Рис. 15. Каналы поднесущих с пропорциональной полосой частот. (Из JRIG, Telemetry Standards.)
Как отмечено, все они имеют девиацию частоты ±7,5%. Предполагая индекс модуляции равным 5, можно получить рекомендованную полосу частот информации. К примеру, 7,5% от 400 Гц канала 1 равны 30 Гц. Тогда полоса частот сигнала Df равна отношению девиации частоты к индексу модуляции, т.е. Df = 30/5 = 6 Гц. Максимум полосы частот, показанный в таблице на рис. 15, основан на значении индекса модуляции 1 (30 Гц в приведенном примере). Приведенное время нарастания T связано с шириной полосы Df как T=0,35/Df (где T - в мс, а Df - в кГц): таким образом, канал 1 имеет максимальную полосу частот 30 Гц и минимальное время нарастания T = 0,35/0,03 = 11,7 мс. Номинальное значение T основано на индексе модуляции 5. Очевидно, что если для определенных данных требуется более широкая полоса частот, то, предполагая при этом индекс модуляции неизменным, должна использоваться большая девиация частоты, например ±15%. Девиация частоты ±15% может быть использована в сочетании с последними восемью каналами, как это показано в таблице на рис. 15. Отметим, что не обязательно применять девиацию частоты ±15% на всех восьми каналах. Например, можно испсльзсвать канал А (вместо канала 14) с девиацией ±15%, а затем каналы с 16-го до 21-го с девиацией ±7,5% (исключив канал 15, примыкающий к каналу А) или вместо каналов 16 и 18 применить каналы С и Е с девиацией ± 15%, исключив смежные каналы 17, В, D и F.
Таблица, приведенная на рис. 15, базируется на индексах модуляции 1 (максимальная полоса) и 5 (поминальная полоса частот). При надежном приеме может быть использован индекс модуляции 1. Обычно условия связи требуют использования индекса модуляции 5. Ясно, что общая суммарная полоса всех поднесущих должна быть меньше полосы несущей. Ширина полосы несущей должна допускать разделение не только полос поднесущих, но и самих поднесущих. Обычно ширина полосы несущей для ЧМ/ЧМ-приложений составляет ±320 кГц в предназначенном для несущей диапазоне частот 225—260 МГц. Имеются другие диапазоны частот с различными полосами, которые определены IRIG в «Стандартах для телеметрии». Например, диапазон 1435—1535 МГц предназначен для использования правительственными и неправительственными организациями главным образом для телеметрии полетных испытаний (1435—1485 МГц для пилотируемых и 1485—1535 МГц для беспилотных летательных аппаратов). Диапазон 2000—2300 МГц предназначен для использования в других приложениях космических исследований, таких, как стартовые ускорители, исследовательские ракеты и ракеты военного назначения, космические двигатели. Стандарты IRIG полностью определяют характеристики несущих и поднесущих, включая стабильность частоты, передаваемую мощность и т.д.
Девиация частоты поднесущей, согласно стандарту, приведенному в таблице на рис. 15 (±7,5% или ±15%), пропорциональна центральной частоте, т. е. чем выше центральная частота, тем больше девиация частоты. Такая схема частотного уплотнения (или частотного разделения) каналов относится к схемам, имеющим пропорциональный формат полосы частот. Это означает, что только поднесущие высоких частот пригодны для передачи сигналов с широким спектром частот. Возможен другой формат — с постоянной полосой частот. Он предписывает постоянную девиацию частоты для подпесущих всех каналов. К примеру, канал 21 между частотами 16 и 176 кГц в этом случае может иметь максимальную девиацию частоты ±2 кГц (с центральными частотами 16, 24 кГц и т. д.), или ±4 кГц (32, 48, 64 кГц и т. д.), или ±8 кГц (32, 64, 96 кГц и т. д.). Полагая индекс модуляции равным 5, получим значения ширины спектра информации 400, 800 и 1600 Гц для соответствующих девиаций частоты: ±2, ±4, ±8кГц. Как только выбрана определенная девиация частоты, сразу фиксируется ширина спектра сигнала для всех поднесущих.
