Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ и синтез структуры системы управления наружным освещением 14
1.1. Понятие "идеальный конечный результат" 14
1.2. Методика анализа и синтеза технических решений 16
1.3. Анализ существующих технических решений
1.3.1. Замкнутая САУ с дискретным управлением линией освещения 19
1.3.2. Разомкнутая САУ с дискретным управлением линией 21
1.3.3. САУ с адресным управлением светильниками 25
1.3.4. САУ с автономным управлением светильником 28
1.3.5. Итоги анализа технических решений
1.4. Синтез графа технических решений 33
1.5. Формирование требований к энергоэффективной суно 40
1.6. Оптимизация графа технических решений суно 43
1.7. Сравнительная оценка энергоэффективности вариантов тр 45
1.8. Структура энергоэффективной суно
1.8.1. Технические решения блока управления светильником 48
1.8.2. Технические решения блока управления линией 50
1.8.3. Технические решения канала связи КС1 53
1.8.4. Технические решения канала связи КС2 59
1.8.5. Технические решения центра мониторинга и управления 62
Выводы 62
Глава 2. Система передачи данных по сети электроснабжения с модуляцией основной гармоники питающего напряжения 64
2.1. Способы передачи и приема сигнала с помощью модуляции Напряжения электросети
2.2. Оценка влияния модуляции напряжения сети на качество Электроэнергии 66
2.2.1. Разработка математической модели для оценки влияния модуляции на показатели синусоидальности напряжения 68
2.2.2. Оценка спектра сигнала для первого способа кодирования 72
2.2.3. Оценка спектра сигнала для второго способа кодирования
2.3. Способ передачи и приема адресных команд управления 79
2.4. Особенности реализации способа передачи и приема команд управления в реальных линиях электроснабжения
2.4.1. Влияние переходных процессов, происходящих в линии при передаче маркеров 84
2.4.2. Качественная модель режимов работы линии освещения 88
2.4.3. Разработка мероприятий, повышающих надежность идентификации команд 93
2.4.4. Разработка способа идентификации маркеров с учетом влияния возмущающих факторов 98
2.4.5. Сглаживание результатов измерений с помощью цифровой фильтрации 102
2.5. Разработка Способа Уменьшения Погрешностей Квантования В Рекурсивных Алгоритмах Целочисленной Арифметики Конечной Разрядности 107
2.5.1. Исследование операции деления в целочисленной арифметике 107
2.5.2. Алгоритм компенсации погрешности квантования 111
2.5.3. Разработка алгоритма целочисленного деления с компенсацией погрешности квантования 113
2.5.4. Схема рекурсивного цифрового фильтра низких частот 1-го порядка с компенсацией погрешности квантования 121
Выводы 122
ГЛАВА 3. Система передачи данных по сети электропитания способом модуляции наложенногонапряжения 124
3.1. Особенности электрической сети как среды передачи данных 125
3.2. Анализ требований нормативных документов к передаче сигналов по электрической сети 126
3.3. Математические основы передачи и приема сигналов с относительной фазовой модуляцией 127
3.4. Способ приема и передачи данных по сети 0.4 кв 134
3.5. Разработка помехоустойчивого протокола передачи данных
3.5.1. Постановка задачи 136
3.5.2. Математическое моделирование алгоритма синхронизации кадров и разработка протокола передачи информации 139
3.5.3. Моделирование проблемы "псевдо-верной" синхронизации кадров в канале связи 144
3.5.4. Моделирование блока синхронизации кадров 148
3.5. Разработка математической модели для оценки соответствия сигналов требованиям нормативных документов 150
Выводы 155
ГЛАВА 4. Разработка программного обеспечения суно 156
4.1. Программное обеспечение центра мониторинга и управления 156
4.1.1. Служба мониторинга 157
4.1.2. Проектирование базы данных 163
4.1.3. Проектирование программного обеспечения управления и диспетчеризации 168
4.2. Программное обеспечение блока управления линией 172
4.2.1. Модуль управления линией 172
4.2.2. Модуль измерений 179
4.2.3. Модуль диагностики 180
4.2.4. Модуль управления GSM-модемом 183
4.2.5. Модуль связи с БУС 184
4.3. Программное обеспечение блока управления светильником 186
4.3.1. Модуль управления приемником модуляции сетевого напряжения 187
4.3.2. Модуль управления приемником модуляции наложенного напряжения 188
Выводы 189
Заключение 190
Список используемых сокращений 192
Литература
- Замкнутая САУ с дискретным управлением линией освещения
- Разработка математической модели для оценки влияния модуляции на показатели синусоидальности напряжения
- Математическое моделирование алгоритма синхронизации кадров и разработка протокола передачи информации
- Программное обеспечение блока управления линией
Введение к работе
Актуальность работы. Системы наружного освещения (СНО) являются неотъемлемой частью инженерной инфраструктуры муниципальных образований. По оценке Международного энергетического агентства, 19% всей потребляемой в мире электроэнергии расходуется на освещение. Актуальность мероприятий в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности подчеркивается в федеральном законе № 261 "Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности" от 23.11.2009 г.
