遙控遙測遙測技術(shù)

遙控遙測遙測技術(shù)第一頁，共六十六頁，2022年，8月28日1、遙測載波調(diào)制最常用的兩種體制——調(diào)頻與調(diào)相這一小節(jié)討論模擬FM與模擬PM體制，F(xiàn)M與PM統(tǒng)稱為調(diào)角，是遙測載波調(diào)制最常用的兩種體制。設(shè)已調(diào)的調(diào)角信號為：4.1遙測信息傳輸4.1.1模擬調(diào)制和多路復(fù)用PM：FM：第二頁，共六十六頁，2022年，8月28日如果調(diào)制信號為余弦函數(shù)，即對PM制，已調(diào)信號為:ka：——最大相移。令ka=mφ，稱mφ為調(diào)相波的調(diào)相指數(shù)。對FM制，已調(diào)信號的相角變化為:故已調(diào)調(diào)頻信號為：第三頁，共六十六頁，2022年，8月28日式中：ka——最大頻率偏移。令ka=△ω，稱其為最大頻偏，又令式中mf為調(diào)頻波的調(diào)頻指數(shù)調(diào)相指數(shù)mφ

與調(diào)頻指數(shù)mf是調(diào)角體制中極為重要的參數(shù)窄帶調(diào)制：m

φ

≤1或mf≤1寬帶調(diào)制：m

φ

≥1或mf

≥1第四頁，共六十六頁，2022年，8月28日（1）窄帶調(diào)制與寬帶調(diào)制的重要區(qū)別：如果φ(t)很小，則有由此得出結(jié)論：在模擬調(diào)角體制下，寬帶調(diào)制只能用非相干解調(diào)方式解調(diào)，而窄帶調(diào)制既可以用非相干解調(diào)方式，也可以用相干解調(diào)方式解調(diào)。第五頁，共六十六頁，2022年，8月28日（2）頻譜分布與帶寬模擬調(diào)角信號的譜分布很復(fù)雜，當(dāng)調(diào)制信號φ(f)為一隨機過程時，即使在準靜態(tài)近似下，其功率密度譜的表達式也是十分復(fù)雜的。這里僅以最簡單的情況為例，說明調(diào)角信號譜分布的基本特點：利用cos(βsin

