Выше предполагалось, что способом передачи является ЧМ/ЧМ. Следовательно, в каждый отдельный интервал времени изменяющаяся частота поднесущей представляет собой значение измеряемой величины, подвергнувшейся выборке в это время. В течение этого интервала времени отклонение частоты от центра поднесущей соответствует напряжению выборки, которое модулирует частоту поднесущей. Ширина этих временных интервалов фиксирована, а такт их последовательности задается синхроимпульсом. Синхроимпульс вызывает максимальное отклонение частоты и имеет длительность, равную удвоенному обычному временному промежутку. Уширение необходимо для выделения импульса синхронизации из импульсов выборок сигналов.
Установление стандартов и контроль характеристик линий передачи осуществляются различными государственными или международными органами (в зависимости от характера линий: спутниковая телеметрия — международными соглашениями, промышленная телеметрия — органами государственного контроля и т.д.). Например, тактовая частота должна поддерживаться постоянной с точностью ±5% (долговременная стабильность); длина такта ограничена не более 128 временными интервалами и т.д. (IRIG , «Стандарты телеметрии»). Отметим еще, что при высоких частотах поднесущих полоса часто оказывается шире; значит, частота переключении может быть выше.
Для повышения эффективности иногда полезно иметь неодинаковую частоту выборки для разных источников.
Источник широкополосной информации должен опрашиваться чаще, чем узкополосный. Это легко достигается простыми изменениями во внутренних соединениях коммутатора и декоммутатора. Например, если мы соединим положения 1 и 5 в десятиточечном коммутаторе (уплотнителе каналов), то источник данных, соединенный с положениями 1 и 5, будет опрошен дважды за один такт, т. е. с удвоенной частотой. Возможно также произвести подкоммутацию, т.е. выделить один или более временных интервалов, длительность которых разбивается на части для передачи данных от дополнительного ряда источников. Длительность интервала основного такта становится при этом подтактом для подкоммутатора.
Эти методы позволяют легко приспособить систему к широкому диапазону требований к полосе частот.
3.1.3. Телеметрический комплекс.
До cиx пор описывались разные отдельные средства телеметрии. Рассмотрим телеметрическую систему, в которой использованы все эти различные средства. Это не означает, что такая сложная система является типичной для телеметрии, однако ее рассмотрение позволит связать между собой различные технические средства.
На рис. 18,а и 18,б показаны передающее и приемное телеметрические устройства. Система, как видно, состоит из набора различных блоков и обслуживает 39 каналов информации. Показанные на рис. 18,а 18 поднесущих обеспечивают непрерывную передачу информации. Подпесущая 19 (93 кГц) используется в сочетании с коммутатором и подкоммутатором. Она имеет относительно большую ширину полосы — 1395 Гц (номинальное значение) и сравнительно хорошее время нарастания — 0,25 мс. Это означает, что коммутируемые входные данные не должны состоять из сигналов с временем нарастания короче чем 0,25 мс. Действительно, существующие стандарты требуют, чтобы интервал дискретизации был не менее номинального времени нарастания (здесь 0,25 мкс). Можно положить частоту дискретизации равной 1 кГц, т. е. 1 выборка/с, или 20 мс на один такт. Это позволяет установить скорость коммутации — 4 шага в 1 мс, или 0,25 мс на импульс выборки (для входных каналов с 35-го до 38-го). Отметим, что канал 17 соединен с коммутатором в двух точках и, следовательно, опрашивается дважды за такт. Входными данными для канала 17 могут быть сигналы, имеющие интервал дискретизации 10 мс, в то время как прочие каналы опрашиваются только один раз в каждые 20 мс. Четыре подкоммутированных канала входных данных опрашиваются за 0,25 мс (каждый импульс выборки может длиться 0,25 мс) один раз в каждые 20 мс аналогично остальным коммутируемым каналам. Как показано на схеме, поднесущая С содержит частотно-манипулированный сигнал (ЧМС) с частотой 4 кГц. Этот сигнал может синхронизировать и контролировать работу коммутатора (1 кГц образуется делением частоты 4 кГц) и декоммутирующей секции, обеспечивая точную синхронизацию между коммутатором и декоммутатором (это не существенно, так как обычно синхронизацию обеспечивает синхроимпульс в тактовом интервале). Необходимо отметить, что в целях простоты 20 коммутируемых входных каналов в примере заполняют весь интервал 20 мс и не оставляют места для синхроимпульса.
Рис. 18,а. Передающая телеметрическая система.
Каналы 1—11 содержат узкополосную информацию. Канал 12 содержит КИМ-сигнал, полученный путем преобразования в цифровой дискретный код аналогового сигнала (аналого-цифровое преобразование). Целесообразно использовать синхронизирующие импульсы 4 кГц канала С (с соответствующим делением по частоте) для синхронизации КИМ-информации обоих каналов 12 и 13. Цифровые данные в канале 13 имеют форму КИМ, все другие каналы несут в себе непрерывную информацию. Наиболее широкополосные сигналы могут быть переданы по каналу Н.
Рис. 18,б. Приемная телеметрическая система; следующие за коммутатором фильтры необходимы для воспроизведения аналоговых данных из АИМ-выборок.
На рис. 18,б представлено приемное устройство, соответствующее передающему устройству, изображенному на рис. 18,а.
