Радиолиния передачи телеметрической информации

ВВЕДЕНИЕ

Телеметрия является одной из молодых и быстро развивающимся отраслей науки и техники. Она связана с измерениями различных физических величин и передачей на расстояние этих измерений. Передача данных на расстояние диктуется во многих случаях невозможностью присутствия человека вблизи объекта контроля. Телеметрическая информация используется для изучения реально протекающих процессов, проверки правильности научных гипотез и технических решений. Измерительная информация дает возможность контролировать состояние удаленного объекта и управлять им. Параметры космического пространства, радиационные пояса Земли, данные атмосферы Венеры и многие другие сведения стали известны людям благодаря телеметрии. Успехи телеметрии и особенно радиотелеметрии неразрывно связаны с достижениями ряда важнейших отраслей народного хозяйства, реактивной авиации и ракетно-космической техники, с высоким уровнем всех смежных областей науки и техники.

В эпоху, когда всё в большей мере проявляется роль науки как непосредственной производительной силы, главными становятся уже не отдельные ее достижения, какими бы блестящими они ни были, а высокий научно-технический уровень всего производства. Телеметрические системы широко применяются в промышленности и в медицине, при исследованиях земных глубин, океанов и атмосферы, в биологии и в космосе.

Дистанционный контроль энергетических систем, измерение параметров атмосферы в забоях шахт, океанографические исследования. автоматическое измерение температуры, давления и влажности воздуха, скорости и направления ветра труднодоступных точках земного шара, контроль на расстоянии состояния тяжелобольных, измерение параметров ядерных реакторов на атомных электростанциях — таков далеко не полный перечень областей использования телеметрии в народном хозяйстве.

Средства телеметрии, особенно радиотелеметрические системы, используются в процессе испытания различных видов техники. Являясь средством получения информации о реально протекающих процессах, телеметрические системы дают огромный экономический эффект, так как их применение сокращает длительность и объем проведения дорогостоящих экспериментальных работ, например, при реализации космических программ, при исследованиях в ядерной физике, а также во многих отраслях промышленности. Научные основы радиотелеметрии были заложены в результате развития теории информации, многоканальной связи и математических методов обработки информации. Создание и практическое использование современных систем передачи и обработки телеметрической информации стали возможными благодаря достижениям полупроводниковой электроники, электронно-вычислительной техники и приборостроения.

В последнее время, где все требование к быстродействию систем передачи данных по каналу связи играет важную роль, необходимо было применить цифровую телеметрическую систему связи, которая отличается от аналоговой системы связи рядом особенностей и преимуществ основными из которых являются:

высокая помехоустойчивость и надежность связи, возможность скрытности работы и т. д.;

важнейшие этапы преобразования сигналов и сообщений могут быть осуществлены с очень малыми погрешностями, в основе которых лежат простейшие логические операции типа «да — нет «, «и «, «или «и т.п.;

возможность регенерации (восстановления) цифровой последовательности, существенно искаженной различными помехами при передаче по линии связи (ЛС), что позволяет значительно ослабить эффект накопления искажений при передаче информации на большие расстояния;

цифровые системы принципиально более гибкие, чем аналоговые, позволяют применять более совершенные методы передачи и приема информации и способы их реализации;

высокие качественные показатели систем.

Успехи телеметрии связаны с именами как советских, так и зарубежных ученых и инженеров. Среди советских ученых следует отметить работы А. П. Мановцева, И. М. Теплякова, Г. А. Шастовой, Ф. Е. Темникова, В. Н. Типугина и многих других.

1. Анализ технического задания В соответствии с ТЗ необходимо спроектировать радиолинию передачи телеметрической информации, использующую полудуплексный информационный обмен (двусторонный симплекс). Это требование ТЗ позволяет считать возможным использование одного частотного канала для передачи и приема. При этом не указана рекомендуемая частота радиосигнала. Судя по содержанию ТЗ, проектируемая радиолиния может рассматриваться как часть некоторой системы метеорологического мониторинга с использованием контрольных пунктов КП обслуживаемых и необслуживаемых (работающих автоматически), расположенных как в легко доступных местах так, и в труднодоступных (например, в гористой местности, в малонаселённых местах тундры, тайги и.т.п.)

