Системы связи

Оглавление.

1. Введение. 2
2. Виды модуляции. 3
3. Амплитудная модуляция. 3
4. Частотная модуляция, фазовая модуляция. 9
5. Импульсная модуляция. 12

3. Практическое применение. 16

3.1. Телеметрия. 16

1. Частотное разделение каналов 17

(частотное уплотнение линии связи).

1. Временное разделение каналов 22

(временное уплотнение линии связи).

1. Телеметрический комплекс. 27
2. Проблемы телеметрии. 30
3. Аппаратура телеметрии и ее приложения. 31
4. Другие системы связи. 34
5. Заключение. 39
6. Список используемой литературы. 39

1. ВВЕДЕНИЕ

Предмет «электрическая связь» очень обширен и сложен. Описать его полносьтью в одном реферате невозможно, так как электрическая связь является существенной частью большого числа электронных систем и находит свое применение во всех аспектах нашей жизни. Каждая глава реферата не вдается в детали, а сосредотачивает все внимание на понима­нии методов и средств связи, осуществляемой с помощью электро­магнитных волн. Более того, будут рассмотрены только основные мето­ды связи, стремясь показать их практическое использование.

В любом методе электромагнитной связи всегда можно выделить, во-первых, среду, которая будет переносить информацию, — несу­щую, во-вторых, саму информацию. Дальнейшее обсуждение будет сосредоточиваться на различных методах переноса информации, т. е. способах объединения информации (или слияния) с несущей, а именно на схемах модуляции.

Существуют три основные схемы модуляции: 1) амплитудная мо­дуляция (AM); 2) угловая модуляция, подразделяющаяся на два очень похожих метода: частотную модуляцию (ЧМ) и фазовую моду­ляцию (ФМ); 3) импульсная модуляция (ИМ). Различные схемы мо­дуляции совмещают два этих метода или более, образуя сложные системы связи. Телевидение, например, использует как AM, так и ЧМ для различных типов передаваемой информации. Импульсная модуляция совмещается с амплитудной, образуя импульсную ампли­тудную модуляцию (АИМ), и т.д. Не всегда возможно найти четко выраженные основания для использования того или иного метода модуляции. В некоторых случаях этот выбор предписывается зако­ном (в США контроль осуществляет Федеральная комиссия по свя­зи — ФКС). Необходимо строго придерживаться правил и инструк­ций независимо от того, какая схема модуляции используется.

Во всех методах модуляции несущей служат синусоидальные ко­лебания угловой частоты ωн, которые выражаются в виде

ен=Анsin(ωнt+θн) (1а)

где Ан - амплитуда, а ωнt+θн - мгновенная фаза (отметим, что ωнt, так же как и θн, измеряется в градусах или радианах). Фазовый сдвиг θн введен для придания уравнению (la) большей общности. Аналогично модулирующий сигнал может быть представ­лен как

ем=Амsin(ωмt+θм) (2a)

для AM, ЧМ и ФМ или в виде импульса в случае импульсной моду­ляции. Выражение ωм может быть использовано для обозначения скорее полосы частот, чем единичной частоты. Например, мы будем рассматривать AM в радиовещании, где модулирующий сигнал сос­тоит из полосы звуковых частот (20—16 000 Гц).

2. ВИДЫ МОДУЛЯЦИИ.

2.1. АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ (AM)

С качественной стороны амплитудная модуляция (AM) может быть определена как изменение амплитуды несущей пропорциональ­но амплитуде модулирующего сигнала (рис. 1, а). Для модулирующего сигнала болшой амплитуды

Рис. 1. Амплитудная модуляция (ωм<<ωн).

а - форма сигнала; б - спектр частот.

соответствующая амплитуда мо­дулируемой несущей должна быть большой и для малых значений Ам. Эта схема модуляции может быть осуществлена умножением двух сигналов: енем. Как будет видно из дальнейшего, это является особым случаем более общего метода модуляции. Для упрощения последующих математических преобразований видоизменим урав­нения (la) и (2а), опустив произвольные фазы θн и θм:

ен=Анcos(ωнt) (θн=π/2) (1б)

ем=Амcos(ωмt) (θм=π/2) (2б)

Произведением этих двух выражений является:

ен ем=Анcos(ωнt) ⋅ Амcos(ωмt) (3)

Уравнение (3) показывает, что амплитуда модулированной несу­щей будет изменяться от нуля (когда ωмt = 900, cos(ωмt)=0) до АнАм (когда ωмt = 00, cos(ωмt)=1). Член Амcos(ωмt) ⋅ Ан является амплитудой модулированных колебаний и прямо зависит от мгно­венного значения модулирующей синусоиды. Уравнение (3) может быть преобразовано к виду

(4а)

Это преобразование основано на тригонометрическом тождестве

(5)

Уравнение (4a) представляет собой сигнал, состоящий из двух колебаний с частотами ω1=ωн+ωм и ω2=ωн-ωм и амплитудами АнАм/2. Переписывая выражение для модулирован­ного колебания (4a), получим

(4б)

ω1 и ω2 называются боковыми полосами частот, так как ωм обычно является полосой частот, а не одиночной частотой. Следовательно, ω1 и ω2 представляют собой две полосы частот — выше и ниже не­сущей (рис. 1,б), т. е. верхнюю и нижнюю боковую полосу соответ­ственно. Вся информация, которую необходимо передать, содержит­ся в этих боковых полосах частот.

Уравнение (4б) было получено для особого случая, когда модулированный сигнал был результатом прямого перемножения ен на ем. В результате уравнение (4б) не содержит компонента на частоте несущей, т. е. частота несущей полностью подавлена. Такой тип модуляции с подавленной несущей иногда преднамеренно проек­тируется в системах связи, так как это ведет к снижению излучае­мой мощности. В большинстве таких систем излучается некоторая часть мощности на частоте несущей, позволяя тем самым приемному устройству настраиваться на эту частоту. Можно также передавать лишь одну боковую полосу, так как она содержит всю существенную информацию о модулирующем сигнале. Приемное устройство затем восстанавливает ем по модуляции одной боковой полосы.

