CC BY
44
УДК 681.31
СОЗДАНИЕ МОДЕЛИ ПРИЁМОПЕРЕДАТЧИКА В ПРОВОДНЫХ СЕТЯХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДЫ РАЗРАБОТКИ NI LAB VIEW
© 2014
И. А. Сорокин, кандидат технических наук, доцент кафедры «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» Нижегородский государственный инженерно-экономический институт, Княгинино (Россия)
Аннотация: Целью проектирования приёмопередатчиков является разработка устройств, способных передавать сигнал в соответствии с разработанным протоколом передачи. В ходе проектирования протокола передачи были описаны следующие требования к приёмопередатчикам: в качестве физической среды для передачи сигнала используется кабель UTP категории 2; должна быть реализована поддержка многоуровневой аналоговой передачи данных; синхронизация приёмника осуществляется по фронту сигнала переданного передатчиком; кодирование передаваемого значения должно осуществляться таким образом, чтобы в итоговом сигнале не было двух последовательно расположенных совпадающих по напряжению соседних импульса. В соответствии с вышеописанными требованиями основными задачами передатчика являются: считывание данных для передачи и буферного запоминающего устройства; кодирование считанной информации; формирование импульса соответствующего уровня напряжения. Задачами приёмника являются: распознавание фронта импульса; распознавание уровня напряжения в импульсе; вычисление закодированного уровнем напряжения переданного значения; запись полученного значения в буферное запоминающее устройство. Так как задачи, выполняемые передатчиком, можно условно разделить на две группы: обработка цифровых данных и формирование аналогового сигнала, следовательно, для реализации структуры передатчика можно использовать два блока: ПЛИС и генератор сигнала. Основной задачей ПЛИС в данной схеме является кодирование данных. Так как для корректной работы протокола передачи необходимо чтобы в итоговом сигнале не было совпадающих по напряжению соседних импульсов, в итоговой последовательности передаваемых значений не должно быть совпадающих, соседних чисел, например, 1 3 4 5 2 3 2 0 8 11 3 4. В соответствии с данным требованием наиболее оптимальным алгоритмом кодирования исходной информации является алгоритм изменения состояния передатчика посредством переходов в конечном автомате.
Ключевые слова: Амплитуда, генератор, данные, зависимости, импульс, линии связи, модели, напряжение, обработка, передатчик, Плис, протоколы, резистор, сети, сигнал, спектр, уровень, устройства, частота.
Коммуникационные сети (сети связи) давно уже плотно вошли в нашу жизнь. Практически любой процесс передачи данных осуществляется посредством той или иной сети связи. Проверяя электронную почту, совершая звонок, или, просто слушая радио, мы зачастую даже не подозреваем, что используем сеть, а чаще всего несколько различных видов сетей связи. Их столь широкое разнообразие обусловлено многими факторами и самым главным из них является несоизмеримо большая скорость передачи по сравнению с другими способами передачи информации, например, почтовым сообщением [1, 2].
От скорости передачи в коммуникационной сети напрямую зависит время ожидания получения необходимой информации. Допустимое время ожидания может быть различным: от долей секунды в системах экстренного реагирования, до нескольких минут в корпоративных информационных системах предприятий.
Основными характеристиками сети связи являются скорость передачи данных и стоимость развёртывания. Поскольку от этих двух параметров напрямую зависит качество работы всей системы, очень важным для них является использование дешёвых, высокоскоростных сетей [3].
Основным компонентом данной проектируемой системы являются протокол передачи данных, используемый приёмопередатчиком для непосредственной передачи данных по сети. Исходя из этого, первым этапом проектирования системы будет разработка протокола передачи [4].
Практически все современные протоколы передачи данных базируются на модели 081. Данная модель является общепризнанной абстрактной сетевой моделью и предназначена для разработки сетевых протоколов [1, 2, 3].
081 описывает любую коммуникационную сеть как взаимодействие семи взаимосвязанных уровней, обслуживающих каждый свою часть сетевого взаимодействия. Для описания сетей связи используются следующие уровни:
- прикладной уровень;
- представительский уровень;
- сеансовый уровень;
- транспортный уровень;
- сетевой уровень;
- канальный уровень;
- физический уровень.
