Лекция 9 Передача телеметрической информации Условия передачи телеметрической информации


Рис.1.Схема мультивибратора-модулятора с управляемой частотой



Скачать 418.71 Kb.
страница2/2
Дата01.08.2016
Размер418.71 Kb.
ТипЛекция
1   2
Рис.1.Схема мультивибратора-модулятора с управляемой частотой

Изменяя в симметричном МВ сопротивление Rпер мы синхронно изменяем суммарное значение сопротивления базовых резисторов (Rб1 + Rпер) и (Rб2 + Rпер) и таким образом синхронно управляем длительностями импульсов при сохранении скважности 2. Воспользовавшись этой возможностью МВ, можно построить следующую схему модулятора.





Если в статическом режиме ступенчато изменять напряжение Uк на коллекторе с помощью Rрег, то частота МВ будет изменяться и кривая зависимости F от Uк будет выглядеть примерно следующим образом.

Данная кривая называется модуляционной хар-кой.

Модуляционная хар-ка характеризуется крутизной S:


.
2.3. Транзисторные амплитудные модуляторы
(Сайт: cultinfo.ru/fulltext/1/001/008/077/435.htm).

Распечатать как раздаточный материал!

233545074

Рис.1. Транзисторные амплитудные модуляторы:

.а – базовый; б – коллекторный;

.uВЧ – напряжение модулируемых колебаний:

Tp – низкочастотный трансформатор;

C1, С2, L1 – конденсаторы и катушка индуктивности развязывающих цепей по высоким и низким частотам;

R и R1 – резисторы делителя постоянного напряжения в цепи питания транзистора;

ЕК – напряжение, подаваемое на коллектор транзистора.


Транзистор Т с резонансным контуром из катушки индуктивности L и конденсатора С образуют управляемый усилитель колебаний с несущей частотой, коэффициент усиления которого изменяется при изменении uM.
При импульсной модуляции в модуляторах управляющими элементами также служат электронная лампа или полупроводниковый прибор (например, варикап), который запирает или отпирает волноводный тракт при посылках импульсного модулирующего напряжения различного знака.


3. Сумматоры напряжений модуляторов
Поскольку по телеметрической системе осуществляется передача нескольких параметров, то используется несколько поднесущих генераторов, сигналы которых требуется сложить для дальнейшей передачи по телеметрической системе. Для сложения сигналов используются сумматоры напряжений (Тепляков, стр.28-29).

Сумматоры в зависимости от частот тока, силы тока могут быть пассивные (резистивные и индуктивные) и активные, то есть с одновременным усилением суммируемых сигналов.


Требования к суммируемым устройствам.

1.При сложении напряжений поднесущих генераторов не должно быть искажения формы суммарного сигнала.

2.Входные сопротивления суммирующих устройств должны быть существенно больше сопротивлений источников напряжений, а выходное значительно меньше нагрузки, т.е.входного сопротивления последующей цепи. Это является классическим требованием при согласовании разных каскадов и устройств.

3.Амплитуда суммарного сигнала должна быть достаточной для получения требуемого уровня девиации несущей частоты.


Схема пассивного сумматора на резисторах


1.Rвх >> Rисточ.

2.Rвых << Rнагрузки.


Первое условие обеспечить сложно, поэтому используют активный сумматор.
Схема простого активного сумматора

Активные сумматоры позволяют обеспечить лучшую развязку от источника сигнала, между источниками и малое входное сопротивление при более высоком уровне сигнала. Однако такой сумматор усложняет конструкцию ПРД.


4. Автоматические устройства предварительной обработки информации в передатчике
Исследовательская деятельность во многом зависит от своевременного получения, быстрой и полноценной обработки объективной и точной информации о составе и строении веществ, структуре и свойствах материалов, энергетических параметрах процессов.

Потребность в автоматизации обработки данных, в т.ч. вычислений, возникла очень давно.

Датчики (первичные преобразователи) по сути выполняют функции автоматического извлечения и предварительной обработки информации. Они представляют собой весьма разнообразные по принципам действия устройства, воспринимающие изменения контролируемых параметров различных процессов.

