Способ передачи и приема данных через воздушный зазор биполярными импульсами и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области телеизмерений, в частности к передаче импульсных сигналов через воздушный зазор и может быть использовано в системах для передачи и приема телеметрической информации от рабочих органов вращающихся узлов и механизмов.

Известен способ, реализованный в устройстве приема биполярных импульсов [1]. Он предполагает, что от нескольких терминалов, работающих с разными скоростями передачи и находящихся на разных удалениях от приемника, данные передают биполярными импульсами. Единичный разряд кода представляют положительным импульсом (полуволной), за которым следует отрицательный импульс (полуволна); в нулевом разряде кода импульсы передают в обратном порядке. Известный способ отличается сложностью обработки принимаемых биполярных сигналов. Это обусловлено необходимостью отслеживания порога срабатывания компараторов положительной и отрицательной полуволн в зависимости от удаленности терминала, т.е. уровня поступившего на вход приемника сигнала, а также длительности полуволн и паузы между ними для установления с помощью ППЗУ частоты принимаемого сигнала. При передаче данных через воздушный зазор последние два обстоятельства не являются актуальными, т.к. источник данных один - вращающаяся часть системы, а параметры биполярных импульсов фиксированы. Однако у известного способа есть недостаток, связанный с пороговой обработкой импульсов, которая уступает в помехозащищенности способу, использующему интегральную оценку принимаемого сигнала на всем интервале его наблюдения [2, с. 109].

Известен способ формирования биполярных сигналов для передачи данных через воздушный зазор [3]. В качестве элемента связи вращающейся части системы с неподвижной в нем используют воздушный трансформатор, обмотки которого входят в состав индуктивно связанных контуров (ИСК). В способе реализуют комбинированное (из прямоугольного и экспоненциального импульсов) возбуждение вращающегося контура с целью получения на неподвижной части системы биполярных импульсных сигналов, потенциально превосходящих по помехозащищенности однополярные сигналы или сигналы, состоящие из двух разных по форме и величине полуволн. Известный способ неявно предполагает пороговый способ восстановления кодовых посылок и тем самым не может быть признан оптимальным [2], т.е. имеющим наименьшую вероятность ошибки на приеме, которую обеспечивают интегральные методы восстановления.

Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является способ, представленный в устройстве передачи и приема информации [4]. Известный способ предполагает, что на вращающейся части информационно-измерительной системы из информационных посылок формируют прямоугольные импульсы возбуждения первичного контура ИСК, образованных обмотками воздушного трансформатора и пассивными RC-элементами. Под их воздействием на неподвижном контуре, отделенном от вращающегося контура воздушным зазором, формируются адекватные режиму работы ИСК реакции. Единичному разряду кода данных соответствуют два одинаковых по форме и амплитуде, но разнополярных импульса. Для нулевого разряда кода импульсы не формируют. Восстановление посылок осуществляют с помощью двух компараторов, двух фильтров, инвертора, элемента задержки и логического элемента И. Сигналы с неподвижного контура ИСК подают на первый вход первого компаратора, на входы первого фильтра и инвертора. С выхода первого фильтра получают пороговое напряжение для первого компаратора. С выхода инвертора принятый сигнал подают на первый вход второго компаратора и на вход второго фильтра, с помощью которого формируют пороговое напряжение для второго компаратора. Полученные на выходах фильтров пороговые сигналы подают на вторые входы соответственно первого и второго компараторов. На выходах компараторов в моменты времени, когда входные сигналы превышают пороговые значения, получают прямоугольные импульсы. Выходной сигнал первого компаратора задерживают на время, равное длительности первой полуволны биполярного сигнала, и подают на один вход элемента И, на другой вход которого подают сигнал с выхода второго компаратора. На выходе элемента И получают восстановленные разряды кода данных. Используемый в известном способе метод пороговой обработки не является достаточно помехозащищенным. Так, если на переданный через воздушный зазор биполярный сигнал будут воздействовать достаточно интенсивные импульсные помехи, то они вызовут дробление прямоугольных импульсов на выходах компараторов, которое повлечет формирование на выходе элемента И нескольких импульсов в пределах одного разряда кода, что неблагоприятно скажется на качестве приема биполярного сигнала и потребует дополнительной обработки.

Таким образом, недостатком известного способа является низкая помехозащищенность, обусловленная пороговым методом обработки принятых биполярных сигналов. Для повышения помехозащищенности способа передачи и приема данных через воздушный зазор, осуществленного в прототипе, можно дополнительно реализовать в нем интегральный метод оценивания принятых разрядов информационного кода.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем.