Любой протокол модели OSI должен взаимодействовать либо с протоколами своего уровня, либо с протоколами на единицу выше и / или ниже своего уровня. Взаимодействия с протоколами своего уровня называются горизонтальными, а с уровнями на единицу выше или ниже - вертикальными. Любой протокол модели OSI может выполнять только функции своего уровня и не может выполнять функций другого уровня [1, 2].
Физический уровень модель 081 предназначается непосредственно для передачи потока данных. Этот уровень осуществляет передачу электрических сигналов и их преобразование в биты данных.
Одна из важнейших ролей при определении параметров линии связи отводится спектральному разложению передаваемого по этой линии сигнала [4, 5, 6]. Из теории гармонического анализа известно, что любой периодический процесс можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний различных частот и различных амплитуд (рис. 1).
Рисунок 1 - Представление периодического сигнала суммой синусоид
Непериодические сигналы можно представить в виде интеграла синусоидальных сигналов с непрерывным спектром частот. В частности, спектральное разложение идеального импульса (единичной мощности и нулевой длительности) имеет составляющие всего спектра ча-
СТОТ, ОТ -СО ДО +00 (рис. 2).
зует линию связи (рис. 5).
Рисунок 2 - Спектральное разложение идеального импульса
Искажение передающей линией связи синусоиды какой-либо частоты приводит, в конечном счёте, к искажению амплитуды и формы передаваемого сигнала любого вида. Искажения формы проявляются в том случае, когда синусоиды различных частот искажаются неодинаково. Если это аналоговый сигнал, передающий речь, то изменяется тембр голоса за счёт искажения обертонов - боковых частот. При передаче импульсных сигналов, характерных для компьютерных сетей, искажаются низкочастотные и высокочастотные гармоники, в результате фронты импульсов теряют свою прямоугольную форму (рис. 3), и сигналы могут плохо распознаваться на приёмном конце линии.
0.5
д
Огюи*ни» 44 пп »луд
( \
) V,
^ Лоле» пропускания ^ Чистота, Гц
Рисунок 3 - Искажение импульсов в линии связи
Передаваемые сигналы искажаются из-за несовершенства линии связи. Идеальная передающая среда, не вносящая никаких помех в передаваемый сигнал, должна, по меньшей мере, иметь нулевые значения сопротивления, ёмкости и индуктивности. Однако на практике медные провода, например, всегда представляют собой некоторую распределённую по длине комбинацию активного сопротивления, ёмкостной и индуктивной нагрузок (рис. 4). В результате синусоиды различных частот передаются этими линиями по-разному.
Рисунок 4 - Представление линии как распределённой индуктивно-ёмкостной нагрузки
Помимо искажений сигналов, возникающих из-за не идеальных физических параметров линий связи, существуют и внешние помехи, которые вносят свой вклад в искажение формы сигналов на выходе линии. Эти помехи создаются различными электрическими двигателями, электронными устройствами, атмосферными явлениями и т. д. Кроме внешних помех в кабеле существуют и внутренние помехи - так называемые наводки одной пары проводников на другую.
Степень искажения синусоидальных сигналов линиями связи оценивается такими характеристиками, как затухание и полоса пропускания. Затухание показывает, насколько уменьшится мощность эталонного синусоидального сигнала на выходе линии связи по отношению к мощности сигнала на входе этой линии. Степень затухания мощности синусоидального сигнала зависит от частоты синусоиды, и эта зависимость также характери-
Рисунок 5 - Зависимость затухания от частоты
Важным параметром медной линии связи является её волновое сопротивление, представляющее собой полное (комплексное) сопротивление, которое встречает электромагнитная волна определённой частоты при распространении вдоль однородной цепи. Волновое сопротивление измеряется в омах и зависит от таких параметров линии связи, как активное сопротивление, погонная индуктивность и погонная ёмкость, а также от частоты самого сигнала. Выходное сопротивление передатчика должно быть согласованно с волновым сопротивлением линии, иначе затухание сигнала будет чрезмерно большим [7, 8, 9, 10, 11].