Современная измерительная техника может непосредственно оценивать более 300 различных величин, хотя этого для полной автоматизации обработки информации бывает недостаточно.

Экономически целесообразное расширение номенклатуры датчиков достигается унификацией чувствительных элементов. Чувствительные элементы, реагирующие на давление, силу, вес, скорость, ускорение, звук, свет, тепловое и радиоактивное излучения, применяются в датчиках для контроля загрузки оборудования и его рабочих режимов, качества обработки, учёта выпуска изделий, контроля за их перемещениями на конвейерах, запасами и расходом материалов, заготовок, инструмента и др. Выходные сигналы всех этих датчиков преобразуются в стандартные электрические или пневматические сигналы, которые передаются другим устройствам.
К устройствам для логической и математической обработки информации относятся функциональные преобразователи, изменяющие характер, форму или сочетание сигналов информации, а также устройства для переработки информации по заданным алгоритмам (в т.ч. вычислит, машины) с целью осуществления обработки информации или обеспечения режимов управления и регулирования.
Кроме того, в течение испытаний в результате изменения окружающих условий, изменения напряжения источников питания и т.д.происходит дрейф нуля датчиков и изменений передачи передающего тракта. В процессе испытаний возможна автоматическая коррекция нуля с одновременной предварительной обработкой передаваемых сигналов.

Автоматическая коррекция нуля производится посредством сравнения напряжения сигнала, передающего нулевой уровень, с эталонным сигналом, принимаемым за нулевой уровень сигнала на выходе.




5. Типы и конструкции антенн
5.1. Типы антенн
Антенна это устройство для излучения и приёма радиоволн.

Следовательно, имеются два типа антенн:

- передающая;

- приёмная.


Передающая антенна преобразует энергию электромагнитных колебаний высокой частоты, сосредоточенную в выходных колебательных цепях радиопередатчика, в энергию излучаемых радиоволн.

Приёмная антенна выполняет обратную функцию – преобразование энергии распространяющихся радиоволн в энергию, сосредоточенную во входных колебательных цепях приёмника.

Формы, размеры и конструкции антенн разнообразны и зависят от длины излучаемых или принимаемых волн и назначения антенн.

Для того чтобы антенна была эффективна, ее размеры должны быть сравнимы с длиной передаваемой волны. Чем шире динамический диапазон передаваемых частот, тем труднее сделать антенну, пригодную для решения этой задачи. Именно по этой причине для передачи используются частоты, начиная с многих сотен килогерц и выше (длина волн сотни метров и меньше).
У большинства передающих антенн интенсивность излучения зависит от направления или, то есть антенна обладает направленностью излучения. Это свойство антенны графически изображается диаграммой направленности.
Диаграмма направленности показывает зависимость от направления напряжённости электрического поля излученной волны (измеренной на большом и одинаковом расстоянии от антенны).

Для количественной оценки эквивалентного выигрыша в излучаемой мощности введено понятие коэффициента направленного действия (КНД), показывающего, во сколько раз нужно увеличить мощность излучения при замене данной реальной антенны гипотетической ненаправленной антенной (изотропным излучателем), чтобы напряжённость электромагнитного поля осталась неизменной.


Первая практическая антенна в виде несимметричного вибратора была предложена изобретателем радио А.С.Поповым в 1895 году. Несимметричный (относительно точки подвода энергии) вибратор представляет собой длинный вертикальный провод, между нижним концом которого и заземлением включается передатчик или приёмник.
Рассмотрим конструкции некоторых антенн.
5.1. Штыревая антенна
Общий вид антенны показан на рис. 12.4. Здесь 1 – штырь, изготовленный из упругой, т.н. рояльной стальной проволоки диаметром 2...2.4 мм, 2 – устройство настройки и согласования, 3 – штекер, соответствующий антенному гнезду радиостанции.
12-14.jpg
Си-Би (СВ - citizen band) означает диапазон гражданской связи.
5.2. Вертикальная колинеарная антенна
Антенна работает в диапазоне частот 144...146 Мгц. Она состоит из четырех полуволновых вибраторов: верхнего, изготовленного из дюралюминиевой трубки диаметром 10 мм, и трех нижних - включенных последовательно отрезков коаксиального кабеля (рис. 12.6).
12-16.jpg


