遥控遥测遥测技术

遥控遥测遥测技术第1页，共66页，2023年，2月20日，星期日1、遥测载波调制最常用的两种体制——调频与调相这一小节讨论模拟FM与模拟PM体制，FM与PM统称为调角，是遥测载波调制最常用的两种体制。设已调的调角信号为：4.1遥测信息传输4.1.1模拟调制和多路复用PM：FM：第2页，共66页，2023年，2月20日，星期日如果调制信号为余弦函数，即对PM制，已调信号为:ka：——最大相移。令ka=mφ，称mφ为调相波的调相指数。对FM制，已调信号的相角变化为:故已调调频信号为：第3页，共66页，2023年，2月20日，星期日式中：ka——最大频率偏移。令ka=△ω，称其为最大频偏，又令式中mf为调频波的调频指数调相指数mφ

与调频指数mf是调角体制中极为重要的参数窄带调制：m

φ

≤1或mf≤1宽带调制：m

φ

≥1或mf

≥1第4页，共66页，2023年，2月20日，星期日（1）窄带调制与宽带调制的重要区别：如果φ(t)很小，则有由此得出结论：在模拟调角体制下，宽带调制只能用非相干解调方式解调，而窄带调制既可以用非相干解调方式，也可以用相干解调方式解调。第5页，共66页，2023年，2月20日，星期日（2）频谱分布与带宽模拟调角信号的谱分布很复杂，当调制信号φ(f)为一随机过程时，即使在准静态近似下，其功率密度谱的表达式也是十分复杂的。这里仅以最简单的情况为例，说明调角信号谱分布的基本特点：利用cos(βsin

