Телемеханика. Телемеханика_4. Конспект лекций для студентов специальности 153 01 07 Информационные технологии и управление в технических системах
 Скачать 1.58 Mb.
|
|
для производственных помещений, закрытых неотапливаемых помещений и для установки на открытом воздухе. В зависимости от вида используемого канала связи различают радио, проводные (в том числе волоконно-оптические) и гидроакустические теле- метрические системы. 9 Различают телеметрические системы военного и промышленного назначения, а также используемые для проведения научных исследований. По помехоустойчивости системы делятся на три категории (табл. 1.1). По надежности системы ТИ делятся на три категории (табл. 1.2). Следует отметить, что иногда телеметрические системы бывают состав- ной частью более крупных систем и комплексов (например, в космических комплексах, комплексах для трубопроводного транспорта, в комплексах для энергосистем). Однако имеются области науки, техники и народного хозяй- ства, в которых телеметрические системы применяются как отдельные само- стоятельные системы. К таким областям относятся авиационная и ракетно- космическая техника, океанология и морская техника, промышленность, ме- теорология, геофизика, медицина и т.п. Таблица 1.1 Требования к достоверности систем ТИ Вероятностные характеристики Вероятность Р события не более Категории систем 1 2 3 Вероятность трансформации сообщений ТИ 8 10 - 10 -7 10 -6 Вероятность трансформации отсчета кодового ТИ 7 10 - 10 -6 10 -5 Таблица 1.2 Требования к надежности систем ТИ Характеристики по надежности Категории систем 1 2 3 Наработка на отказ, ч. не менее 10 000 не менее 5000 не менее 2500 Учитывая выражение (1.12) и производя замену переменных, получим ò - p - = ³ = H y л ПМ dy e U x P P 0 2 2 2 2 1 ) | (| , или ) ( 2 1 H Ф P ПМ - = , (1.17) где э x x y = , H x U э л = – порог перемодуляции. Вероятность перемодуляции характеризует ту часть времени работы си- стемы, в течение которой л U x ³ | | . Это время зависит от порога перемодуля- 10 ции. Чем больше величина H , тем меньшее время происходит перемодуляция, тем меньше уровень перекрестных помех. Чтобы оценить ошибку, вносимую перекрестной помехой в каждый канал, необходимо найти их спектральную плотность. Так как перекрестные помехи представляют собой случайный про- цесс, то ширина спектра будет определяться средней длительностью выбросов случайного процесса ) (t x 2 2 2 3 ) ( ) ( H П ПМ ПМ e F P H n P H × = = t , где П F – частота поднесущей n-го канала; ) ( 3 2 2 2 H n e F H П = - – число выбросов случайной величины y, превосходящих уровень H. Средняя ширина спектра перекрестных искажений равна обратной вели- чине средней длительности выброса: 2 2 3 2 ) ( 1 ) ( H ПМ П e P F H H f - = t = D (1.18) Спектральная плотность перекрестных помех (удельная мощность в поло- се 1 Гц) на выходе НЧ части группового тракта может быть определена из вы- ражения ) ( ) ( ) ( 2 ) ( ) ( 2 ) ( 2 2 0 H f dx x W x U H f d W H f P P Л Л U U П П П НЧ Л D - = D e e e = D = ò ò ¥ ¥ e , (1.19) где e P – мощность перекрестных помех; 2 П e – квадрат ошибки; ) ( n W e – плотность вероятности случайного процесса, а так как const = л U , то для всех л U | x | ³ ) ( ) ( x W W n = e Учитывая выражения (1.12) и (1.17) и произведя интегрирование, получим 11 1 1 2 2 3 2 3 2 ) 1 ( 2 ) 1 ( ) ( 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 0 2 2 2 2 2 ú ú û ù ê ê ë é - ÷÷ ø ö çç è æ + p × p - = = × ú ú û ù ê ê ë é p - + = = D ú ú û ù ê ê ë é p - + = D - p = - - ¥ - ò ПМ H п э ПМ п H пм H пм э n H пм э п H y э НЧ P e H H F H x P F e P He H P x f He H P x f dy e y H x P (1.20) Для H > 3 вероятность перемодуляции может быть приближенно оценена соотношением 2 2 1 2 H ПМ e H P - × p » (1.21) 1.2. Телеметрические системы с частотным разделением каналов Сущность частотного разделения каналов (ЧРК) состоит в том, что в пре- делах спектра частот, выделяемого для данной телеметрической системы, вы- бираются некоторые постоянные частоты n П П F F - 1 , называемые поднесущими частотами. Каждая поднесущая частота модулируется (первичная модуляция) сигналом i C U , передаваемым по этому каналу. При этом около каждой подне- сущей частоты образуется соответствующий спектр частот. Ширина спектра в каждом канале i F D определяется частотным спектром телеметрируемой вели- чины и используемым способом модуляции. Условное распределение спектра поднесущих частот по информационным каналам системы ТИ приведено на рис. 1.2. Рис. 1.2. Пример распределения спектра поднесущих частот по информационным каналам F П 1 F П 2 F П n F П i F D F 1 D D D F 2 F i F n D F S S 12 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 радиопе- редатчику. Суммарный сигнал используется для модуляции высокочастотных колебаний передатчика (вторичная модуляция). Вторичная модуляция приме- няется в случаях, описанных в подразделе 4.4 [3]. На приемной стороне после детектора устанавливается система фильтров, с помощью которых происходит разделение модулированных сигналов подне- сущих частот по соответствующим каналам. Число фильтров, каждый из кото- рых настроен на одну из поднесущих частот, обычно соответствует числу ка- налов. 