Полное выражение, представляющее амплитудно-модулированное колебание в общем виде, имеет вид

ен ем=Анcos(ωнt)+ Амcos(ωнt)cos(ωмt) (6а)

Это выражение описывает как неподавленную несущую (первый член в правой части уравнения), так и произведение, т. е. модуля­цию (второй член справа). Уравнение (6a) можно переписать в виде

ен ем=(Ан+ Амcos(ωмt))cos(ωнt)= Анмcos(ωнt) (6б)

Последнее выражение показывает, как амплитуда несущей изме­няется в соответствии с мгновенными значениями модулирующего колебания. Амплитуда модулированного сигнала Анм состоит из двух частей: Ан — амплитуды немодулированной несущей и Амcos(ωмt) — мгновенных значений модулирующего колебания:

Анм=Ан+ Амcos(ωмt) (7)

Отношение Ам к Ан определяет степень модуляции. Для Ам=Ан значение Анм достигает нуля при cos(ωмt)=-1 (ωмt=180°) и Анм=2Ан при cos(ωмt)=1 (ωмt= 0°). Амплитуда модулирован­ной волны изменяется от нуля до удвоенного значения амплитуды несущей. Отношение

m= Ам/Ан (8)

определяет коэффициент модуляции. Для предотвращения искаже­ний передаваемой информации — модулированного сигнала — значение m должно быть в пределах от нуля до единицы: 0≤m≤1. Это соответствует Ам≤Ан. (Для m=0 Ам= 0, т. е. нет модулирующего сигнала.) Уравнение (6a) может быть переписано с введением m:

ен ем=Анcos(ωнt)(1+m⋅cos(ωмt)) (6в)

На рис. 2,а показана форма модулированных колебаний и ко­эффициент модуляции m выражен через максимальное и минималь­ное значения ее амплитуды (пикового и узлового значений). Рис. 2,б дает представление о спектре модулированных колебаний, который может быть выражен преобразованием уравнения (6):

(6г)

несущая верхняя боковая полоса нижняя боковая полоса

На рис. 2,в показан результат модуляции с коэффициентом m, превышающим 100%: m>1.

В таблице на рис. 3 приведены амплитуда и мощьность для каждой из трех частотных компонент модулированного колебания.

Рнс. 3. Мощность и амплитуда АМ-колебаний.

Для 100%-ной модуляции (m=1) и мощности несущей 1 кВт полная мощность модулированных колебаний составляет 1 кВт+(1/2)2 кВт+(1/2)2 кВт=1,5 кВт. Отметим, что при m=1 мощность, заключенная в обеих боковых полосах, составляет поло­вину мощности несущей. Аналогично при m=0,5 мощность в обе­их боковых полосах составляет 1/8 мощности несущей. Указанное выше имеет место лишь для синусоидальной формы AM. Амплитуд­ная модуляция может быть использована в передаче импульсных значений.

При обычной модуляции с двумя боковыми полосами, использу­емой в радиовещании, информация передается исключительно в бо­ковых полосах. Для того чтобы получить, например, хорошее ка­чество звука, необходимо работать в полосе частот шириной 2М, где М — ширина полосы высококачественного воспроизведения звука (20—20 000 Гц). Это означает, что стандартное АМ-радиовещание, к примеру, с частотами до 20 кГц должно иметь ширину полосы ±20 кГц (всего 40 кГц), учитывая верхнюю и нижнюю боковые по­лосы. Однако на практике ширина полосы частот по правилам ФКС ограничивается величиной 10 кГц (±5 кГц), которая предусматри­вает для радиопередачи звука ширину полосы всего лишь 5 кГц, что далеко от условий высококачественного воспроизведения. Радиовещание с частотной модуляцией, как это будет показано ниже, имеет более широкую полосу частот.

Федеральная комиссия связи также устанавливает допуски час­тоты всех распределений частот в США. Все АМ-радиовещание (535—1605 кГц) имеет допустимые отклонения в 20 Гц, или около 0,002 %. Эта точность и стабильность частоты может быть достигнута путем использования кварцевых генераторов.

Детектирование или демодуляция АМ-колебаний требует вы­прямления модулированного сигнала, сопровождаемого исклю­чением несущей частоты с помощью соответствующей фильтрации. Эти две стадии воспроизведения модулирующего сигнала могут быть продемонстрированы па примере колебания, изображенного на рис. 2, а. После выпрямления остается лишь половина колебания, а после фильтрации присутствует лишь его огибающая, которая явля­ется воспроизведенным сигналом.

На рис. 4 приведены функциональные схемы передающей и приемной систем с амплитудной модуляцией.

Рис. 4. АМ-система.

а-функциональная схема передатчика; б-функциональная схема приемника.

Передатчик содержит два источника: сигнала модуляции — от микрофона, проигрывате­ля и т.д. и несущей — от генератора с кварцевой стабилизацией. Модулирующий сигнал и несущая вводятся в модулятор, который вырабатывает модулированный сигнал, который затем передается через антенну. В большинстве передатчиков большой мощности мо­дуляция осуществляется в последнем каскаде системы для того, чтобы избежать необходимости усиливать модулированный сигнал. Усиление несущей и модулирующего сигнала происходит раздельно. Степень модуляции контролируется изменением амплитуды модуля­ции и поддержанием постоянной амплитуды несущей. С тех пор как передаваемая мощность стала лимитироваться ФКС, большинство радиовещательных станций имеет автоматическое управление и контроль мощности, как это показано штриховыми линиями на рис. 4,а.

Приемник (рис. 4,б) содержит высокочастотный усилитель, который усиливает сигнал, принятый антенной. ВЧ-усилитель на­страивается; его частота настройки может быть изменена (в диапазо­не радиовещания для АМ-приемников) для выбора нужной станции. Термин «избирательность», примененный к приемнику, относится к способности приемника выбирать отдельную станцию (частоту), не принимая при этом сигналов от примыкающих к ней станций. Например, если приемник имеет плохую избирательность, то при настройке на станцию WQXP (1560 кГц) может быть также принята другая, смежная станция WWRL (1600 кГц). Ясно, что приемник с такой плохой избирательностью является непригодным. Нужно так­же помнить, что ВЧ-усилитель должен иметь ширину полосы 5 кГц для звуковых сигналов (две боковые полосы требуют ширину поло­сы ±5 кГц вокруг частоты несущей). Таким образом, требуется по­лоса частот 10 кГц совместно с высокой избирательностью, которая означает очень крутые спады частотной характеристики перестраи­ваемого контура, обеспечивающие существенное ослабление сигна­лов вблизи выбранной частоты, но находящихся вне полосы частот ±5 кГц.

