одними из самых распространенных в мире. Несмотря на свой возраст (первая спецификация протокола была принята в 1979 году), Modbus не только не устарел, но и существенно возросло количество новых разработок и объем организационной поддержки этого протокола. Множество Modbus-устройств по всему миру продолжают успешно работать, а последняя спецификация протокола (V1.1b3) появилась в 2012 году. Преимуществом Modbus является простота программной реализации и принципов функционирования. Высокая степень открытости протокола обеспечивается также бесплатными текстами спецификаций, которые доступны на официальном сайте www.modbus.org. Все это снижает затраты на освоение и внедрение протокола как системными интеграторами, так и разработчиками контроллерного оборудования. В России Modbus по распространенности уступает только протоколам стандарта Profibus. Популярность протокола в настоящее время объясняется его совместимостью с большим количеством оборудования, которое поддерживает Modbus. Кроме того, Modbus имеет высокую достоверность передачи данных, связанную с применением надежного метода контроля ошибок, позволяет унифицировать команды обмена благодаря стандартизации номеров (адресов) регистров и функций их чтения-записи. Основным недостатком Modbus является сетевой обмен по типу «ведущий/ведомый», что не позволяет ведомым устройствам передавать данные по мере их появления и поэтому требует интенсивного опроса ведомых устройств ведущим. Разновидностями Modbus являются протоколы: многомастерный Modbus протокол с кольцевой передачей маркера и Modbus TCP, рассчитанный на использование в сетях Ethernet и Интернет. 181

Раздел IV. Протоколы управления данными в промышленных системах

Протокол Modbus имеет два режима передачи: RTU (Remote Terminal Unit – удаленное терминальное устройство) и ASCII. Стандарт предусматривает, что режим RTU поддерживается протоколом Modbus по умолчанию, а режим ASCII является опционным. Пользователь может выбирать любой из них, но все модули, включенные в сеть на основе Modbus, должны иметь один и тот же режим передачи. Упрощенная модель OSI протокола Modbus содержит от трех до четырех уровней в зависимости от варианта реализации (табл. 18.1). Классический вариант Modbus реализуется через интерфейс физического уровня RS-232 с подключением типа «точка-точка». Канальный уровень реализуется универсальным асинхронным приемопередатчиком (UART). Реализация Modbus plus подразумевает использование стандарта RS-485 с шинной топологией сети, поэтому необходима адресация устройств на сетевом уровне. Функции адресации можно не выделять в отдельный уровень модели OSI, так как кадр сообщения Modbus формируется на канальном уровне. В реализации Modbus TCP физический и канальный уровень представлены стандартом Ethernet и в явном виде выделены сетевой и транспортный уровень. Таблица 18.1 Модель OSI для протокола Modbus

Уровни OSI 7. Прикладной (application) 6. Представления (presentation) 5. Сеансовый (session) 4. Транспортный (transport) 3. Сетевой (network) 2. Канальный (datalink) 1. Физический (physical)

Modbus

Modbus plus

Modbus TCP

Modbus Application

Modbus Application

Modbus Application

Modbus addressing UART EIA/RS-485

TCP IP Ethernet Ethernet

UART EIA/RS-232

2. Физический уровень Modbus предусматривает применение физического интерфейса RS-485/422, RS-232 и Ethernet. Наиболее распространенным для организации промышленной сети является двухпроводной интерфейс RS-485. Для соединений «точка-точка» может быть использован интерфейс RS-232. Modbus-шина состоит из одного магистрального кабеля, от которого могут быть сделаны отводы. Магистральный кабель Modbus должен содержать три проводника в общем экране, два из которых представляют собой сигнальную витую пару, а третий является общим проводом (заземлением), соединяя выводы всех интерфейсов RS-485 в сети. Общий провод и экран должны быть заземлены в одной точке, желательно около ведущего устройства. 182