Конфигурация такой системы изображена на рисунке 1, и имеет название «звезда»

Рисунок 1.1

Где ЦП — центральный пункт сбора, обработки и архивирования информации, получаемой от контрольных пунктов КП, имеющих в своем составе необходимый комплекс датчиков метеорологических параметров.

В перспективе проектируемая радиолиния может быть использована в составе систем метеорологического мониторинга на значительной территории путем придания контрольным пунктам дополнительной функции ретрансляции сигналов более удаленным пунктам и ретрансляции обратных каналов к центральному пункту ЦП.

Конфигурация такой системы изображена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2

В дальнейшем будем рассматривать только радиолинию ЦП — КП, пологая, что все другие радиолинии сети Рис. 1.1 может покрывать территорию с радиусом равным r = 20 км, т. е площадь Сравнительно небольшая протяженность радиолинии позволяет ориентировочно наметить диапазоны частот возможные для использования. Здесь следует руководствоваться несколькими критериями: степенью поглощения радиоволн в атмосфере на трассе распространения габаритными размерами антенны, обеспечивающими желаемую форму диаграммы направленности и характер распространения радиоволн на трассе. С точки зрения габаритных размеров и простоты конструкции антенны, частота излучения может быть расположена в нижней части метрового диапазона радиоволн либо в дециметровых диапазонах.

При выборе частоты следует также руководствоваться принятым международными организациями и комитетом радиочастот России распределением радиочастотного ресурса между радиосистемами различного назначения. (Регламент радиосвязи). Выбор конкретной частоты излучения (длины волны) произведем в соответствующем разделе при расчете системных параметров радиолинии.

Важным вопросом ТЗ является характеристика измеряемых метеорологических параметров (диапазон, границы диапазона, разрешение). Эти характеристики не определены в ТЗ. Поэтому необходимо их принять таким, какие они имеют в аналогичных разработках, а также из справочных данных по используемым датчикам (сенсорам) соответствующих параметров. Этим характеристикам посветим соответствующий раздел расчетно-пояснительной записки.

Регламент обмена информацией между ЦП и КП, заданный в ТЗ, позволяет судить лишь о том, что в обмене используется два вида пакетов: запросный (от КП к ЦП) и ответный (от КП к ЦП): такой обмен характерен стационарному режиму работы системы. Возможно, в регламент обмена следует включить режим экстренной передачи информации от КП к ЦП в нештатных ситуациях на КП. Подробнее этот вопрос будет рассмотрен ниже ТЗ неопределенна выделенная полоса частот радиоканала. Будем считать что она не должна превышать 12 кГЦ (как для радиостанции передачи речевых сигналов в низовой радиосвязи. Однако, окончательное решение можно принять после соответствующих расчетов, при выполнении которых следует стремиться максимально возможно сужать спектр излучаемого сигнала).

ТЗ предусмотрена всепогодность радиолинии, что означает, что радиолиния должна выполнять свои функции при любых мысленных погодных условиях. Примем для определенности эти условия в виде сильного дождя на всей дистанции с интенсивностью 16км/час при положительной нормальной рефракции радиоволн в атмосфере.

2. Структурная схема и системотехнический расчет

2.1 Режимы работы системы и протокол обмена

Чтобы компьютер мог работать, необходимо, чтобы в его оперативной памяти, находилась программа и данные. А попадают они туда из различных устройств компьютера — клавиатуры, дисководов и т. д. Иногда по традиции эти устройства называют внешними, хотя некоторые из них могут находиться внутри системного блока. Результаты выполнения программ также выводятся на различные устройства — монитор, принтер, диски и т. д.

Обмен информацией между оперативной памятью и устройствами (они называются устройствами ввода-вывода) не происходит непосредственно: между любым устройством и оперативной памятью имеется два промежуточных звена:

Для каждого устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером, или адаптером. Некоторые контроллеры (например, контроллер дисков) могут управлять сразу несколькими устройствами.

Все контроллеры (адаптеры) взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, которую в просторечии называют шиной.

Контроллеры портов ввода-вывода

Одним из контроллеров, которые присутствуют почти в каждом компьютере, является контроллер портов ввода-вывода. Часто этот контроллер интегрирован в материнскую плату. Контроллер портов ввода-вывода соединяется кабелями с разъемами на задней стенке компьютера, через которые к компьютеру подключается принтер, мышь и некоторые другие устройства.

