книги из ГПНТБ / Барсуков Ф.И. Элементы и устройства радиотелеметрических систем

ч ч

\

\

\

\

V

I

I

I

I

/

/

у

У

ф.И. БАРСУКОВ

Ю.Б. РУСАНОВ

ЭЛЕМЕНТЫ

ИУСТРОЙСТВА

РАДИОТЕЛЕ­

МЕТРИИ ЕСКИХ СИСТЕМ

Ф.И. БАРСУКОВ

Ю.Б. РУСАНОВ

ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА РАДИОТЕЛЕ-

МЕТРИЧЕСКИХ

СИСТЕМ

6Ф1.3 Б 26

УДК 621.398

Барсуков Ф. И. и Рубанов Ю. Б.

Б 26 Элементы и устройства радиотелеметрических си­ стем. М., «Энергия», 1973.

256 с. с ил.

В книге излагаются принципы построения н общие сведения о наи­ более важных элементах и узлах радиотелеметрических систем (РТС). Значительное внимание при этом уделяется рассмотрению измеритель­ ных преобразователей неэлектрических величин в электрические (дат­ чиков), используемых в РТС, согласующих устройств, кодеров и деко­ деров аналоговых и цифровых РТС, а также устройств регистрации и

©Издательство «Энергия», 1973 г.

ФИЛИПП ИВАНОВИЧ БАРСУКОВ, ЮРИИ БОРИСОВИЧ РУСАНОВ

Элементы и устройства радиотелеметрических систем

Издательство «Энергия». Москва, М-114, Шлюзовая наб„ 10.

Московская типография № 10 Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР

по делам издательств, полиграфии и книжной торговли, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10,

1

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время находит широкое применение сравнительно новая область радиоэлектроники— ра­ диотелеметрия, занимающаяся вопросами .измерения на расстоянии различных по своей природе величин с по­ мощью радиосредств. Вначале потребность в радиотелеметрических системах возникла в связи с необходи­ мостью проведения метеорологических 'исследований в нижних слоях атмосферы для нужд авиации с помо­ щью шаров-зондов. Впервые в мире шар-зонд с установ­ ленной на нем радиотелеметрической аппаратурой был создан и успешно применен в СССР в 1930 г.

В настоящее время трудно перечислить все задачи, которые решаются с помощью средств радиотелеметрии. Наиболее широко и весьма плодотворно радиотелеметрические системы (РТС) применяются при научных ис­ следованиях околоземного и космического пространства с помощью искусственных спутников Земли и космиче­ ских аппаратов. Проведение таких исследований без РТС было бы невозможным.

Радиотелеметрические системы успешно используют­ ся в народном хозяйстве при автоматизации и комплексировании производственных процессов как средства контроля за состоянием отдельных, далеко отстоящих друг от друга объектов и установок (автоматических электростанций, метеостанций, буровых скважин, шлю­ зов и т. д.).

Развитие радиотелеметрических систем идет по пути разработки и совершенствования как. принципов построе­ ния систем в целом, так и отдельных их элементов и устройств. Широкое внедрение новых электронных при­ боров, радиодеталей и материалов позволяет улучшить эксплуатационные характеристики проектируемых устройств и расширить возможности их использования.

В народном хозяйстве широко используются систе­ мы проводной телеметрии, основные элементы и устрой­ ства которых аналогичны во всех отношениях элементам и устройствам РТС.

Возросшая роль радиотелеметрических систем вызы­ вает интерес к ним со стороны специалистов в области радиотелеметрии, и широкого круга лиц, желающих по­ знакомиться с принципами построения, особенностями и возможностями их использования.

3

За последние годы появилось значительное число книг, брошюр и отдельных статей і[Л. 1—4, 1—8, 11, 1-0, 24, 28, 29], в которых обобщены вопросы построения, проектирования и применения радиотелеметрическпх систем.

Внастоящей книге, наряду с рассмотрением принци­ пов действия, основных характеристик и некоторых воп­ росов теории элементов н устройств РТС, обращается, внимание на взаимосвязь этих элементов и устройств при их совместной работе в РТС.

Вгл. 1 излагаются принципы построения радиотеле-, метрических систем. На основании рассмотрения функ­ циональных схем различных типов РТС определяются состав каждой системы, назначение основных ее эле­ ментов и отмечаются особенности их взаимодействия.

Описанию принципов действия и основных характе­ ристик измерительных преобразователей неэлектриче­ ских величин в электрические, используемых в РТС, по­ священа гл. 2. При этом большее внимание уделено тем преобразователям, которые находят более широкое при­ менение (резисторные, индуктивные, емкостные, индук­ ционные, ионизационные п др.).