Лекция 18. Открытый коммуникационный протокол Modbus

Устройства могут подключаться к кабелю тремя способами:  непосредственно к магистральному кабелю;  через пассивный разветвитель (тройник);  через активный разветвитель (содержащий развязывающий повторитель интерфейса). В документации на устройство и на тройник должны быть указаны наименования подключаемых цепей. На каждом конце магистрального кабеля должны быть установлены резисторы для согласования линии передачи, как это требуется для интерфейса RS-485. В отличие от физического интерфейса RS-485, в котором терминальные резисторы на низких скоростях обмена можно не использовать, спецификация протокола Modbus формально требует применения терминальных резисторов для всех скоростей обмена. Их номинал может быть 150 Ом и мощность 0,5 Вт. Терминальные резисторы, а также резисторы, устраняющие неопределенность состояния линии при высокоомном состоянии передатчиков, устанавливаются в соответствии с рекомендациями стандартов RS-485, RS-422 и RS-232. В руководствах по эксплуатации устройств с поддержкой Modbus должно быть сказано, имеются ли указанные резисторы внутри устройства или их необходимо устанавливать дополнительно при монтаже. Если требуются внешние резисторы, то они должны иметь номинал в интервале от 450 до 650 Ом и быть установлены только в одном месте в пределах каждого сегмента сети (сегментами считаются части сети между повторителями интерфейса). Modbus-устройство обязательно должно поддерживать скорости обмена 9 600 бит/с и 19 200 бит/с, в последнее время 9 600 бит/с устанавливается по умолчанию. Допускаются также скорости 1 200, 2 400, 4 800, ..., 38 400 бит/с, 65 кбит/с, 115 кбит/с. Скорость передачи должна выдерживаться в передатчике с погрешностью не хуже 1 %, а приемник должен принимать данные при отклонении скорости передачи до 2 %. Сегмент сети, не содержащий повторителей интерфейса, должен допускать подключение до 32 устройств, однако их количество может быть увеличено, если это допустимо исходя из нагрузочной способности передатчиков и входного сопротивления приемников, которые должны быть приведены в документации на интерфейсы. Указание этих параметров в документации является обязательным требованием. Максимальная длина магистрального кабеля при скорости передачи 9 600 бит/с и сечении жил более 0,13 кв. мм (AWG26) составляет 1 км. Отводы от магистрального кабеля не должны быть длиннее 20 м. При использовании многопортового пассивного разветвителя с N отводами длина каждого отвода не должна превышать значения 40/Nм. 183

Раздел IV. Протоколы управления данными в промышленных системах

Modbus не устанавливает конкретных типов разъемов, но если используются разъемы RJ45, mini-DIN или D-Shell, они должны быть экранированными, а цоколевки соответствовать стандарту. Для минимизации ошибок при монтаже рекомендуется использовать провода следующих цветов: желтый – для положительного вывода RS-485 (на котором устанавливается логическая «+», когда через интерфейс выводится логическая 1); коричневый – для второго вывода интерфейса RS-485; серый – для общего провода. Типовым кабелем является AWG 24 (0,2 кв. мм, диаметр провода 0,51 мм). При использовании кабеля пятой категории его длина не должна превышать 600 м. Волновое сопротивление кабеля желательно выбирать более 100 Ом, особенно для скорости обмена более 19 200 бит/с. 3. Канальный уровень Modbus. Протокол Modbus предполагает, что только одно ведущее устройство (контроллер) и до 247 ведомых (модулей ввода-вывода) могут быть объединены в промышленную сеть. Обмен данными всегда инициируется ведущим. Ведомые устройства никогда не начинают передачу данных, пока не получат запрос от ведущего. Ведомые устройства также не могут обмениваться данными друг с другом. Поэтому в любой момент времени в сети Modbus может происходить только один акт обмена. Адреса с 1-го по 247-й являются адресами Modbus-устройств в сети, а с 248-го по 255-й зарезервированы. Ведущее устройство не должно иметь адреса, и в сети не должно быть двух устройств с одинаковыми адресами. Ведущее устройство может посылать запросы всем устройствам одновременно (широковещательный режим) или только одному. Для широковещательного режима зарезервирован адрес 0 (при использовании в команде этого адреса она принимается всеми устройствами сети). В режиме Modbus RTU сообщение начинает восприниматься как новое после паузы (тишины) на шине длительностью не менее 3,5 символов (14 бит), т. е. величина паузы в секундах зависит от скорости передачи. Элементарный пакет данных протокола, так называемый PDU (англ. Protocol Data Unit) одинаковый для всех физических уровней (RS-232, RS-485, Ethernet). Он упаковывается в индивидуальный для каждой реализации Modbusпакет данных приложения ADU (англ. Application Data Unit). Коды функций и состав PDU для каждой реализации Modbus описаны в Modbus Application Protocol. Формат кадра Modbus показан на рис. 18.1. Поле адреса всегда содержит только адрес ведомого устройства, даже в ответах на команду, посланную ведущим. Благодаря этому ведущее устройство знает, от какого модуля пришел ответ. 184