Приемник, показанный на рис. 4,б, является приемником или прямого усиления (сплошные линии), или гетеродинного типа (штри­ховые линии). В последнем принятый ВЧ-сигнал ωн смешивается с колебаниями от местного генератора-гетеродина ωг. В результате возникают два сигнала — с частотами ωг-ωн и ωг+ωн. Сиг­нал с разностной частотой ωг-ωн усиливается усилителем проме­жуточной частоты (УПЧ) и затем подводится к детектору. На рис. 4,б штриховыми линиями вместо сплошных линий между ВЧ-усилителем и детектором представлена функциональная схема гетеро­динного приемника. Такой метод приема позволяет настраиваться на любую станцию, в то время как промежуточная частота остается равной 455 кГц и легко усиливается усилителями с фиксированной частотой настройки. Отметим, что для того, чтобы настроиться на станцию, нужно изменять ωг и ωн одновременно, и, таким образом, разность ωг-ωн остается неизменной. Приемник гетеродинного типа имеет лучшую избирательность и гораздо большую чувстви­тельность. Минимально различимый им сигнал составляет 10 мкВ на антенне. Когда мы говорим «различимый», то подразумеваем пре­вышающий уровень шумов приемника.

1. ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ, ФАЗОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ

В методе частотной модуляции (ЧМ) амплитуда модулирующего сигнала управляет мгновенной частотой несущей. Идеальная ЧМ не вносит изменений в амплитуду несущей. Следовательно, форма напряжения модулированной несущей может быть выражена в виде

ечм=Анcos(ωнt+δ⋅sin(ωмt)) (9)

где ωн и ωм - соответственно несущая частота и частота модуля­ции, а δ - индекс модуляции. Частоты модулированного колеба­ния могут быть получены из выражения cos(ωнt+δ⋅sin(ωмt)) с ис­пользованием тригонометрических формул и специальных таблиц (функции Бесселя)..

Индекс модуляции δ определяется как Δωн/ωм=Δfн/fм - от­ношение максимальной девиации частоты (за один период модули­рующего сигнала) к частоте модуляции. Детальный анализ частот­ной модуляции сложен. Рассмотрим на примерах основные черты этого метода. Будем предпо­лагать наличие одиночной частоты модуляции ωм (ем=Амsin(ωмt)).

Девиация частоты Δωн прямо пропорциональна мгновенному значению модулирующего сигнала ем=Амsin(ωмt). Таким образом, Δωн можно выразить через ем:

Δωн=kfАмsin(ωнt) (10)

где kf - коэффициент пропорциональности, аналогичный по сво­ему характеру чувствительности; он дает девиацию частоты на 1 В (Δω/В). Следовательно, при ωнt=90° (sin(ωнt)=1) Δωн=kfАм - максимальная девиация частоты синусоидального модулирующего сигнала. Например, если sin(ωнt)=0,5, kf=2π⋅1000 (рад/с)/В=1000 Гц/В и Ам=10В, то мы получаем Δωн=2π⋅1000⋅10⋅0,5=2π⋅5000 рад/с, т. е. девиацию частоты несущей 5 кГц. Максималь­ное значение Δfн при этих условиях (sin(ωнt)=1) будет составлять 10 кГц. Отметим, что, так как sin(ωнt ) может быть равным +1 или -1, то Δfн макс=±10 кГц. Если задано значение fм, то можно вычис­лить индекс модуляции δ. Для fм=2000δ=10000/2000 (Δfн/fм ); таким образом, δ=5. Индекс модуляции должен быть всегда воз­можно большим, чтобы получить свободное от шумов верное воспро­изведение модулирующего сигнала. Девиация частоты Δfн в ЧМ-радиовещании ограничена величиной до +75 кГц. Это приводит к значению δ=75/15=5 для звукового модулирующего сигнала с максимальной частотой 15 кГц.

Исследуя изменения частоты несущей с ЧМ, есть соблазн прийти к выводу о том, что ширина полосы, необходимой для ЧМ-передачи, составляет ±Δωн, или 2Δωн, так как несущая меняется по частоте в пределах ±Δωн, т. е. ωчмаωн±Δωн.Этот вывод, однако, полностью ошибочен. Может быть показано, что ЧМ-колебания состоят из несущей и боковых полос аналогично AM с одним лишь существенным различием: при ЧМ существует множество боковых полос (рис. 5). Амплитуды боковых полос связаны весьма сложным образом с индексом модуляции. Отметим, что частоты боковых по­лос связаны лишь с частотой модулирующего сигнала ωм, а не с девиацией частоты Δωн. Для предыдущего примера, когда δ=5 и ωм=15 кГц (максимум), мы получаем семь пар полос (ωн±ωм, ωн±2ωм, ωн±3ωм, и т.д.) с изменяющимися амплитуда­ми, но превышающими значение 0,04Ан. Все другие пары за пре­делами ωн±7ωм имеют амплитуды ниже уровня 0,02Ан.

Первая пара боковых полос может быть описана как 0,33А⋅(sin(ωн+ωм)t+sin(ωн-ωм)t) имеет амплитуду 0,33 Ан; вторая пара - ωн±2ωм - имеет амплитуду 0,047Ан. Отметим, что амплитуды различных боковых полос не являются монотонно убывающими по мере того, как их частоты все более и более удаляются от ωн. Фактически в приведенном примере с δ=5 наибольшей пo амплитуде (0,4 Ан) является четвертая пара боковых полос. Амп­литуды различных боковых полос получены из специальных таблиц, описывающих эти полосы для различных значений δ. Очевидно, что ширина полосы, необходимая для передачи семи пар боковых полос, составляет ±7⋅15 кГц, или 14⋅15 кГц= 210 кГц (для fм=15 кГц). На этом же основании ширина полосы, необходимая для δ=10 (Δωн/ωм=10), равна 26fм; 13 боковых полос в этом случае составят 26⋅15=390 кГц. Таким образом, частотная модуляция требует значительной ширины полосы частот и, как следствие, ис­пользуется только при несущих с частотами 100 МГц и выше.

Рис. 5. Боковые полосы ЧМ.