Целью диссертационной работы является разработка энергоэффективной системы наружного освещения. Для достижения указанной цели были решены следующие задачи: исследование структуры СНО и оптимизация ее по критерию энергоэффективности; разработка алгоритмического и программного обеспечения основных структурных элементов системы управления наружным освещением (СУНО); подтверждение функциональных, технических и экономических показателей путем математического моделирования, проведения экспериментов и опытной эксплуатации.
Объект исследования: система наружного освещения.
Предмет исследования: структура системы управления наружным освещением; модели, алгоритмы функционирования и программное обеспечение ее основных элементов.
Методологическую и теоретическую основу исследования составили работы отечественных и зарубежных ученых в следующих областях наук: синтез, проектирование и конструирование систем - М.Ю. Охтилев, В.А. Бесекерский, А.И. Половинкин, Г.С. Альтшуллер и др.; энергосбережение - В.Э. Воротницкий, Ю.С. Железко, А.А. Сапронов, С.Л. Кужеков, И.И. Надтока и др.; светотехника - Ю.Б. Айзенберг, М.М. Гуторов и др.; математическое моделирование - А.Н. Ткачев, Ю.А. Бахвалов, В.Г. Фетисов, Ю.Г. Булычев и др.; теория чисел - СВ. Судопла-тов, И.М. Виноградов и др; цифровая обработка сигналов - Ю.А. Брюханов, В.И. Гадзиковский, Н.Т. Петрович, В. Хэмминг, Р. Богнер, Л. Рабинер, Б. Гоудц и др.; электротехника - В.В. Колесников, Ю.М. Осипов, Л.А. Бессонов и др.; алгоритмизация и методы вычислительной математики - А.А. Шалыто, Д. Кнут и др.; теория реляционных баз данных М. Грабер, П. Чен и др. Вопросами практической разработки технических решений в области СНО занимаются научные и инженерные коллективы из Южного федерального университета, Московского энергетического института, Мордовского государственного университета, НИИ "Светотехника", ФГУП НПО "Автоматика" г. Екатеринбург, Южно-Уральского государственного университета, ОАО "ЭНЭФ", ЗАО "Рефлакс", BL-групп, Echelon Corp., Wossloh-Schwabe и др.
В исследовании использовались методы математического моделирования; системного анализа и синтеза; теории графов; теории цифровой обработки сигналов; спектрального анализа; натурного эксперимента; численные методы и др.
Информационная база исследования. В исследовании использовались научные источники в виде данных и сведений из книг, статей в журналах, патентов на изобретения, материалов докладов научных конференций и семинаров, законодательных и нормативных актов, результатов расчетов и проведенных экспериментов; техническая и эксплуатационная документация.
4 Достоверность и обоснованность результатов научных исследований обеспечена совпадением результатов математического моделирования, натурных экспериментов и испытаний, а также результатами опытной эксплуатации СНО в Октябрьском и Аксайском районах Ростовской обл., г.Азов и г.Иркутск. Новизна и реализуемость технических предложений, отраженных в диссертационной работе, подтверждена полученными патентами на изобретения, а также их практическим внедрением.
Научная новизна результатов исследования:
-
Предложена методика синтеза, анализа и оптимизации графа реализуемых технических решений, с использованием которой получена структура энергоэффективной системы управления наружным освещением.
-
Предложен способ передачи и приема информации по сети электроснабжения на основе модуляции основной гармоники сетевого напряжения, отличающийся кодированием и структурированием информации с помощью переданных маркеров, позволяющий реализовать адресное управление устройствами.