x)和cos(βcos

x)展成貝塞爾函數(shù)的公式，整理后得出FM、PM信號的譜分布為：第六頁，共六十六頁，2022年，8月28日調(diào)相帶寬：調(diào)頻帶寬：第七頁，共六十六頁，2022年，8月28日（3）抗干擾性能調(diào)相信號抗白噪聲干擾的性能公式為：調(diào)頻信號抗白噪聲干擾的性能公式為：FM與PM體制的抗白噪聲干擾能力與調(diào)制指數(shù)mf及mφ成正比。這是調(diào)角體制最根本的優(yōu)點，是遙測采用大頻偏寬帶調(diào)頻體制的主要原因。第八頁，共六十六頁，2022年，8月28日2、脈沖幅度調(diào)制—調(diào)頻體制（1）PAM-FM體制的抗干擾性能和帶寬PAM-FM體制的抗白噪聲干擾的性能公式為：下面討論PAM-FM傳輸系統(tǒng)接收機中頻帶寬B的選取。根據(jù)匹配濾波器的理論，為獲得抗白噪聲的最大輸出信噪比，中頻帶寬B應(yīng)滿足B=1.37/τ其中τ為采樣脈沖寬度。考慮到信道設(shè)備中許多環(huán)節(jié)的不理想因素。在工程設(shè)計時，把中頻帶寬B取為B=(3～3.4)/τ比較合適。第九頁，共六十六頁，2022年，8月28日（2）PACM-FM體制的抗干擾性能和帶寬PACM是PAM信號和PCM信號按時分方式形成的統(tǒng)一信號流。在過去，為滿足當(dāng)時大型運載火箭對遙測的迫切要求。采用這種體制是比較合理的。在近40年后的今天，這種體制已經(jīng)不再被采用，但這種體制的遙測設(shè)備還未完全退役，所以在此簡單討論一下這種體制?？垢蓴_性能和帶寬與PAM-FM基本相同。第十頁，共六十六頁，2022年，8月28日3、遙測多路復(fù)用體制（1）頻分復(fù)用體制頻分制實現(xiàn)的基礎(chǔ)是把各路信號調(diào)制到不同的副載波上，其調(diào)制方式可以是AM，F(xiàn)M和PM三種方式中的任一種。當(dāng)被調(diào)制的各路副載波的頻率間隔足夠大時，各路已調(diào)波的頻譜將不相互重疊。它們經(jīng)過公共信道傳送后，在接收端用一組帶通濾波器分開，達到多路信號共用一個信道傳輸?shù)哪康摹＿b測中采用頻分制的調(diào)制體制為FM—FM制，即載波和副載波都采用FM方式。FM—FM體制具有極強的抗白噪聲干抗能力，所以曾被廣泛采用。第十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日（2）時分復(fù)用體制時分制的基礎(chǔ)是對信號進行采樣，在滿足采樣定理要求的條件下，每路信號各相鄰樣點之間可以有充分大的間隔，以插入其他各路信號的樣點。由于各路信號的樣點序列在時間上互不重疊，它們通過一個公用信道后，在接收端可用一個與發(fā)送端同步的選通開關(guān)。把它們相互分開，達到多路信號在一個共用信道中傳輪的目的。時分制的調(diào)制方式可以是PAM，也可以是PDM、PPM，而當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的則是PCM。時分制的載波調(diào)制方式多為PM和FM。第十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日（3）正交復(fù)用體制用一組正交函數(shù){Si(t)}作為副載波實現(xiàn)多路信號復(fù)用調(diào)制，稱為正交復(fù)用，或正交分制。當(dāng)用沃爾什函數(shù)作為副載波時，稱為沃爾什分制。正交分制的主要原理是利用函數(shù)系{Si(t)}的正交性。第十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日第十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日4.1.2基本數(shù)字調(diào)制體制當(dāng)調(diào)制信號為數(shù)字形式，即PCM信號時，對載波的調(diào)制稱為數(shù)字調(diào)制。遙測中常用的基本數(shù)字調(diào)制方式有:PCM—FM和PCM—PM，人們常稱為FSK和PSK。由于各種通信方式的普遍數(shù)字化，數(shù)字調(diào)制體制的研究工作也十分活躍，新的體制不斷出現(xiàn)。本節(jié)僅介紹幾種在遙測系統(tǒng)中已廣泛采用的基本調(diào)制體制。第十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日（1）頻移鍵控體制頻稱鍵控(FSK)系統(tǒng)傳輸?shù)男盘枮椋旱谑?，共六十六頁?022年，8月28日（2）二相相移鍵控體制二相相移鍵控(記為PSK或BPSK)體制的調(diào)制方式有兩種絕對相移鍵控當(dāng)載波的初相位0和π分別代表碼元“0”和“1”(或“1”和“0”)時，稱為絕對相移鍵控差分相移鍵控當(dāng)以載波相位的相對變化表示碼元“0”和“1”。例如當(dāng)碼元為“1”時，載波相位發(fā)生π躍變，當(dāng)碼元為“0”時，載波相位不改變，這種方式稱為相對相移鍵控或差分相移鍵控。第十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日PSK信號可表示為：PSK信號相干檢測原理框圖第十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日差分相干檢測原理第十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日（3）四相相移鍵控體制四相相移鍵控(QPSK)體制占用帶寬為二相相移鍵控(PSK或BPSK)的一半，在理想信道條件下QPSK的性能與BPSK相同，故獲得廣泛應(yīng)用。