Затухание различных частот в линии связи определяет полосу пропускания (рис. 5). Полоса пропускания является главной характеристикой любой линии связи поскольку именно она ограничивает максимально возможную скорость передачи сигналов по среде передачи. Кроме полосы пропускания важной характеристикой линии связи также является пропускная способность. Однако данная характеристика зависит не только от параметров физической среды передачи данных, но ещё и от способа передачи данных. Поэтому, нельзя говорить о пропускной способности линии связи до того, пока для неё не определён протокол физического уровня модели 081.
Связь между полосой пропускания линии и её пропускной способностью вне зависимости от принятого способа физического кодирования установил Клод Шеннон:
С = Р1о&2(1 + Рс/РшХ (1)
В данной формуле С - пропускная способность линии в битах в секунду, Б - ширина полосы пропускания линии в герцах, Рс - мощность сигнала, Рш - мощность шума. Из этого соотношения следует, что теоритиче-ского предела пропускной способности линии с фиксированной полосой пропускания не существует. Однако на практике такой предел имеется. Действительно, повысить пропускную способность линии можно за счёт увеличения мощности передатчика или же уменьшения мощности шума (помех) в линии связи. Обе эти составляющие поддаются изменению с большим трудом. Повышение мощности передатчика ведёт к значительному увеличению его габаритов и стоимости. Снижение уровня шума требует применение специальных кабелей с хорошими защитными экранами, что весьма дорого, а также снижения шума в передатчике и промежуточной аппаратуре, чего достичь весьма не просто. К тому же влияние мощностей полезного сигнала и шума на пропускную способность ограничено логарифмической зависимостью, которая растёт не так быстро, как прямо-пропорциональная. Так, при достаточно типичном исходном отношении мощности сигнала к мощности шума в 100 раз повышение мощности передатчика в 2
раза даст только 15 % увеличения пропускной способности линии [12, 13].
В качестве используемого за основу лини связи кабеля передачи было решено использовать кабель иТР категории 2 в связи с его широкой распространённостью. Наиболее подходящим для решения задач передачи данных по данному типу кабеля является протокол физического уровня Я8-485. Однако данный протокол обеспечивает пропускную способность линии до 100 Кбит/с на расстоянии 1200 м, что является недостаточным для работы АСПС Рында.
Для стабильного распознавания приёмником переданного передатчиком сигнала необходимо чтобы спектр сигнала полностью или же значительной частью попадал в полосу пропускания линии связи. Если же значимые гармоники спектра будут выходить за границы полосы пропускания результирующий сигнал будет сильно искажаться и приёмник будет ошибаться при его распознавании (рис. 6).
1 сигнале будет кодироваться целое число бит исходной информации [14, 15, 16]. Соответственно получаем:
М = 2;С = 2 ■ 1000000- 1 = 2 Мбит/с '
,
,
М = 16;С = 2 ■ 1000000- 4 = 8 Мбит/с
,
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
Рисунок 6 - Соответствие между полосой пропускания линии связи и спектром сигнала
Ширина полосы пропускания кабеля иТР категории 2 составляет 1 МГц. Соответственно с учётом типичного отношения мощности передатчика к мощности шума в 100 раз, согласно с формулой Шеннона данный кабель имеет пропускную способность:
С = 1000000 ■ 1о§2(1 + 100) « 6,7 Мбит/с (2)
Для увеличения пропускной способности канала передачи при невысоком уровне шума можно использовать уплотнение сигнала (введение дополнительных уровней сигнала кроме 0 и 1) (рис. 7).
Хотя формула Найквиста явно не учитывает наличие шума, косвенно его влияние отражается в выборе количества состояний информационного сигнала. Для повышения пропускной способности канала хотелось бы увеличить это количество до значительных величин, но на практике мы не можем этого сделать из-за шума на линии. Например, можно увеличить пропускную способность линии еще в два раза, использовав для кодирования данных не 4, а 16 уровней. Однако если амплитуда шума часто превышает разницу между соседними 16-ю уровнями, то приемник не сможет устойчиво распознавать передаваемые данные. Поэтому количество возможных состояний сигнала фактически ограничивается соотношением мощности сигнала и шума, а формула Найквиста определяет предельную скорость передачи данных в том случае, когда количество состояний уже выбрано с учетом возможностей устойчивого распознавания приемником [14, 15, 16].