-
Предложен способ уменьшения вычислительной погрешности при реализации рекурсивных цифровых фильтров в целочисленной арифметике, отличающийся учетом остатка, полученного при обработке предыдущего отсчета в операции целочисленного деления, и позволяющий устранить эффект "предельных циклов".
-
Предложен способ передачи и приема информации по сети электроснабжения, отличающийся наложением относительно-фазового манипулированного сигнала в окрестности нуля основной гармоники сетевого напряжения, повторной передачей на ряде фиксированных несущих частот и синхронизацией кадров с помощью циклических контрольных сумм.
-
Разработаны и научно обоснованы модели и алгоритмы функционирования основных структурных элементов системы управления наружным освещением.
Практическая значимость работы:
-
Полученная методика анализа и оптимизации графа технических решений позволяет автоматизировать процессы при проектировании технических систем.
-
Предложенные способы передачи информации по линиям электроснабжения просты в реализации, применимы для решения широкого круга задач телеметрии и телеуправления.
-
Практическая реализация способа уменьшения погрешности вычислений позволяет снизить ее до половины младшего значащего разряда и создавать недорогие цифровые фильтры нижних частот без эффекта "предельных циклов".
-
Предложенный способ автоматической диагностики и локализации неисправных светильников позволяет снизить эксплуатационные затраты до 20%.
-
Разработанный комплекс моделей, алгоритмов и программ позволяет реализовать систему управления наружным освещением с характеристиками, соответствующими требованиям нормативных документов и повысить качество функционирования наружного освещения при экономии затрат на электроэнергию до 25%.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения: 1. Методика синтеза, анализа и оптимизации графа реализуемых технических решений, используемая для проектирования энергоэффективной системы наружного освещения.
-
Структура системы управления наружным освещением, модели, алгоритмы и программы ее функционирования.
-
Способ передачи и приема команд управления по электросети на основе модуляции сетевого напряжения.
-
Способ уменьшения вычислительной погрешности в рекурсивных алгоритмах, использующих операцию целочисленного деления.
-
Способ передачи и приема команд управления по электросети, использующий относительно-фазовую модуляцию наложенного сигнала.
-
Способ диагностики и локализации неисправных нагрузок с помощью измерения тока или мощности потребления линии при адресном управлении режимами работы нагрузок.
Результаты работы использованы при выполнении госбюджетных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по программам: НИР Г-12.11.MP "Научные аспекты энергоресурсосбережения экологии и безопасности жизнедеятельности в муниципальном и коммунальном хозяйстве", "Исследование и разработка устройства приема и передачи информации по электрической сети переменного тока напряжением 0.4 кВ" (гос. контракт №5721р/8214 от 31.03.2008); «Исследование и разработка программно-технических средств системы управления муниципальным освещением» (гос. контракт №6423р/9055 от 26.12.2008 г.); "Исследование, разработка и корректировка программно-технических средств системы управления муниципальным освещением, определение их оптимальной функциональности по результатам натурного эксперимента" (гос. контракт №8071р/9055 от 30.04.2010 г.).
На основании результатов исследования в 2009 г. создана и продолжает эксплуатироваться энергоэффективная СНО, охватывающая 12 сельских поселений, расположенных на территории Октябрьского и Аксайского районов Ростовской обл., г. Азова и г. Иркутска позволяющая экономить около 20% эксплуатационных затрат и до 25% затрат на электроэнергию (ЭЭ).