ωн-несущая частота; ωм-частота модуляции.

Частотно-модулированная связь гораздо менее чувствительна к помехам. Шумы, попадающие в ЧМ-сигнал, будь то атмосферные возмущения (статические), тепловые шумы в лампах и сопротивле­ниях или любые другие шумы, имеют меньшую возможность влиять на прием, чем в случае AM. Основной причиной этого является по­просту тот факт, что большинство шумов амплитудно модулируют несущую. Делая приемник нечувствительным к изменениям амплиту­ды, практически устраняем эту нежелательную модуляцию. Вос­становление информационного сигнала из ЧМ-волны связано лишь с частотным детектированием, при котором выходной сигнал зависит лишь от изменений частоты ЧМ-сигнала, а не от его амплитуды. Большинство приемников содержит усилитель-ограничитель, который поддерживает постоянную амплитуду ЧМ-колебаний, устраняя тем самым любой АМ-сигнал.

Существуют различные методы ЧМ-детектирования и селекции. В основе большинства методов лежит использование наклона час­тотной характеристики резонансного контура (рис. 6). Амплитуда отклика изменяется с частотой. Для ωн+Δωн получаем амплиту­ду А1, для ωн-Δωн - амплитуду А2, а для частот между

Рис. 6. Принцип использования резонансного контура в качестве частот­ного детектора.

ωн+Δωн и ωн-Δωн имеем все промежуточные амплитуды меж­ду А1 и А2. Выходной сигнал соответствует девиации частоты вход­ного сигнала (хотя и не совсем линейно в простом резонансном кон­туре) и тем самым воспроизводит первоначальный модулирующий сигнал.

Цепь фазовой автоподстройки (ФАП), вскоре стала одним из наиболее распространенных средств ЧМ-детектировапия, особенно применительно к импульсным моду­лирующим сигналам. Некоторые схемы ФАП снабжены логическими выходными схемами, согласованными с соответствую­щими входными сигналами импульсной формы.

Как отмечалось ранее, ЧМ —лишь один тип угловой модуля­ции. Другим является фазовая модуляция. Эта модуляция очень похожа на ЧМ. При фазовой модуляции мгновенная фаза несущей из­меняется пропорционально мгновенной амплитуде модулирующе­го сигнала. Это приводит к изменению несущей частоты ωн, как вид­но из уравнения

ωфаз=ωн+kфωмАмsin(ωмt) (11)

где kф, - коэффициент пропорциональности, измеряемый в едини­цах рад/В. Фазовая и частотная модуляция часто используются в одной системе модуляции, так как прием и детектирование обеих идентичны.

Функциональные схемы передатчика и приемника с ЧМ почти те же, что и для AM. Ширина полосы частот ЧМ существенно шире, а несущая частота значительно выше (100 МГц и более). Более широ­кая полоса частот приводит к более верному воспроизведению вход­ных звуковых сигналов, так что звуки с частотами выше 5 кГц должны передаваться системами ЧМ. В приемниках с частотной мо­дуляцией иногда используется двойное гетеродинирование с двумя промежуточными частотами - 5 МГц и 455 кГц.

1. ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ (ИМ)

Импульсная модуляция (ИМ) не является в действительности каким-то особым типом модуляции. Этот термин характеризует ско­рее вид модулирующего сигнала. Далее различают импульсную амп­литудную и импульсную частотную модуляции. Здесь учитывают то, каким образом информация представлена — с помощью импульса или ряда импульсов. Можно рассматривать в качестве модулируе­мой величины амплитуду импульса, или его ширину, или его поло­жение в последовательности импульсов и т. д. Следовательно, су­ществует большое разнообразие методов импульсной модуляции. Все они используют в качестве формы передачи или AM, или ЧМ.

Рис. 7. Последовательность импульсов, отображающих число 37 в двоично-десятичном коде (младший значащий разряд первый).

Импульсная модуляция может быть использована для передачи как цифровых, так и аналоговых форм сигнала. Когда речь идет о цифровых сигналах, мы имеем дело с логическими уровнями — вы­соким и низким — и можем модулировать несущую (с помощью AM или ЧМ) рядом импульсов, который представляет цифровое значе­ние. Например, если для числа 37 передается код ДКД (двоично-кодированное десятичное число) 00110111, то для модуляции несу­щей просто должна использоваться указанная последовательность нулей и единиц. Каждый нуль может быть представлен уровнем 0В, а каждая единица — уровнем, например, 5В. Образован­ная в результате последовательность импульсов показана на рис. 7 вместе с совпадающим рядом синхронизирующих импульсов, необходимых для идентификации положения единиц и нулей. В указанной последовательности важен порядок импульсов. Сначала передается МЗДР (младший значащий десятичный разряд) 7, а за­тем СЗДР (старший значащий десятичный разряд) 3. В каждом де­сятичном разряде на первом месте старший двоичный разряд (бит).

Отметим, что, даже если все импульсы имеют полную амплитуду 5 В, обычно допускается изменение цифровых уровней в широком диапа­зоне напряжений, что не приводит к нарушению нормальной работы системы. Например, логический уровень «1» может изменяться в пре­делах от 2,4 до 5,5 В.

При использовании импульсных методов для передачи аналого­вых сигналов необходимо сначала преобразовать аналоговые данные в импульсную форму. Это преобразование также относится к моду­ляции, так как аналоговые данные используются для модулиро­вания (изменения) последовательности импульсов или импульсной поднесущей. На рис. 8,а показана модуляция синусоидальным сиг­налом амплитуд последовательности импульсов.

Рис. 8. Форма сигналов амплитудно-импульсной модуляции.

а—форма модулированного сигнала; б—воспроизведенная форма сигнала при низкой часто­те следования импульсов, Т1 — период последовательности импульсов; в — воспроизведенная форма сигнала при высокой частоте следования импульсов, Т2 — период последовательности импульсов.