QPSK調(diào)制的原理第二十頁，共六十六頁，2022年，8月28日QPSK信號可以表達為QPSK信號相干檢測原理框圖第二十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日4.1.3擴頻調(diào)制體制在導(dǎo)彈、航天器遙測中已開始廣泛采用擴頻調(diào)制體制，其主要目的有以下幾個方面：實現(xiàn)隱匿通信，使戰(zhàn)略武器戰(zhàn)斗彈的無線電遙測信號在實戰(zhàn)時不被敵方探測到，以免使遙測無線電波變成敵方反導(dǎo)彈雷達系統(tǒng)的引導(dǎo)信號；用于多目標測量的多址遙測；以全球定位系統(tǒng)實現(xiàn)遙測跟蹤。第二十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日（1）擴頻體制的原理與偽碼序列直接序列偽碼擴頻調(diào)制體制的原理擴頻調(diào)制載波調(diào)制擴頻解調(diào)載波解調(diào)第二十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日式中，P(t)P(t)=l，A為d(t)的幅度。當(dāng)d(t)=1時，A=1；當(dāng)d(t)＝0時，A＝0。由這些條件，并完成積分即可導(dǎo)出上式最后兩步。數(shù)據(jù)序列碼d(t)的碼元寬度為T。設(shè)偽碼序列的碼元(chipl或稱碼片)寬度為τ，顯然，擴頻前數(shù)據(jù)序列的頻譜寬度B與擴頻后的偽碼序列的頻譜寬度BC之比為：稱為擴頻增益或處理增益第二十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日注意，處理增益只是擴頻體制抗窄帶干擾的增益。隨干擾信號諾寬的加大，擴頻體制的抗干擾能力越來越小于處理增益，當(dāng)干擾為白噪聲時，擴頻體制的處理增益的概念完全失去意義。對白噪聲干擾，擴頻體制比不擴頻體制并無任何抗干擾增益可言，這是一個重要結(jié)論。第二十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日(2)擴頻體制的抗干擾性能擴頻通信系統(tǒng)的干擾，除一般通信系統(tǒng)的熱噪聲干優(yōu)之外，在多址通信中還存在各地址偽碼序列之間的相互干擾，稱為多址干擾。擴頻多址通信有兩種工作方式：1）所有多址用戶根據(jù)某一時間基準，同步地發(fā)送出擴頻信號，稱為同步多址擴頻(SSSA)方式。這種方式中，由于各偽隨機序列的起始點相同，當(dāng)各偽碼序列之間的互相關(guān)系數(shù)很小時，多址干擾很小。當(dāng)采用偽隨機正交序列時，理論上不存在多址干擾。2）各多址用戶的工作狀態(tài)相互獨立。一個用戶收到的多個發(fā)射信號中的數(shù)據(jù)碼元的起始點是隨機的，稱為隨機多址擴頻(SSRA)方式。第二十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日這是極易實現(xiàn)的、最常用的多址方式。這種方式的多址干擾計算是十分困難的，不在此敘述。在工程上為了近似計算這種方式的多址干擾，把各偽隨機序列看成相互獨立的，各序列對某一特定序列的干擾功率視為各序列功率之和。當(dāng)?shù)刂窋?shù)較多時，把這個總干擾視為白噪聲。在這些假設(shè)條件下，可以導(dǎo)出解擴后由熱噪聲和多址干擾造成的總信噪比為：第二十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日4.1.4航空航天遙測體制隨著高速數(shù)字傳輸、衛(wèi)星通信、移動通信等的快速發(fā)展，為了充分而有效地利用信道資源，數(shù)字調(diào)制體制的研究工作在近20幾年來異?；钴S，新的體制不斷涌現(xiàn)，尤以壓縮傳輸頻譜寬度、降低帶外功率、減少碼間干擾、保持信號包絡(luò)恒定等方面為目的的調(diào)制體制為甚。第二十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日前面介紹過，在QPSK調(diào)制原理圖中，碼元a(t)所在的上支路與b(t)所在的下支路中的碼元起始時刻是相同的。所以在碼元轉(zhuǎn)換瞬間，合成信號s(t)可能出現(xiàn)1800的相位躍變。OQPSK則是把QPSK的同相分量與正交分量的碼元轉(zhuǎn)換時間錯開一個數(shù)據(jù)碼元寬度Tb。碼元轉(zhuǎn)換時間不同時發(fā)生。這樣，合成的調(diào)相信號的相位突變最大值為90度，因此，此調(diào)相信號的頻譜寬度小于QPSK信號的譜寬，這種體制稱為偏移鍵控(OQPSK)四相相移鍵控體制，記為OKQPSK，通常簡寫為OQPSK。有的作者把這種碼元轉(zhuǎn)換時間錯開稱為參差(stager)，把這種體制稱為SQPSK。1、OQPSK調(diào)制體制第二十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日2、MSK調(diào)制體制把OQPSK的各相的矩形碼元脈沖改變?yōu)榘胝也ㄐ螤畹拿}沖，這對合成信號將不發(fā)生相位躍變。因此它的頻譜分布更窄。