Результаты исследования используются на предприятиях: ОАО "ЭНЭФ" Республика Беларусь, при серийном изготовлении электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА) для натриевых ламп высокого давления со встроенными приемниками команд управления; ООО "Лайт-09", п. Каменоломни Ростовской обл., в виде ПО центра мониторинга и управления СНО, ПО микропроцессорных блоков управления линиями освещения и светильников; ООО "НПФ ЭЛИС", п. Каменоломни Ростовской обл., в виде патентов на способы передачи адресных команд управления по линиям электроснабжения и диагностики светильников, а также ПО электросетевого модема " ЭЛИС PLM.E.V.2.1"; в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Юж.-Рос. гос. университет экономики и сервиса» г. Шахты Ростовской обл.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы изложены и одобрены на следующих семинарах и научно-технических конференциях: XXVIII и XXX сессиях Всерос. семинара «Кибернетика энергетических систем»: 27-29 сент. 2005 г., 25-26 окт. 2006 г., 24-25 сект. 2008 г., 28-29 окт. 2009 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НІШ), г. Новочеркасск; Всерос. научно-практической конференции "Технологии XXI века в энергетике и трансп. коммуникациях: проблемы и перспективы", 21-25 апр. 2010 г., г. Сочи; Юж.-Рос. форуме "Энергоэффективная экономика", г.Ростов-на-Дону, нояб. 2010 г. По результатам
б работы получены: диплом и золотая медаль X Московского международного салона инноваций и инвестиций, Москва, сентябрь 2010 г.; диплом и золотая медаль конкурса аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности, г. Новочеркасск, окт. 2010 г. Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. (НПИ).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 20 научных работ, в том числе 3 работы в рекомендованных ВАК журналах, получено 3 патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 120 наименований, пяти приложений. Основной текст изложен на 194 страницах машинописного текста и иллюстрирован 94 рисунками и 38 таблицами.
Замкнутая САУ с дискретным управлением линией освещения
Имея полный граф известных ТР можно легко проанализировать эффективность того или иного ТР, например, методом поиска оптимального пути из вершины "Начало" в вершину "Конец". При составлении графа важна полнота предварительно проведенного поиска существующих ТР.
Для оценки эффективности ТР предлагается ввести множество маркировок вершин, состоящих из количественных и качественных признаков вершин графа: М = {р1р2...рк;т]т2...т1},тд& pt - количественная маркировка (вес) по /-му признаку; m - качественная маркировка по у-му признаку [23, 24]. Например, для количественных маркировок, можно использовать стоимость СЭ, его электропотребление, затраты на его обслуживание, показатель надежности, экспертную оценку и другие количественные показатели, имеющие смысл для СЭ - вершин графа ТР.
К качественным маркировкам можно отнести, например, цвет элемента, способ его крепления, форму и т.д. Одной из обязательно присутствующих в множестве М качественных маркировок, является функциональная маркировка (F). Функциональная маркировка определяет множество функций, которые может выполнять данный элемент.
Методика синтеза полного графа ТР заключается в следующих этапах: 1. Варианты известных ТР объединяются в одном графе с одной общей вершиной "Начало" и одной вершиной "Конец". 2. Вершины графа располагаются в соответствии с их уровнем иерархии. 3. Каждой вершине присваивается номер, отображающий уровень иерархии и ее порядковый номер внутри уровня.
УЭ конструктивно имеет два варианта размещения: первый (ТР1, ТР2 и ТРЗ) - в шкафу блока управления линией "УЭ (БУЛ)"; второй (ТР4) - непосредственно в каждом блоке управления светильником "УЭ (БУС)". Кроме того, в решениях ТРЗ и ТР4 присутствует элемент - канал связи КС2. По этим причинам уровень иерархии УЭ следует разделить на три части: управляющие элементы светильников (БУС), канала связи (КС2) и блока управления линией (БУЛ). Граф ТР после выполнения этапов 2 и 3 приведен на рисунке 1.12, на котором приняты следующие обозначения: Л - линия; С - светильник; КЛ - контактор линии; РМЛ - редуктор мощности линии; КС - контактор светильника; РМС - редуктор мощности светильника; ФР - фотореле; Т - таймер; МК - микроконтроллер; ЦМУ - центр мониторинга и управления; КС1, КС2 - каналы связи, ОУ - объект управления; ИЭ - исполнительный элемент; УЭ - управляющий элемент; БУЛ - блок управления линией; БУС - блок управления светильником; ТР1, ТР2, ТРЗ, ТР4 - технические решения. 1 ОУ ИЭ і УЭ
Любой путь из вершины "Начало" в вершину "Конец" на графе будет отображать одно из известных ТР. Некоторые вершины (например, 7.1, 7.2 и 7.3) графа ТР представляют одинаковые по конструктивному исполнению и функциональности элементы, используемые в разных ТР. Учитывая это, граф ТР можно представить в более компактном виде, совместив однотипные вершины. Для этого необходимо выполнить дополнительные этапы синтеза графа ТР: 4. Нанесение функциональной маркировки элементов (вершин графа). 5. Нанесение маркировки конструктивного исполнения элементов. 6. Вершины одного уровня иерархии, имеющие совпадающую функциональную и конструктивную маркировки, объединяют в одну, при этом входящие и исходящие дуги переносятся в объединенную вершину, дублирующие дуги удаляют. Функциональная и конструктивная маркировки графа ТР приведены в таблице 1.6.
