Лабораторная работа № 1 Телеметрические системы с частотным разделением каналов

Цель работы: изучение сущности частотного разделения каналов (ЧРК); изучение принципов построения телеметрических систем по структурным схемам КП и ПУ многоканальной телеметрической системы с ЧРК; исследование влияния переходных искажений на передаваемые сообщения.

1. Теоретическая часть

1.1.1 Общие сведения. Сущность частотного разделения каналов (ЧРК) состоит в том, что в пределах спектра частот, выделяемого для данной телеметрической системы, выбираются некоторые постоянные частоты , называемые поднесущими частотами. Каждая поднесущая частота модулируется (первичная модуляция) сигналом , передаваемым по этому каналу. При этом около каждой поднесущей частоты образуется соответствующий спектр частот. Ширина спектра в каждом канале определяется частотным спектром телеметрируемой величины и используемым способом модуляции.

Условное распределение спектра поднесущих частот по информационным каналам системы ТИ приведено на рисунке 1.

Рисунок 1

Поднесущие частоты разносятся таким образом, чтобы при их модуляции и объединении каналов не произошло заметного наложения спектров сигналов соседних каналов.

Промодулированные поднесущие колебания всех каналов подводятся к сумматору и после преобразования передаются по общему каналу к радиопередатчику. Суммарный сигнал используется для модуляции высокочастотных колебаний передатчика (вторичная модуляция).

На приемной стороне после детектора устанавливается система фильтров, с помощью которых происходит разделение модулированных сигналов поднесущих частот по соответствующим каналам. Число фильтров, каждый из которых настроен на одну из поднесущих частот, обычно соответствует числу каналов. Выделенные фильтрами модулированные колебания поднесущих частот подвергаются демодуляции. При этом в качестве демодулирующих устройств на приемной стороне используются соответственно амплитудный, частотный или фазовый детекторы.

Структурные схемы КП и ПУ многоканальной телеметрической системы с ЧРК приведены на рисунках 2 и 3 соответственно.

Выходные электрические сигналы датчиков (первичных преобразователей), воспринимающих и преобразующих измеряемые величины, поступают на вход преобразователей, где они преобразуются к единому электрическому сигналу (нормируются), принятому для данной телеметрической системы и через фильтр нижних частот (ФНЧ) поступают на первичные (канальные) модуляторы (М). ФНЧ устраняют высокочастотные выбросы сигнала, поступающего от датчика, которые возникают из-за переходных и других процессов во входных цепях и тем самым устраняют перемодуляцию генераторов поднесущих. Конструктивно ФНЧ может находиться в преобразователе-нормализаторе. На второй вход канальных М поступают сигналы от генераторов поднесущих частот. Модуляция в этом случае может быть амплитудной (АМ), частотной (ЧМ) или фазовой (ФМ). Сигналы с выхода канальных модуляторов поступают на вход полосовых фильтров, резонансная частота которых равна частоте генераторов поднесущих, а полоса частот определяется видом первичной модуляции. Сигналы с выхода канальных полосовых фильтров подаются на схему суммирования, где они смешиваются, а затем поступают на групповой модулятор, где осуществляется вторичная модуляция, и после этого через линейный блок поступают в линию связи, которая может быть как радио, так и проводная. Линейный блок (ЛБ) служит для согласования выходных параметров передатчика с параметрами линии связи.

На ПУ сигнал из линии связи поступает на вход ЛБ, который согласовывает выходные параметры линии связи с входными параметрами приемника. Если на второй ступени применялись ЧМ и ФМ, то перед групповым демодулятором (ДМ) помещают ограничитель, который устраняет паразитную амплитудную модуляцию, возникающую в линии связи из-за воздействия помех. Групповым демодулятором освобождаемся от несущей частоты, и на выходе образуется напряжение, подобное тому, которое действует на входе группового модулятора (см. рисунок 2).