3.1.2. Временное разделение каналов (временное уплотнение линии связи)
Метод временного уплотнения используется в многоканальных линиях связи с временным разделением каналов. По таким линиям связи передаются импульсные сигналы, в то время как непрерывные сигналы типичны для линий связи с частотным разделением. При медленно изменяющихся телеметрических данных сигнал будет узкополосным (например, данные о температуре можно передавать с малой скоростью; скажем, один раз в 10 с), и крайне неэкономно занимать таким сигналом всю линию радиосвязи. Для увеличения эффективности передачи эту же линию связи можно использовать для передачи других измерений в паузах между передачей значений температуры. Ясно, что эффективное использование линии связи может быть достигнуто за счет временного разделения канала связи между несколькими измеряемыми параметрами, каждый из которых передается с частотой, соответствующей скорости его изменения. При таком временном разделении каждой измеряемой величине отводится свой повторяющийся временной интервал. В нашем примере в течение 10 с должно быть передано некоторое число разнообразных групп данных. Значения различных измеряемых величин. передаются одна за другой через одну и ту же линию связи, каждая величина в свои промежутки времени. Приемное устройство должно быть в состоянии разделить поток значений по каналам так, чтобы в каждом из каналов образовались последовательности значений, соответствующие первичной измеряемой величине. Для этого необходимо обеспечить временную синхронизацию или метить каждый временной промежуток для того, чтобы на приемном конце можно было распознать каждый источник данных. На рис. 16 показаны временное уплотнение каналов и функциональная схема типичной телеметрической системы с разделением каналов по времени.
Общим методом опознавания каждого временного промежутка является отсчет его положения по отношению к синхронизующим импульсам, которые имеются в начале цикла передаваемых значений данных, —«тактовые импульсы». На рис. 17,а показаны более подробные функциональные схемы коммутатора и декоммутатора.
Рис. 16. Временное уплотнение линии с временным разделением каналов.
а-распределение временных интервалов (10 каналов); б-упрощенная функциональная схема системы.
Коммутатор собирает множество входных каналов от источников сигналов в одну линию передачи. Счетчик задает каждый временной промежуток и, следовательно, место в цикле для каждого источника данных. Например, пятый канал данных в приведенной схеме подключен к линии радиосвязи в то время, когда счетчик находится в положении 5, или при счете 5. На рис. 17,б показана упрощенная схема коммутации и декоммутации. Когда переключатель коммутатора находится в положении 1, в том же положении находится и переключатель декоммутатора, роль которого играет коммутатор, работающий в обратном направлении. Следовательно, данные первого канала передаются и принимаются.Оба переключателя работают синхронно.
Рис. 17. Комутатор - декомутатор.
а - функциональная схема; б - схема взаимодействия. Синхронизирующий сигнал в приемном устройстве может быть извлечен из передаваемых по линии связи синхроимпульсов или образован местным генератором.
Тактовый синхроимпульс обеспечивает точную синхронизацию начала цикла, гарантирующего согласованные переключения коммутатора и декоммутатора. Отметим, что в коммутаторе и декоммутаторе используется одинаковая аппаратура; различие заключается лишь в направлении движения данных.
Так как коммутация и декоммутация управляются фиксированной частотной синхронизацией, частота переключений также стабильна и длительность каждого временного промежутка одинакова. Однако это может быть невыгодным в случаях, когда для различных источников данных требуются существенно разные полосы частот. Для того чтобы понять связь между полосой частот и частотой переключении, необходимо рассмотреть процесс выборки данных.
