СКАЧАТЬ:  laboratornaya_rabota_tele_2.zip [225,64 Kb] (cкачиваний: 39)

Лабораторная работа №1

по дисциплине: «Телеизмерения при исследовании скважин»

на тему: «Изучение процесса передачи информации по каналу связи»

          Цель лабораторной работы - изучение процесса передачи информации по каналу связи, использующего код «Манчестер II»

Канал связи

Совокупность технических средств, служащих для передачи сообщений от источника к получателю, образует канал связи. Этими средствами являются передатчик, линия связи и приемник. Канал связи вместе с источником и получателем сообщения образует систему связи.

Назначение передающего устройства - отобразить сообщение в сигнале, наиболее удобном для передачи по длинной линии связи. Для телеизмерительных систем - это преобразование неэлектрических величин от измерительных датчиков в электрические сигналы, а затем, в вид, удобный для передачи в канал связи.

В общем случае процесс отображения сообщения в сигнале состоит из трех операций: преобразования, кодирования и модуляции. В многоканальных системах связи, обеспечивающих взаимно-независимую передачу нескольких сообщений по одной общей линии, к этим трем операциям необходимо добавить операцию формирования «многоканального» сигнала.

Линия связи - это среда, используемая для передачи сигналов от передатчика к приемнику. Информация от забоя скважины к поверхности может передаваться с помощью:

-    проводных линий связи, встроенных в бурильный инструмент, в том числе токоподводов электробура, или в бронированный геофизический кабель, для спуска скважинного прибора на забой;

-    гидравлических импульсов по промывочной жидкости;

-    акустических импульсов по металлу трубы или по промывочной жидкости;

-    электромагнитных колебаний.

Независимо от того, что используется в канапе в качестве агента связи (электромагнитное поле, колонна бурильных труб как упругая линия или столб

промывочной жидкости), любой канал связи характеризуется затуханием сигнала вдоль линии связи . В простейшем случае (в однородной среде) уровень сигнала в точке приема U_np меньше уровня сигнала передачи U_nep:

где β - коэффициент затухания, L - длина линии связи.

Пропускная способность канала связи

Реальный канал имеет определенную ширину полосы пропусканияF_K, а погрешности при передаче тесно связаны с уровнем помех, который для данного канала также имеет определенную среднюю квадратическую величину U_{п э} (уровень помех эквивалентный).

Если не принимается специальных мер по выделению слабых сигналов на фоне сильных помех, отклонение величины сигнала от истинного значения не может быть меньше уровня помех в канале, так что шаг квантования при передаче по каналу связи должен быть не меньше средней квадратической величины помех. Средний квадратический уровень сигнала, который может передаваться в данном канале связи, также связан с рядом причин. Обозначим этот уровень для суммы полезного сигнала и помех через U'_C3, рассматривая его наибольший средний квадратический уровень сигнала, действующего в данном канале на входе приемника. Наибольшее число квантованных уровней сигнала в данном канале n_к= U'_с.э./U_{п э}

Так как сигнал и помеха независимы, их общая средняя мощность P'_с определяется суммированием мощности сигнала и мощности помехи Р_п, а именно: Р'_с = Р_с + Р_п.

С другой стороны, средние мощности пропорциональны квадратам соответствующих средних квадратических напряжений, так что:

Зная ширину полосы пропускания F_k и максимально допустимое для него число уровней n_к, можно получить формулу для пропускной способности канала связи:

Согласование сигнала с каналом связи

Если непрерывный источник при данной точности воспроизведения δ имеет скорость создания сообщений С, то можно закодировать сообщение на выходе источника и передавать его по каналу связи с пропускной способностью С' при точности воспроизведения, как угодно близкой к (т.е. без дополнительных погрешностей в канале), если только С' > С.

Это означает, что возможна передача с любой заранее заданной малой погрешностью, сколь угодно меньшей величины помех в канале, если только скорость создания сообщений меньше или равна пропускной способности канала. Следует иметь в виду, что при δ→0 скорость создания сообщений стремится к бесконечности и к каналу предъявляются требования бесконечно большой пропускной способности.

Методы передачи при С = С' сильно усложняются, появляются большие задержки во времени при кодировании и декодировании. Чем больше превышение С' над С, т.е. чем ниже эффективность телеизмерительной системы, тем легче осуществить передачу и прием и тем проще аппаратура.

Реальные системы построены с весьма значительным превышением С' над С. Если С'< С, то принципиально неустранимы дополнительные погрешности, наблюдается потеря части информации в канале из-за помех, так что первоначальная точность воспроизведения δ не сохраняется.

Данное неравенство С'< С является необходимым, но недостаточным условием для согласования сигнала с каналом. Необходимо согласовать еще их частотные характеристики. Например, передача сигнала возможна только в том случае, если F<F_k, где F - частота передачи; F_k - граничная частота передачи в канале. Если это неравенство не соблюдается, то для передачи сигнала в данном канале необходимо так перекодировать сигнал, чтобы частота уменьшилась до уровня F_K. При этом неизбежно произойдет соответствующее увеличение времени передачи Т. Происходит так называемый обмен частоты сигнала на время передачи. Если, например, сигнал, записанный на магнитофонную ленту,

Для ликвидации этих недостатков необходимо введение избыточности одним из двух способов:передавать в канал, снизив вдвое скорость протяжки ленты, то, естественно,

Примером кода с избыточностью, введённой согласно способу 1, является код «Манчестер II». Форма биполярного сигнала при передаче кода «Манчестер II» показана на (рис.3). Единица кодируется отрицательным перепадом сигнала в середине битового интервала, нуль - положительным перепадом. На границах битовых интервалов сигнал, если это необходимо, меняет значение, «готовясь» к отображению очередного бита в середине следующего битового интервала.уменьшится в 2 раза и верхняя частота спектра сигнала F. При этом в 2 раза увеличится время передачи, а количество информации сохранится прежним. Возможен также обмен мощности сигнала на полосу частот или время. Увеличение мощности сигнала при сохранении уровня помех и, следовательно, шага квантования по уровню позволит соответственно увеличить число уровней и перейти к коду с большим основанием n. Код с большим основанием короче и требует меньшего времени Т для передачи.

Время передачи теперь нетрудно выразить в частоте. Физически именно за счет таких преобразований возможна передача сигналов по каналу связи с помехами с погрешностью δ, значительной меньшей уровня помех в канале. Если даже Р_с< Р_п, то пропускная способность канала все еще остается конечной, и если она больше или равна С, то можно получить сколь угодно малую погрешность при передаче, пока соблюдается неравенство С' > С. Это приводит к удлинению времени передачи при специальных методах приема путем синхронного накопления сигнала, при котором помехи, носящие случайный характер, уменьшаются, а сигнал, носящий систематический характер, увеличивается с ростом числа циклов накопления.

Передача информации между двумя достаточно удалёнными устройствами требует представления её в виде последовательного потока битов, характеристики которого зависят от особенностей конкретной системы. Физической основой такой системы является линия связи, которая обычно выполняется в виде витой пары проводов, коаксиального кабеля, либо оптического световода. В зависимости от расстояния данные, передаваемые по линии, могут однократно или многократно подвергаться ретрансляции с целью восстановления амплитуды и временных характеристик (рис.1).

достаточно большом отрезке времени равно (отличается не более чем на одинРис.1. Передача информации между удаленными устройствами

Алгоритмы работы передатчика, ретранслятора и приемника определяются выбранным кодом, предназначенным для передачи по линии, или линейным кодом. Простейшим линейным кодом является униполярный код типа NRZ (non return to zero, рис.2).

В этом коде нули представлены отсутствием импульса (напряжение, близкое нулю), а единицы - наличием импульса (некоторое положительное напряжение). Этот код имеет три недостатка:

• Большинство линий связи сопрягаются с аппаратурой через реактивные элементы, такие как трансформаторы. Поскольку униполярные сигналы всегда содержат постоянную составляющую и значительную долю низкочастотных компонентов в спектре при передачи длинной последовательности единиц, такое сопряжение затруднено или вовсе невозможно - реактивные элементы на достаточно низких частотах представляют собой либо «обрыв», либо «короткое замыкание».
• Ретрансляторы и приемники способны надёжно восстановить

синхронизирующую временную сетку только тогда, когда паузы между импульсами не слишком велики. Появление очередного импульса после значительной паузы требует каждый раз корректировать «ход часов» ретранслятора или приемника. Другими словами, при передачи достаточно большой последовательности нулей приемник (или ретранслятор) теряет синхронизацию с передатчиком (или ретранслятором).

• Отсутствие возможности оперативной регистрации ошибок, таких как пропадание или появление лишних импульсов из-за помех.

1. Скорость передачи сигналов по линии выбирается большей, чем скорость передачи информации, без использования дополнительных электрических уровней сигналов.
2. Скорость передачи сигналов по линии выбирается равной скорости передачи информации, однако вводятся дополнительные электрические уровни сигналов.

С помощью этого кода решаются сразу все указанные проблемы. Поскольку число положительных и отрицательных импульсов на любом

импульс, что практически не имеет значения), постоянная составляющая равна нулю. Подстройка «часов» приемника или ретранслятора производится при передачи каждого бита, т.е. снимается проблема рассинхронизации. Спектр сигнала содержит только две частотные составляющие: F и 2F, где F - скорость передачи информационных битов. Наличие только двух (а не трёх или более) электрических уровней напряжения позволяет надёжно их распознавать (хорошая помехозащищённость).

Критерием ошибки может являться «замораживание» сигнала на одном из уровней на время, превышающее время передачи одного информационного бита, поскольку независимо от передаваемого кода сигнал всегда «колеблется» и никогда не «замирает». Плата за эти чрезвычайно полезные качества - удвоение требуемой пропускной способности связной аппаратуры.(2F)

Канал связи, использующий код «Манчестер II» (рис.4) включает в себя шифратор, дешифратор и двухпроводную магистраль. Сигнал в коде «Манчестер II» может быть получен путём суммирования по модулю «два» сигналов NRZ и С. Другими словами, сигнал, представленный в коде «Манчестер II», принимает единичные значения в тех интервалах времени, в которых сигналы NRZ и С имеют противоположные логические значения (01 или 10).

1. Синхросигналы и информация передаются по одному каналу, в то время как при использовании кода NRZ нужны два канала.
2. Диапазон логических частот NRZ начинается от нуля и не превышает

половины тактовой частоты. Сигнал «Манчестер II» содержит только две логические составляющие:    f_c/2 и f_c . Постоянная составляющая при

1. Легко обнаруживаются ошибки в передачи информации. Критерий ошибки - наличие постоянного сигнала в течении времени, превышающего один период тактовой частоты.

В геофизических глубинных приборах «Манчестер-II» является самым оптимальным вариантом, т.к. обладает двумя большими плюсами, которые перекрывают все его минусы:

• практически абсолютной помехоустойчивостью;
• способностью передавать информацию на большие расстояния без потери данных.

Перед передачей информации процессор должен знать свой адрес и саму передаваемую информацию. Информация чаще всего занимает два байта а адрес один байт. По ГОСТу для ВГ-6 (стандартный кодер-декодер протокола Манчестер II) посылка по МанчестеруII представляет собой два байта информации плюс четыре служебных бита, подаваемого в последовательном коде в порт процессора, подключённый к одному из транзисторов. В порт подключённый ко второму транзистору, подаётся инверсное значение посылки’ Посылка строится по следующему принципу: три синхронизирующих импульса + шестнадцать бит информации + бит чётности.

Значение бита чётности определяется по следующему методу:

1. Подсчитывается количество бит в двух байтах данных (количество единиц в двух байтах).
2. Если полученное число нечётное, то бит чётности равен 1.
3. Если полученное число чётное, то бит чётности равен 0.

Т.о. вся посылка должно содержать ровно 20 бит.

Бит чётности необходим для проверки достоверности принимаемой информации. Блок декодирования информации типа ВГ-6 подсчитывает количество бот в посылке и сверяет на чётность с последним битом посылки. Если значения совпадают, то посылка принята правильно, иначе производится

повтор передачи.

Порядок выполнения лабораторной работы

1. Изучили комплекс для геофизических исследований скважин включающий ГДИ5с-М, фильтр (имитатор кабеля), осциллограф, регистратор Гектор, ПК.

2. Собрали схему подключения скважинного прибора к каротажному регистратору, состоящую из ГДИ5с-М, фильтра, осциллографа, «Гектора» иисточника постоянного тока.

3. Подключили скважинный прибор к первому каналу регистратор ,заземлению и переключателем выбрали род работ 1.

4. Подключили осциллограф к фильтру для получения импульсных сигналов.

5.Через фильтр подали питание скважинному прибору +24В, а «Гектор»

подключили к сети с напряжением 220 В.

6. Сняли показания осциллографа и выполнили примерный расчет значения измеряемого параметра.

Заключение

В данной лабораторной работе мы изучили процесс передачи информации по каналу связи, использующего код «Манчестер II»,изучили комплекс для геофизических исследований скважин включающий ГДИ5с-М, фильтр (имитатор кабеля), осциллограф, регистратор Гектор, ПК.

В результате мы получили сигналы с прибора ГДИ5с-М, которые отображают различных значениях температур.