Порты ввода-вывода бывают следующих типов:

Параллельные (обозначаемые LTP1-LTP4), к соответствующим разъемам на задней стенке компьютера (имеющим 25 гнезд), обыкновенно подключаются принтеры.

Последовательные (обозначаемые COM1-COM3). К соответствующим разъемам на задней стенке компьютера (имеющим 9 или 25 штырьков), обычно присоединяют модем и другие устройства.

Замечание:

Параллельные порты выполняют ввод и вывод с большой скоростью, чем последовательные (за счет использования большего количества проводов в кабеле).

Некоторые устройства (скажем, отдельные высокоскоростные модемы «приемо-передающие устройства») могут подключаться и к параллельным и к последовательным портам.

2.1 Структурная схема системы

2.1.1 Режим работы системы

В соответствии с тактическим назначением системы и имущества временными ресурсами целесообразно организовать ее работу в трех рамках:

1. стационарный режим работы, когда экологическая обстановка нормальной. В этом режиме центральный пункт периодический примерно один раз в час запрашивает данные от контрольного пункта .

2. режим нештатных ситуаций. В этом режиме запрос данных должен производиться чаще, чем в стационарном режиме, Например каждые 10 минут

3. режим тестирования и отладки. В этом режиме по воле оператора центрального пункта обмен пакетами информации осуществляется так, как этого требует ситуация. Например, «запрос — ответ» повторяются с максимально возможной частотой, либо в стационарном режиме нарушается график регулярного обмена.

2.1.2 Протокол обмена

Во всех режимах работы системы прием-передающая аппаратура может находиться в состоянии передачи, либо в состоянии приема (симплексный обмен)

Приемники центрального и контрольного пунктов в паузах между передачами должны находиться в режиме дежурного приема — готовности принять адресуемую или информацию.

В стационарном режиме каждый целый час центральный пункт посылает запросный пакет, адресованный контрольному пункту.

Контрольный пункт, принимая запросный пакет данных, посылает к центральному пункту. Центральный пункт принимает пакет данных, заносит их в память, фиксируя время связи и индицируя на экране дисплея ЭВМ полученную информацию. Если ответ контрольного пункта не получен, запрос повторяется троекратно. Если и в этом случае ответ контрольного пункта не получен, на экране дисплея выводится сообщение о пассивности контрольного пункта. Если в течение трех часовых интервалов связь с контрольным пунктом не состоялась, на экране дисплея высвечивается сообщение «контрольный пункт в аварийном состоянии».

2.2 Структура кадров информационного обмена

В информационном обмене участвуют два вида кадров — информационный (ответный) и запросный.

Запросный кадр имеет структуру, изображенную на рисунке 2.2

Рис. 2.2 Структура запросного кадра

Он состоит:

1. преамбула,

2. маркер,

3. адрес,

4. командный символ,

5. контрольный код.

Информационный (ответный) кадр имеет структуру, изображенную на рис. 2.3

Рисунок 2.3. Структура информационного кадра.

Он состоит:

1. преамбула,

2. маркер,

3. значение от датчика температуры воздуха,

4. значение от датчика влажности воздуха,

5. значение от датчика давления воздуха,

6. значение от датчика скорости ветра,

7. значение от датчика направления ветра,

8. значение от датчика освещенности,

9. контрольный код.

Преамбула предназначена для синхронизации тактового генератора приемной стороны линии связи и представляет собой регулярную последовательность нулевых и единичных элементов.

Маркер необходим для осуществлений на приемной стороне линии связи групповой синхронизации. Он должен быть уникальным. Эту уникальность желательно обеспечить структурно.

Маркер должен иметь автокорреляционную функцию типа кнопки (с большим центральным пиком и малым уровнем боковых лепестков). Этому требованию удовлетворяет, например, 11 разрядная последовательность Баркера.

Ряд последовательности Баркера

11 100 010 010.

Так как для рационального построения преобразователя последовательного формата кодовых комбинации в параллельный на приемной стороне целесообразно имеет длительность маркера равной длительности кодовых комбинаций, примем разрядность их представления nАЦП = 11, что не нарушает требования технического задания по точности преобразования измеряемых величин.

