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

ляция. Далее этими импульсами модулируется по ча­ стоте генератор поднесущих колебаний. Выходное на­ пряжение генератора поднесущих колебаний в свою оче­ редь модулирует по частоте высокочастотные колебания передатчика.

Основным преимуществом аналоговых РТС является их сравнительная простота, недостатками — дополнитель­ ная погрешность измерений, вызываемая трактом пере­ дачи и устройством регистрации телеметрических сигна­ лов, а также трудность автоматизации процесса обра­ ботки записанных данных.

В цифровых РТС передаваемые и регистрируемые сигналы квантуются по величине. Передача квантован­ ных сигналов осуществляется периодически набором цифр. ■ ( .

В цифровых РТС помимо ошибок квантования и ано­ мальных ошибок тракт передачи и регистрация данных не вносят дополнительных погрешностей в результаты телеизмерений (меньшие ошибки, вносимые системой). При неоднократной ретрансляции цифровой информа­ ции вносимые всякий раз малые ошибки практически не накапливаются. Обладая высокой точностью передачи результатов измерений и хорошими энергетическими по­ казателями, цифровые РТС могут занимать меньшую "полосу частот, чем аналоговые. Кроме того, в таких РТС результаты записи сравнительно легко поддаются авто­ матической обработке. К недостаткам цифровых РТС относится сложность и громоздкость аппаратуры. За последнее время на основе внедрения микромодульной техники массы и габариты радиотехнических устройств, в том числе и радиотелеметрических, удается существен­ но уменьшить. Аналоговые и цифровые радиотелеметрические системы отличаются спецификой построения схем и имеют свои характерные элементы для преобразова­ ния сигналов.

В целях автоматизации обработки результатов изме­ рений применяются ѵсовмещенные (аналого-цифровые) РТС, у которых передача, регистрация и обработка ин­ формации могут производиться в аналоговой и цифро­ вой формах. При этом для преобразования информации из аналоговой формы в цифровую и наоборот приме­ няются специальные преобразователи.

В аналоговых РТС для осуществления многоканаль­ ной передачи на одной несущей частоте используются

10

частотный и временной методы разделения каналов. Применяется также кодовое (структурное или адресное) разделение каналов.

Все РТС характеризуются информативностью, кото­ рая является одним из важнейших показателей системы. Этот показатель объединяет такие характеристики си­ стемы, как число каналов, максимальную частоту спект­ ра сообщения (частота опроса) и точность измерения.

Для систем с ВРК информативность может опреде­ ляться как числом измерений в секунду, так и числом двоичных единиц в секунду. Если число каналов систе­ мы равно п, а частота опроса по каждому каналу F0, то информативность системы равна:

#= n F 0, изм/сек.

Всистеме с постоянной частотой опроса и точно­ стью измерений по всем каналам отсутствует возмож­ ность измерения процессов с различной частотой опроса

иточностью. Это недостаток системы. Современные РТС должны обладать информационной гибкостью, позволяя производить обменные операции между частотой опроса, числом каналов и точностью измерений в пределах дан­

ной информативности системы. Возможности систем с ВРК в этом отношении очень ограничены. Это объяс­ няется тем, что они образуют фиксированный порядок опроса каналов.

Радиотелеметрическая система с высокой информа­ ционной гибкостью может быть построена на основе использования кодового (адресного) метода разделения каналов (КРК). РТС с КРК позволяют осуществить произвольный (программный) опрос каналов, что рас­ ширяет возможности изменения частоты опроса и точно­ сти измерений по различным каналам. Такие системы часто называют РТС с хранящейся в памяти програм­ мой измерения.

Следующим шагом в развитии РТС является появ­ ление адаптивных (приспосабливающихся) РТС, кото­ рые обладают информационной гибкостью в наивысшей степени, приспосабливая и перестраивая систему изме­ рения в зависимости от текущей ситуации на борту кон­ тролируемого объекта. Такая система позволяет извле­ кать и выдавать потребителю информации с минималь­ ной избыточностью, приспосабливаться к помеховой обстановке в месте приема и т. д.

