Телемеханика. Телемеханика_4. Конспект лекций для студентов специальности 153 01 07 Информационные технологии и управление в технических системах
 Скачать 1.58 Mb.
|
|
Демодуляционные искажения. Недостаточная селективность реального фильтра нижних частот при непрерывной регистрации приводит к прохожде- нию на выход канала высокочастотных составляющих спектра сигнала (рис. 1.20). ) ( w A w W W max W ) ( w j ФНЧ K 1 w Рис. 1.20. К пояснению демодуляционных искажений Такие искажения возникают независимо от числа каналов и вида импуль- сной модуляции и называются демодуляционными. Если принять, что ФНЧ представляет собой линейный четырехполюсник с амплитудно-частотной характеристикой ) ( jw K Д , то относительная средне- квадратичная ошибка воспроизведения полезного сигнала будет определяться выражением ) , ( ) , ( ) , , ( ) , ( max 2 2 1 max 1 max 1 2 2 1 max t B jn j k t n C jn j k ФНЧ n ФНЧ W w W W w w W = g å ¥ = , (1.66) где суммирование в числителе проводится по всем учитываемым компонентам спектра помех; ) , , ( max 1 t n C W w – амплитуды спектральных составляющих на частотах max 1 W ± w k n ; ) , ( max t B W – амплитуда полезной составляющей. Апертурные искажения. Полезная составляющая спектра на входе демо- дулирующего ФНЧ при АИМ-1 равна 47 ). sin( ) , ( 0 1 j + W t = W - t m Т U t B И АИМ (1.67) Для многоканальных систем величина полезного сигнала зависит от числа каналов и достаточно мала, так как И t <<T. Для увеличения амплитуды полез- ной составляющей при модуляции АИМ-1 преобразуют в АИМ-2, тогда ) sin( 2 2 sin ) , ( 0 2 j + W t W t W t = W - t q q m Т q U t B И И И АИМ , (1.68) где p q t = t – длительность расширенных импульсов. Нетрудно заметить, что при расширении импульсов амплитуда полезного сигнала увеличивается в q раз и появляется зависимость амплитуды от частоты модуляции. 1.3.5. Некоторые специфичные вопросы построения систем ТИ с ВРК. В ряде случаев возникает задача передачи сообщений о медленно- и быстро- протекающих процессах. Для повышения эффективности использования необ- ходимо обеспечить возможность получения различной тактовой частоты опро- са по различным каналам. Изменение тактовой частоты опроса в ТМС с посто- янным числом каналов может осуществляться при помощи запараллеливания каналов или вторичной подкоммутации. В настоящее время разработаны коммутаторы, которые позволяют изме- нять число каналов и тактовую частоту опроса по различным каналам перед работой и в процессе работы в зависимости от требуемой программы. Кроме того, с целью сужения полосы частот, занимаемой системой, передачу канальных импульсов осуществляют без разделительных пауз (рис. 1.21). Первый канал используется для посылки синхронизирующего импульса, амплитуда которого должна быть в 1,5…2 раза больше максимальной ампли- туды измерительного импульса. На приемной стороне коммутатор распределяет импульсы во времени так, что в каждом канале из приходящего импульса «вырезается» часть, менее подверженная изменениям в канале связи, что существенно уменьшает взаим- ное влияние. 48 СИ СИ СИ Рис. 1.21. Беспаузный метод передачи сообщений В системах с ШИМ и ФИМ применяется контроль импульсов по длитель- ности с помощью узла двойной дискриминации (УДД). УДД должен браковать импульсы, длительности которых меньше или больше длительности информа- ционных импульсов при ШИМ или при ФИМ, задача дискриминации длитель- ности импульсов с обеих сторон – сверху и снизу – решается схемой, содер- жащей два дискриминатора длительности (ДД) (рис. 1.22). Один из них, ДД1, настроен на порог дискриминации 1 t , другой, ДД2 – на порог 2 t , причем 1 t меньше номинальной длительности полезного импульса на величину допуска, а 2 t больше на такую же величину. Рис. 1.22. Узел двойной дискриминации по длительности Кроме дискриминатора, в схему входят логические элементы, с помощью которых проверяется соблюдение условия 1 t < И t < 2 t . ДД1 ДД2 & S R T S2 S1 S3 Вход 1 2 3 4 5 6 7 49 Признаком является то, что ДД1 срабатывает, а ДД2 не срабатывает. Про- верка выполнения этих событий проводится через интервал времени 3 t после начала импульса, причем 3 t > 2 t . Факт срабатывания ДД1 запоминает триггер, который переводится фрон- том импульса ДД1 в состояние 1. При срабатывании ДД2 триггер возвращается в состояние 0. Опрос триггера проводится импульсом одновибратора 2 S , сдвиг которого 3 t относительно начала отсчета задается одновибратором 1 S . Вре- менная диаграмма работы УДД приведена на рис. 1.23. 