Глава третья
СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ (КОДЫ)
- КОД, ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Код — это математическая структура (закон) построения дискретных сигналов, однозначно соответствующая передаваемым сообщениям. Слово ’’код” (от латинского ’’кодекс” — свод законов) означает свод правил, законов, по которым составляются комбинации из дискретных сигналов. Каждая такая комбинация, называемая кодовой, записывается в виде последовательности, составленной из некоторых условных символов (например, цифр 0,1 ...; различных букв а, b,с... или одинаковых букв с различными показателями степени, указывающими местоположение символа в кодовой комбинации, хк, хk-1 и т. д.). Символ — это элемент кодовой комбинации. Каждому сообщению, подлежащему передаче, однозначно сопоставляется (приписывается) своя кодовая комбинация. Таким образом, код позволяет записать все сообщения на некотором общем для данного набора сообщений языке. С этой точки зрения набор символов данного кода рассматривают как алфавит, а кодовые комбинации из этих символов — как кодовые слова.
Каждое сообщение передается собственным кодовым словом. Аналогия с языковой терминологией может быть продолжена и далее: кодовые слова могут объединяться в группы — кодовые предложения или фразы, которые образуют кодовые блоки, объединенные некоторой общностью (например, способом защиты от помех всех кодовых слов, входящих в блок), и т. д.
Каждому символу (букве алфавита) соответствует элементарный дискретный сигнал, обладающий определенным селективным признаком (амплитудой, частотой, длительностью и т. п.). Число селективных признаков сигналов* должно соответствовать числу букв кодового алфавита.
Кодирование — это преобразование сообщений в комбинации из элементарных сигналов в соответствии с заданным кодом, т. е. физический процесс придания абстрактным кодовым комбинациям реальных физических признаков сигнала. Результатом процесса кодирования является кодированный сигнал — сигнал, построенный из дискретных посылок по определенному закону — коду.
Важно подчеркнуть, что код — понятие чисто математическое, не связанное с физическими характеристиками сигнала. Элементы кода — символы — существуют независимо от того, какими физическими сигналами они будут передаваться по каналу связи. Понятие код связано с канальным уровнем передачи, в то время как кодированный сигнал — с физическим уровнем (см. рис. В.2). С точки зрения такого определения кода недопустимо применение таких часто встречающихся терминов, как ’’частотный код”, ’’временной код” и т. д.
* В литературе эти признаки именуются также импульсными признаками сигналов.
Разделение понятий ’’код” и ’’кодированный сигнал” позволяет анализировать независимо структуру построения сигнала. При этом не следует смешивать понятия ’’помехозащищенность кода” и ’’помехоустойчивость кодированного сигнала”. Под помехозащищенностью кода будем понимать способность данной структуры противостоять действию ошибок (т. е. обнаруживать или исправлять ошибки). Это понятие необходимо для сравнения различных способов кодообразования при проектировании средств передачи информации. Помехоустойчивость кодированных сигналов — более широкое понятие. Оно определяет способность физического процесса, представляющего кодированный сигнал, противостоять действию помех.
Нередко можно получить более помехоустойчивый сигнал при использовании менее помехозащищенного кода и наоборот. Например, передача сообщений при использовании без избыточного двоичного кода может обладать большей помехоустойчивостью по сравнению с использованием помехозащищенного кода, если помехоустойчивость элементарных сигналов в первом случае существенно выше, чем во втором.
Общие задачи кодирования
а) Сообщения, которые передаются телемеханическими системами, носят весьма разнообразный характер; это могут быть сообщения о состоянии коммутационной аппаратуры (включено, отключено), величины измеряемых параметров (мощность, давление, расход, температура и т. д.), различные цифровые данные контроля и статистического учета (координаты движения, выработка продукции, номера оборудования). Естественно, что в пределах одного телемеханического устройства все передаваемые сообщения должны быть представлены кодированными сигналами, построенными по одному, общему для всех Или, по крайней мере, для группы сообщений закону (коду). Следовательно, общей задачей кодирования является перевод разнообразных сообщений на общий язык кодированных сигналов.