x)和cos(βcos

x)展成贝塞尔函数的公式，整理后得出FM、PM信号的谱分布为：第6页，共66页，2023年，2月20日，星期日调相带宽：调频带宽：第7页，共66页，2023年，2月20日，星期日（3）抗干扰性能调相信号抗白噪声干扰的性能公式为：调频信号抗白噪声干扰的性能公式为：FM与PM体制的抗白噪声干扰能力与调制指数mf及mφ成正比。这是调角体制最根本的优点，是遥测采用大频偏宽带调频体制的主要原因。第8页，共66页，2023年，2月20日，星期日2、脉冲幅度调制—调频体制（1）PAM-FM体制的抗干扰性能和带宽PAM-FM体制的抗白噪声干扰的性能公式为：下面讨论PAM-FM传输系统接收机中频带宽B的选取。根据匹配滤波器的理论，为获得抗白噪声的最大输出信噪比，中频带宽B应满足B=1.37/τ其中τ为采样脉冲宽度。考虑到信道设备中许多环节的不理想因素。在工程设计时，把中频带宽B取为B=(3～3.4)/τ比较合适。第9页，共66页，2023年，2月20日，星期日（2）PACM-FM体制的抗干扰性能和带宽PACM是PAM信号和PCM信号按时分方式形成的统一信号流。在过去，为满足当时大型运载火箭对遥测的迫切要求。采用这种体制是比较合理的。在近40年后的今天，这种体制已经不再被采用，但这种体制的遥测设备还未完全退役，所以在此简单讨论一下这种体制。抗干扰性能和带宽与PAM-FM基本相同。第10页，共66页，2023年，2月20日，星期日3、遥测多路复用体制（1）频分复用体制频分制实现的基础是把各路信号调制到不同的副载波上，其调制方式可以是AM，FM和PM三种方式中的任一种。当被调制的各路副载波的频率间隔足够大时，各路已调波的频谱将不相互重叠。它们经过公共信道传送后，在接收端用一组带通滤波器分开，达到多路信号共用一个信道传输的目的。遥测中采用频分制的调制体制为FM—FM制，即载波和副载波都采用FM方式。FM—FM体制具有极强的抗白噪声干抗能力，所以曾被广泛采用。第11页，共66页，2023年，2月20日，星期日（2）时分复用体制时分制的基础是对信号进行采样，在满足采样定理要求的条件下，每路信号各相邻样点之间可以有充分大的间隔，以插入其他各路信号的样点。由于各路信号的样点序列在时间上互不重叠，它们通过一个公用信道后，在接收端可用一个与发送端同步的选通开关。把它们相互分开，达到多路信号在一个共用信道中传轮的目的。时分制的调制方式可以是PAM，也可以是PDM、PPM，而当今应用最为广泛的则是PCM。时分制的载波调制方式多为PM和FM。第12页，共66页，2023年，2月20日，星期日（3）正交复用体制用一组正交函数{Si(t)}作为副载波实现多路信号复用调制，称为正交复用，或正交分制。当用沃尔什函数作为副载波时，称为沃尔什分制。正交分制的主要原理是利用函数系{Si(t)}的正交性。第13页，共66页，2023年，2月20日，星期日第14页，共66页，2023年，2月20日，星期日4.1.2基本数字调制体制当调制信号为数字形式，即PCM信号时，对载波的调制称为数字调制。遥测中常用的基本数字调制方式有:PCM—FM和PCM—PM，人们常称为FSK和PSK。由于各种通信方式的普遍数字化，数字调制体制的研究工作也十分活跃，新的体制不断出现。本节仅介绍几种在遥测系统中已广泛采用的基本调制体制。第15页，共66页，2023年，2月20日，星期日（1）频移键控体制频称键控(FSK)系统传输的信号为：第16页，共66页，2023年，2月20日，星期日（2）二相相移键控体制二相相移键控(记为PSK或BPSK)体制的调制方式有两种绝对相移键控当载波的初相位0和π分别代表码元“0”和“1”(或“1”和“0”)时，称为绝对相移键控差分相移键控当以载波相位的相对变化表示码元“0”和“1”。例如当码元为“1”时，载波相位发生π跃变，当码元为“0”时，载波相位不改变，这种方式称为相对相移键控或差分相移键控。第17页，共66页，2023年，2月20日，星期日PSK信号可表示为：PSK信号相干检测原理框图第18页，共66页，2023年，2月20日，星期日差分相干检测原理第19页，共66页，2023年，2月20日，星期日（3）四相相移键控体制四相相移键控(QPSK)体制占用带宽为二相相移键控(PSK或BPSK)的一半，在理想信道条件下QPSK的性能与BPSK相同，故获得广泛应用。QPSK调制的原理第20页，共66页，2023年，2月20日，星期日QPSK信号可以表达为QPSK信号相干检测原理框图第21页，共66页，2023年，2月20日，星期日4.1.3扩频调制体制在导弹、航天器遥测中已开始广泛采用扩频调制体制，其主要目的有以下几个方面：实现隐匿通信，使战略武器战斗弹的无线电遥测信号在实战时不被敌方探测到，以免使遥测无线电波变成敌方反导弹雷达系统的引导信号；用于多目标测量的多址遥测；以全球定位系统实现遥测跟踪。第22页，共66页，2023年，2月20日，星期日（1）扩频体制的原理与伪码序列直接序列伪码扩频调制体制的原理扩频调制载波调制扩频解调载波解调第23页，共66页，2023年，2月20日，星期日式中，P(t)P(t)=l，A为d(t)的幅度。当d(t)=1时，A=1；当d(t)＝0时，A＝0。由这些条件，并完成积分即可导出上式最后两步。数据序列码d(t)的码元宽度为T。