Приведённые выше вычисления позволяют оценить предельную пропускную способность кабеля иТР категории 2. Степень же приближения к этому пределу зависит от конкретных методов физического кодирования.
Я8-485 использует только 2 уровня для передачи сигнала и соответственно единственным способом увеличения скорости передачи является увеличение частоты передачи сигналов по линии связи. Однако данная операция не может выполняться бесконечно, т.к. в конечном итоге спектр передаваемого сигнала выйдет за границы полосы пропускания.
Применив метод многоуровневой передачи сигнала мы можем, используя оптимальную частоту передачи по линии связи, в соответствии с мощностью шума в линии связи максимально эффективно использовать полезную мощность передатчика сигнала.
Одной из насущных проблем разработки протокола физического уровня является организация синхронной работы передатчика и приёмника. В стандарте Я8-485 для организации синхронизации используется система старт-стоповых битов (рис. 8).
Рисунок 7 - Повышение скорости передачи за счёт
дополнительных уровней сигнала Согласно формуле Найквиста максимально возможная пропускная способность линии связи, без учёта шума на линии равна:
С = (3)
В данной формуле: С - пропускная способность сети, Б - ширина полосы пропускания в герцах, М - количество различных уровней сигнала. Хотя в данной формуле М может быть различным, на практике удобней использовать М кратное степени 2, так как в этом случае в
Рисунок 8 - Кадр стандарта Я8-485
Использование старт-стоповых битов позволяет осуществлять синхронизацию приёма-передачи на уровне кадров информации. Однако данный метод не гарантирует синхронизацию внутри кадра. Кроме того, использование старт-стоповых битов подразумевает, что в кадре размером 10 бит 2 бита будут служебными и не будут нести полезную нагрузку. Из этого следует, что 20 % всей передаваемой информации по линии связи является служебной, и поэтому наблюдается потеря 20 % скорости передачи данных по коммуникационной сети.
Эффективной заменой использования старт-стоповых битов является осуществление автосинхронизации приёмника по фронту каждого пришедшего от приёмника сигнала (рис. 9).
Данный метод осуществляется посредством запуска тактового генератора приёмника по фронту пришедшего
импульса. Использование автосинхронизации по фронту импульса позволяет отказаться от применения старт-стоповых битов в каждом получаемом кадре.
Рисунок 9 - Автосинхронизация по фронту и срезу передаваемого сигнала
Сложность реализации автосинхронизации по фронту импульса создаёт сам принцип её организации. Синхронизация приёмника, а соответственно считывание им единицы информации осуществляется им по фронту передаваемого передатчиком импульса. Соответственно любые два одинаковых и идущих друг за другом сигнала будут приводить к потере синхронизации и нарушению всего процесса передачи (рис. 10).
основными задачами передатчика являются:
- считывание данных для передачи и буферного запоминающего устройства;
- кодирование считанной информации;
- формирование импульса соответствующего уровня напряжения.
Задачами приёмника являются:
- распознавание фронта импульса;
- распознавание уровня напряжения в импульсе;
- вычисление закодированного уровнем напряжения переданного значения;
- запись полученного значения в буферное запоминающее устройство.
Так как задачи, выполняемые передатчиком, можно условно разделить на две группы: обработка цифровых данных и формирование аналогового сигнала, следовательно, для реализации структуры передатчика можно использовать два блока: ПЛИС и генератор сигнала (рис. 11) [17, 18].
Рисунок 11 - Функциональная схема передатчика
Основной задачей ПЛИС в данной схеме является кодирование данных. Так как для корректной работы протокола передачи необходимо чтобы в итоговом сигнале не было совпадающих по напряжению соседних импульсов, в итоговой последовательности передаваемых значений не должно быть совпадающих, соседних чисел, например, 1 3 4 5 2 3 2 0 8 11 3 4. В соответствии с данным требованием наиболее оптимальным алгоритмом кодирования исходной информации является алгоритм изменения состояния передатчика посредством переходов в конечном автомате (рис. 12).