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 рис. 1.3 и 1.4 соответственно. Выходные электрические сигналы датчиков (первичных преобразовате- лей), воспринимающих и преобразующих измеряемые величины, поступают на вход преобразователей, где они преобразуются к единому электрическому сиг- налу (нормируются), принятому для данной телеметрической системы и через фильтр нижних частот (ФНЧ) поступают на первичные (канальные) модулято- ры (М). ФНЧ устраняют высокочастотные выбросы сигнала, поступающего от датчика, которые возникают из-за переходных и других процессов во вход- ных 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 ча- стот. Модуляция в этом случае может быть амплитудной (АМ), частотной (ЧМ) или фазовой (ФМ). Сигналы с выхода канальных модуляторов поступают на АМ, ЧМ, ФМ АМ, ЧМ, ФМ В линию связи Из ли- нии связи Рис. 1.3. Структурная схема КП телеметрической системы с ЧРК Рис. 1.4. Структурная схема ПУ телеметрической системы с ЧРК Датчик 1 Преоб- разова- тель 1 Фильтр нижних частот 1 Каналь- ный мо- дулятор Поло- совой фильтр Генератор поднесу- щей часто- Генератор поднесу- щей часто- Сум- матор Груп- повой моду- Линей- ней- ный Датчик n Преоб- разова- тель n Фильтр нижних частот n Каналь- ный мо- дулятор Полосо- вой фильтр Генератор поднесу- щей часто- Разде- литель- ный Ограни- читель 1 Каналь- ный де- модуля- Фильт р ниж- них Регистри- рующее устройство Разде- литель- ный Ограни- читель n Каналь- ный де- модуля- Фильт р ниж- них Регистри- рующее устройство Группо- вой де- модуля- Огра- ничи- тель Линей ней- ный 11 14 вход полосовых фильтров, резонансная частота которых равна частоте генера- торов поднесущих, а полоса частот определяется видом первичной модуля- ции.Сигналы с выхода канальных полосовых фильтров подаются на схему суммирования, где они смешиваются, а затем поступают на групповой модуля- тор, где осуществляется вторичная модуляция, и после этого через линейный блок поступают в линию связи, которая может быть как радио, так и провод- ная. Линейный блок (ЛБ) служит для согласования выходных параметров пе- редатчика с параметрами линии связи. На ПУ сигнал из линии связи поступает на вход ЛБ, который согласовы- вает выходные параметры линии связи с входными параметрами приемника. Если на второй ступени применялись ЧМ и ФМ, то перед групповым демоду- лятором (ДМ) помещают ограничитель, который устраняет паразитную ампли- тудную 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. рис. 1.3). Этот сигнал, спектр которого охватывает спектры частот всех каналов, подается на входы всех (разделительных) фильтров, настроенных соответственно на частоты поднесущих n П П F F ... 1 , а полоса ча- стот определяется видом модуляции на первой ступени. Каждый из полосовых фильтров пропускает в основном составляющие спектра частот только соот- ветствующего 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 вза- имное перекрытие их частотных характеристик, что приводит к проникнове- нию сигналов из одних каналов в другие (переходные искажения). На выходе полосовых канальных фильтров устанавливаются демодуляторы (детекторы). Назначение канальных ограничителей соответствует назначению ограничите- ля, установленного перед групповым демодулятором. В результате вторичного детектирования (демодуляции) каждого из полученных сигналов демодулятора формируются напряжения, отображающие в некотором масштабе сигналы из- мерительных преобразователей. Эти сигналы через ФНЧ, которые служат для увеличения отношения сигнал/шум, записываются регистрирующим устрой- ством. Таким образом, разделительные фильтры и демодуляторы составляют декодер телеметрической системы с ЧРК. Из рассмотрения структурной схемы аналоговой телеметрической систе- мы с ЧРК видно, что основными элементами телеметрической системы явля- ются элементы передатчика и приемника (групповой модулятор, генератор не- сущей частоты, линейные блоки, групповой демодулятор), канальные модуля- торы, генераторы поднесущих колебаний, полосовые фильтры, ограничители, демодуляторы, фильтры нижних частот и регистрирующие устройства. Моду- ляторы и демодуляторы достаточно полно изложены в [3]. Регистрирующие устройства могут быть индивидуальные, устанавливаемые в каждом канале, и многоканальные (например самописцы). Для калибровки показаний регистри- 15 рующих устройств, которые могут изменяться из-за изменения условий рас- пространения сигналов, может производиться поочередное подключение к ка- налам вместо датчиков информации калибровочного напряжения. По этим по- казаниям на ПУ производится корректировка коэффициента передачи каналь- ных трактов. 