设伪码序列的码元(chipl或称码片)宽度为τ，显然，扩频前数据序列的频谱宽度B与扩频后的伪码序列的频谱宽度BC之比为：称为扩频增益或处理增益第24页，共66页，2023年，2月20日，星期日注意，处理增益只是扩频体制抗窄带干扰的增益。随干扰信号诺宽的加大，扩频体制的抗干扰能力越来越小于处理增益，当干扰为白噪声时，扩频体制的处理增益的概念完全失去意义。对白噪声干扰，扩频体制比不扩频体制并无任何抗干扰增益可言，这是一个重要结论。第25页，共66页，2023年，2月20日，星期日(2)扩频体制的抗干扰性能扩频通信系统的干扰，除一般通信系统的热噪声干优之外，在多址通信中还存在各地址伪码序列之间的相互干扰，称为多址干扰。扩频多址通信有两种工作方式：1）所有多址用户根据某一时间基准，同步地发送出扩频信号，称为同步多址扩频(SSSA)方式。这种方式中，由于各伪随机序列的起始点相同，当各伪码序列之间的互相关系数很小时，多址干扰很小。当采用伪随机正交序列时，理论上不存在多址干扰。2）各多址用户的工作状态相互独立。一个用户收到的多个发射信号中的数据码元的起始点是随机的，称为随机多址扩频(SSRA)方式。第26页，共66页，2023年，2月20日，星期日这是极易实现的、最常用的多址方式。这种方式的多址干扰计算是十分困难的，不在此叙述。在工程上为了近似计算这种方式的多址干扰，把各伪随机序列看成相互独立的，各序列对某一特定序列的干扰功率视为各序列功率之和。当地址数较多时，把这个总干扰视为白噪声。在这些假设条件下，可以导出解扩后由热噪声和多址干扰造成的总信噪比为：第27页，共66页，2023年，2月20日，星期日4.1.4航空航天遥测体制随着高速数字传输、卫星通信、移动通信等的快速发展，为了充分而有效地利用信道资源，数字调制体制的研究工作在近20几年来异常活跃，新的体制不断涌现，尤以压缩传输频谱宽度、降低带外功率、减少码间干扰、保持信号包络恒定等方面为目的的调制体制为甚。第28页，共66页，2023年，2月20日，星期日前面介绍过，在QPSK调制原理图中，码元a(t)所在的上支路与b(t)所在的下支路中的码元起始时刻是相同的。所以在码元转换瞬间，合成信号s(t)可能出现1800的相位跃变。OQPSK则是把QPSK的同相分量与正交分量的码元转换时间错开一个数据码元宽度Tb。码元转换时间不同时发生。这样，合成的调相信号的相位突变最大值为90度，因此，此调相信号的频谱宽度小于QPSK信号的谱宽，这种体制称为偏移键控(OQPSK)四相相移键控体制，记为OKQPSK，通常简写为OQPSK。有的作者把这种码元转换时间错开称为参差(stager)，把这种体制称为SQPSK。1、OQPSK调制体制第29页，共66页，2023年，2月20日，星期日2、MSK调制体制把OQPSK的各相的矩形码元脉冲改变为半正弦波形状的脉冲，这对合成信号将不发生相位跃变。因此它的频谱分布更窄。这种调制方式称为“正弦OQPSK”。它的调制指数比前述的最小调制指数的FSK还小半，因此这种体制又称为最小频移键控(minimumshifekeying)体制，即MSK体制。第30页，共66页，2023年，2月20日，星期日3、GMSK调制体制当把OQPSK的各相的矩形脉冲改变为高斯函数形状脉冲时所形成的调制方式称为高斯MSK或GMSK体制。为形成高斯型脉冲，可把OQPSK的各相的矩形脉冲通过一个频率响应如下式所示的高斯型低通滤波器：第31页，共66页，2023年，2月20日，星期日4种调制体制性能比较第32页，共66页，2023年，2月20日，星期日4．2模拟式遥测技术模拟式遥测是把被测物理量做模拟变换后再传送。1、脉冲频率方式遥测（1）脉冲频率方式遥测的组成脉冲频率方式遥测是将一次变换器输出的模拟量变换为脉冲个数，然后在调制器中利用这个脉冲信号去对载频进行调制，最常用的是频移键控(FSK)的方法。通常载频都选择在音频范围内，利用频率划分法，可以在音频频带内传送十几路的脉冲频率遥测信号。图所示是脉冲频率方式同时传送多路遥测量的方框图。第33页，共66页，2023年，2月20日，星期日变换为脉冲信号的频率范围：4～16Hz、4～28Hz、6～27Hz、12～24Hz、12～30Hz、20～30Hz…第34页，共66页，2023年，2月20日，星期日（2）发送装置的工作原理第35页，共66页，2023年，2月20日，星期日令输入的直流电压为vi，输出脉冲频率为f，为了保证给定的频率范围和给定直流输入电压范围密切配合，加入基准电压是必要的。例如，频率和电压之间关系为f=k(vi+v0)。当k=1.2，f=1～24Hz，v0=10mV，则加一基准电压v0=10mv，就可以满意地配合了。（3）接收装置的工作原理第36页，共66页，2023年，2月20日，星期日4.2.2FM—FM方式遥测调制方式是模拟式遥测中最典型的一种频率分割方式第一次FM变换振荡频率正比于控制电压低通滤波器滤除高次谐波第二次FM变换第37页，共66页，2023年，2月20日，星期日4.2.3脉冲时间调制方式遥测脉冲时间调制的示意图幅度变化宽度变化位置变化×√√第38页，共66页，2023年，2月20日，星期日调位脉冲信号帧结构第39页，共66页，2023年，2月20日，星期日时间调制器方框图第40页，共66页，2023年，2月20日，星期日时间调制器波形图第41页，共66页，2023年，2月20日，星期日4．