Вершины V71, V72 и V73 можно объединить, так как они имеют одинаковую конструктивную и функциональную маркировки. После объединения удаляются повторяющиеся дуги исходящие и входящие дуги для V71.
Аналогично объединяются вершины (V61, V62 и V63), (V53 и V54), (V24 и V2 в), (У2 5 и V2 7), (Vi 3 и Vi 4), при этом повторяющиеся дуги удаляются.
Вершины (V41 и V42) объединить нельзя: хотя они и относятся к одному уровню иерархии, но отличаются по функциям - в ТР4 канал КС2 должен быть двунаправленным, а в ТРЗ достаточно однонаправленного канала связи для передачи команд управления от УЭ (БУЛ) к ИЭ. Также нельзя объединить и вершины (V21 и V2.2), так как контакторы линии и фрагмента линии разного конструктивного исполнения. Граф ТР после выполнения этапа 5 приведен на рисунке 1.13.
Для автоматизации поиска оптимального пути, граф ТР можно представить матрицей смежности [20]. В матрице смежности по вертикали представлены вершины с исходящими дугами, по горизонтали вершины со входящими дугами. "1" на пересечении строки и столбца матрицы означает, что существует дуга, из вершины в строке в вершину в столбце.
В итоге получен граф ТР, компактно отображающий известные технические решения, используемые для построения системы управления наружным освещением. Далее задача синтеза ТС сводится к поиску пути в графе ТР из вершины "Начало" в вершину "Конец" по минимаксных критериям количественных маркировок вершин. Набор обязательно проходимых вершин задается требуемым набором функциональных и качественных маркировок проектируемой ТС или говоря иначе - набором требований к проектируемой ТС.
Разработка математической модели для оценки влияния модуляции на показатели синусоидальности напряжения
Расчетный показатель коэффициента искажения синусоидальности Ки= 4,851 % также не превышает норму 8%.
В результате моделирования получено, что минимальный интервал между "вырезами" должен быть не менее 32 полуволн основной гармоники, что составляет по времени 0.33 с.
Учитывая, что команды БУЛ подаются относительно редко (одно переключение режима мощности и процесс диагностики ламп один раз в сутки), общее время передачи команд в течение суток будет значительно меньше 72 мин., регламентированных пиковым режимом в ГОСТ КЭ.
Для проверки результатов моделирования также был проведен натурный эксперимент, в котором с помощью управляемого коммутатора (оптотриака МГТС04/18-125) производилась периодическая модуляция (отключение одной полуволны сетевого напряжения) с различной частотой. Форма напряжения сети осциллографировалась на резистивном делителе 1:1,5 кОм с помощью цифрового осциллографа Tektronix TDS2022 и обрабатывались встроенной функцией быстрого преобразования Фурье (БПФ).
На рисунке 2.5 приведен гармонический состав сетевого напряжения без модуляции, с нанесенной разметкой норм коэффициентов гармоник согласно ГОСТ КЭ. Здесь видно присутствие нечетных гармоник, кратных 50 Гц, определяемых характером нагрузок и процессов, происходящих в реальной электросети.
Результат обработки БПФ сетевого напряжения, модулированного через 32 полуволны приведен на рисунке 2.6.
Пересчет норм коэффициентов гармоник в дБ (1 В), с учетом резистивно-го делителя 1:1,5 кОм, приведен в таблице 2.3.
С учетом проведенного анализа, результатов моделирования и требований к СПД, сформулированных в главе 1, был выбран способ передачи адресных команд управления по электросети путем модуляции основной гармоники сети. Его подробное описание приведено в [56, 57]. Кратко, способ заключается в следующем.
Функциональная схема СПД приведена на рисунке 2.7, где цифрами обозначены: 1 - источник напряжения сети; 2, 5 - пороговые датчики напряжения (ПДН); 3 - блок управления коммутатором; 4 - управляемый коммутатор; 6 -блок управления приемником.
Управляемый коммутатор 4 может прерывать подачу питающего напряжения в линию по сигналу, поступающему на его управляющий вход.