Генератор сигнала, указанный в схеме передатчика, реализуется посредством делителя напряжения, величина напряжения, на выходе которого описывается зави-
СИМГ"~™-1Г1'
^ЕЫХ
Утах
(9)
Рисунок 10 - Нарушение синхронизации при передаче соседних импульсов одного уровня
Данная особенность накладывает ограничение на используемую последовательность сигналов, передаваемых передатчиком: уровень каждого следующего сигнала должен отличаться от уровня предыдущего сигнала. Соответственно минимальное количество уровней в сигнале, позволяющее закодировать таким образом передаваемые данные - 3 (при использовании 2 уров-невого сигнала мы можем получить единственную последовательность, удовлетворяющую данному требованию: 01010101010101... - однако она не пригодна для кодирования информации).
Целью проектирования приёмопередатчиков является разработка устройств, способных передавать сигнал в соответствии с разработанным протоколом передачи. В ходе проектирования протокола передачи были описаны следующие требования к приёмопередатчикам:
- в качестве физической среды для передачи сигнала используется кабель иТР категории 2;
- должна быть реализована поддержка многоуровневой аналоговой передачи данных;
- синхронизация приёмника осуществляется по фронту сигнала, переданного передатчиком;
- кодирование передаваемого значения должно осуществляться таким образом, чтобы в итоговом сигнале не было двух последовательно расположенных совпадающих по напряжению соседних импульса.
В соответствии с вышеописанными требованиями 184
Рисунок 12 - Использование переходов конечного автомата для кодирования информации
В данном выражении г г - напряжение на выходе ^вых
генератора сигнала, -1> - номер генерируемого уровня по
напряжению, у ^ - общее количество уровней, 1]з:-: Карельский научный журнал. 2014. № 4
- входное напряжение генератора.
Для решения задач приёмника была разработана функциональная схема, которая представлена на рисунке 13.
При поступлении сигнала из линии связи на приёмник сначала выполняется обработка самого сигнала - это удаление шума на полосовом фильтре, а также понижение уровня сигнала с помощью оптрона до допустимого для микросхем (0 ... 6В).
После выполнения понижения уровня сигнала оптро-ном, с помощью дифференцирующей цепи выявляется изменение уровня сигнала (фронт или срез). Зависимость напряжения на выходе дифференцирующей цепи опи-
сывается выражением:
(10)
"вы*(£) = Ц/„001-
(11)
пряжение, изменяющееся по линеиному закону:
и^м=
пуска ГЛИН. Данное соотношение описывает только изменение напряжения при зарядке конденсатора ГЛИН, изменение напряжения при разрядке конденсатора проходит по экспоненциальному закону. Чтобы устройство могло верно распознать принятый уровень импульса, за его длительность должен пройти полный цикл зарядки / разрядки конденсатора ГЛИН.
ГСИ запускается по фронту тактового импульса, формируя счётные импульсы, период которых равен интервалу времени, который необходим для того, чтобы напряжение ГЛИН изменилось на один уровень по напряжению в принятом сигнале. Соответственно параметры ГСИ тесно связаны с параметрами ГЛИН и для того чтобы устройство успело распознать принятый сигнал количество импульсов, сгенерированных ГСИ за время зарядки ГЛИН, должно быть больше чем максимальное количество уровней в принимаемом сигнале.
Для непосредственного распознавания уровня сигнала в приёмнике используется компаратор, который сравнивает текущее напряжение сигнала с эталонным напряжением ГЛИН. Компаратор генерирует на выходе напряжение своего питания, если напряжение сигнала больше чем напряжение на выходе ГЛИН и ноль если меньше [19].
Последний этап распознавания уровня импульса выполняет счётчик, который подсчитывает количество импульсов ГСИ пришедших с момента запуска ГЛИН и до того момента, когда напряжение на его выходе стало больше чем напряжение сигнала от передатчика. Данное количество передаётся на ПЛИС и распознаётся как переданное передатчиком значение. ПЛИС выполняет чтение данного значения, раскодирование его и запись в буферную память. Временные диаграммы работы приёмника представлены на рисунке 14.
Рисунок 13 - Функциональная схема приёмника
Где Я - сопротивление резистора дифференцирующей цепи, С - ёмкость конденсатора дифференцирующей цепи.