Амплитуда каждого импульса в модулированной последовательности зависит от мгновен­ного значения аналогового сигнала. Синусоидальный сигнал может быть восстановлен из последовательности модулированных импуль­сов путем простой фильтрации. На рис. 8,б графически показан процесс восстановления первоначального сигнала путем соединения вершин импульсов прямыми линиями. Однако восстановленная на рис. 8,б форма колебаний не является хорошим воспроизведени­ем первоначального сигнала из-за того, что число импульсов на пе­риод аналогового сигнала невелико. При использовании большего числа импульсов, т. е. при большей частоте следования импульсов по сравнению с частотой модулирующего сигнала, может быть достигнуто более лучшее воспроизведение (рис. 8,в). Этот процесс амплитудно-импульсной модуляции (АИМ), относящийся к модуля­ции поднесущей последовательности импульсов, может быть выпол­нен путем выборки аналогового сигнала через постоянные интерва­лы времени импульсами выборки с фиксированной длительностью. Импульсы выборки — это импульсы, амплитуды которых равны ве­личине первоначального аналогового сигнала в момент выборки. Частота выборки (число импульсов в секунду) должна быть по край­ней мере в два раза большей, чем самая высокая частота аналогового сигнала. Для лучшей воспроизводимости частота выборки обычно устанавливается в 5 раз большей самой высокой частоты модуляции.

АИМ является только одним типом импульсной модуляции. Кро­ме него существуют:

ШИМ — широтно-импульсная модуляция (модуляция импуль­сов по длительности);

ЧИМ — частотно-импульсная модуляция;

КИМ — кодово-импульсная модуляция.

Широтно-импульсная модуляция преобразует уровни выборок. напряжений в серии импульсов, длительность которых прямо пропорциональна амплитуде напряжений выборок (рис. 9,а). Отме­тим, что амплитуда этих импульсов постоянна; в соответствии с мо­дулирующим сигналом изменяется лишь длительность импульсов. Интервал выборки — интервал между импульсами — также фик­сирован.

Частотно-импульсная модуляция преобразует уровни выборок напряжений в последовательность импульсов, мгновенная частота которых, или частота повторения, непосредственно связана с вели­чиной напряжений выборок. И здесь амплитуда всех импульсов оди­накова, изменяется только их частота. По существу все аналогич­но обычной частотной модуляции, лишь несущая имеет несинусои­дальную форму, как в случае обычной ЧМ; она состоит из последо­вательности импульсов.

Кодово-импульсная модуляция преобразует выборки напряжения в кодированное сообщение. К примеру, дискретный уровень, равный 5,5 В, может быть представлен двоичным числом 101.101=5,5 с помощью аналого-цифрового преобразователя. Кодовое сообщение 101.101 представляет собой некоторую выборку напряжения Vs. Подобным кодированием (в данном случае двоичным кодом) преоб­разуют каждую выборку. Последовательность таких кодовых сооб­щений представляет собой серию чисел, описывающих последова­тельные выборки. Код может быть любым: двоичным с шестью раз­рядами, как представленный выше, или двоичным кодом с N разря­дами, или двоично-кодированным десятичным и т. д. (рис. 7).

Рис. 9. Широтно-импульсная модуляция.

Приведенные выше модуляционные схемы — лишь некоторые представители большого числа используемых методов. Подчеркнем, что рассмотренная здесь ИМ-модуляция относится к модуляции поднесущей, т. е. модуляции последовательности импульсов, которые затем используются в системах AM или ЧМ. Речь идет о двух сле­дующих друг за другом модуляциях. Во-первых, информация мо­дулирует последовательность импульсов. Здесь может быть исполь­зована АИМ, ШИМ, ЧИМ, КИМ или любой другой вид модуляции. Во-вторых, содержащая информацию поднесущая модулирует синусоидальную несущую.

Частотно-импульсная модуляция синусоидальной несущей при­водит к Δωн -девиации частоты несущей скачкообразным отклонени­ем от несущей. Например, частотная модуляция логических уровней «0» и «1» (0 В и 5В) дает две частоты — ωн (для логического уровня «0») и ωн+Δωн (для уровня «5»). По существу, мы просто сдви­гаем частоту несущей от ω к ωн+Δωн для изображения логичес­кого уровня «1». Этот тип частотной модуляции называется также и частотной манипуляцией и обычно используется в передаче сигналов с помощью телеграфа и других цифровых устройств связи. Для вос­становления логических уровней из частотно-манипулированной несущей может быть использована цепь фазовой автоподстройки (ФАП).

Методы импульсной модуляции очень широко распространены в приложениях телеметрии.

1. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ.

3.1. ТЕЛЕМЕТРИЯ.

Телеметрией называется проведение измерений на расстоянии и передача данных к месту их обработки и (или) хранения. Типич­ная телеметрическая система содержит, как показано на рис. 10, три основные части:

Рис. 10. Типичная телеметрическая система.

1) источник данных, который обычно является датчиком, преобразующим измеряемые параметры в электрические сигналы; 2) способ передачи данных; 3) приемное устройство и вос­становление переданных данных. Содержание этого раздела будет сконцентрировано на различных методах передачи. Рассматривая методы телеметрии, будем сосредотачивать внимание на способах, обеспечивающих наиболее эффективное использование линии связи.

Что подразумевается под эффективным использованием линии связи, показывает следующий пример. Рассмотрим амплитудную модуляцию несущей с частотой 100 МГц (рис. 11). Предположим, что допустимая ширина полосы передачи составляет ±5 кГц. Ин­формация, модулирующая несущую, имеет ширину полосы частот 1 кГц. Из того, что мы знаем об амплитудной модуляции, находим, что модулированная несущая будет иметь полосу 100 МГц ± 1 кГц. Это — полоса, необходимая для передачи данных с по­лосой 1 кГц. Ясно, что будет непроизводительно при полосе ±5 кГц занимать передаваемой информацией только полосу ±1 кГц. Теоретически в полосе ±5 кГц можно передать пятикратное число дан­ных, содержащихся в полосе 1 кГц. Вообще говоря, на одной несу­щей 100 МГц мы могли бы передавать пять каналов данных с поло­сами по 1 кГц. Для такого увеличения эффективности передачи раз­работаны разные методы. Чаще всего используются методы частот­ного разделения (или частотного уплотнения каналов) и временного разделения (или временного уплотнения каналов).

Рис. 11. Несущая 100 МГц с амплитудной модуляцией, ωм=0±1 кГц, разрешенная полоса ωр=±5 кГц.

1. Частотное разделение каналов (частотное уплотнение линии связи).