Блок управления коммутатором 3 получает на свой вход импульсы синхронизации от датчика 2 и выдает сигналы управления коммутатором 4 для прерывания подачи питающего напряжения в линию.
Каждый приемник информации 1 состоит из ПДН 5 и микропроцессорного блока управления 6. Модуляция осуществляется путем прерывания питающего напряжения ("маркера") с помощью управляемого коммутатора на время, равное половине периода основной гармоники, с началом в точке перехода основной гармоники питающего напряжения через ноль.
Процесс кодирования символов информации заключается в такой расстановке маркеров, чтобы количество полуволн питающего напряжения происходящих между двумя маркерами было равно передаваемому коду символа. Процессом расстановки маркеров управляет микропроцессорный блок, который подает сигнал управления устройству коммутации. Синхронизация фазы управляющих сигналов осуществляется по импульсам, поступающим с ПДН 2.
Прием сигнала заключается в детектировании маркеров с помощью ПДН 5. На рисунке 2.8 отображены эпюры напряжений в узлах СПД: а) в распределительной сети 1; б) на выходе ПДН 2; в) на выходе блока управления коммутатором; г) на выходе коммутатора 4; д) на выходе ПДН 5.
Эпюры напряжений в узлах СПД На рисунке 2.8 обозначены: ивп, инп - верхний и нижний пороги переключения ПДН; Uj (t) - напряжения в узлах СПД; ts - моменты переключения ПДН.
Отсутствие переключения ПДН 5 на интервале t45, детектируется блоком управления приемника как "маркер". Количество импульсов с ПДН 5 на интервале t56 (между двумя маркерами) определяет код переданного символа.
Как было указано в 1.8.2, передаваемая команда управления, состоит из двух полей: адреса и кода команды. Каждое из полей кодируется символами определенного алфавита: поле адреса алфавитом (1.8); поле команды алфавитом (1.9). Каждый символ этого алфавита имеет свой порядковый номер (в дальнейшем используется термин "код символа").
С учетом результатов моделирования, приведенных в 2.2.3, для того чтобы не ухудшить показатели КЭ, к коду символа, определяющему количество полуволн в каждом поле, необходимо добавлять постоянную величину (смещение) S=32. При декодировании, смещение нужно вычитать от принятого кода. Эпюра модулированного напряжения при передаче команды приведена на рисунке 2.9.
Математическое моделирование алгоритма синхронизации кадров и разработка протокола передачи информации
Алгоритм (2.21) описывает одну из известных реализаций дискретных рекурсивных фильтров - цифровой фильтр нижних частот (ЦФНЧ) с бесконечной импульсной характеристикой, достаточно подробный математический анализ фильтров такого типа, можно получить, например, в работе [64]. Данный фильтр имеет аналоговый прототип, относящийся к классу одномерных скалярных стационарных рекурсивных линейных цифровых фильтров. Комплексная частотная характеристика фильтра для нормированной угловой частоты W = а Т/(2тг), где Т - шаг дискретизации (в случае равномерных отсчетов), имеет вид [64] (2.22):
Амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) в радиотехнике принято отображать как зависимость интервале от нуля до частоты Найквиста [64] (/я --5/д =0.5/Г) в логарифмическом масштабе, а амплитуду пересчитывать в дБ (2.23): А(Л = 2018Я(/), (2.23) На рисунке 2.21 приведены графики модуля передаточной функции (а) и АЧХ (б), пунктиром обозначены графики при « = 2 4, сплошной линией при а - 2 9. АЧХ имеет линейный участок (полосу пропускания) с коэффициентом передачи близким к 1 до частоты среза fcp, выше которой расположен участок подавления с наклоном 20 дБ на декаду. Частота среза, длина и глубина участка подавления зависят от параметра а , чем меньше а , тем уже полоса пропускания и шире полоса подавления помехквадрата модуля передаточной функции от нормированной циклической частоты на. Условие устойчивости данной ЛСС [64]: 0 а 1. Значения параметра а , обеспечивающего необходимую частоту среза можно получить из расчетов аналогового прототипа. Методики расчета широко известны и приведены, например, в работах [64- 67].
В цифровых фильтрах существуют три основных источника погрешности выходного сигнала [64- 67]: 1 - шумы аналого-цифрового преобразования (АЦП) входных сигналов; 2 - погрешности характеристик ЦФ, обусловленные квантованием коэффициентов фильтра; 3 - шумы квантования результатов арифметических операций в вычислителе.