11

1-3. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АНАЛОГОВЫХ РТС С ЧАСТОТНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ

Сущность частотного разделения каналов (ЧРК) состоит в том, что в пределах спектра частот, выделен­ ного для данной РТС, выбираются некоторые постоян­ ные частоты Fnl—Fun, называемые поднесущими часто­ тами. Каждая тюднесущая частота модулируется (пер­ вичная модуляция) сигналом £/д,-, передаваемым по это­ му каналу. При этом около каждой поднесущей частоты образуется соответствующий спектр частот. Ширина спектра сигнала в каждом канале Д/ч определяется ча­ стотным спектром телеметрируемой величины и исполь­ зуемым способом модуляции.

Условное распределение спектра поднесущих частот по информационным каналам РТС приведено на рис. 1-2,

Ш Ш А Ш Ш _____

-A F-r

Рис. 1-2. Пример распределения спектра поднесущих ча­ стот по информационным каналам.

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

Промодулированные поднесущие колебания всех ка­ налов подводятся к сумматору и после преобразования передаются по общему каналу к радиопередатчику. Суммарный сигнал используется для модуляции высо­ кочастотных колебаний передатчика (вторичная моду­ ляция).

На приемной стороне после детектора устанавлива­ ются система фильтров, с помощью которых происходит разделение модулированных сигналов поднесущих ча­ стот по соответствующим цепям (каналам). Число филь­ тров, каждый из которых настроен на одну из поднесу­ щих частот, обычно соответствует числу каналов. Выде-

12

ленные фильтрами модулированные колебания поднесу­ щих частот подвергаются демодуляции. При этом в ка­ честве демодулирующих устройств на приемной стороне используется соответственно амплитудный, частотный или фазовый детектор. В некоторых системах разделен­

каналов приведена на рис. 1-3. Выходные электрические сигналы измерительных преобразователей Ді—Д п, вос­ принимающих и преобразующих измеряемые величины

Рис. 1-3. Структурная схема РТС с частотным разделением каналов.

h—ln, поступают на первичные модуляторы МОДі — МОДп. В РТС с частотным разделением каналов выход­ ные сигналы преобразователей нормализуются редко и только в случаях, когда хотят унифицировать схемы ге­ нераторов поднесущих' колебаний. Поэтому на схеме рис. 1-3 согласующие устройства не показаны.

Первичные модуляторы воздействуют на генераторы поднесущих колебаний А —Гп, осуществляя модуляцию возбуждаемых этими генераторами колебаний. Модуля­ ция в этом случае может быть амплитудной, частотной или фазовой. В устройствах подобного типа часто труд­ но разделить модулятор и генератор. Поэтому на схеме они показаны объединенными. В качестве первичной мо­ дуляции (модуляции поднесущих колебаний) наиболее часто применяется частотная модуляция. При этом виде

13

модуляции уменьшается влияние шумов и перекрестных искажений на точность телеметрических измерений; уро­ вень выходного сигнала ие зависит от уровня входного сигнала несущей частоты и упрощаются (по сравнению с AM) требования к выделяющим частотным фильтрам на приемной стороне. Кроме того, осуществить частотную модуляцию в генераторах поднесущих колебаний значи­ тельно проще, так как при этом многие измерительные преобразователи хорошо согласуются с генераторами поднесущей частоты. Преобразователь при этом служит одновременно одним из элементов схемы генератора, определяющих частоту генерируемых колебаний. Доста­ точно высокое качество радиотелеизмерений в системах с первичной 4M достигается путем увеличения отношения девиации частоты поднесущего колебания к максималь­ ной частоте электрического сигнала, отображающего из­ меряемую величину. Обычно индекс модуляции выби­ рается равным пяти. Современные частотные модулято­ ры довольно легко позволяют получать изменения под­ несущей частоты в диапазоне 5—20% ее номинального значения без заметной паразитной амплитудной моду­ ляции.

Сигналы, поступающие с выхода генераторов, по­ даются на схему суммирования, где они смешиваются,

азатем поступают на радиопередатчик.

Врадиопередатчике осуществляется вторичная (как правило, частотная) модуляция.