б) Необходимость в кодировании сигналов, т. е. в составлении комбинаций из элементарных дискретных сигналов по определенному математическому закону, возникает в тех случаях, когда число сообщений N превосходит число селективных качественных признаков сигналов т. В самом деле, если т=Ν, то, приписав каждому сообщению один из т признаков сигнала и посылая один элементарный сигнал (импульс) с данным признаком, можно, вообще говоря, передать все сообщения. Если же т < Ν, то для передачи всех сообщений приходится составлять комбинации из п элементарных сигналов с т признаками. Теперь уже не элементарный сигнал, а определенная комбинация из и элементарных сигналов будет выражать данное сообщение. Естественно, что число передаваемых сообщений, равное числу комбинаций из п элементов, имеющих т различных признаков, при этом резко возрастет. Закон N = f(n,m), по которому составляются комбинации, и является кодом этих сообщений.
Таким образом, одна из задач кодирования состоит в обеспечении передачи необходимого числа различных сообщений по данному каналу связи при помощи комбинирования из и элементарных сигналов с т импульсными признаками.
в) Другой, не менее важной задачей является обеспечение надежности передачи сообщений. Кодированный по определенному закону сигнал приобретает свойства обнаружения, а иногда и исправления ошибок, которые могут возникнуть в процессе передачи сигналов от передатчика к приемнику.
г) Обеспечение секретности сообщений. Применение специального кода, известного только соответствующему корреспонденту, обеспечивает секретность передачи.
д) Кодирование сигналов решает также задачу согласования параметров канала связи и сигналов: применяя тот или иной метод кодирования, удается согласовать объемы сигнала и канала связи.
Методы решения отмеченных основных задач кодирования могут быть весьма разнообразны в зависимости от конкретных условий и требований передачи сигналов. Однако эти задачи должны решаться в комплексе; кодированные сигналы должны обеспечивать передачу всей информации с необходимой степенью надежности по каналу связи с заданными параметрами.
Особенности кодирования телемеханических сообщений
Основная особенность телемеханических сообщений состоит в необходимости передачи информации в режиме реального времени и с высочайшей степенью достоверности, поскольку своевременность и надежность получаемой информации (включая и передачу команд ТУ) определяет эффективность всей системы автоматизированного (или полностью автоматического) централизованного контроля и управления крупными технологическими процессами в целом. Исходя из этого основными требованиями к системе кодирования телемеханических сообщений являются обеспечение минимальной задержки передаваемых сообщений и обеспечение высокой помехоустойчивости кодированных сигналов.
Минимальная задержка передаваемых сообщений достигается: повышением скорости передачи сигналов по каналу связи;
выбором кодовых блоков (т. е. группы кодовых слов с соответствующей защитой от помех) минимальной длины;
широко развитой системой приоритетов, обеспечивающей внеочередную посылку наиболее экстренных сообщений;
наиболее простым (коротким) диалогом между приемником и передатчиком информации.
Высокая помехоустойчивость кодированных сообщений достигается выбором помехозащищенных кодов с большим кодовым расстоянием и высокой помехоустойчивостью элементарных сигналов.
Требования обеспечения минимальной задержки и высокой достоверности сообщений при ограниченной полосе частот пропускания канала связи взаимно противоречивы. Поэтому приходится принимать решения о компромиссном удовлетворении этих требований в каждом конкретном случае.
Спецификой передачи телемеханических сообщений в энергосистемах, которые необходимо также учитывать при выборе кодовых структур сигналов, является высокий уровень помех в каналах связи, вызванных, в частности, электромагнитным влиянием тока промышленной частоты на ВЧ каналы по высоковольтным линиям электропередачи, коммутационными помехами при операциях с выключателями и разъединителями, различными режимами повреждений на ВЛ, а также сложными условиями окружающей среды (широкими диапазонами температур, влажности, напряжения питания и т. д.), в которых работают устройства телемеханики, причем часто при отсутствии постоянного обслуживающего персонала.
Основным требованием при передаче большинства телемеханических сообщений является низкая вероятность не обнаруживаемых ошибок (т. е. малая вероятность воспроизведения ложных сообщений). Особенно это относится к командам ТУ: исполнение ложной команды должно быть практически исключено, так как эта ложная операция может привести к катастрофическим последствиям (вплоть до гибели людей). Потеря сообщений тоже нежелательна, однако более допустима, особенно если сопровождается сигналом, требующим повторения потерянного (забракованного) сообщения.
Следует также считаться с возможностью образования ложных сообщений без их передачи от источника сообщений, т. е. из помех на входе приемника. Поэтому приемники УТМ при отсутствии передачи должны быть закрыты, а если это по каким-либо причинам невозможно, то коды сообщений должны обеспечивать практическую невозможность формирования сообщения из помех на входе приемного устройства.