1.3.6. Синхронизация. Синхронная и синфазная работа передающей и приемной сторон системы достигается синхронным и синфазным движением распределителей каналов. Применяются следующие способы синхронизации и синфазирования: 50 τ 3 τ 3 τ 3 τ 1 τ 1 τ 1 τ 2 τ 2 τ 2 И t 1 2 3 4 5 6 7 8 2 1 t < t < t И 1 t < t И И t < t 2 Рис. 1.23. Временные диаграммы УДД Пошаговый, при котором каждый очередной импульс вызывает продви- жение распределителя на передающей и приемной сторонах на один шаг. По- шаговый способ реализуется наиболее просто и не требует установки генера- тора тактовых импульсов на приемной стороне. Он может быть реализован тремя путями: передачей тактовых импульсов по специальному каналу, пере- дачей специальных продвигающих импульсов перед каждым измеряемым и использование измерительных импульсов в качестве продвигающих. Первый путь целесообразно применять, если в данном направлении имеется более восьми информационных каналов, так как он требует такой же полосы частот как и информационные, что в условиях ограниченности полосы группового тракта требует увеличения мощности передатчика, а порой приводит к сниже- нию помехоустойчивости. Схема синхронизации для второго пути приведена на рис. 1.24. Этот путь требует увеличения числа импульсов на периоде опроса, а следовательно и расширения полосы частот канала связи. Очевидно, что данный путь можно применять при небольшом количестве каналов и достаточной полосе частот. 51 СТИ – селектор тактовых импульсов; РИ – распределитель импульсов. Рис. 1.24. Схема синхронизации при передаче перед каждым информационным импульсом тактового импульса Третий путь пошаговой синхронизации применяется в таких системах, в каждом такте которых имеется импульс, несущий измерительную информа- цию. Примером таких систем может быть система с АИМ при условии, что ну- левые значения измеряемых величин передаются импульсами минимальной амплитуды. Схема формирования тактовых импульсов и временные диаграм- мы для систем с АИМ и ШИМ приведены на рис. 1.25 и 1.26 соответственно. 8 F Вход C 1 n РИ 1 2 3 1 n а t t t 1 2 3 б Рис. 1.25. Схема формирования тактовых импульсов из АИМ сигнала: а – функциональная схема; б – временные диаграммы Вход C 1 n 1 2 3 1 n РИ F2 F1 а 1 2 3 t t t б Рис. 1.26. Схема формирования тактовых импульсов из ШИМ сигнала а – функциональная схема; б – временные диаграммы СТИ C РИ 1 2 n SWM 1 SWM n # # Выход 1 Выход n Вход Т1 И1 Тn Иn 2 1 t > t 1 t 2 t F 52 Необходимо отметить низкую помехоустойчивость пошаговой синхрони- зации. Появление в сигнале лишнего импульса или пропажа импульса под дей- ствием помех приводит к сбою синхронизации или к пропаже измерительной информации, если не предусмотрена защита от помех в виде счета импульсов в каждом канале. Стартстопный способ, при котором распределители переключают канал на передающей и приемной сторонах от местных генераторов, работающих со стабильной, почти одинаковой частотой. Запуск распределителя приемной сто- роны, начиная с первой позиции, производится синхроимпульсом (СИ), кото- рый поступает от передатчика. Распределитель на приемной стороне останав- ливается после прохождения всех n позиций (каналов) до момента прихода очередного циклически посылаемого СИ, который вновь запускает РИ. Функ- циональная схема и временные диаграммы работы представлены на рис. 