Как отмечалось ранее, синусоида может быть восстановлена из последовательности выборок ее мгновенных значений. Для воспроизведения синусоиды частоты 1 кГц с высокой верностью (искажения менее 1%) требуется по меньшей мере 5 выборок из каждого периода сигнала. Следовательно, сигнал с частотой 1 кГц должен быть подвергнут дискретизации со скоростью 5000 значений в секунду, т. е. 5 выборок на период измеряемой величины. Если мы предполагаем коммутировать сигналы от 10 источников данных (имеющих полосы частот по 1 кГц), для каждого из которых требуется скорость дискретизации 5000 выборок в секунду, то необходима скорость коммутации 10×5000 выборка/с = 50000 выборка/с. Коммутатор должен переключаться от источника к источнику с частотой 50 кГц (через 20 мс), так что каждый источник сигналов будет опрошен один раз за каждые 10 переключений, т. е. один раз каждые 20 мс, но с частотой 5 кГц. Частота тактов, т. е. число тактов в секунду, будет равна 5000 такт/с. Частота переключений равна тактовой частоте, умноженной на число источников данных в системе, или тактовой частоте, умноженной на число импульсов в такте (5000×10=50000 имп./с). Линия связи должна быть в состоянии передавать импульсные данные с такой высокой частотой (50000 имп./с) без ощутимых искажений. Это означает, что необходима система связи. с шириной полосы пропускания гораздо больше 50000 Гц.
Выборки данных от различных источников в системе, показанной на рис. 16,б, непосредственно модулируют несущую. Наряду с такой непосредственной модуляцией часто бывает, что выборки данных используются для модуляции поднесущей, которая в свою ечередь модулирует несущую, как это показано штриховыми линиями на рис. 16,б. Выборки данных от группы источников передаются, таким образом, на одной из поднесущих в системе с частотным уплотнением каналов. Это позволяет применять оба метода уплотнения каналов в одной линии связи. Сами по себе выборки данных это не что иное, как импульсные значения сигнала при амплитудно-импульсной модуляции (АИМ), т.е. информация является амплитудно-нмпульсно-модулированной. Так как такие АИМ-сигналы модулируют поднесущую (например, путем ЧМ), которая затем модулирует несущую (к примеру, также путем ЧМ), то в результате получается АИМ/ЧМ/ЧМ-система.
Теперь рассмотрим пример, демонстрирующий влияние дискретизации сигнала на ширину полосы частот системы связи.
Рассмотрим несущую с частотой 100 МГц, которая модулируется (ЧМ) поднесущей с центральной частотой 70 кГц. Информация переносится с помощью частотной модуляции поднесущей 70 кГц. Таким образом, имеем ЧМ/ЧМ-канал связи. Чтобы соответствовать стандартам, необходимо ограничить девиацию частоты поднесущей до ±15%. Это означает, что при индексе модуляции 5 ширина полосы информации ограничена до 2100 Гц, т. е. получается гораздо уже полосы 50000 Гц, необходимой для предложенной системы с уплотнением каналов. Если число выборок в такте было бы сокращено до одной, что означает оставление одного из источников данных, то потребовалась бы частота переключений 5 кГц, т. е. по-прежнему шире полосы 2100 Гц, которой располагает поднесущая 70 кГц. Отметим, что в случае одного источника данных не требуется никакого уплотнения каналов и, следовательно, возможна прямая непрерывная передача (без выборки). В этом случае ширина полосы 2100 Гц в два раза больше полосы, необходимой для сигнала от одного источника (1 кГц в предыдущем примере). Такое ухудшение эффективности использования полосы частот (при дискретизации требуется полоса 5 кГц, без дискретизации — только 1 кГц) обусловлено свойствами самой дискретизации сигнала. При формировании пяти выборок мгновенных значений сигнала на каждый период непрерывного сигнала мы расширяем полосу частот сигнала более чем в пять раз, а следовательно, и требуемую полосу канала. Хотя при использовании одной поднесущей для передачи сигналов от большого числа источников полоса частот используется неэффективно, но это имеет и свои достоинства, проявляющиеся при узкополосных сигналах от источников. Поэтому временное разделение, требующее дискретизации сигнала, в основном используется в приложениях с низкими требованиями к полосе частот. Однако широкополосные сигналы тоже .могут быть переданы с использованием длительных выборок. Длительность каждой выборки в таком методе гораздо больше, чем период ннформации, и составляет 5 и более ее периодов. Это просто означает, что выборка содержит не одно мгновенное значение, а конечный отрезок значений сигнала, передаваемый в данный тактовый интервал времени. При таком методе необходимо быть уверенным в отсутствии потерь данных за время перерыва передачи ниформацин от определенного источника.