Типичная для телеметрии несущая частота 230 МГц может быть использована с полосой ±320 кГц (стандарты ВМФ н ВВС США). Это означает, что при использовании ее в амплитудной модуляции (AM) информация, которую можно передать без искажений, может иметь ширину полосы 320 кГц. Однако большинство приложений телеметрии оперирует сигналом с гораздо более узкой полосой. Для определенности положим, что ширина полосы частот сигнала составляет 4 кГц. Вместо непосредственной модуляции этим сигна­лом несущей 230 МГц можно сначала модулировать поднесущую с частотой, к примеру, 32 кГц. Модуляция поднесущей образует сиг­нал с частотой 32 ± 4 кГц (в случае AM). Промодулированной под­несущей можно теперь модулировать несущую 230 МГц. На рис. 12 показаны частотные полосы, использованные в такой передаче. Ос­тальная часть полосы ±320 кГц не используется. Имеется возмож­ность использовать и другую поднесущую, например 44 кГц, для другого источника данных с аналогичной полосой и получить моду­лированную поднесущую 44 ± 4 кГц (показанную штриховыми ли­ниями на рис. 12). Очевидно, что можно заполнить разрешенную полосу частот ± 320 кГц большим числом поднесущих, перено­сящих информацию от большого числа источников. В этом примере полоса частот информации была произвольно ограничена значением 4 кГц. Можно отметить, что модулированные поднесущие отделяет неисполь­зованная полоса (здесь 4 кГц), 32 ± 4 кГц (полоса от 28 до 36 кГц) и 44 ± 4 кГц (от 40 до 48 кГц), т. е. имеется пустой интервал 4 кГц между высшей частотой нижней поднесущей (36 кГц) и низшей часто­той верхней поднесущей (40 кГц). Это отделение необходимо, чтобы предотвратить взаимные помехи между каналами и позволить осу­ществить разделение поднесущих на приемном конце системы. Рас­смотренный пример представляет собой АМ/АМ-телеметрическую систему, где как поднесущая, так и несущая являются амплитудно-модулированными.

Рис. 12. Поднесущие: несущая частота 230МГц, полоса поднесущей ±4 кГц.

Уплотнения в два раза можно достигнуть благодаря использова­нию передачи на одной боковой полосе, т. е. передачи сигнала модули­рованной поднесущей, состоящего только из верхней полосы 32— 36 кГц или из нижней полосы 28—32 кГц. Всякий раз, когда это возможно, используется такая однополосная передача. На рис. 13 показан ряд частотных фильтров, которые требуются при разделе­нии каналов с двумя боковыми полосами (рис. 12).

Рис. 13. Фильтрация при частотном разделении.

Здесь F1, F2 и F3 — три поднесущие, a Δf1,Δf2 и Δf3 — полосы частот этих поднесущих (в данном случае ±4 кГц = 8 кГц). Для обеспечения минимального взаимного влияния необходимо, чтобы точка пересе­чения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) фильтров была бы на 80 дБ ниже максимума. Необходимо подчеркнуть, что Δf1,Δf2 и Δf3 не обязательно должны быть одинаковыми: их значения определяются характером информации. На рис. 14 приведена уп­рощенная функциональная схема трехканальной системы связи с частотным разделением.

Рис. 14. Частотное разделение. Функциональная схема передатчика и приемника с тремя каналами.

Каждый источник данных модулирует поднесущую определен­ной частоты. Источник № 1 связан с поднесущей частотой F1 и т. д. Все модулированные поднесущие затем объединяются смесите­лем для модуляции несущей и передаются к приемнику. Приемник воспроизводит исходный сигнал, который модулировал несущую, а именно набор поднесущих. Поднесущие разделяются набором час­тотных фильтров, каждый из которых создает полосу пропускания, согласующуюся с определенной поднесущей. Фильтр 1 пропускает полосу частот вокруг центральной частоты F1 поднесущей 1 и т. д. (рис. 13). Выходной сигнал каждого фильтра состоит из амплитуд­но-модулированной поднесущей, модулирующий сигнал которой соответствует определенному источнику данных. Отметим, что в схеме используются два детектора. Первый «детектирует» или вос­производит модуляцию несущей, в то время как второй восстанавли­вает модуляцию поднесущей. Этого и следовало ожидать, так как система состоит из двух последовательных амплитудных модуляции (АМ/АМ). Таким образом, имеется система связи, в которой для каж­дого источника данных предназначен определенный диапазон частот. Для обеспечения приема на двойной полосе каждый фильтр должен обладать полосой пропускания для двух частотных диапазонов, со­ответствующих верхней и нижней боковой полосе. Обе боковые по­лосы определенного капала затем объединяются для образования выходного сигнала этого канала.

Система, рассмотренная выше, является АМ/АМ-системой. Дру­гие схемы модуляции, такие, как AМ/ЧМ или ЧМ/ЧМ, часто исполь­зуются в телеметрии.

Использование спектра радиочастот для телеметрии и других приложений регулируется различными правительственными учреж­дениями США. Комиссия по радиодиапазонам (IRIG) выпустила набор стандартов для телеметрии, пересмотренный в мае 1973 г. Обсудим некоторые из этих стандартов, имеющие отношение к ЧМ/ЧМ-системам телеметрии.

Для применений телеметрии предназначен 21 канал с центрами поднесущей, расположенными в пределах от 400 Гц до 165 кГц. Подробные сведения о всех несущих приведены в таблице на рис. 15.

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 Δf равна отноше­нию девиации частоты к индексу модуляции, т.е. Δf = 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 Δf как T=0,35/Δf (где T - в мс, а Δf - 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.

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.

1. 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.

1. 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.

1. 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.

На рис. 19 показаны формирователи сигналов, предназначенные для уси­ления и формирования сигналов преобразователя (датчика). Форми­рователь сигналов обычно необходим, так как большинство сигна­лов от датчиков имеет величину порядка милливольт. Узел обработ­ки аналоговой информации включает в себя аналоговый уплотни­тель с подуплотнителем или подкоммутатором, схему выборки с удержанием и аналого-цифровой преобразователь.

Рис. 19. Функциональная схема типичной телеметрической КИМ-системы.