С выхода дифференцирующей цепи сигнал поступает на выпрямляющий мост, основной задачей которого является преобразование двуполярного сигнала в одно-полярный. Зависимость напряжения на выходе выпрямляющего моста описывается выражением:
После выпрямляющего моста сигнал приходит на генератор разрешающих (тактовых) импульсов (далее ГРИ), который запускается для формирования нового тактового импульса. Таким образом, каждый тактовый импульс запускается по фронту принятого из линии импульса, что обеспечивает реализацию автосинхронизации приёма данных по каждому импульсу.
В соответствии с фронтом тактового (разрешающего) импульса производится запуск генератора линейно изменяющегося напряжения (далее ГЛИН) и генератора счётных импульсов (далее ГСИ). ГЛИН генерирует на-
(12)
Где Я - сопротивление резистора ГЛИН, С - ёмкость конденсатора ГЛИН, 1 - время, прошедшее с момента за-
Рисунок 14 - Временные диаграммы работы приёмника
Разрабатываемая модель коммуникационной сети включает в себя следующие группы модулей:
- модули, моделирующие работу аналоговых компонентов приёмопередатчиков;
- модули, моделирующие работу цифровых компонентов приёмопередатчиков;
- служебные модули, обеспечивающие работу модели (модуль режима виртуальной памяти, модули обслу-
живающие пользовательский интерфейс модели).
Общая структура модели представлена на рисунке
15.
Рассмотрим подробнее модули, входящие в модель.
Модуль Main является основным модулем системы, контролирующим работу остальных модулей. Главное предназначение данного узла — это предоставление удобного пользовательского интерфейса для работы с моделью (рис. 16). Именно с помощью данной части отображаются результаты работы составляющих модели, моделирующих работу аналоговых и цифровых компонентов приёмопередатчиков линии коммуникационной сети.
Т- Prrjprt Fvplni^r - lit Ib I ^ 1 ^
File Edit Project Operate Tools Window
III *а & m 1 X Hl в н 1 s - f I
1 Items Files"]
- Project: Result.lvproj
э H My Computer
0- Analog devices
- source,vi
- St optocoupler,vi
- [5»I differentialng_circuit.vi
•• |a¡l rectifier.vi
Éâ generator_allowing_pulse.vi
isj, generator_linearly_varying_voltage.vi
- [gjj. comparator.vi
-generator_count_pulse.vi
- (aà counter,vi
Й- & Digital devices
- ["il converter .vi
- transmitter_fpga,vi
receives_fpga,vi
В- Q Components
- virtual_time,vi
¡5¡^ set_charts_settings,vi
[sâ set_number_settings,vi
® stop.vi
hlü Ma in, vi
Icon.ico
¡f Dependencies
Е- Build Specifications
Рисунок 15 - Общая структура модели
аналоговых компонентов приёмопередатчиков, принимает на вход значение напряжения на входе компонента. Результатом работы, данной группы модулей является значение напряжения на выходе реального компонента (рис. 17). Для удобства взаимодействия между собой все модули данной группы поддерживают несколько режимов работы, таких как:
- инициализация (предназначена для инициализации внутренних переменных модуля при запуске модели);
- вычисление (непосредственное вычисление значения напряжения на выходе аналогового компонента приёмопередатчиков на основании напряжения на входе компонента);
- чтение (чтение значения напряжения на выходе компонента без изменения состояния модуля).
Рисунок 16 - Лицевая панель модуля Main
Непосредственное моделирование аналоговых компонентов приёмопередатчиков осуществляется с помощью отдельной группы Analog devices, моделирующих работу:
- генератора сигнала (модуль source);
- оптрона (модуль optocoupler);
- дифференциальной цепи (differentiatmg_circuit);
- выпрямляющего моста (rectifier);
- генератора разрешающих импульсов (generator_al-lowing_pulse);
- генератора линейно изменяющегося напряжения (generator_Hnearly_varying_voltage);
- компаратора (comparator);
генератора счётных импульсов (generator_count_ pulse);
- счётчика импульсов (counter).