Датчик 1

Преобразо-ватель 1

Фильтр нижних частот 1

Канальный модулятор 1

Полосовой фильтр 1

АМ, ЧМ, ФМ

АМ, ЧМ, ФМ

Генератор поднесущей частоты 1

Генератор поднесущей частоты n

Сумматор

Групповой модулятор

Линей-ный блок

В линию

связи

Датчик n

Преобразо-ватель n

Фильтр нижних частот n

Канальный модулятор n

Полосовой фильтр n

Генератор поднесущей частоты

Рисунок 2 - Структурная схема КП телеметрической системы с ЧРК

Раздели-тельный фильтр 1

Канальный демодулятор 1

Фильтр нижних частот 1

Регистри-рующее устройство 1

Ограничитель 1

Групповой демоду-лятор

Ограничитель

Линейный блок

Из линии

связи

Раздели-тельный фильтр n

Ограничитель n

Канальный демодулятор n

Фильтр нижних частот n

Регистри-рующее устройство n

Рисунок 3 - Структурная схема ПУ телеметрической системы с ЧРК

Этот сигнал, спектр которого охватывает спектры частот всех каналов, подается на входы всех (разделительных) фильтров, настроенных соответственно на частоты поднесущих , а полоса частот определяется видом модуляции на первой ступени. Каждый из полосовых фильтров пропускает в основном составляющие спектра частот только соответствующего ему канала, отфильтровывая сигналы всех других частот. Таким образом, с помощью полосовых фильтров производится разделение сигналов по информационным каналам на приемной стороне. За счет несовершенства амплитудно-частотных характеристик полосовых фильтров имеет место взаимное перекрытие их частотных характеристик, что приводит к проникновению сигналов из одних каналов в другие (переходные искажения). На выходе полосовых канальных фильтров устанавливаются демодуляторы (детекторы). Назначение канальных ограничителей соответствует назначению ограничителя, установленного перед групповым демодулятором. В результате вторичного детектирования (демодуляции) каждого из полученных сигналов демодулятора формируются напряжения, отображающие в некотором масштабе сигналы измерительных преобразователей. Эти сигналы через ФНЧ, которые служат для увеличения отношения сигнал/шум, записываются регистрирующим устройством. Таким образом, разделительные фильтры и демодуляторы составляют декодер телеметрической системы с ЧРК.

Основными элементами телеметрической системы являются элементы передатчика и приемника (групповой модулятор, генератор несущей частоты, линейные блоки, групповой демодулятор), канальные модуляторы, генераторы поднесущих колебаний, полосовые фильтры, ограничители, демодуляторы, фильтры нижних частот и регистрирующие устройства.

1.1.2. Выбор поднесущих и несущих частот. При выборе несущих частот необходимо учитывать вид модуляции на первой и второй ступенях. В нашем случае она может быть рассчитана по следующей приближенной формуле:

, (1)

где – полоса частот, занимаемая соответствующим сигналом.

При выборе поднесущей частоты необходимо учитывать нестабильность настройки фильтров и допустимый уровень переходных помех. С учетом данных замечаний частоты поднесущих при АМ можно выбрать из выражения

, (2)

где – максимальная частота спектра передаваемого сообщения;

i – номер канала;

(2,2...2,3) – коэффициент, учитывающий запас по частоте между каналами.

При ЧМ разнос поднесущих частот выбирается с учетом индекса модуляции , граничной часты спектра первичного сигнала и нестабильности настройки канальных фильтров. При проектировании систем заданными являются: индекс модуляции и максимальная частота спектра передаваемого сообщения . Тогда определим девиацию частоты из выражения:

(3)

Тогда частота первой поднесущей

, (4)

где 0,075 – коэффициент, учитывающий линейность характеристики частотного модулятора.

Если разнос частот для всех каналов одинаков, то поднесущие частоты могут быть определены из выражения

(5)

либо по коэффициентам кратности или таблице стандартных значений поднесущих (табл. 1.1 и 1.2), после определения частоты первой поднесущей – по выражению (2).

Таблица 1.1