1.27. Помехоустойчивость стартстопного способа значительно выше, так как единичное искажение помехой может вызвать рассогласование в движении распределителей только в пределах цикла до прихода очередного СИ. Очеред- ной СИ восстанавливает синхронное движение распределителей. Циклический способ синхронизации отличается только тем, что СИ сбра- сывает в исходное состояние РИ и по совершении n шагов РИ не останавлива- ется, а продолжает работу дальше, а очередной СИ снова устанавливает его в исходное состояние. Очевидно, что для синхронизации необходимо, чтобы не- стабильность частоты местного генератора была такой, чтобы рассинхрониза- ция не происходила в течение цикла. Схема циклического способа синхрони- зации приведена на рис. 1.28. Инерционный способ, при котором так же, как и при стартстопном спосо- бе, циклически передаются синхроимпульсы. Однако распределители пере- ключаются от стабильных по частоте местных тактовых генераторов равно- мерно, без остановки в конце цикла. Синхроимпульсы воздействуют на частоту ГТИ в небольших пределах обычно через инерционное звено. Для приема син- хроимпульсов применяется стробирование и другие меры, уменьшающие вли- яние помех в интервалы времени, в которые не ожидается приход синхроим- пульсов. Структурная схема, реализующая этот способ, приведена на рис. 1.29. 53 1 2 3 4 5 6 t СИ СИ 1 n t t t t t б ССИ – селектор синхроимпульса Рис. 1.27. Стартстопный способ синхронизации а – функциональная схема; б – временные диаграммы а 54 Вход 1 n 1 n R C ССИ F РИ G Рис. 1.28. Циклический способ синхронизации ССИ F1 Вход F2 ФЧВ :n G F3 Выход Рис. 1.29. Схема инерционного способа синхронизации Синхроимпульсы, поступающие из канала связи, селектируются ССИ и через полосовой фильтр (ПФ), на выходе которого выделяется первая гармони- ка импульсного сигнала, поступающая через формирователь F2 на один из входов фазочувствительного выпрямителя (ФЧВ), на второй вход ФЧВ посту- пает сигнал от управляемого напряжением генератора G через делитель. Если эти сигналы не совпадают по фазе, то на выходе ФЧВ появляется сигнал рассо- гласования, который через фильтр нижних частот (ФНЧ) регулирует частоту генератора G до получения значения сигнала на выходе ФЧВ, равным нулю. Этот способ синхронизации имеет резко увеличенную помехоустойчивость и применяется в условиях с высоким уровнем помех. В заключение следует отметить, что использование метода временного разделения каналов позволяет создать сравнительно простые по устройству, надежно работающие системы с большим числом каналов, причем при необхо- димости регистрации сообщений в цифровой форме, преобразование сигнала из аналоговой формы в двоичный код производить в приемной части. 1.4. Телеметрические системы с частотно-временным разделением каналов 1.4.1. Структурная схема. Частотно-временное разделение каналов (ЧВРК) использует основные преимущества частотного и временного разделе- ний: отсутствие канала синхронизации и импульсную работу. Достигается это 55 тем, что каждому каналу, работающему на своей поднесущей частоте, отводит- ся промежуток времени для передачи. Структурные схемы КП и ПУ приведены на рис. 1.30 и 1.31 соответствен- но. На передающей стороне канальные сигналы формируются с помощью ге- нераторов поднесущих частот, которые модулируются по закону исходных со- общений. В этой части имеется аналогия с ЧРК. Далее каналы попеременно опрашиваются распределителем, как это имеет место при ВРК. Сигналы на входе вторичного модулятора представляют собой последовательность ра- диоимпульсов, модулированных по амплитуде, фазе или частоте поднесущего колебания. Этими сигналами модулируется по какому-либо параметру генера- тор несущей. Схема приемной стороны ничем не отличается от схемы при ЧРК. Сигна- лы разделяются канальными фильтрами и направляются к демодуляторам под- несущих частот и другой канальной аппаратуре. 