Цифровая инфор­мация вводится через параллельно-последовательный преобразова­тель, так как большинство цифровых данных приходит параллельно, а затем через цифровой уплотнитель каналов. Это означает, что ряд источников аналоговых и цифровых данных коммутируются и груп­пируются для образования последовательности КИМ-значений. Аналого-цифровой кодовый селектор (на первой части диаграммы) управляет последовательностью коммутации данных и вводит сиг­нал в шифратор, который предназначен образовывать подходящие уровни и коды, пригодные для радиолинии или проволочной переда­чи. (Эта подсистема может быть использована вместе с одной лишь поднесущей.) На рисунке показан генератор синхрокода и иденти­фикации такта. Синхрокод обеспечивает тактовую синхронизацию. Для метода КИМ обычным является использование полной кодовой группы с особым кодом, которая встречается лишь один раз за такт (в течение интервала синхроимпульса). Эта синхронизирующая кодовая группа выполняет функции тактового синхроимпульса. Временной контроль подсистем обеспечивается точным импульсным генератором с набором делителей частоты и различных логических схем контроля. Рассматриваемая подсистема способна обрабаты­вать кодовые группы от 1 до 16 бит и такты длиной от 1 до 32 кодо­вых групп; число подтактов может быть от 2 до 32. Скорость, с кото­рой работают различные узлы схемы (т. е. частота бит, частота так­тов), контролируется основным блоком контроля; предусмотрен широкий диапазон этих частот.

В настоящее время в большом количестве производится особый класс телеметрической аппаратуры — «модем». Модем ( от слов модуляция и демодуляция) управляет модуляцией и демодуляцией сигналов телеметрии. Цифровые модемы возникли в связи с широким распространением цифровой техники. Они манипу­лируют только цифровыми данными аналогично подсистеме, изо­браженной на рис. 19. Применяемый способ модуляции и демоду­ляции меняется от модуля к модулю. При чрезмерной скорости следования последовательных кодовых групп цифровых данных модем преобразует их в несколько параллельных замедленных строк, которые используются в системе с уплотнением каналов по частоте. Например, скорость 1200 бит/с получена с помощью 16-канального частотного уплотнения телефонной линии с полосой 375—3025 Гц. Каждый из 16 каналов переносит частотно-манипулированные данные со скоростью 75 бит/с для передачи со скоростью 75⋅16 = 1200 бит/с. Каналы отстоят друг от друга на 170 Гц, начи­ная с 425 Гц и кончая 2975 Гц. Частотно-манипулированный сигнал состоит из сдвига тона на 85 Гц, сосредоточенного около определен­ной частоты канала fн. Фактически образуются три различимых уровня: fн + 42,5 Гц, fн - 42,5 Гц и fн. Последний уровень не не­сет информации. Следовательно, как импульс, так и пауза (или ло­гические «1» и «0») обособлены и отделены от частоты канала.

Фильтры приемного устройства демодулируют 16 частотно-ма-нипулированных каналов и объединяют их для образования перво­начальной последовательной кодовой группы.

Некоторые модемы вместо частотной манипуляции используют фазовую манипуляцию. Этот метод сдвигает фазу тона в телефонном канале с частотным уплотнением по отношению к опорному сигналу. Обычно фазовые сдвиги на 45, 135, 225 и 315° представляют 2 бита (две логические группы «0» и «1»). Фазовый сдвиг затем измеряется или детектируется в приемном устройстве, и вырабатывается соот­ветствующий логический уровень.

Рассмотренные выше модемы используют узкополосный канал передачи, однако использованные методы пригодны и для широко­полосной передачи. Большим преимуществом широкополосной пере­дачи являются очень высокие частоты следования данных, которые могут быть получены, благодаря чему исключается необходимость последовательно-параллельного преобразования данных. Такие ши­рокополосные системы обычно работают на линиях СВЧ, где шумо­вые эффекты менее вредны. Например, полоса 48 кГц допускает пол­ную скорость передачи информации 48 кбит/с. Теоретически возмож­ны и скорости до 3,8 Мбит/с.

3.1.6.Другие системы связи.

Наиболее общими системами связи являются радиовещание и те­левидение. Федеральной комиссией по связи (ФКС) для радиовещания отведены две области частот. Коммерческое радиовещание ис­пользует для АМ-передач частоты 535—1605 кГц с полосой 10 кГц на один канал. Для частотной модуляции используется диапазон 88—108 МГц с шириной полосы канала 200 кГц: всего 100 каналов, начиная с номера 201 (88,1 МГц) по номер 300 (107,9 МГц). Коммер­ческое ЧМ-радиовещание в противоположность другим ЧМ-передачам ограничено каналами 221—300. Коммерческое телевидение располагает 82 каналами (от номера 1 до 83) в диапазоне частот 44—890 МГц. Распределение ТВ-каналов приводится в таблице на рис. 20.

Рис. ­20. Распределение ТВ-каналов.

Ширина полосы телевизионного канала составляет 6 МГц. Максимальная девиация частоты для коммерческого ЧМ-вещания равна ±75 кГц. Это означает, что индекс модуляции для модулированного сигнала на частоте 15 кГц равен 5 (15 кГц — верхняя граница зву­ковых частот). Индекс модуляции 5 дает 7 пар боковых полос зна­чительной амплитуды или общую полосу 7⋅2⋅15 = 210 кГц. Таким образом, предназначенная для одного канала полоса 200 кГц почти достаточна для полной передачи звукового сигнала 15 кГц. Полоса 10 кГц АМ-передач (фактическая полоса по уровню —3 дБ состав­ляет около 9 кГц) допускает максимум звуковой частоты 5 кГц. Как видно, ЧМ-передача обеспечивает гораздо более широкую поло­су и, следовательно, более полное воспроизведение звукового диапа­зона в целом (20 Гц —15 кГц). Для сравнения будет показано ниже, что звуковое ТВ-сопровождение обеспечивается максимальной де­виацией ±25 кГц, что приводит к коэффициенту модуляции 25/15 = 1,67 (для звуковой частоты 15 кГц). Это в свою очередь приводит к трем парам боковых полос со значительной амплитудой и к необ­ходимой полосе частот 2⋅3⋅15 = 90 кГц. Фактическая передавае­мая полоса составляет от 50 до 80 кГц и недостаточна для полного воспроизведения звукового диапазона в целом.

AM- и ЧМ-радиовещанне следует стандартным методам. Функ­циональные схемы AM- и ЧМ-систем представлены на рис. 21 и 22.