Преимущественное применение частотной модуляции высокочастотных колебаний передатчика в РТС с частот­ ным разделением каналов объясняется следующими основными причинами:

На выходе приемника образуется напряжение, подоб­ ное тому, которое действует на входе радиопередатчика. Этот сигнал, спектр которого охватывает спектры частот всех каналов, подается на входы всех полосовых филь­ тров Фі—Фп, настроенных соответственно на частоты Апі—Fnn- Каждый из полосовых фильтров пропускает

14

в основном составляющие спектра частот только соот­ ветствующего ему канала, отфильтровывая сигналы всех других частот. Таким образом, с помощью полосо- •вых фильтров Фі—Фп производится разделение сигна­ лов по информационным каналам на приемной стороне. За счет несовершенства выделяющих фильтров имеет место взаимное перекрытие их частотных характеристик, что приводит к проникновению сигналов из одних кана­ лов в другие. Этому же способствует наложение спект­ ров отдельных каналов один на другой. На выходе полосовых канальных фильтров устанавливаются детек­ торы. В результате вторичного детектирования (демоду­ ляции) каждого из полученных сигналов демодулятора ДМх — ДМп формируются напряжения, отображающие в некотором масштабе сигналы измерительных преобра­ зователей. Эти сигналы записываются регистрирующим устройством РУ. Разделительные фильтры и демодуля­ торы составляют декодер РТС с частотным разделением каналов.

Из рассмотрения структурной схемы аналоговой РТС с ЧРК видно, что основными элементами РТС являются элементы радиолинии, (радиопередатчик, антенно-фидер­ ные устройства, радиоприемник), модуляторы, генерато­ ры поднесущих колебаний, полосовые фильтры, демоду­ ляторы и регистрирующие устройства. Элементы радио­ линии в данной книге рассматриваться не будут. Модуляторы и демодуляторы достаточно полно изложе­ ны в существующей радиотехнической литературе.

В книге будут рассмотрены некоторые типы генера­ торов поднесущих частот и фильтры, применяемые на передающей и приемной сторонах.

1-4. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ РТС

СВРЕМЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ

ВРТС с временным разделением каналов (ВРК) кажодму каналу для передачи информации представ­ ляется поочередно со строгой периодичностью относи­ тельно короткий временной интервал. В результате пет редача сигналов по каждому из каналов осуществляется прерывисто (выборочно) в виде импульсов, модулиро­ ванных передаваемым сигналом по амплитуде, ширине или временному положению (фазе).

15

Периодически следующие одни за другим модулиро­ ванные телеметрическим сигналом канальные импульсы называются измерительными импульсами.

Таким образом если при частотном разделении кана­ лов каждому каналу отводится часть общей полосы про­ пускания радиолинии в течение всего времени ее рабо­ ты, то при временном разделении каналов каждому кана­ лу представляется вся полоса пропускания, но на неко­ торую часть общего времени цикла передачи (время, от­ водимое на разовую передачу сигналов всех каналов).

На приемной стороне пмтіульспые серии, соответст­ вующие различным каналам, разделяются по отдельным цепям. Разделение основано на том, что заранее извест­ ны промежутки времени (в цикле передачи), в течение которых могут появляться импульсы отдельных кана­ лов. Для определения этих промежутков времени пере­ дающим устройством излучаются специальные синхрони­ зирующие импульсы, обозначающие начало каждого цикла опроса всех источников информации. Синхрони­ зирующие импульсы (отличающиеся от канальных им­ пульсов) определяют темп передачи и называются кад­ ровыми импульсами. ,

Из модулированных импульсов, получаемых в каж­ дой отдельной канальной цепи, после демодуляции вы­ деляются напряжения, характеризующие телеметрируемые величины. Эти напряжения записываются с по­ мощью регистрирующих устройств.

Структурная "схема, иллюстрирующая описанный принцип построения многоканальных РТС с временным разделением каналов, представлена на рис. 1-4. Телеметрируемые величины Л—Іп преобразуются измеритель­ ными преобразователями Ді—Д п в электрические вели­ чины. Выходные сигналы преобразователей поступают в канальные согласующие устройства СУі—СУп,.где про­ исходит их преобразование в единый (по виду) для всех каналов сигнал, используемый для передачи по радиоли­ нии РТС. Выходы канальных согласующих устройств соединяются с коммутатором KPи подключающим по очереди телеметрические сигналы каждого из каналов ко входу модулятора, где осуществляется первичная мо­ дуляция по амплитуде (АИМ), ширине (ШИМ) или вре­ менному положению измерительного импульса относи­ тельно опорного (ФИМ). При использовании в РТС ам­ плитудно-импульсной модуляции модулятора может не

16

быть, так как на выходе коммутатора обычно форми­ руются сигналы АИМ.

С выхода модулятора групповой видеосигнал через элемент ИЛИ подается на вход передатчика для модуляцйи его высокочастотными колебаниями.