Лекция 18. Открытый коммуникационный протокол Modbus

ADU Адрес устройства (1 байт)

Код функции (1 байт) PDU

Данные (0–252 байт)

Контрольная сумма (2 байта)

Рис. 18.1. Формат кадра Modbus

Поле «Код функции» говорит модулю о том, какое действие нужно выполнить. Поле «Данные» может содержать произвольное количество байт. В нем может содержаться информация о параметрах, используемых в запросах контроллера или ответах модуля. Данные передаются байтами, разделенными стартовыми и стоповыми битами, для контроля ошибок каждого байта может использоваться бит паритета (рис. 18.2). Стартовый бит

1

2

3

4

5

6

7

8

Бит паритета

Стоповый бит

Рис. 18.2. Последовательность бит поля «Данные»

По умолчанию в режиме RTU бит паритета устанавливают равным 1, если количество двоичных единиц в байте нечетное, и равным 0, если оно четное. Такой паритет называют четным (Even parity). При четном количестве двоичных единиц в байте бит паритета может быть равен 1. В этом случае говорят, что паритет является нечетным (Odd parity). Контроль четности может отсутствовать вообще. В этом случае вместо бита паритета должен использоваться второй стоповый бит. Для обеспечения максимальной совместимости с другими устройствами рекомендуется использовать возможность замены бита паритета на второй стоповый бит. Ведомые устройства могут воспринимать любой из вариантов: четный, нечетный паритет или его отсутствие. Поле «Контрольная сумма» (рис. 18.1) содержит контрольную сумму CRC (Cyclic Redundancy Check) длиной 2 байта. Метод CRC используется независимо от проверки паритета. Значение CRC устанавливается в ведущем устройстве перед передачей. При приеме сообщения вычисляется CRC для всего сообщения и сравнивается с его значением, указанным в поле CRC Mod Bus-кадра. Если оба значения совпадают, считается, что сообщение не содержит ошибки. Стартовые, стоповые биты и бит паритета в вычислении CRC не участвуют. 185

Раздел IV. Протоколы управления данными в промышленных системах

4. Прикладной уровень Modbus RTU обеспечивает коммуникацию между устройствами типа «ведущий/ведомый». Прикладной уровень является независимым от физического и канального, в частности, он может использовать протоколы Ethernet TCP/IP (Modbus TCP/IP), Modbus Plus (многомастерная сеть с передачей маркера), интерфейсы RS-232, RS-422, RS485, оптоволоконные, радиоканалы и другие физические среды для передачи сигналов. Прикладной уровень Modbus основан на запросах с помощью кодов функций. Код функции указывает ведомому устройству, какую операцию оно должно выполнить. При использовании протокола прикладного уровня с различными протоколами транспортного и канального уровня сохраняется неизменным основной блок Modbus-сообщения, включающий код функции и данные (это блок PDU). К блоку PDU могут добавляться дополнительные поля при использовании его в различных промышленных сетях, и тогда он образует ADU. Спецификацией Modbus предусмотрены три категории кодов функций: установленные стандартом, задаваемые пользователем и зарезервированные. Коды функций являются числами в диапазоне от 1 до 127. Коды в диапазоне от 65 до 72 и от 100 до 110 относятся к задаваемым пользователем функциям, диапазон от 128 до 255 зарезервирован для пересылки кодов ошибок в ответном сообщении. Код 0 не используется. Коды ошибок позволяют ведомым устройством, определить, какое действие предпринять для их обработки. Значения кодов и их смысл описаны в соответствующем разделе спецификации Modbus RTU. Поле данных (рис. 18.1) в сообщении, посланном от ведущего устройства ведомому, содержит дополнительную информацию, которую ведомое использует, чтобы выполнить функцию, указанную в поле «Код функции». Поле данных может содержать значения состояний дискретных входов/выходов, адреса регистров, из которых надо считывать (записывать) данные, количество байт данных, ссылки на переменные, количество переменных, код подфункций и т. п. Если ведомый нормально выполнил принятую от ведущего функцию, то в ответе поле «Код функции» содержит ту же информацию, что и в запросе. В противном случае ведомый выдает код ошибки. В случае ошибки код функции в ответе равен коду функции в запросе, увеличенному на 128. В сообщении ведущего устройства ведомому поле данных содержит дополнительную информацию, необходимую для выполнения указанной функции. Например, если код функции указывает, что необходимо считать данные из группы регистров устройства ввода (код функции 03 hex), то поле данных содержит адрес начального регистра и количество регистров. 186