24游标法提高遥测精度当我们设计—个遥测系统时，首先需对这些要传送的被测量的性质进行全面分析，然后根据要求精度决定采用什么方案。假如一个系统要求传送大量的慢变化参效，且传送精度要求不高(例如3％—5％)，而其中极少数参数要求高精度传送，则针对这个系统，如果只考虑这些低精度m慢变化参数，显然采用PAM—FM—FM系统能简单和经济地满足上述要求，然而却满足不了传送少数几个高精度参数的要求。如果全设计成高精度系统，显然又是不经济的。在不改变PAM—FM—FM体制的情况下，利用一些附加电路使这些高精度参数得以妥善处理。采用游标法可以完全满足上述要求。第42页，共66页，2023年，2月20日，星期日PAM—FM—FM系统中游标法的应用第43页，共66页，2023年，2月20日，星期日采用两个单独的副载频悟道分别传送被分层电压u的两个分量。一个副载频传送已分层电压，另一个副载频传送放大M倍后的余量电压。即在PAM—FM—FM系统中，当轮到传送该路的信号时刻，抽样脉冲对Kδ和mer进行抽样，这样u1和u2分别送至副载频调制器A和B。第44页，共66页，2023年，2月20日，星期日游标法接收框图第45页，共66页，2023年，2月20日，星期日来自信道滤波器的两路信号送往副载频解调器A和B在它们的输出端得u′1和u′2，由信道引入的干扰分别为：式中，N1和N2为信道引入的干扰(包括噪声和路际干扰)，它们都是随机变量，可取正值或负值。第46页，共66页，2023年，2月20日，星期日值得注意的是，输入电压u1在送入差分放大器之前，应先减去一个固定电平(1／2)δ。如果我们适当选择分层间间隔δ，使得N1的幅度不超过δ的一半。即满足再生条件：那么，即使有干扰存在，层数鉴别电路也能正确地鉴别出原来的层数。（1）u1的恢复：第47页，共66页，2023年，2月20日，星期日层数鉴别电路的原理图：它说明在鉴别之前减去一个(1／2)δ的重要性。第48页，共66页，2023年，2月20日，星期日（2）u2的恢复：从副载频调制器B解调出的余量电压为u2，经过衰减器衰减m倍以后其输出电压为：这就是采用游标法以后的输出电压。显然其误差为：幅度鉴别电路输出相加为第49页，共66页，2023年，2月20日，星期日例题：PAM—FM—FM系统的精度为12．5％，采用游标电路以后，如果m=16，系统的精度为多少？解：所以：12.5/16=0.16%第50页，共66页，2023年，2月20日，星期日4．3数字式遥测技术1、数字式遥测系统的组成三大部分构成：（1）数据发送装置（2）数据接收装置（3）传输通道压力、流量、液位、电压、电流、电功率、浓度、温度等第51页，共66页，2023年，2月20日，星期日一般的数字式遥测系统的发端设有一个A/D变换器，但被测量可能有多个采样开关(遥测交换子)可以对它们实行时间分割，从而实现多路传输。一般对采样开关提出的要求是：（1）开关特性对被测量的影响要小，这就要求开关接通时阻抗要小，断开时阻抗要尽量高。（2）开关动作要迅速，没有惰性。动作时间的要求由传送方式决定。例如，某一被测数据是由40bit比构成的，传送速度是200波特，那么传送一组数据所需要的时间是200ms。如果传送速度是1200波特，那么传送此数据需要时间约33ms。（3）开关寿命要长。关于开关第52页，共66页，2023年，2月20日，星期日关于干扰源：大电机的磁场、高压设备的电场常态（差模）干扰和共态（共模）干扰叠加在被测信号上的交流信号叫做常态干扰。对常态干扰的抑制方法是采用接入滤波器，或者采用积分式A/D变换器，使常态干扰被滤除或在输人端被平均掉。由于被测对象分布在生产现场各处，一般引线较长，从而造成被测信号地线和机器地线之间存在看一定的电位差。这种对检测装置的两个输入端共有的干扰电压称为共态干扰。共态干扰的抑制方法有：采用差动放大器；采用对地屏蔽的方法，减少机器对地的耦合。第53页，共66页，2023年，2月20日，星期日数字式遥测系统有如下优点1．传送精度高2．容量大3．便于数据处理4．具有灵活性第54页，共66页，2023年，2月20日，星期日2、采样保持电路（1）电子采样开关在时间分割遥测系统中，要求高精度和高速度地切换模拟信号，而模拟信号(电压或电流)大小又直接代表被测物理量，因此要求采样开关在切换模拟电压过程引入的误差应最小。可以高精度地切换模拟电压或电流的电子采样开关有如下几种：1)二极管桥式模拟开关；2)晶体三极管模拟开关；3)结型场效应晶体管模拟开关。第55页，共66页，2023年，2月20日，星期日②1/2LSB所对应的模拟信号的变化量为：③在孔径时间内输入信号的变化量：采样保持电路在数字式遥测编码器中，有时采样脉冲比较窄，在这样窄的时间内，编码器来不及完成数字转换，这就需要采样值保持一段时间，直到完成模数转换为止。采样脉冲到来时，模拟开关导通，输入模拟信号汽通过模拟开关对保持电容C进行充电，电容C两端电压是随输入电压比而变化的。当采样脉冲除去时，模拟开关断开，这时如果缓冲放大器输入阻抗为无穷大，则保持电容两端的电压，保持采样时刻的Vin值不变。第56页，共66页，2023年，2月20日，星期日电容C的取值？大好？还是小好？第57页，共66页，2023年，2月20日，星期日3、PCM调制PCM调制器——A/D变换器常用的有：积分式逐次比较式有8位、1