5.3. УКВ антенна с вертикальной поляризацией (Радио, 1980, 3, с.58)
Диапазон частот - 144...146 МГц. Антенна представляет собой 4-элементный волновой канал, полуволновый вибратор которого возбуждается через J-согласователь (рис. 12.7). Такой способ возбуждения и согласования позволяет использовать верхнюю часть сплошной металлической мачты в качестве вибратора и части U-колена. Немалое удобство J-согласования состоит и в том, что высокое входное сопротивление полуволнового вибратора (он возбуждается в пучности напряжения) приводится к волновому сопротивлению кабеля простым перемещением места его подключения к U-колену. С заземленной мачтой антенна становится и грозозащищенной.

Вибратор антенны выполнен из дюралюминиевой трубки диаметром 12 мм (это конец мачты). Директоры и рефлектор изготавливают из трубки диаметром 6 мм. Несущая траверса – фиберглассовая или стеклотекстолитовая трубка диаметром 10...12 мм. Для лучшей фиксации траверсу можно подтянуть к верхней точке мачты леской диаметром 0,8...1 мм (показана пунктиром).


5.4. Компактная KB антенна (Радио, 1984, 4, с.58)
Представляет собой одновитковую рамку (рис. 12. 9), способную работать на прием и передачу в диапазоне частот 3,5... 15 МГц.

Сама рамка выполнена из медной трубки диаметром 25 мм. Петлю связи изготавливают из 50-омного коаксиального кабеля (он же - фидер антенны) и прикрепляют непосредственно к рамке в верхнем ее углу.


12-18.jpg
5.5. Всеволновая антенна (КВ журнал, 1995, 2, с. 19-20)
Антенна T2FD (Top Termianated Folded Dipole), показанная на рис. 12.11, может работать в широком диапазоне частот. Это петлевой вибратор треугольной формы с встроенным в верхнюю его часть активным сопротивлением-нагрузкой. Антенна отличается небольшими размерами и значительной широкополосностью.

Основание петли - нижняя часть вибратора - составлено из труб, закрепленных хомутами на стеклотекстолитовой пластине. Две другие стороны треугольника, его верхняя часть, проволочные, они соединяют концы труб с нагрузочным резистором Rн = 500 Ом, находящимся в герметичном боксе.


12-110.jpg


5.6. Антенна на 28 и 144 МГц (Радио, 1975, 4, с. 31)
Основные размеры антенны, работающей в диапазоне 144 МГц, показаны на рис. 12.17. Вибратор, рефлектор и директоры изготавливают из латунных или медных трубок. Размеры U-колена, связывающего симметричную антенну с несимметричным фидером - 75-омным коаксиальным кабелем - показаны на рис. 12.18.
12-117.jpg

Конструкции и важнейшие параметры различных антенн также будут дополнительно рассмотрены на практическом занятии.


5.7. Перспективы развития антенн
В 1960-е годы наметился ряд перспективных направлений развития теории и техники антенн. Наиболее важные из них:

1) Создание антенных решёток из большого числа излучающих элементов (электрических вибраторов, рупоров и др.), каждый из которых подведён к отдельному выходному блоку передатчика, имеющему регулируемый фазовращатель. Управляя соотношением фаз полей в отдельных излучающих элементах, можно быстро менять направление максимального излучения, а также форму диаграммы направленности антенны. Идентичным образом создаются приёмные антенные решётки из большого числа слабонаправленных антенн, подключаемых к отдельным входным блокам приёмника.

2) Создание антенн, основанных на методе апертурного синтеза, заключающегося, в частности, в перемещении одной или нескольких небольших по размерам антенн с последовательной фиксацией в запоминающем устройстве амплитуды и фазы принятых сигналов. Соответствующим суммированием этих сигналов можно получить такой же эффект, как от большой антенны с линейными размерами, равными длинам путей перемещения малых антенн.

3) Создание экономичных, легко устанавливаемых антенн (зеркальных антенн, антенн-башен и антенн-мачт и др.) на основе использования металлизированных плёнок, с применением пневматики для придания антеннам необходимой конфигурации.