這種調(diào)制方式稱為“正弦OQPSK”。它的調(diào)制指數(shù)比前述的最小調(diào)制指數(shù)的FSK還小半，因此這種體制又稱為最小頻移鍵控(minimumshifekeying)體制，即MSK體制。第三十頁，共六十六頁，2022年，8月28日3、GMSK調(diào)制體制當(dāng)把OQPSK的各相的矩形脈沖改變?yōu)楦咚购瘮?shù)形狀脈沖時所形成的調(diào)制方式稱為高斯MSK或GMSK體制。為形成高斯型脈沖，可把OQPSK的各相的矩形脈沖通過一個頻率響應(yīng)如下式所示的高斯型低通濾波器：第三十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日4種調(diào)制體制性能比較第三十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日4．2模擬式遙測技術(shù)模擬式遙測是把被測物理量做模擬變換后再傳送。1、脈沖頻率方式遙測（1）脈沖頻率方式遙測的組成脈沖頻率方式遙測是將一次變換器輸出的模擬量變換為脈沖個數(shù)，然后在調(diào)制器中利用這個脈沖信號去對載頻進行調(diào)制，最常用的是頻移鍵控(FSK)的方法。通常載頻都選擇在音頻范圍內(nèi)，利用頻率劃分法，可以在音頻頻帶內(nèi)傳送十幾路的脈沖頻率遙測信號。圖所示是脈沖頻率方式同時傳送多路遙測量的方框圖。第三十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日變換為脈沖信號的頻率范圍：4～16Hz、4～28Hz、6～27Hz、12～24Hz、12～30Hz、20～30Hz…第三十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日（2）發(fā)送裝置的工作原理第三十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日令輸入的直流電壓為vi，輸出脈沖頻率為f，為了保證給定的頻率范圍和給定直流輸入電壓范圍密切配合，加入基準電壓是必要的。例如，頻率和電壓之間關(guān)系為f=k(vi+v0)。當(dāng)k=1.2，f=1～24Hz，v0=10mV，則加一基準電壓v0=10mv，就可以滿意地配合了。（3）接收裝置的工作原理第三十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日4.2.2FM—FM方式遙測調(diào)制方式是模擬式遙測中最典型的一種頻率分割方式第一次FM變換振蕩頻率正比于控制電壓低通濾波器濾除高次諧波第二次FM變換第三十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日4.2.3脈沖時間調(diào)制方式遙測脈沖時間調(diào)制的示意圖幅度變化寬度變化位置變化×√√第三十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日調(diào)位脈沖信號幀結(jié)構(gòu)第三十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日時間調(diào)制器方框圖第四十頁，共六十六頁，2022年，8月28日時間調(diào)制器波形圖第四十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日4．24游標法提高遙測精度當(dāng)我們設(shè)計—個遙測系統(tǒng)時，首先需對這些要傳送的被測量的性質(zhì)進行全面分析，然后根據(jù)要求精度決定采用什么方案。假如一個系統(tǒng)要求傳送大量的慢變化參效，且傳送精度要求不高(例如3％—5％)，而其中極少數(shù)參數(shù)要求高精度傳送，則針對這個系統(tǒng)，如果只考慮這些低精度m慢變化參數(shù)，顯然采用PAM—FM—FM系統(tǒng)能簡單和經(jīng)濟地滿足上述要求，然而卻滿足不了傳送少數(shù)幾個高精度參數(shù)的要求。如果全設(shè)計成高精度系統(tǒng)，顯然又是不經(jīng)濟的。在不改變PAM—FM—FM體制的情況下，利用一些附加電路使這些高精度參數(shù)得以妥善處理。采用游標法可以完全滿足上述要求。第四十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日PAM—FM—FM系統(tǒng)中游標法的應(yīng)用第四十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日采用兩個單獨的副載頻悟道分別傳送被分層電壓u的兩個分量。一個副載頻傳送已分層電壓，另一個副載頻傳送放大M倍后的余量電壓。即在PAM—FM—FM系統(tǒng)中，當(dāng)輪到傳送該路的信號時刻，抽樣脈沖對Kδ和mer進行抽樣，這樣u1和u2分別送至副載頻調(diào)制器A和B。第四十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日游標法接收框圖第四十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日來自信道濾波器的兩路信號送往副載頻解調(diào)器A和B在它們的輸出端得u′1和u′2，由信道引入的干擾分別為：式中，N1和N2為信道引入的干擾(包括噪聲和路際干擾)，它們都是隨機變量，可取正值或負值。