Некоторые сведения о согласующих устройствах по­ мещены в гл. 3 книги.

Описанию элементов и устройств, -входящих в состав кодеров и декодеров РТС соответственно с частотным и временным разделением каналов, посвящены гл. 4—6. Особое внимание при этом уделяется рассмотрению эле­ ментов РТС с временным разделением каналов, которые

наиболее широко используются в настоящее -время.

В гл. 7 рассмотрены общие принципы построения ре­ гистрирующих устройств, которые широко применяются в РТС.

Глава 8 содержит краткое описание основных элемен­ тов адресных и адаптивных РТС. Материал главы на­ писан по данным отечественной и иностранной печати.

Главы 1 и б написаны совместно с Ю. Б. Русановым. Им же написана гл. 8.

Книга ввиду многообразия рассмотренных в ней ма­ териалов и ограниченности ее объема не может претен­ довать на полноту изложения. Авторы будут благодар­ ны всем читателям, приславшим свои критические заме­ чания и предложения по содержанию книги.

Авторы

Г Л А В А П Е Р В А Я

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ РАДИОТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1-1. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА РАДИОТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Радиотелеметрическая система (РТС)— это спе­ циализированная многоканальная система радиосвязи, предназначенная для получения информации о состоя­ нии контролируемого объекта. Состояние объекта ха­ рактеризуется большим числом физических величин. Для их измерения с помощью РТС необходимо выполнить предварительное преобразование неэлектрических вели­ чин в электрические сигналы. Эту операцию выполняют измерительные преобразователи (датчики).

С помощью РТС производится сбор электрических сигналов от различных измерительных 'преобразовате­ лей, их преобразование и формирование группового те­ леметрического сигнала, его хранение и передача с объ­ екта на приемный пункт, а также прием, регистрация и отображение измеренных величин в удобном для получа­ теля виде. На входе и выходе, РТС можно выделить не­ зависимые цепи (информационные-каналы), по которым передаются сигналы, относящиеся к отдельным изме­ ряемым величинам. Обобщенная структурная схема та­ кой РТС представлена на рис. 1-1.

Измеряемые величины /і—Іп, в общем случае различ­ ные по своей природе, воздействуют на входы соответ­

электрические сигналы.

Часто сигнал, выделяемый на выходе измерительного преобразователя, не может быть непосредственно ис­ пользован для передачи по информационному каналу РТС. В таких случаях выходные сигналы измерительных

5

преобразователей (Уд1—

—Um предварительно по­ даются в канальные со­ гласующие устройства СУі—СУп, где они преоб­ разуются к единому элек­ трическому сигналу, при­ нятому для данной РТС. В качестве такого едино­ го сигнала в различных РТС обычно широко при­ нимается (в частности, в США) напряжение посто­ янного тока, изменяющее­ ся от О до +5 В (сигнал высокого уровня) или до 10—50 мВ (сигнал низко­ го уровня).

С выходов канальных согласующих устройств электрические сигналы, отображающие измеряе­ мые величины іі—/п, по­ ступают на кодирующее устройство (кодер ка­ нальных сигналов), где формируется информаци- онно-модулирующий сиг­ нал UH(it), содержащий всю информацию об изме­ ряемых величинах. Кроме того, с помощью кодера обеспечивается уплотне­ ние каналов, т. е. прида­ ние передаваемым сигна­ лам таких качественных признаков, -по которым они, будучи переданными по одной радиолинии, мо­ гут быть разделены на приемной стороне. Вре­ менной режим работы ко­ дирующего устройства за­ дается хронизатором.

6

Сигналы с кодера поступают в логический элемент ИЛИ, где суммируются с синхронизирующим сигналом Uc(t), образованным в отдельном кодирующем устройстве (ко­ дере синхросигнала).

На выходе элемента ИЛИ выделяется модулирующий сигнал UK(t) = UK(t) + U0(t), которым модулируются вы­ сокочастотные (несущие) колебания sa(t) передатчика в соответствии с выбранным методом модуляции.

Промодулированные высокочастотные сигналы s^Jt) излучаются антенной ЛПр 'передатчика и поступают в приемную антенну Лпрм, а затем — на вход приемной части РТС. С выхода приемника снимается сигнал, иден­ тичный модулирующему сигналу UM(t). Выходной сигйал приемника поступает на декодирующее устройство (декодер) канальных сигналов, обеспечивающее раз­ деление его составляющих по информационным кана­ лам и соответствующую обработку этих составляющих сигнала.

Для обеспечения сихронности в работе приемной и передающей частей РТС, повышающей точность и на­ дежность передачи информации, в приемной части име­ ется хронизатор, управляемый сигналами синхрониза­ ции, которые выделяются из выходного сигнала прием­ ника посредством специального декодера синхросигна­ лов.

С выхода декодера канальные сигналы, отражающие значения измеряемых величин, поступают в регистри­ рующее устройство, где осуществляется их регистрация в виде непрерывных графиков (функций времени), таб­ лиц на бумаге- (ленте) или записи на магнитную ленту. Запись на магнитную ленту является основным видом регистрации результатов телеизмерений и используется для сохранения информации с целью дальнейшей ее обработки. При этом запись на магнитную ленту про­ изводится или в аналоговой, или в цифровой форме. В последнем случае обычно применяется регистрация группового' видеосигнала без предварительного разде­ ления по соответствующим каналам.

Для временной привязки принятой информации на регистрирующие устройства подаются метки времени, вырабатываемые в блоке меток времени. Генератор ме­ ток времени синхронизируется сигналами службы еди­ ного времени (СЕВ). Обычно на носителе регистрирую­ щих устройств, кроме местной шкалы времени, созда­

7

ваемой блоком меток времени, наносятся метки единого времени от СЕВ. . ’

Структурная схема реальной РТС значительно слож­ нее, чем приведенная на рис. 1-1. Так, например^ аппа-' ратура передающей стороны может содержать запоми­ нающее устройство пли устройство предварительной це­ левой обработки информации и др. Однако, независимо от сложности всей системы, она всегда будет содержать основные узлы, указанные на рис. 1-1.

1-2. КЛАССИФИКАЦИЯ РТС

В настоящее время для характеристики РТС при­ влекаются различные признаки, которые можно рассмат­ ривать как классификационные. Перечислим основные классификациониые призиаки.

Назначение. По назначению РТС разделяются на воен­ ного и народно-хозяйственного назначения, РТС для про­ ведения научных исследований и т. д.

Представление телеметрических сигналов. По способу представления сигналов различают аналоговые, цифро­ вые и совмещенные РТС.

Метод разделения каналов. По методу разделения каналов различают РТС с частотным, временным, кодо­ вым и комбинированным разделением каналов.

Вид телеметрических сигналов. Различают сигналы амплитудной (AM), частотной (4M), фазовой (ФМ), амплитудно-импульсной (АИМ), широтно-импульсной (ШИМ), фазо-импульсной (ФИМ) и кодово-импульсной (КИМ) модуляции, а также сложные сигналы (псевдо­ шумовые и др.).

Вид модуляции несущих колебаний. По виду модуля­ ции несущих колебаний различают AM, 4M и ФМ.

Точность измерения величин и воспроизведения про­ цессов. Различают РТС высокоточные (максимальная от­

а

Приведенный перечень классификационных призна­ ков может быть продолжен, но для данной книги в этом нет необходимости.

Рассмотрим некоторые классификационные призна­ ки несколько подробнее.

Аналоговые РТС характеризуются тем, что значенияизмеряемой величины передаются непрерывно по ампли­ туде н непрерывно или дискретно по времени. При пере­ даче измеряемых величин непрерывно как по амплиту­ де, так и по времени используются непрерывные виды модуляции (AM, 4M и ФМ). Если же предполагается передача отдельных значений измеряемых величин, взя­ тых через определенные промежутки времени (выбор этих интервалов можно осуществить на основе извести ной теоремы В. А. Котельникова), то применяются им­ пульсные Методы модуляции (АИМ, ШИМ и ФИМ).

В многоканальных РТС при формировании телемет­ рического сигнала используется две (и более) ступени модуляции. Первичная модуляция используется при фор­ мировании низкочастотного телеметрического сигнала. Вторая ступень используется при модуляции высокоча­ стотного сигнала передатчика низкочастотным. Выбор вида модуляции на первой ступени связан с методом разделения каналов: непрерывные виды модуляции при­ меняются в системах с частотным разделением каналов (ЧРК), импульсные виды модуляции — в системах с вре­ менным разделением каналов (ВРК). В качестве вто­ ричной модуляции используются непрерывные виды мо­ дуляции. В РТС с различными методами разделения ка­ налов применяются различные сочетания непрерывных и импульсных методов модуляции.

Системы с частотным разделением каналов могут иметь следующие комбинации используемых видов пер­

Системы с временным разделением каналов являют­ ся импульсными системами, и поэтому в них используют­ ся такие сочетания, как: АИМ — AM, АИМ — 4M, ШИМ — AM, ФИМ — AM и т. п.

В системах с комбинированным разделением каналов используется три вида модуляции. Обозначение их в од­ ной из систем может быть таким: АИМ — 4M — 4M. Это означает, что при первичном временном разделении каналов осуществляется амплитудно-импульсная моду­

9