4) Широкое внедрение строгих методов анализа и синтеза (проектирование по заданным характеристикам) антенн на основе применения электронных вычислительны машин.

5) Развитие статистических методов анализа антенн.



Лекция 12
Приемная часть телеметрических систем
1.Требования, предъявляемые к приемникам телеметрических систем.

2.Общие сведения об устройстве приемников телеметрических систем.

3.Типовые структурные схемы приемной части телеметрических систем.

4.Демодуляция.



1. Требования, предъявляемые к приемникам телеметрических систем
В отличие от радиовещательных радиоприемников при проектировании приемника радиотелеметрической системы наибольшее внимание заслуживают две основные задачи ([1], стр.202):

1. Достижение возможно большой чувствительности, так как от нее зависит дальность передачи информации.

2. Восстановление принятых сигналов до их первоначальной формы с минимальными искажениями (особенно в многоканальных телеметрических системах, так как необходимо учитывать помехи из-за воздействия канала на канал в приемнике).
Основные три показатели работы радиоприемника:

1. Чувствительность – способность принимать слабые радиосигналы (мощностью вплоть до 10-19 Вт при ширине частотного спектра сигнала ~ 1 кГц);

2. Селективность – способность отделять полезный сигнал от посторонних радиочастотных колебаний (радиопомех), ослабляя их в несколько тыс. раз (см. Селективность радиоприёмника).

3. Стабильность – способность обеспечивать достаточно длительный радиоприём без к.-л. дополнительных ручных операций, напр. регулировки, переключений и пр. (см. Стабилизация частоты).


Практически реализуемая чувствительность радиоприемника зависит от помех радиоприёму, которые, если они действуют в той же полосе частот, что и принимаемый радиосигнал, и превышают его по интенсивности, могут сделать приём сигнала невозможным. Для обеспечения нормального приёма в радиоприемник вводят устройства для спец. обработки радиосигнала с целью подавления помех радиоприёму. Предел чувствительности зависит от собственных флуктуационных шумов радиоприемник (см. Флуктуации электрические). Последние уменьшают, применяя малошумящие входные усилители. Простейший из них – регенеративный усилитель с туннельным диодом. Значительно лучшие результаты дают параметрический усилитель и квантовый усилитель (мазер).
Итак, перечислим минимально необходимое для однозначного определения приемника число его общих внешних параметров ([1], стр.202):

1.Несущая частота fн сигналов на входе приемника и ее стабильность fн  fн , где  – ошибка передачи сигнала.

2.Полоса пропускаемых частот 2fн.

3.Чувствительность приемника по напряжению сигнала Uco и соответствующее ей отношение сигнала к шуму на входе приемника Uco/Uш.

4.Динамический диапазон сигналов на входе приемника телеметрической системы Кд = Uc макс/Uco и соответствующие ему величина сигнала Ucв и допустимое ее изменение на выходе приемника Ucв/Ucв.

5.Избирательность по соседнему зеркальному каналу и промежуточной частоте.

6.Число каналов и способ их разделения.

7.Параметры каналов на входе приемника (частоты и полосы сигналов при частотном разделении или последовательность и длительность сигналов при временном разделении).

8.Амплитудные, частотные и фазовые характеристики сигналов на выходах всех каналов приемника.

9.Допустимые взаимные помехи между каналами.

10.Величина ошибки передачи сигнала, обусловленная приемником.

11.Уровень шумов в каналах.

12.Способы контроля работоспособности и основных параметров приемного устройства.

2. Общие сведения об устройстве приемников телеметрических систем
Радиоприемник – устройство, предназначенное (в сочетании с антенной) для приёма радиосигналов или естественнных радиоизлучений и преобразования их к виду, позволяющему использовать содержащуюся в них информацию.

В зависимости от назначения радиоприемники делят на:

- вещательные (радиовещательный приёмник),

- телевизионные (телевизор),

- связные (радиосвязь),

- радиолокационные (радиолокационная станция) и др.


Основные функции, выполняемые радиоприемником:

1. Частотная селекция – выделение из всего радиочастотного спектра электромагнитных колебаний, действующих на антенну, части его, содержащей искомую информацию.