1.2.1. Искажения в системах ТИ с ЧРК. Передача сообщений через лю- бые реальные системы связи сопровождается искажениями, в результате чего эти сообщения на приеме отличаются от передаваемых. Все искажения логично разделить на два основных вида: независимые, возникающие из-за наложения на сигнал различного рода шумов (аддитивные помехи), и зависимые, причиной которых является несовершенство тракта пе- редачи (мультипликативные помехи). К мультипликативным искажениям относятся зависимые искажения, появляющиеся вследствие нелинейности ам- плитудных, частотных и фазовых характеристик канала связи, а также искаже- ния, обусловленные появлением паразитных каналов связи (например много- лучевое распространение радиоволн). Происхождение этих искажений непо- средственно связано с сигналом, и при его отсутствии искажения не обнаружи- ваются, или другими словами – при отсутствии полезных сообщений исчезают и зависимые искажения. Для систем с ЧРК характерны два вида зависимых ис- кажений. Первый вид – перекрестные искажения – обусловлен неидеальностью характеристик группового тракта, которые приводят к появлению множества комбинационных частот, либо к наложению на сигнал помехи, имеющей слу- чайный характер. Перекрестные искажения в групповом тракте следует разделить на следу- ющие группы: искажения в низкочастотной (НЧ) части тракта, к которой отно- сятся усилители видеоканала, модуляторы и демодуляторы; искажения в высо- кочастотной (ВЧ) части тракта, которая включает в себя радиотракт передаю- щего и приемного устройств; искажения в пространстве вследствие изменения условий распространения волн. Второй вид – переходные искажения – обусловлен недостаточной селек- тивностью разделительных фильтров, вследствие чего возникает помеха по со- седнему каналу. Проанализируем оба вида искажений и оценим влияние параметров груп- пового тракта передачи на их величину. Входным сигналом группового тракта в системах с ЧРК является многоканальное сообщение, представляющее собой сумму модулированных поднесущих ) (t S i : å = = = n i i вх t S t x U 1 ) ( ) ( , (1.10) где n – число каналов, выходным – принятое сообщение: ) ( ) ( t x t U вых ¢ = 16 Вследствие воздействия различного рода помех форма принятого сообще- ния ) (t x¢ будет отличаться от переданного, т.е. на приеме будет искажена. То- гда условно сигнал на выходе можно представить в виде ) ( ) ( ) ( ) ( t t kx t x t U n вых e + t - = ¢ = , (1.11) где ) ( t - t kx – неискаженное сообщение; ) (t n e – напряжение перекрестной помехи. Условием неискаженного прохождения сигнала через групповой тракт яв- ляется постоянство коэффициента k – для всех мгновенных значений сигнала ) (t x , а время запаздывания t – постоянно для всех составляющих спектра группового сигнала. В реальных устройствах получить идеальные характеристики невозможно вследствие следующих причин: – наличие реактивностей (L, C), входящих в состав звеньев тракта, приво- дит к тому, что частотная и фазовая характеристики тракта отличаются от иде- альных; – стремление к максимальному использованию мощности передатчика для повышения помехоустойчивости системы к более полному использованию мо- дуляционной характеристики, вследствие чего амплитудная характеристика группового тракта становится нелинейной. При известных характеристиках реального группового тракта ошибку от перекрестных искажений принципиально можно определить. Однако эта зада- ча настолько сложна, что получить оптимальные для расчетов аналитические выражения невозможно. Поэтому при расчетах приходится идти на дальней- шие упрощения, а именно: определить ошибки, вносимые отдельными звенья- ми группового тракта, рассматривая их независимо; найти общую ошибку, пользуясь критерием среднеквадратичной ошибки. В зависимости от того, какой вид модуляции используется во второй сту- пени, влияние неидеальности характеристики группового тракта в создании перекрестных искажений будет различным. Так, при АМ во второй ступени искажения возникают из-за нелинейности амплитудных характеристик низко- частотной и высокочастотной частей группового тракта. При частотной модуляции во второй ступени нелинейность амплитудной характеристики НЧ части тракта является причиной перекрестных искажений так же, как и при АМ. Нелинейность же амплитудной и неравномерность ча- стотной характеристик высокочастотной части тракта не вызовут искажений, так как паразитные изменения амплитуды ЧМ сигнала устраняются ограничи- телем, включенным перед частотным детектором. Это весьма важное качество систем с ЧМ во второй ступени. Основное влияние на прохождение ЧМ сигна- ла оказывает нелинейность фазовой характеристики группового тракта. Рассмотрим методику и примеры расчета перекрестных и переходных ис- кажений для НЧ и ВЧ трактов системы. |