Различные части телеметрических систем производятся в виде отдельных функциональных блоков. К примеру, можно приобрести блоки коммутатора, декоммутатора и подкоммутатора, ФАП-детектор и ЧМ/АМ-приемиики с полным набором фильтров и частотных дискриминаторов. Компетентное конструирование систем телеметрии сводится в большей степени к тщательному подбору подходящих подсистем.
3.1.4. Проблемы телеметрии.
Как и в каждой системе, одной из основных проблем в системах телеметрии является проблема точности. Мы судим о качестве системы в большей степени по тому, насколько она точна для различных входных сигналов. Таким образом, необходимо рассмотреть точность воспроизведения телеметрической системой сигналов с различной шириной полосы, т. е. необходимо рассмотреть частотную пропускную способность системы. Вероятно, основными причинами ухудшения точности являются шум и взаимное влияние каналов. Улучшить шумовые характеристики линии связи можно путем повышения уровня передаваемой мощности. Следовательно, необходимо рассмотреть различные узлы телеметрической системы с точки зрения повышения уровня передаваемой мощности.
Атмосферные шумы вводятся в электромагнитную волну (передаваемый сигнал) обычно путем амплитудной модуляции, т. е. шумовой сигнал вызывает изменение амплитуды полезного сигнала. Это означает, что АМ-радиосвязь наиболее чувствительна к атмосферным помехам. Сигнал ЧМ переносит информацию, заключенную в изменениях частоты, а не амплитуды; следовательно, изменения амплитуды могут быть исключены в приемнике с помощью «ограничителя». Ограничитель рассчитан на выравнивание амплитуды ЧМ-сигнала. Он сохраняет постоянной амплитуду ЧМ-сигнала и уменьшает все АМ-компоненты. Метод ЧМ применяется обычно при больших значениях несущей частоты (100 МГц и выше) и располагает гораздо большей полосой частот, чем метод AM. Применение несущей высокой частоты делает ЧМ-системы более компактными и эффективными. Повышение частоты несущей благоприятствует и распространению электромагнитных волн, что еще более улучшает шумовые характеристики ЧМ. Так как большинство систем телеметрии предусматривает работу на поднесущих, необходимо рассмотреть помехи и шумы, связанные с уплотнением линии связи введением поднесущих.
Поскольку для передачи информации от многочисленных источников используется только одна несущая, то между поднесущими можно ожидать взаимодействия. Межканальное взаимодействие может возникнуть по двум основным причинам. Во-первых, если межканальное расстояние (интервал частот между поднесущими) слишком мало и часть информации одного канала может попадать в смежный канал. Конечно, взаимодействие подобного типа может быть вызвано и плохими фильтрами поднесущих в приемном устройстве. Во-вторых, может существовать «взаимная модуляция», при которой одна поднесущая вызывает амплитудную модуляцию другой поднесущеп. Это может иметь место, только если существуют нелинейности в звеньях блоков, вырабатывающих составной многоканальный сигнал. Напомним, что амплитудная модуляция двух синусоидальных колебаний (например, звукового сигнала и несущей радиовещания) приводит к суммарной и разностным частотам. Таким образом, может возникнуть множество новых нежелательных частот; некоторые из них, конечно, могут попасть в полосы различных поднесущих, вводя шумы (нежелательные сигналы) в эти каналы. Взаимная модуляция может быть сведена к минимуму путем сохранения хорошей линейности усиления в соответствующих звеньях системы.
Необходимо отметить, что межканальное влияние может порождаться самой коммутацией каналов. Большей частью это является следствием «звона» или медленной скорости спада напряжения при переключениях, что может вызвать просачивание в коммутаторе сигнала из одного промежутка времени в другой и ухудшение точности.
По отношению к методам импульсной модуляции проблемы шума приобретают несколько иное значение. В импульсных методах, где амплитуда импульсов фиксирована (КИМ, ШИМ, ЧИМ), шумы должны иметь тот же порядок, что и импульсы сигнала, чтобы оказывать какое-либо влияние. Ошибки в КИМ могут быть вызваны лишь введением ложного или пропуском полезного импульса. Например, двоично-десятичное число 0001 = 1 может превратиться в 1001 = 9 под воздействием ложного импульса. Величина ошибки может быть огромной, однако для возникновения такой ошибки необходим существенный шумовой сигнал. На практике метод КИМ в высокой степени невосприимчив к шумам; то же относится и к методам ШИМ и ЧИМ. Амплитудно-импульсная модуляция, где представляющим информацию параметром является амплитуда сигнала, гораздо более чувствительна к влиянию шумов.
3.1.5. Аппаратура телеметрии и ее приложения.
На рис. 19 представлена функциональная схема блока телеметрического устройства, использующего КИМ. Представленная подсистема содержит только входную секцию и узел обработки импульсов. Это позволяет осуществить модульную конструкцию телеметрических систем с различным числом (таким, какое потребуется для данного приложения) одинаковых блоков, подключаемых к линии связи. Важно отметить, что блок, подобный рассматриваемому, может быть использован не только для беспроводной связи. Цифровые данные с использованием частотной манипуляции могут быть направлены в телефонную линию, рассчитанную на передачу звуковых сигналов, т. е. информации с полосой около 3000 Гц.