Погрешности вида 1 можно уменьшить только схемотехнически - увеличением разрядности, точности и стабильности АЦП.
Погрешности 2 появляются при представлении точных значений коэффициентов двоичными числами в ограниченной разрядной сетке вычислительного устройства и вынужденной операции их округления. В исследуемом ЦФНЧ используется один коэффициент 0 а 1, используемый в операции умножения. Чтобы устранить влияние погрешности квантования этого коэффициента, его можно представить в виде правильной дроби а = —, с целочисленными числи Ь телем и знаменателем, а операцию умножения на а заменить на две последовательные операции: умножения на целое а и деления на целое Ь . Операция умножения не вносит погрешности квантования результатов, но может вызвать переполнение разрядной сетки вычислительного устройства. Поэтому необходимо контролировать динамический диапазон входных значений и выбрать соответствующую длину разрядной сетки или применить масштабирование.
Погрешности 3 возникают при представлении результатов операций в ограниченной разрядной сетке вычислительного устройства. В исследуемом процессе такой операцией является деление. Если операция деления применяется циклически, то погрешность имеет свойство накапливаться и существенно искажать требуемые характеристики фильтра.
При построении шумовой модели квантования в [67] предполагалось, что шумы не коррелированны с входной последовательностью. Но, так как измерения временных интервалов импульсов ПДН в режиме отсутствия маркеров имеют малый процент отклонений от среднего (см. таблицу 2.5), равный 1,65%, можно считать, что входная последовательность близка к постоянной величине, то есть шумы коррелированны. Поэтому шумовую модель [67] в данном случае применить нельзя.
Используя способ представления коэффициента а в виде дроби, получаем следующую схему вычислений в целочисленной арифметике (2.25): У к = + Ук-\ к = 1,2,3,... з (2.25) где [ ]- операция квантования результата до меньшего целого; а и Ъ - целочис а ленные числитель и знаменатель коэффициента а = — , представленного в виде дроби. Введем обозначения: Ак=(хк-ук_х)-а -делимое; qk = - целочис ленное частное; гк = Ак Ъ - целочисленный остаток. В качестве операции квантования в целочисленной арифметике недорогих микроконтроллеров используется усечение (отбрасывание дробной части до меньшего целого по абсолютной величине) и результат операции деления в микропроцессоре - целое число без дробной части.
При постоянном входном сигнале хк =с = const, = 0,1,2,... в ЦФНЧ проявляется эффект, называемый "предельным циклом" или "мертвой зоной" [67], который заключается в следующем. Если ( к-Ук-\ а 1, то целочисленный результат операции деления будет равен нулю {qk =0). Поэтому, если на вход ЦФНЧ подается постоянный сигнал, "мертвая зона" ЦФНЧ будет определяться следующим интервалом (учитывая, что 0 — 1): где с - значение постоянного входного сигнала. Подробное исследование эффектов квантования в ЦФНЧ приведено в работах Ю. А. Брюханова, например [68-71].
При Ъ » а интервал "мертвой зоны" может составлять значительную величину и вносить искажения в АЧХ фильтра. На рисунке 2.23 приведены графики отклика ЦФНЧ с коэффициентом а=0,025 на входной сигнал хк =100, к = 0,1,2,... при использовании различных способов квантования результатов вычислений. Рисунок 2.23 - Отклик ЦФНЧ различных типов на ступенчатый сигнал На рисунке 2.23 цифрами обозначены: 1 - входной сигнал; 2 - идеальный ЦФНЧ; 3 - ЦФНЧ с округлением результата до ближайшего целого; 4 - ЦФНЧ с усечением дробной части. Из рисунка 2.23 видно, что погрешность квантования с округлением результата деления в два раза меньше, чем с усечением дробной части.
Программное обеспечение блока управления линией
Существует несколько вариантов решений определения начала пакета (задачи синхронизации кадров), применяемых в протоколах последовательной синхронной передачи данных. Достаточно полный их обзор и анализ приведен в работе [93].
Подобная задача решается, в технологии ATM (Asynchronous Transfer Mode), для поиска синхронизации кадров в непрерывном битовом потоке [94], но имеющиеся решения неприменимы ввиду отличия скоростных и шумовых характеристик канала передачи, а также требований к минимизации стоимости аппаратной реализации.