Лекция 18. Открытый коммуникационный протокол Modbus

Если ведущее устройство посылает команду записи данных в группу регистров (код функции 10 hex), то поле данных должно содержать адрес начального регистра, количество регистров, количество байтов данных и данные для записи в регистр. Конкретное содержание поля данных устанавливается стандартом для каждой функции отдельно. В некоторых сообщениях поле данных может иметь нулевую длину. Примеры кодов: (0x02) – чтение значений из нескольких дискретных входов (Read Discrete Inputs); (0x03) – чтение значений из нескольких регистров хранения (Read Holding Registers); (0x04) – чтение значений из нескольких регистров ввода (Read Input Registers); (0x05) – запись значения одного флага (Force Single Coil); (0x06) – запись значения в один регистр хранения (Preset Single Register); (0x07) – чтение сигналов состояния (Read Exception Status); (0x0F) – запись значений в несколько регистров флагов (Force Multiple Coils); (0x10) – запись значений в несколько регистров хранения (Preset Multiple Registers); (0x16) – запись в один регистр хранения с использованием маски «И» и маски «ИЛИ» (Mask Write Register); (0x18) – чтение данных из очереди (Read FIFO Queue); (0x14) – чтение из файла (Read File Record); (0x15) – запись в файл (Write File Record); (0x08) – диагностика (Diagnostic); (0x0B) – чтение счетчика событий (Get Com Event Counter); (0x0C) – чтение журнала событий (Get Com Event Log).

Открытые промышленные сети Долгое время промышленные системы обмена данными строились по централизованной схеме, которая состояла из одного вычислительного устройства и большого количества кабелей, соединявших его с оконечными устройствами. Недостатки таких систем управления – большие затраты на кабельную сеть и вспомогательное оборудование, низкая надежность.

187

Раздел IV. Протоколы управления данными в промышленных системах

С развитием цифровых технологий альтернативой таким системам управления стали промышленные сети, имеющие распределенную модульную архитектуру. Их особенность – цифровая форма передачи данных. Узлы сети располагаются вблизи оконечных устройств. Благодаря этому длина аналоговых линий минимальна. Каждый узел промышленной сети выполняет несколько функций:  прием команд и данных от других узлов;  съем и оцифровка данных с подключенных устройств;  управление последовательностью операций согласно заданному алгоритму;  передача информации другим узлам сети. Современные промышленные сети являются открытыми, что позволяет использовать в одной сети оборудование, выпущенное разными производителями, поддерживающими единый стандарт. Сегодня существует много вариантов открытых промышленных сетей, отличающихся по своим параметрам и сферам применения: Сеть Interbus – одна из первых промышленных шин, получивших широкое распространение, разработана фирмой Phoenix Contact в 1984 г. Популярна благодаря своей гибкости, быстродействию, диагностическим средствам. Максимальное расстояние, которое может охватывать эта сеть, – 13 километров, обеспечивается благодаря ретрансляции сигнала в каждом узле. Узлы-ретрансляторы образуют основу топологии Interbus. Оконечные устройства подключаются к дополнительным кольцевым сегментам, в которых питающее напряжение передается вместе с данными. Profibus – открытая промышленная сеть разработана в 1989 г. Имеет несколько разновидностей: Profibus DP (ведущий/ведомый), Profibus FMS (несколько главных устройств/одноранговые устройства), Profibus PA (внутренне безопасная шина). Сеть Profibus поддерживает консорциум производителей и пользователей Profibus Trade Organization. Широко используется в странах Европы, Северной и Южной Америки. Достоинства – высокая скорость обмена данными, большая длина соединений и широкие возможности по обработке данных. Однако коммуникационная модель «ведущий/ведомый» неудобна для управления распределенными процессами. DeviceNet – промышленная сеть разработана фирмой Allen-Bradley в 1994 г. Удовлетворяет большинству требований, предъявляемых к прокладке кабелей внутри промышленных установок и цехов. Поскольку питающее напряжение для устройств автоматики подается по сетевому кабелю, общее число используемых кабелей и сложность разводки минимальны. Протокол DeviceNet поддерживается сотнями разнотипных устройств (от интеллектуальных датчиков до вентилей и операторских пультов) и сотнями различных производителей. 188