第四十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日值得注意的是，輸入電壓u1在送入差分放大器之前，應(yīng)先減去一個固定電平(1／2)δ。如果我們適當(dāng)選擇分層間間隔δ，使得N1的幅度不超過δ的一半。即滿足再生條件：那么，即使有干擾存在，層數(shù)鑒別電路也能正確地鑒別出原來的層數(shù)。（1）u1的恢復(fù)：第四十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日層數(shù)鑒別電路的原理圖：它說明在鑒別之前減去一個(1／2)δ的重要性。第四十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日（2）u2的恢復(fù)：從副載頻調(diào)制器B解調(diào)出的余量電壓為u2，經(jīng)過衰減器衰減m倍以后其輸出電壓為：這就是采用游標法以后的輸出電壓。顯然其誤差為：幅度鑒別電路輸出相加為第四十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日例題：PAM—FM—FM系統(tǒng)的精度為12．5％，采用游標電路以后，如果m=16，系統(tǒng)的精度為多少？解：所以：12.5/16=0.16%第五十頁，共六十六頁，2022年，8月28日4．3數(shù)字式遙測技術(shù)1、數(shù)字式遙測系統(tǒng)的組成三大部分構(gòu)成：（1）數(shù)據(jù)發(fā)送裝置（2）數(shù)據(jù)接收裝置（3）傳輸通道壓力、流量、液位、電壓、電流、電功率、濃度、溫度等第五十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日一般的數(shù)字式遙測系統(tǒng)的發(fā)端設(shè)有一個A/D變換器，但被測量可能有多個采樣開關(guān)(遙測交換子)可以對它們實行時間分割，從而實現(xiàn)多路傳輸。一般對采樣開關(guān)提出的要求是：（1）開關(guān)特性對被測量的影響要小，這就要求開關(guān)接通時阻抗要小，斷開時阻抗要盡量高。（2）開關(guān)動作要迅速，沒有惰性。動作時間的要求由傳送方式?jīng)Q定。例如，某一被測數(shù)據(jù)是由40bit比構(gòu)成的，傳送速度是200波特，那么傳送一組數(shù)據(jù)所需要的時間是200ms。如果傳送速度是1200波特，那么傳送此數(shù)據(jù)需要時間約33ms。（3）開關(guān)壽命要長。關(guān)于開關(guān)第五十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日關(guān)于干擾源：大電機的磁場、高壓設(shè)備的電場常態(tài)（差模）干擾和共態(tài)（共模）干擾疊加在被測信號上的交流信號叫做常態(tài)干擾。對常態(tài)干擾的抑制方法是采用接入濾波器，或者采用積分式A/D變換器，使常態(tài)干擾被濾除或在輸人端被平均掉。由于被測對象分布在生產(chǎn)現(xiàn)場各處，一般引線較長，從而造成被測信號地線和機器地線之間存在看一定的電位差。這種對檢測裝置的兩個輸入端共有的干擾電壓稱為共態(tài)干擾。共態(tài)干擾的抑制方法有：采用差動放大器；采用對地屏蔽的方法，減少機器對地的耦合。第五十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日數(shù)字式遙測系統(tǒng)有如下優(yōu)點1．傳送精度高2．容量大3．便于數(shù)據(jù)處理4．具有靈活性第五十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日2、采樣保持電路（1）電子采樣開關(guān)在時間分割遙測系統(tǒng)中，要求高精度和高速度地切換模擬信號，而模擬信號(電壓或電流)大小又直接代表被測物理量，因此要求采樣開關(guān)在切換模擬電壓過程引入的誤差應(yīng)最小?？梢愿呔鹊厍袚Q模擬電壓或電流的電子采樣開關(guān)有如下幾種：1)二極管橋式模擬開關(guān)；2)晶體三極管模擬開關(guān)；3)結(jié)型場效應(yīng)晶體管模擬開關(guān)。第五十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日②1/2LSB所對應(yīng)的模擬信號的變化量為：③在孔徑時間內(nèi)輸入信號的變化量：采樣保持電路在數(shù)字式遙測編碼器中，有時采樣脈沖比較窄，在這樣窄的時間內(nèi)，編碼器來不及完成數(shù)字轉(zhuǎn)換，這就需要采樣值保持一段時間，直到完成模數(shù)轉(zhuǎn)換為止。采樣脈沖到來時，模擬開關(guān)導(dǎo)通，輸入模擬信號汽通過模擬開關(guān)對保持電容C進行充電，電容C兩端電壓是隨輸入電壓比而變化的。當(dāng)采樣脈沖除去時，模擬開關(guān)斷開，這時如果緩沖放大器輸入阻抗為無窮大，則保持電容兩端的電壓，保持采樣時刻的Vin值不變。第五十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日電容C的取值？大好？還是小好？第五十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日3、PCM調(diào)制PCM調(diào)制器——A/D變換器常用的有：積分式逐次比較式有8