1.4.2. Спектр сигналов и полоса частот. Поочередная модуляция несу- щего колебания канальными сигналами приводит к тому, что в каждый момент времени спектр сигналов в линии связи содержит только составляющие, обу- словленные несущей частотой и одной из поднесущих с ее боковыми состав- ляющими. При коммутации каналов картина спектра изменяется, что иллю- стрируется рис. 1.32. Ширина полосы частот сигналов определяется здесь так же точно, как и при ЧРК с соответствующим видом модуляции в первой и второй ступенях. Радиоимпульс может подвергаться искажениям, если его огибающая недоста- точно хорошо аппроксимирована ВЧ заполнением. Так, например, длительный переходный процесс нарастания и затухания ВЧ колебаний приведет к растя- гиванию фронта и спада даже в том случае, если модулирующий импульс имел идеально прямоугольную форму. Из этих соображений период ВЧ колебаний должен быть значительно меньше длительности посылки: t £ 1 , 0 1 T , (1.69) но длительность импульса не должна превышать половины времени, отведен- ного для передачи информации данного канала, т.е. n T n T T k / 5 , 0 5 , 0 / 5 , 0 5 , 0 max × = = £ t , (1.70) где T – период опроса каналов (по теореме Котельникова max 5 , 0 T T £ ). В линию связи Из линии связи Рис. 1.30. Структурная схема КП телеметрической системы с ЧВРК Рис. 1.31. Структурная схема ПУ телеметрической системы с ЧВРК Датчик 1 Преобра- зователь 1 Фильтр нижних частот 1 Модулятор 1 Ключ 1 Генератор так- товых импуль- сов Распредели- тель импуль- сов Сумма- тор Группо- вой мо- дулятор Линей- ный блок Датчик n Преобра- зователь n Фильтр нижних частот n Модулятор n Ключ n Генератор поднесущей частоты Полосовой фильтр 1 Канальный демодулятор Фильтр нижних ча- стот 1 Регистриру- ющее устрой- ство 1 Канальный демодулятор n Фильтр нижних ча- стот n Регистриру- ющее устрой- ство n Групповой демодуля- тор Линейный блок Генератор поднесущей частоты 1 Генератор поднесущей частоты n Полосовой фильтр n 56 57 W + w + w k 1 0 1 0 w + w W - w - w k 1 0 1 0 w - w 0 w W + w + w k 2 0 2 0 w + w W - w - w k 2 0 2 0 w - w 0 w W + w + w k 3 0 3 0 w + w W - w - w k 3 0 3 0 w - w 0 w Рис. 1.32. Спектры сигналов в линии связи в моменты времени t i Подставив (1.70) в (1.69), получим n T T n T max max 1 0025 , 0 5 , 0 1 5 , 0 1 , 0 = × × × £ , (1.71) откуда частота первой поднесущей max 1 40nF F П ³ (1.72) При одинаковом F max первая поднесущая при ЧВРК оказывается в 4n раз выше, чем при ЧРК. 1.4.3. Энергетические показатели. При ЧВРК, как и при ВРК, каналы включаются поочередно. Поэтому зависимость мощности составляющих по- лезного сигнала от числа каналов исключена. В результате энергетические по- казатели примерно эквивалентны показателям ВРК. 1.4.4. Искажения сигналов. Канальные фильтры имеют характеристики, не спадающие до нуля даже для значительных расстроек от полосы пропуска- ния. А поэтому эффект проникновения напряжения одного канала в полосу другого будет иметь место, но в данном случае влияние их совершенно отлича- ется от частотного разделения. Они не могут вызвать паразитную АМ, так как не действуют одновременно с полезным сигналом, а поэтому могут быть легко устранены простым ограничением канального сигнала снизу. А это значит, что требования к канальным фильтрам могут быть менее жёсткими, чем при ЧРК. Что касается перекрестных искажений, то их уровень также ниже, чем при ЧРК, так как поднесущие разнесены во времени, а следовательно, не могут присутствовать комбинационные частоты. Входной сигнал есть напряжение одной лишь поднесущей, а выходной сигнал 58 3 cos ) 2 cos 1 ( cos ) ( cos cos cos 1 3 4 1 1 2 2 1 1 3 4 3 1 1 3 3 1 2 2 1 1 t a t a t a a t a t a t a U вых w + w + + w + = = w + w + w = . (1.73) Хотя выражение (1.73) указывает, что из-за нелинейности тракта на выхо- де его будут появляться вторые и третьи гармоники основной частоты, но их амплитуды сравнительно малы и могут быть устранены с помощью ограниче- ния снизу. |