Лекция 18. Открытый коммуникационный протокол Modbus

Система AS-I – разработана консорциумом европейских производителей в 1993 г. Строится на основе принципа главное/подчиненное устройство. Чаще всего используется для соединения двоичных датчиков и исполнительных механизмов. Основой являются модульные компоненты. Подключение к сети производится с помощью специальных соединительных модулей, обеспечивающих быстрое и надежное подключение к плоскому кабелю AS-I. Этот кабель является одновременно и каналом связи, и источником питания для подчиненных устройств. Система Foundation Fieldbus – это открытый международный стандарт для систем управления технологическими процессами. Разработана в середине 1990-х годов. Отличается от других промышленных сетей следующим: 1) имеет специальный язык описания оконечных устройств (Device Description Language), использование которого позволяет подключать новые устройства к сети по технологии plug-and-play; 2) беспечивает одноранговую связь между узлами без центрального ведущего устройства; 3) дает возможность реализовать системы управления, распределенные не только физически, но и логически, а также разнообразные технологии информационного обмена – подписку на данные, синхронизацию распределенного процесса и т. д. Эти промышленные сети получили широкое распространение и поддерживаются международными организациями, объединяющими как конечных пользователей, так и поставщиков, что позволяет решить технологические проблемы практически любого производства. Но не существует одного универсального решения, подходящего для всех задач. Всегда возможны несколько решений. Для того чтобы сделать обоснованный выбор, необходимо знать все особенности каждого из этих решений.

189

Раздел IV. Протоколы управления данными в промышленных системах

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: учеб. для вузов. – М.: Радио и связь, 1994. 2. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. – 1104 с. 3. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов. – СПб.: Питер, 2002. – 608 с. 4. Парк Дж., Маккей С., Райт Э. Передача данных в системах контроля и управления: практическое руководство (пер. с англ.). – М.: ООО «Группа ИДТ», 2007. – 480 с. 5. Хэмминг Р. В. Теория кодирования и теория информации: пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1983. – 176 с. 6. Битнер В. И. Принципы и протоколы взаимодействия телекоммуникационных сетей: учеб. пособие для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2008. – 272 с. 7. Сиберт, У. М. Цепи, сигналы, системы: в 2-х ч. / У. М. Сиберт; пер. с англ. – М.: Мир, 1988.

190

Учебное издание

Темербаев Сергей Андреевич Довгун Валерий Петрович Важенина Ирина Георгиевна

Новиков Виктор Валерьевич Синяговский Артем Феликсович

УПРАВЛЕНИЕ ДАННЫМИ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ Конспект лекций Редактор Т. И. Тайгина Корректор Е. Г. Иванова Компьютерная верстка О. А. Кравченко

Подписано в печать 07.05.2018. Печать плоская. Формат 60×84/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 12,0. Тираж 100 экз. Заказ № 3852

Библиотечно-издательский комплекс Сибирского федерального университета 660041, Красноярск, пр. Свободный, 82а Тел. (391) 206-26-67; http://bik.sfu-kras.ru E-mail: [email protected]