2. Усиление – увеличение энергии принятых (обычно очень слабых) колебаний до уровня, при котором становится возможным их использование.

3. Детектирование – преобразование принятых модулированных радиочастотных колебаний в электрические колебания, соответствующие закону модуляции, т. с. непосредственно содержащие информацию.


Эти функции реализуются входящими в состав радиоприемника:

-частотно-селективными резонансными цепями (колебательные контуры, объёмные резонаторы, электрические фильтры), настраиваемыми на требуемые частоты или полосы частот;

-усилителями электрических колебаний и

-детектором.

Кроме того, в радиоприемнике обычно имеются цепи автоматического регулирования, чаще всего автоматической регулировки усиления и автоматической подстройки частоты. Конструктивно в состав радиоприемника могут также входить средства воспроизведения принимаемой информации (например, громкоговоритель, кинескоп) и контроля работы радиоприемника (например, стрелочные измерительные приборы, различные индикаторы).
Радиоприемник может принимать радиосигналы на одной или на нескольких фиксированных частотах либо в диапазоне частот с возможностью настройки практически на любую частоту в его пределах. В последнем случае весь рабочий диапазон частот радиоприемника обычно делят на поддиапазоны.
Усиление колебаний в радиоприемнике осуществляется в основном до детектора. Додетекторный усилитель делают селективным (посредством включения в него резонансных цепей), последетекторный усилитель, где спектр усиливаемых колебаний характеризует принимаемую информацию, – с полосой пропускания, равной ширине этого спектра, нередко с коррекцией амплитудно-частотной характеристики в области нижних и верхних частот (см. Видеоусилитель).
В соответствии с типом додетекторного усилителя различают радиоприемники:

- прямого усиления,

- регенеративные,

- сверхрегенеративные,

- рефлексные,

- супергетеродинные.


В радиоприемнике прямого усиления принятые колебания усиливаются до детектора без преобразования их частоты.

В регенеративном радиоприемнике в резонансную цепь, настроенную на частоту принимаемого сигнала, вносится т. н. отрицательное сопротивление. Это достигается посредством цепи положительной обратной связи или подключением соответствующего электронного прибора, например, туннельного диода.

В сверхрегенеративном радиоприемнике к колебательному контуру в каскаде усиления радиочастот подключают цепь прерывистой положительной обратной связи, которая периодически вызывает в контуре самовозбуждение колебаний. При этом амплитуда колебаний (или её среднее значение) оказывается пропорциональной амплитуде принимаемого сигнала, но превосходит последнюю в 104 - 105 раз. Хотя радиоприемник этого типа имеют простую конструкцию, их широкому применению препятствуют сравнительно сильные искажения принимаемых сигналов.

В рефлексном радиоприемнике один и тот же усилитель используют одновременно для додетекторного и последетекторного усиления, упрощая тем самым конструкцию радиоприемника.

Самое высокое качество радиоприёма получают в супергетеродинном радиоприёмнике (наиболее распространён).
В соответствии с видом модуляции принимаемых сигналов детектор радиоприемника может быть амплитудного, частотного, фазового или др. типа.

Дополнительная литература

1. Радиоприёмные устройства, под общей ред. В.И.Сифорова, М.: 1974.

2. Чистяков Н.И., Сидоров В. М. Радиоприёмные устройства, М.: 1974.

3. Типовые структурные схемы приемной части телеметрических систем
На рис.1-3 представлены блок-схемы радиоприемного устройства телеметрической системы.

Рис.1. Блок-схема радиоприемного устройства телеметрической системы


Рис.2. Блок-схема радиоприемного устройства прямого усиления:

А – антенна, ВЦ – входная цепь, УВЧ – усилитель высокой частоты,

Д – детектор, УНЧ – усилитель низкой частоты,

ОУ – оконечное устройство (регистратор, монитор, компьютерная обработка информации)
Распространяясь, радиоволны достигают приёмной антенны и возбуждают в ней электрические колебания, которые поступают далее в радиоприёмник. Принятый радиосигнал очень слаб, так как в приёмную антенну попадает лишь незначительная часть излучённой энергии (см. Распространение радиоволн). Поэтому радиосигнал в радиоприёмнике поступает в электронный усилитель, после чего он подвергается демодуляции, или детектированию. В результате выделяется сигнал, аналогичный сигналу, которым были модулированы колебания с несущей частотой в радиопередатчике.