По одному из каналов РТС передается калибровоч­ ное напряжение, подводимое к коммутатору от датчика калибровочных напряжений ДКН. Один ДКН применя­ ется в случае идентичности амплитудных характеристик всех информационных каналов. В РТС могут использо­ ваться несколько ДКН. Их число определяется количест­ вом групп информационных каналов, в каждой из кото­ рых амплитудные характеристики каналов идентичны.

Рис. 1-4. Структурная схема РТС с временным разделением каналов.

Коммутатор управляется синхронизирующими сигна­ лами, вырабатываемыми в хронизаторе. Кодер синхро­ сигналов формирует синхроимпульсы, отличающиеся от измерительных (канальных) импульсов каким-нибудь параметром (амплитудой, длительностью и т. д.) Син­ хронизирующие сигналы необходимо передавать на при­ емную сторону РТС для того, чтобы коммутаторы при­ емной и передающей сторон РТС работали синхронно и синфазно.

На приемной стороне сигналы.с выхода радиоприем­ ника ПРМ поступают на вход коммутатора KPz и в устройство выделения и формирования синхросигналов. В этом устройстве происходит выделение синхронизирую­ щих импульсов, из которых затем формируется напряже­ ние для синхронизации коммутатора KPz- Коммутатор KPz распределяет измерительные импульсы по соответст­ вующим информационным каналам. Сигналы каждого из каналов демодулируются в демодуляходах^ДД^г~ДМ|я.

■МП Hilf

а затем записыйаются в многоканальном регистрирую­ щем устройстве РУ. Однако в ряде РТС (особенно с пер­ вичной АИМ) в регистрирующее устройство сигналы по­ даются непосредственно с выхода коммутатора и перед записью не демодулируются.

В зависимости от видов первичной и вторичной моду­ ляции различают следующие основные типы радиотелеметрических систем с временным разделением каналов:

лов позволяет создать сравнительно простые по устрой­ ству, надежно работающие радиолинии с большим чис­ лом каналов. При этом взаимное влияние каналов ока­ зывается менее существенным, чем при частотном разде­ лении каналов. Важнейшими элементами FJTC с ВРКяв­ ляются коммутирующие устройства, используемые в ко­ дере для поочередного подключения отдельных источни­ ков передаваемых сообщений ко входу радиолинии и в декодере для распределения принятых сигналов по соот­ ветствующим цепям (каналам), а также модуляторы и демодуляторы АИМ, ШИМ и ФИМ сигналов.

1-5. ОСОБЕННОСТИ РТС

СКОДОВО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Внастоящее время широкое применение находят цифровые РТС, в которых реализуется кодово-импульс­ ная модуляция. Внедрение цифровых методов передачи, регистрации и обработки телеметрических сигналов по­ зволяют производить сжатие объема сообщений, автома­ тизировать обработку полученной информации и удобно запоминать ее.

При кодово-импульсной модуляции весь диапазон воз­ можных значений модулирующего сигнала разбивается на конечное число дискретных уровней, расстояние меж­ ду которыми AUс называется шагом квантования. Вме­

сто передачи плавной кривой изменения этого сигнала во времени (рис. 1-5,а) передаются указанные дискрет­ ные уровни сигнала. Кодеры обычно строятся так, что передается тот дискретный уровень, который превышен сигналом в момент передачи. При таких кодерах ошибка квантования равна шагу квантования (A'Uc).

18

Процесс замены передачи плавной кривой изменения сигнала дискретными уровнями называется: квантова­ нием по уровню. Каждый уровень нумеруется и пере­ дается в виде числа, выражаемого в двоичной системе счисления (в виде двоичного кода рис. 1-5,6) или в лю­ бой другой системе счисления.

Двоичный код в этом случае представляет собой группу импульсов, расположенных па соответствующих

Рис. 1-5. Квантование сигнала при КИМ.

временных позициях. Каждая из временных позиций обозначает разряд двоичной системы счисления.

Возможное число уровней іщ, (с учетом нулевого), которое может быть передано с помощью двоичного кода с числом разрядов двоичной системы счисления определяется выражением

Шаг квантования (в процентах) с учетом выраже­ ния (1-1) определится из соотношения

Максимальная ошибка измерения за счет квантова­ ния бйакс равна шагу квантования 0макс='АДсЗадаваясь допустимым значением погрешности измерения за счет