Кроме выше перечисленных, в данном способе приема-передачи информации возникает еще одна проблема. При отсутствии сигнала передатчика под действием аддитивного белого шума приемник выдает на своем выходе поток двоичных бит, с равной вероятностью выпадения "1" и "О" близкой к 0,5. Кадр состоит из блока данных длинной Ьд и контрольной комбинации (КК) длиной LKC бит (см. рисунок 3.8). Поэтому вероятность приема случайно выпавших псевдоверных кадров, рассчитывается по формуле (3.20): PhC =p.5xQ.5x...x0.5 = (0.5)L-=2"/- (3.20) v 140 Чем больше LKC, тем менее вероятно случайное выпадение псевдоверных кадров, но увеличение LKC, снижает коэффициент полезной информационной емкости пакета, который рассчитывается по формуле (3.21): .=TV (3-21)
Необходимо найти компромиссное решение, которое бы с одной стороны приближало бы коэффициент полезной информационной емкости пакета к 1 (ки -»1), а с другой уменьшало бы вероятность ложной синхронизации (Р1С - min).
Синтез алгоритма синхронизации приемника можно выполнить, применяя методы теории идентификации систем [95]. Будем считать, что проектируемая модель алгоритма синхронизации является "черным ящиком" (см. рисунок 3.10) с одним входом и одним выходом. На вход через фиксированные промежутки (кванты) времени tn, где п -номер отсчета, п = 0,1, 2,... поступают двоичные сигналы un (биты "0" или " 1" с выхода приемника). На выходе в каждый квант времени, выдается однобитный двоичный сигнал уп, причем "1" -означает, что синхронизация пакетов найдена, "0" - нет. ип Модель алгоритма синхронизации Уп Рисунок ЗЛО - Входные и выходные сигналы модели
В общем случае, состояние выхода уп зависит от п предыдущих состояний входа un, un.b ...u0. Поскольку конечная цель - синтезировать алгоритм, который должен выполняться в условиях ограниченных вычислительных ресурсов микроконтроллера, простота реализации будет играть решающую роль. Необходимо найти функциональную зависимость состояния выхода в n-й момент времени, от поступивших последовательно п входных сигналов un, un_i, .. .Uo Признаком верно принятого кадра, а также признаком правильного определения его границ, является обнаружение контрольной комбинации (КК) в по 141 следних LKC битах, причем она является однозначной функцией от Ьд предыдущих битов кадра. Достоверность найденной синхронизации кадров возрастает тем больше, чем больше принято верных кадров подряд.
Так как цель алгоритма - определение границ кадров, введем новую переменную хп, используя следующее правило. При поступлении каждого бита un с выхода приемника, вычисляется значение хэш-функции от принятых ранее битов и сравнивается с предыдущими принятыми LKC битами (предполагаемой КК). Если вычисленное и принятое значения совпадают, это отмечается маркером хп=1, иначе хп=0. Полученные маркеры в каждый отсчет времени записываются в сдвиговый регистр X.
Синхронизация пакетов считается найденной, если в к последовательно принятых кадрах контрольные комбинации будут соответствовать блокам данных. Это правило можно записать формулой (3.22): где к— количество последовательных кадров, в которых обнаружена контрольная комбинация; - операция умножения (логическое "и"). Каждый элемент хп можно вычислить, зная L последних состояний входа {un, un.i, ...un.L+)}. Поэтому для хранения состояний входа можно использовать сдвиговый регистр размера L бит. Соответственно уп можно вычислить, согласно (3.22), имея k-L элементов вектора X, поэтому для его хранения достаточно сдвигового регистра размера k-L бит. Это существенно снизит требования к вычислительным ресурсам и объему памяти при реализации.
Таким образом, структура модели блока поиска синхронизации кадров примет вид, показанный на рисунке 3.11, где приняты следующие обозначения: п - номер отсчета модельного времени (номер шага), 0,1,2,...; un - бит принятый в п-й отсчет времени, ипє{0;1}; U - сдвиговый регистр состояний входа, длиной L бит; хп - результат операции R(U) проверки КК; X - сдвиговый регистр результатов проверки КК, длиной k-L бит; - операция умножения (логическое "и"); уп - значение выходной функции модели в п-й отсчет времени [Ошибка! Источник ссылки не найден.].