Рис. 21. Функциональная схема системы амплитудной модуляции.

Рис. 22. Функциональная схема системы частотной модуляции.

Оба приемника для получения промежуточной частоты (ПЧ) используют методы смешения частот. Основное преимущество мето­да преобразования частоты в промежуточную основано на том, что промежуточная частота фиксирована и, следовательно, удобна для усиления в резонансных усилителях с фиксированной частотой на­стройки. Используемая в АМ-приемниках промежуточная частота 455 кГц является частотой биений (разностной частотой) между коле­баниями от местного генератора-гетеродина fг и входным сигна­лом fн. Таким образом, ПЧ = fг - fн. При изменении настройки изменяются как fг, так и fн, но их разность остается неизменной. ЧМ-приемники имеют промежуточную частоту 10,7 МГц. АМ-детектор состоит из простого выпрямителя и высокочастотного фильт­ра, который воспроизводит огибающую модулированного сигнала. ЧМ-дискриминатор воспроизводит звуковой сигнал путем преобра­зования девиации частоты fн в соответствующее напряжение. Для частотной дискриминации разработано большое число схем. Заслуживает внимания тот факт, что ЧМ-детектору предшествует ограничитель уровня. Амплитуда сигнала поддерживается на постоянном уровне; это уменьшает по­мехи, которые обычно свойственны амплитудной модуляции.

Телевизионная передача несколько более сложна, так как она использует методы и амплитудной, и частотной модуляций.

Рис. 23. Функциональная схема ТВ-линии связи.

ТВ-линия связи содержит три основные группы информации. Во-первых, ТВ-камерой генерируется сигнал изображения, соответствующий форме и яркости образа. Телекамера развертывающая изображение по горизонтали и вертикали, управляется схемами развертки и синхронизации. Для обеспечения син­хронизации развертки изображения на экране кинескопа приемника с разверткой камеры на приемник передаются синхроимпульсы. Строка за строкой на экране сформируется изображение в строгом соответствии с построчным сканированием образа передающей ка­мерой. Наконец, для воспроизведения звукового сопровождения паредаваемой сцены необходимы сигналы звуковой частоты. Видео­сигнал (сигнал изображения) н синхроимпульсы модулируют по амплитуде высокочастотную несущую, в то время как сигналы зву­ковой частоты передаются с помощью частотной модуляции. Для пе­редачи обоих сигналов (ЧМ и AM) используется полоса частот 5 МГц ТВ-канала.

Для того чтобы получить высококачественное изображение, необходимо разрешение телекамеры порядка 0,0025 см. Это означа­ет, что каждый участок экрана телекамеры размером 0,0025 см обра­зует свой локальный яркостный сигнал. Реальный образ фокуси­руется на экран телекамеры, покрытый большим числом миниатюр­ных (фотоэлементов (размером 0,0025 см), которые и вырабатывают фото-э. д. с. в соответствии с интенсивностью падающего на них све­та. Эти напряжения снимаются последовательно, образуя непрерыв­ный поток сигналов, в котором каждый уровень сигнала соответст­вует свету, падающему на соответствующий фотоэлемент. Совокуп­ный сигнал является видеосигналом (сигналом изображения). Вы­борка производится от точки к точке слева направо. Каждая гори­зонтальная линия развертки (около 4000 фотоэлементов) образует строчку видеозначений, которые используются в приемном устрой­стве для воспроизведения яркостных изменений изображения. 525 таких линий полностью покрывают экран телекамеры и,таким об­разом, содержат видеосигнал, соответствующий реальному образу. Синхронизирующие импульсы поддерживают временную зависи­мость между разверткой телекамеры и разверткой приемной ЭЛТ (кинескопа), так что положение объектов в реальной картине со­храняется и на экране кинескопа.

Как отмечалось ранее, посредством амплитудной модуляции или, точнее, на частично подавленной боковой полосе частот передается видеосигнал, содержащий также и синхронизирующие импульсы. Как показано на рис. 24, полоса 6 МГц (по уровню — 20 дБ) теле­визионного канала содержит 4,2 МГц верхней боковой полосы час­тот и 0,75 МГц нижней полосы.

Рис. 24. Распределение частот в пределах полосы стандартного телевизионного канала.

Это означает, что основная часть сиг­налов изображения передается на одной боковой полосе. Низкочастотные видеосигналы (менее 0,75 МГц) передаются с двумя боковы­ми полосами, в то время как высшие видеочастоты передаются с од­ной боковой полосой (полностью передается только верхняя боковая полоса). Как показано на рисунке, ЧМ-несущая (несущая звука) расположена на 4,5 МГц выше несущей канала изображения. Телевизионный приемник разделяет эти две несущие для выработки ви­деосигнала в одном канале и звукового сигнала в другом. Видео­сигнал в свою очередь разделяется, образуя синхронизирующие импульсы и сигналы изображения. Последние модулируют по инсивности электронныи пучок кинескопа, воспроизводя передаваемое изображение.

На рис. 25 приведена более детальная (функциональная схема ТВ-приемника. Как показано на схеме, несущая звука снимается либо с блоков НЧ-канала изображения на уровне УВЧ (fн=15 МГц), либо с видеоусилителя на частоте 4,5 МГц путем фильтрации в видеодетекторе. Затем два типа сигналов (звуковые и видео) обра­батываются раздельно для образования выходных сигналов звука и изображения.

Рис. 25. Блок-схема ТВ-приемника с черно-белым изображением.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Электрическая связь - это огромный комплекс передачи, приема и обработки информации, построение которого в немалой степени обязано достижениям радиотехники, зародившейся как самостоятельная и техническая дисциплина.

Отличительная особенность нашего времени - непрерывно возрастающая потребность в передаче потоков информации на большие расстояния. Это обусловлено многими причинами, и в первую очередь тем, что электрическая связь стала одним из самых мощных рычагов управления.

Претерпевая значительные изменения, становясь многосторонней и всеобъемлющей, электрическая связь становится все более интегрированной в мировое телекоммуникационное пространство.

5. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Г. Зангер. «Электронные системы» 1980 г.
2. В. В. Мигулин «100 лет радио» 1995 г.
3. А. С. Касаткин «Электротехника» 1965 г.
4. В. Г. Герасимов «Основы промышленной электроники» 1986 г.