На вращающейся части измерительной системы для каждого единичного разряда информационного кода создают сигнал импульсного возбуждения первичного контура индуктивно связанных контуров таким образом, что на их вторичном контуре, отделенном воздушным зазором от первичного, он формирует биполярные импульсы. Для нулевых разрядов кода возбуждающий сигнал не создают. Возбуждающий сигнал получают либо из прямоугольных посылок исходного кода (как в прототипе), либо как комбинацию короткого прямоугольного импульса и экспоненциального импульса (как в аналоге), либо каким-нибудь другим способом. Принятый на неподвижном контуре биполярный сигнал подают на два компаратора. Первый компаратор зафиксирует на своем выходе уровень логической единицы, когда положительная полуволна превысит порог U₀, равный половине от ее амплитуды. Другой компаратор выработает единичный сигнал, если отрицательная полуволна опустится ниже порога -U₀. Объединив сигналы с выходов компараторов по схеме ИЛИ, их подают на ключ, через который на интегратор будет поступать интегрируемое напряжение. В качестве такового можно использовать пороговое напряжение U₀. Исследования показали, что на отрезке, соответствующем активной длительности т_а полуволны (т.е. на интервале времени, когда полуволна превышает по абсолютной величине значение U₀), интеграл от U₀ с погрешностью от 5 до 10 процентов совпадает по абсолютной величине с половиной площади соответствующей полуволны. Таким образом, за время превышения по абсолютной величине обеими полуволнами порога U₀ на выходе интегратора получают значение площади 2U₀τ_a (в идеале активные длительности полуволн совпадают), которое практически совпадает с абсолютным значением площади каждой из полуволн биполярного сигнала. Интегратор обнуляют в конце каждого интервала, соответствующего длительности одного разряда кода. С помощью третьего компаратора, на один вход которого подают сигнал с выхода интегратора, а на другой - пороговое напряжение Р, оценивают значение принятого разряда кода. Выбор значения порога Р осуществляют, исходя из площади биполярного сигнала, которая известна при выбранных параметрах индуктивно связанных контуров и возбуждающего их сигнала, а также уровня помех в канале.

Предложенный способ позволяет устранить недостаток известного способа, а именно, повысить помехозащищенность передачи и приема данных через воздушный зазор биполярными импульсами, благодаря сочетанию интегрального и порогового способов их обработки.

Принцип достижения названного технического результата за счет выполнения предложенных выше действий с передаваемым через воздушный зазор биполярным импульсным сигналом поясняется фигурами 1 и 2.

В известном устройстве (прототипе) кодовые посылки подают на формирователь сигнала, который создает для каждого единичного разряда прямоугольный импульс возбуждения вращающегося контура ИСК. На фиг. 1, а изображен подобный импульс kod. На каждый перепад (скачок) в этом импульсе индуктивно связанные контуры формируют на выходе их неподвижного контура соответствующие реакции, которые вместе образуют биполярный сигнал, представленный на фиг. 1, б. В стационарной аппаратуре выявляют на двух компараторах факт превышения положительной и инвертированной отрицательной полуволнами сигнала пороговых значений, получаемых для них с помощью двух фильтров, обрабатывающих соответствующие полуволны. Фильтры используют в прототипе для повышения помехозащищенности, отслеживая с их помощью напряжение помехи. Сигнал с выхода компаратора положительной полуволны задерживают на время ее длительности и объединяют на схеме И с сигналом с выхода компаратора инвертированной второй полуволны сигнала. На выходе элемента И получают восстановленный разряд кода, переданный через зазор. Если искажающая биполярный сигнал помеха достаточно интенсивна, то она вызовет дробление выходных сигналов компараторов, а значит и разряда кода на выходе элемента И.

Для устранения указанного недостатка прототипа, связанного с его низкой помехозащищенностью, обусловленную применением порогового способа обработки, в предлагаемом способе на вращающейся части системы для каждого единичного разряда кода данных формируют такой сигнал возбуждения первичного контура ИСК, который вызывает на выходе его неподвижного контура, отделенного от вращающегося воздушным зазором, биполярный сигнал. Это делают с помощью соответствующего формирователя возбуждающих сигналов, например такого же, как в прототипе. Возможный вид биполярного сигнала представлен на фиг. 1, б. Нулевому разряду кода соответствует пауза на выходе формирователя. В неподвижной части системы искаженный помехой биполярный сигнал smes (фиг. 2, а) подают с выхода вторичного контура на входы двух компараторов. Первый из них формирует единичный сигнал K1, если смесь сигнала и помехи превышает порог U₀, равный половине амплитуды полуволны сигнала (эпюра 1 на фиг. 2, б). На выходе второго компаратора формируется сигнал K2 (эпюра 2 на фиг. 2, б), который принимает значение единица, если смесь биполярного сигнала с помехой оказывается ниже порога -U₀. Выходные сигналы компараторов объединяют элементом ИЛИ. Сигнал ILI с выхода последнего (эпюра 3 на фиг. 2, б) подают на управляющий вход ключа, через который в моменты превышения по абсолютной величине сигналом smes названных порогов на вход интегратора подается интегрируемое напряжение U₀. Его выбор обусловлен тем, что в результате интегрирования U₀ в течение двух отрезков τ_а, на которых smes превышает по абсолютной величине пороги, на выходе интегратора получается величина 2U₀τ_a, которая практически совпадает с площадью каждого импульса. На фиг. 1, в приведен фрагмент документа, созданного в пакете MathCAD, который подтверждает сказанное. Анализировались одинаковые контуры в граничном режиме с коэффициентом связи между ними, равным 0.5, и с нормированными по частоте и амплитуде сигналами. В идеале, если бы биполярный сигнал был прямоугольным (что не реализуемо) указанные площади совпадали бы точно. Выходной сигнал int интегратора (фиг. 2, в) подают на вход третьего компаратора, который сравнивает его с порогом Р. Сигнал K3 на его выходе принимает единичное значение в случае превышения накопленным интегралом порога Р (эпюра 2 на фиг. 2, г). В конце каждого разряда кода сигналом "Сброс" (эпюра 1 sbros на фиг. 2, г) значение выходного сигнала интегратора сбрасывают в ноль. Порог Р выбирают, исходя из площади биполярного сигнала, которая известна при выбранных параметрах индуктивно связанных контуров и возбуждающего их сигнала, а также интенсивности помех в канале. Предлагаемый способ, благодаря сочетанию в нем интегрального и порогового методов оценки принятых биполярных импульсов, менее чувствителен к мгновенным искажениям в полезном сигнале из-за помех. Следовательно, предлагаемый способ передачи и приема данных через воздушный зазор биполярными импульсами имеет по сравнению с прототипом более высокую помехозащищенность.

На фиг. 3 приведена структурная схема устройства осуществления предложенного способа передачи и приема данных через воздушный зазор биполярными импульсами, а на фигурах 1 и 2 - эпюры, поясняющие его работу.

Для достижения технического результата, заключающегося в повышении помехозащищенности передачи и приема разрядов кода данных, в устройство, содержащее на его вращающейся части формирователь возбуждающих сигналов, вход которого является входом устройства, а его выход соединен с первичным контуром индуктивно связанных контуров, вторичный контур которых, расположенный на неподвижной части устройства и отделенный от первичного контура воздушным зазором, соединен с входом первого компаратора, и второй компаратор в неподвижной части, введены на неподвижной части элемент ИЛИ, ключ, интегратор и третий компаратор. Формирователь создает такой возбуждающий сигнал, под воздействием которого на выходе вторичного контура формируются биполярные импульсы для каждого единичного разряда кода данных. Первый компаратор использует порог U₀, равный половине амплитуды положительной полуволны биполярного сигнала, второй компаратор, вход которого соединен со входом первого компаратора, использует порог -U₀, равный половине амплитуды отрицательной полуволны биполярного сигнала. Выходы компараторов через схему ИЛИ соединены с управляющим входом ключа, через который пороговый сигнал U₀ первого компаратора подается на вход интегратора, выход которого соединен со входом третьего компаратора, выход которого является выходом устройства и который использует порог Р, определяемый параметрами сигнала и уровнем помех. На управляющий вход интегратора подают сигнал "Сброс", обнуляющий его выходной сигнал в конце каждого разряда кода.

Устройство для осуществления предложенного способа передачи и приема данных через воздушный зазор биполярными импульсами содержит вращающуюся часть 1, неподвижную часть 2 и воздушный зазор 3. Вращающаяся часть 1 содержит формирователь 4 возбуждающих сигналов и первичный контур 5 индуктивно связанных контуров 7. Неподвижная часть 2 устройства, отделенная от вращающейся части 1 воздушным зазором 3, содержит вторичный контур 6 индуктивно связанных контуров 7, первый 8 и второй 9 компараторы, элемент ИЛИ 10, ключ 11, интегратор 12, третий компаратор 13.

Входом устройства является вход формирователя 4 возбуждающих сигналов, расположенного на вращающейся части 1, на который поступают разряды кода данных. Его выход соединен с первичным контуром 5 индуктивно связанных контуров 7. Выход находящегося на неподвижной части 2 вторичного контура 6 индуктивно связанных контуров 7, отделенного от первичного контура 5 воздушным зазором 3, соединен со входами первого 8 и второго 9 компараторов, имеющих пороги сравнения U₀ и -U₀, равные половине амплитуды положительной и отрицательной полуволн биполярного сигнала соответственно. Выходы компараторов через элемент ИЛИ 10 подключены к управляющему входу ключа 11, через который пороговое напряжение U₀ первого компаратора подается на вход интегратора 12. Выход интегратора 12 соединен с входом третьего компаратора 13, использующего порог Р, зависящий от параметров биполярного сигнала и уровня помех. На управляющий вход интегратор в конце каждого разряда кода подают сигнал "Сброс". Выход третьего компаратора 13 является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом. На вращающейся части 1 на вход устройства поступают разряды кода данных. Формирователь 4 для каждого единичного разряда формирует импульсы возбуждения первичного контура 5 индуктивно связанных контуров 7, например такие, как показано на фиг. 1, а. Их действие вызывает реакцию на вторичном контуре 6 ИСК 7 в виде биполярного сигнала (фиг. 1, б). Формирователь может быть более сложным, например комбинировать сигнал возбуждения из прямоугольного и экспоненциального импульсов с целью укорочения длительности реакции, но в любом случае он должен создавать на выходе вторичного контура биполярный сигнал. Искаженный помехой биполярный сигнал smes (фиг. 2, а) подают на входы первого 8 и второго 9 компараторов, которые фиксируют на своих выходах превышение по абсолютной величине порога U₀, равного половине амплитуды соответствующей полуволны сигнала (эпюра 1 для сигнала K1 на выходе первого компаратора и эпюра 2 для сигнала K2 на выходе второго, показанные на фиг. 2, б). Выходы компараторов объединяют по схеме ИЛИ 10 и полученным сигналом ILI (эпюра 3 на фиг. 2, б) управляют прохождением интегрируемого напряжения U₀ через ключ 11 на интегратор 12. Сигнал int с выхода интегратора 12 (фиг. 2, в) сравнивают на третьем компараторе 13 с порогом Р, величина которого определяется параметрами сигнала и помехи. На выходе третьего компаратора, который является выходом устройства, формируется сигнал K₃ (эпюра 2 на фиг. 2, г). Для корректной работы интегратора необходимо обнулять его значение в конце каждого разряда кода. Это производится с помощью сигнала sbros (эпюра 1 на фиг. 2, г), подаваемого на вход "Сброс" устройства.

Технический результат предложенного способа передачи и приема данных через воздушный зазор биполярными импульсами и устройства для его осуществления заключается в том, что достигается повышение помехозащищенности передачи и приема разрядов кода данных за счет использования для обработки формируемых на неподвижном контуре биполярных импульсов как интегрального так и порогового методов восстановления.

Литература

1. Бокач М.А., Пинчук Л.Т., Терешкин Ю.М. Приемник биполярных импульсов. А.с. СССР №1810991. Бюл. №15, 1993.

2. Пенин П.И. Системы передачи цифровой информации. Учебное пособие для вузов. - М.: Сов. радио, 1976. - 368 с.

3. Зилотова М.А., Карасев В.В., Николаева А.В. Способ формирования биполярных сигналов для передачи данных через воздушный зазор и устройство для его осуществления. Патент РФ №2566949. Бюл. №30, 2015.

4. Карасев В.В., Нечаев Г.И. Устройство для передачи и приема информации. А.с. СССР №1180949.

Расшифровка обозначений к фиг. 3:

1 - вращающаяся часть;

2 - неподвижная часть;

3 - воздушный зазор;

4 - формирователь возбуждающих сигналов;

5 - первичный контур;

6 - вторичный контур;

7 - индуктивно связанные контуры;

8 - первый компаратор;

9 - второй компаратор;

10 - элемент ИЛИ;

11 - ключ;

12 - интегратор;

13 - третий компаратор;