Далее этот сигнал (обычно дополнительно усиленный) преобразуется при помощи соответствующего воспроизводящего устройства в сообщение, адекватное исходному.


Рис.3. Блок-схема супергетеродина:

А – антенна, ВЦ – входная цепь, УВЧ – усилитель высокой частоты,

С – смеситель; Г – гетеродин; УПЧ – усилитель промежуточной частоты, Д – детектор, УНЧ – усилитель низкой частоты,

ОУ – оконечное устройство (регистратор, монитор, компьютерная обработка информации)
В радиоприемном устройстве супергетеродинного типа напряжение сигнала преобразуется в промежуточную частоту, не изменяющуюся при перестройке. Смеситель преобразует частоту сигнала с помощью гетеродина, работающего на частоте fг, в разностную частоту fcfг. Избирательность и чувствительность супергетеродина зависит от резонансных свойств контуров УПЧ.

Преимущества супергетеродинов: более высокие чувствительность, избирательность и стабильность работы, простота настройки, а также более эффективная работа систем автоматической регулировки усиления и автоматической подстройки частоты (см. ФЭС, том 4, стр.301-304).


4. Демодуляция
4.1 Процесс демодуляции
Принятый приемной частью телеметрической системы модулированный высокочастотный сигнал даже после усиления не способен фиксироваться при помощи регистраторов, поэтому необходимо вновь получить сигнал звуковой частоты из высокочастотного модулированного колебания.

Детектирование осуществляется устройством, содержащим элемент с односторонней проводимостью – детектор. Таким элементом может быть электронная лампа (вакуумный диод, триод) или полупроводниковый диод.

Рис.4.

Рис.5. Последовательное представление процесса демодуляции
4.2. Демодуляторы
Демодулятор предназначен для преобразования частотно-модулированного напряжения (ЧМ-напряжения) поднесущей частоты, полученного в приемной части телеметрической системы, в исходный электрический сигнал.

Демодулятор в принципе представляет собою полосовой фильтр с определенной частотной характеристикой.


Поскольку в телеметрических системах используются поднесущие частоты звукового диапазона, то демодулятор целесообразно выполнить с использованием R,C-элементов.

Для демодуляции ЧМ-напряжения обычно используют балансный частотный дискриминатор. Схема RC-дискриминатора состоит из двух двойных Т-образных мостов. Мосты соединены параллельно.


Схема Т-мостового фильтра

R2 = 0,5 R1 ;

С2 = 0,5 С1 ; RС = 1 ; .
Рассмотрим работу Т-моста







.

Другое представление той же схемы

Следующее представление той же схемы


На базе таких двух мостов, настроенных на близкие частоты, строится демодулятор.

При F  Fподнес работает один мост.

При F  Fподнес работает второй мост.

На выходе демодулятора будем иметь аналог исходного сигнала.

При F Fподнес на выходе имеется нулевой потенциал.


Рис. Демодуляционная характеристика двойного Т-моста и демодулятора


Такой RC-демодулятор имеет малые габариты и главное достаточно большой линейный участок на демодуляционной кривой.

Это нужно для того, чтобы поднесущая частота при достаточной девиации могла демодулироваться без нелинейных искажений.


Особенность наладки демодулятора заключается в том, что необходимо с высокой точностью настраивать Т-мосты.

В качестве демодулятора может быть использован и полосовой RC-фильтр. Однако при этом собственная частота фильтра несколько смещена от частоты поднесущей.

Отсюда возникает существенный недостаток – сложно демодулировать ЧМ-колебания с малой девиацией.



Рис. Принцип преобразования девиации частоты в напряжение сигнала
Что значит малая девиация, большая девиация и почему важна величина девиации? Малая девиация на входе ПРМ обеспечивает малый уровень сигнала, соизмеримый с шумами радиотракта. Увеличивая избирательность фильтра мы повышаем крутизну демодуляционной характеристики.



Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница