2. Формы представления и основные принципы передачи измерительной информации

3.1. Основные тенденции

Форма представления измерительной информации, в первую очередь, зависит от характера ее дальнейшего использования. Если результата окончательный, то измерительная информация должна быть удобной для восприятия, для этого можно использовать, например, запись результатов в виде неравенств

,

где t - квантиль нормального распределения, зависящий от вероятности попадания результата измерения x в указанный доверительный интервал.

В том случае, когда результаты предназначены для точных вычислений, они должны быть представлены эмпирическим законом распределения вероятности, аппроксимированы аналитическим выражением и т.д. Для приближенных вычислений результаты могут быть выражены числовыми эмпирическими характеристиками [41].

Передача измерительной информации осуществляется с помощью измерительных сигналов с использованием модуляции, дискретизации, кодирования. Независимо от способа передачи сигнала измерительная информация должна быть однозначной и устойчивой к искажениям. Использование перечисленных принципов передачи информации обеспечивает удобство восприятия информации; ввод измерительных сигналов в цифровые вычислительные устройства; удобство передачи измерительной информации по каналам связи; повышение надежности передачи измерительной информации; эффективное использование каналов связи, устройств хранения, передачи, приема. Например, использование модуляции и демодуляции дает возможность создавать информационно- измерительные системы, включающие множество разнообразных датчиков и единственный канал связи. Передача информации возможна с помощью временного или частотного распределения канала.

По степени дискретизации измерительные сигналы делятся на аналоговые по измеряемому параметру и времени (сигналы интенсивности – ток и напряжение, модулированные гармонические колебания); непрерывные по параметру, но дискретные по времени (импульсные модулированные сигналы); дискретные по времени и параметру.

Область использования аналоговых сигналов ограничена, поскольку при их передаче предъявляются жесткие требования к стабильности параметров каналов связи. Поэтому в информационно- измерительной технике широко используется искусственная дискретизация непрерывных величин по уровню и по времени. Дискретизация (квантование) по уровню используется, когда результаты измерений представляются в виде чисел (в цифровых измерительных устройствах и системах). Эта процедура предшествует кодированию измерительной информации. Дискретизация по времени используется в цифровых измерительных приборах и в информационно- измерительных системах с поочередным подключением различных датчиков к одному каналу передачи информации. Под кодированием в узком метрологическом смысле принято понимать преобразование сообщений в комбинации из дискретных сигналов.

3.2. Модуляция измерительных сигналов

Носителями измерительной информации могут быть сигналы, имеющие различную физическую природу: колебания оптического диапазона, радиоволны, низкочастотное излучение, акустические колебания, координата положения измерительного наконечника, деформация упругого элемента и т.д. Если такие параметры, как амплитуда, частота, начальная фаза, параметры поляризации остаются неизменными, то никакой передачи информации не происходит. Информация передается тогда, когда изменение одного (или нескольких) из параметров под влиянием измеряемого параметра отражает ее содержание. Это изменение параметров сигнала, вызываемое измеряемыми величинами, называется модуляцией измерительных сигналов. Обратное преобразование изменений сигнала в измерительную информацию называется демодуляцией.

Амплитудная модуляция чаще используется при аналоговом представлении информации. Если немодулированное несущее колебание имеет вид гармонической функции

где - начальная фаза,

то амплитудно-модулированное колебание

Несет измерительную информацию только модулирующий сигнал - частота модуляции. Амплитудно-модулированный сигнал при этом

где - глубина модуляции.

Графическое изображение описанных преобразований приведено на рис.7. Аппаратурное обеспечение амплитудной модуляции включает множительные устройства (транзисторы, электронные лампы, полупроводниковые диоды и т.д.). После передачи амплитудно- модулированного сигнала по каналу связи происходит демодуляция (детектирование): в детекторе выделяется среднее значение выходного сигнала, а затем сигнал с выхода детектора пропускают через фильтр нижних частот (для подавления высокочастотных составляющих) [42].

Угловая модуляция включает фазовую и частотную модуляцию сигналов. Модуляция фазы вызывает модуляцию частоты по закону . Модуляция частоты приводит к модуляции фазы по закону . Такая взаимосвязь позволяет, например, использовать фазовые модуляторы для получения частотно- модулированных сигналов. Приборное обеспечение частотной модуляции предполагает, например, изменение частоты генератора (при работе двух транзисторов в противофазе). Частотная демодуляция заключается в предварительном преобразовании частотно- модулированного сигнала в амплитудно- модулированный (например, с использованием линейных цепей с неравномерной амплитудно- частотной характеристикой – расстроенных контуров, пар расстроенных контуров, частотных дискриминаторов) и последующее его детектирование с помощью амплитудного детектора. В информационно- измерительных системах частотно- модулированные сигналы чаще преобразуются непосредственно в цифровые отсчеты с помощью цифрового частотомера.

Аналитическая интерпретация частотной модуляции подразумевает описание немодулированного несущего сигнала

модулирующего сигнала, несущего измерительную информацию где - частота модуляции; - девиация частоты.

Рис.7. Амплитудная модуляция измерительных сигналов

Частотно- модулированный измерительный сигнал определяется выражением

где -индекс частотной модуляции.

Графическое изображение процесса частотной модуляции приведено на рис. 8.

При фазовой модуляции изменяется начальная фаза модулирующего колебания. Немодулированный несущий сигнал

модулируется сигналом в котором - девиация фазы. При этом модулированный сигнал имеет вид

где - глубина фазовой модуляции.

Графическое изображение фазовой модуляции приведено на рис.9.

Приборное обеспечение фазовой модуляции подразумевает изменение параметров линейной цепи с неравномерной фазо- частотной характеристикой, на вход которой подаются колебания стабильной частоты или использование балансного амплитудного модулятора. Использование импульсной модуляции измерительных сигналов в информационно- измерительных системах позволяет увеличивать объем измерительной информации, которая передается по каналам связи. Импульсная модуляция предполагает временное разделение каналов, когда в паузах между импульсами, несущими информацию об одной измеряемой величине, размещается информация о других измеряемых величинах. Форма измерительного сигнала в виде последовательности импульсов позволяет осуществлять модуляцию нескольких параметров, т.е. более эффективно использовать канал связи. Применение сигналов- импульсов позволяет увеличить мощность в импульсе при небольшой средней мощности,

Рис.8. Частотная модуляция измерительных сигналов

т.е. повысить помехоустойчивость передачи информации.

Наиболее часто используют импульсы прямоугольной формы, легко реализуемые технически.

Периодическую последовательность импульсов характеризуют количественные параметры: амплитуда импульсов, А­_m­; период повторения, Т; частота импульсов, ; длительность импульсов, τ; скважность, ; фаза импульсов, ; t­_з­ – задержка импульсов относительно опорной поверхности импульса (рис.10). Любой из этих параметров может являться параметром модуляции.

Рис. 9. Фазовая модуляция измерительных сигналов

Рис.10. Параметры сигнала- импульса

Графическое изображение различных видов импульсной модуляции измерительных сигналов приведено на рис.11.

Для демодуляции амплитудно- и широтно- импульсной модуляции используются обычные амплитудные детекторы с фильтром нижних частот. Фазово- модулированный импульсный сигнал предварительно преобразуют в широтно- модулированный импульсный сигнал. Однако в современной информационно- измерительной технике частотно- , широтно- и фазово- импульсно модулированные сигналы чаще непосредственно преобразуются в цифровые коды [43].