Каждый из модулей, которые моделируют работу
Рисунок 17 - Лицевая панель узла, моделирующего работу компаратора
Моделирование цифровых компонентов приёмопередатчиков осуществляется с помощью узлов группы Digital devices:
- исполняемый файл для микросхем ПЛИС (converter);
- модуль, эмулирующий работу ПЛИС передатчика и исполняющий исполняемый файл для микросхем ПЛИС (transmitter_fpga);
- модуль, эмулирующий работу ПЛИС приёмника и исполняющий исполняемый файл для микросхем ПЛИС (receives_fpga).
Ядром группы Digital devices является исполняемый файл для микросхем ПЛИС. Данный файл содержит код для записи в реальную микросхему ПЛИС приёмопередатчика для выполнения функций:
- управления буферным запоминающим устройством;
- кодирования и декодирования данных для передачи по сети.
Модули, которые эмулируют работу ПЛИС приёмника и передатчика предназначены для интеграции исполняемого файла для ПЛИС с остальными модулями модели (рис. 18). Для удобства взаимодействия с остальными модулями данные узлы модели поддерживают следующие режимы работы:
- настройка (применяется для настройки работы эмулируемого ПЛИС);
- новый этап (выполняет запуск следующего этапа передачи информации по линии связи);
- чтение (чтение текущего состояния устройства);
- сброс (сброс настроек эмулированного ПЛИС).
Для корректной работы модели и для выполнения
служебных операций, не связанных с работой реальных приёмопередатчиков сети связи, предназначены модули группы Components:
- модуль, реализующий поддержку режима виртуального времени в работе модели (virtual_time);
- модуль, выполняющий подстройку допустимых значений цифровых элементов управления модели (set_ number_settings);
- модуль, выполняющий подстройку графиков, отображаемых в модели (set_charts_settings);
- модуль, выполняющий закрытие модели (stop).
Рисунок 18 - Лицевая панель модуля, эмулирующего работу микросхемы ПЛИС передатчика
Программное приложение «Модель коммуникационной сети датчиков предназначено для проведения тестовых испытаний протокола передачи с использованием многоуровневого аналогового сигнала, а также для определения параметров приёмопередатчиков в зависимости от характеристик используемой линии связи. Позволяет определить оптимальную плотность передачи данных при определённом уровне шума и частоте сигнала.
Модель позволяет отразить все тонкости передачи с использованием многоуровневого аналогового сигнала от чтения битов передаваемой информации, до отображения уровня напряжения на каждом из компонентов, используемом в приёмопередатчиках [20].
Приложение обладает следующими возможностями:
- вычисление характеристик приёмопередатчиков для передачи с заданными параметрами;
- возможность передачи информации через приёмопередатчики в режиме замедления времени;
- получение информации в графическом виде о состоянии любого компонента приёмопередатчиков прямо в процессе передачи;
- вычисление минимальных характеристик линии связи для передачи с заданным количеством уровней в сигнале;
- возможность отдельной настройки каждого компонента приёмопередатчиков;
- возможность выявления причин некорректной передачи данных.
Тестирование модели проходило путём передачи данных внутри модели при различных настройках приёмопередатчиков.
В результате апробации модели были выявлены оптимальные параметры компонентов приёмопередатчиков для различных линий связи.
Были получены данных о максимальной пропускной способности протокола передачи, а также выявлены ограничивающие скорость передачи характеристики линии связи.
Результатом работы стала разработка протокола передачи и написание полнофункциональной и корректно
работающей модели, всесторонне демонстрирующей специфику работы приёмопередатчика.
Реализация и внедрение данного протокола передачи позволят ускорить передачу данных в проводных сетях связи, а также эффективнее использовать пропускную способность современных линий связи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Олифер В., Олифер Н. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. СПб. : Питер. 2011. 944 с.
2. Гаранин М. В., Журавлев С. В. Кунегин В. И. Системы и сети передачи информации : учеб. пособие для вузов М.: Радио и связь, 2010. 336 с.
3. Гордиенко В. Н., Крухмалева В. В. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей : учебник для вузов / М.: Горячая линия - Телеком, 2004. 510 с.
4. Гордиенко В. Н., Крухмалева В. В Основы построения телекоммуникационных систем и сетей: Учебник для вузов. М. : Горячая линия Телеком, 2008. 422 с.
5. Величко В. В., Катунин Г. П., Шувалов В. П. Основы инфокоммуникационных технологий. М. : Горячая линия-Телеком, 2009. 712 с.
6. Норенков И. П., Трудоношин В. А. Телекоммуникационные технологии и сети 2-е изд., испр. и доп. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000. 248 с.
7. Гроднев И. И., Курбатов Н. Д. Линии связи. Москва : Связь, 2004 г. 440 с.
8. Каганов В. И., Битюков В. К. Основы радиоэлектроники и связи: учеб. пособие для вузов. М. : Горячая линия - Телеком, 2007. 542 с.
9. Жаворонков М. А. Электротехника и электроника : учебное пособие. М. : Академия, 2005. 400 с.
10. Сиренький И. В., Рябинин В. В., Голощанов С. Н. Электронная техника: учебное пособие. М. : Высшая школа, 2003. 422 с.
11. Петленко Б. И. Электротехника и электроника: Учебник. / М. : Академия, 2004. 320 с.
12. Стеценко О. А. Радиотехнические цепи и сигналы: учебник М. : Высш. шк., 2007. 432 с.
13. Алексенко А. Г., Шагурин И. И. Микросхемотехника. Москва : Радио и связь, 2005. 496 с.
14. Иванов В. И., ГордиенкоВ. Н., Попов Г. Н. и др. Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник для вузов М. : Горячая линия - Телеком, 2003. 232с.
15. Якимов Е. В. Цифровая обработка сигналов : учебное пособие. - Томск : Издательство ТПУ, 2006. 188 с.
16. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов. СПб. : Питер, 2003. 604 с.
17. Дж. Тревис. LabVIEW для всех. Москва : ДМК Пресс, ПриборКомплект, 2005. 544 с.
18. LabVIEW [Электронный ресурс]: Официальный сайт для разработчиков, использующих LabV^EW. -Режим доступа: www.labview.ru, свободный. - Загл. с экрана.
19. Е. Д. Баран. LabVIEW FPGA. Реконфигурируемые измерительные и управляющие системы. Москва: ДМК Пресс, 2009. 448 с.
20. Питер Блюм. LabVTEW. Стиль программирования. Москва : ДМК Пресс, 2008. 400 с.
CREATION OF MODEL OF THE TRANSCEIVER IN WIRE NETWORKS WITH USE OF THE ENVIRONMENT OF DEVELOPMENT NI LAB VIEW
© 2014
I. A. Sorokin, the candidate of technical science, the associate professor of «Information and Communication Technologies and Communication Systems» Nizhny Novgorod State Engineering-Economic Institute, Knyaginino (Russia)
Annotation: Objective of design of transceivers is development of the arrangements, capable to pass a signal according to the developed report of transfer. During design of the report of transfer following requirements to transceivers have been described: as the physical environment for transmission of a signal cable UTP of a category 2 is used; support of multilevel analog data transmission should be realized; synchronization of the receiver is carried out on front of a signal passed by the transmitter; coding of passed value should be carried out so that in a final signal there were no two consistently located adjacent impulses conterminous on a pressure. According to the above described requirements the primary goals of the transmitter are: data read-out for transfer and a buffer memory; coding counting information; formation of an impulse of an appropriating level of a pressure. Problems of the receiver are: recognition of front of an impulse; recognition of a level of a pressure in an impulse; calculation of the pressure of the passed value coded by a level; record of the received value in a buffer memory. As the problems which are carried out by the transmitter, it is possible to divide arbitrarily on two groups: processing of figures and formation of an analog signal, consequently, for realization of structure of the transmitter it is possible to use two blocks: PLIS and the generator of a signal. The primary goal of PLIS in the given diagram is coding data. As for correct work of the report of transfer it is necessary that in a final signal there were no adjacent impulses conterminous on a pressure, in final sequence of passed values there should not be conterminous, adjacent numbers, for example 1 3 4 5 2 3 2 0 8 11 3 4. According to the given requirement the optimal algorithm of coding of the initial information is the algorithm of variation of a condition of the transmitter by means of transitions in the final automatic device.
Keywords: amplitude, the generator, data, dependences, an impulse, communication lines, models, a pressure, processing, the transmitter, PLIS, reports, the resistor, networks, a signal, a spectrum, a level, arrangements, frequency.