Контрольный код предназначен для повышения помехоустойчивости передачи информации. Будем считать, что информационная часть кадра кодируется кодом Хемминга исправляющего однократные ошибки. В каждом информационном поле кадра группы контрольных символов для кодовой комбинации измеряемого параметра на нужную 11 — разрядную кодовую комбинацию необходимо имеет четыре проверочных разряда. Таким образом, при шести измеряемых параметров необходимо в поле контрольного кода имеет

В запросном кадре поле командных символов пока неопределенно, т.к. техническим заданием не задан перечень и характер команд управления контрольным пунктом. Однако, учитывая перспективу увеличения числа контрольных пунктов и возможность нескольких режимов их использования, в поле командных символов целесообразно включить адресный признак КП и несколько битов команды управления, например 4, что обеспечить задание 24 = 16 различных режимов.

Итак, без учета преамбулы длина информационного пакета. Здесь принято представление адреса контрольного пункта семью разрядами, командного символа четырьмя разрядам и контрольного кода четырьмя разрядами.

Адресное различие пакетов информационного и запросного пакетов может быть осуществлено различием маркеров. Например, маркер информационного пакета можно делать зеркальным по отношению к маркеру запросного.

2.3 Выбор вида модуляции

В радиосвязи используют разные виды модуляции, но основными являются амплитудная АМ, частотная ЧМ и фазовая ФМ модуляции и их в цифровой радиосвязи называют манипуляциями, манипуляция как и модуляция имеет три вида АМн, ЧМн, и ФМн и каждая из этих манипуляции имеет свои характеры, достоинства и недостатки.

Нам предстоит выбрать один вид манипуляции для дальнейшей работы.

Недостатком амплитудной модуляции является широкая полоса частот, занимаемая модулированным колебанием, она вдвое шире спектра модулирующего сигнала.

Амплитудная модуляция имеет важные достоинства, обусловливающие широкое применение ее в системах массового радиовещания. К ним относится простота передатчиков приемников для приема амплитудно-модулированных колебаний.

По сравнению с ЧМн применение ФМн обеспечивает при одинаковой помехоустойчивости примерно двукратный выигрыш по мощности и такой же выигрыш по полосе частот, занимаемой сигналом. В двоичных системах при ФМ разность фаз манипулированных сигналов выбирается равной 180 градусам. Поскольку при ФМн необходимо получать информацию о фазе принимаемого сигнала, то здесь обязательно используется метод когерентного приема. Это является существенным

Недостатком ФМн, является отсутствие в спектре двоичного ФМн — сигнала отсутствует гармоника несущей частоты, что не позволяет ее выделить линейными устройствами, а нелинейные операции над принимаемым сигналом, позволяющие создать из его гармоник опорное колебание несущей частоты приводят к неопределенности фазы опорного колебания и, как следствие этого, к эффекту обратной работы демодулятора. Достоинствами ФМн являются: эффективное использование мощности передатчика, равная с АМн ширина спектра сигнала и максимальная помехоустойчивость.

Частотная манипуляция так же как и ФМн обеспечивает эффективное использование мощности передатчика, но занимает вдвое большую полосу частот по сравнению с ФМн (при бинарной модуляции) и несколько меньшую помехоустойчивость.

Однако, учитывая, что при ФМн для устранения эффекта обратной работы требуется применение метода относительной модуляции (ОФМн) при котором все однократные ошибки в канале удваиваются, то помехоустойчивость ЧМн приближается к ОФМн.

Если также учесть большую сложность когерентного демодулятора ОФМн — сигнала, то в проектируемой системе следует отдать предпочтение частотной манипуляции.

В пользу этого выбора говорит факт ее предпочтительного использования в радиостанциях производственной связи.

Примем для дальнейшего проектирования частотный метод манипуляции.

антенна передатчик цифровой информационный

2.4 Выбор и обоснование частоты излучения

Выбор частоты излучения зависит от многих факторов: дальности радиосвязи, коэффициента поглощения радиоволн в среде распространения, допустимых размеров антенны и ее конструкции, выделяемой полосы частот и т. п.

Техническим заданием ТЗ определенна дальность радиосвязи r? 20 км.

В соответствии ТЗ системы частота излучения находится в диапазоне от УКВ до Дециметровых волн. В связи с этим необходимо выбрать конкретную частоту из этого диапазона, которая обеспечит наименьшие габариты антенны, приемлемое затухание в пространстве и.т.д. Выделенная полоса частот канала не должна превышать 12 кГц в соответствии стандартам на связную радиоаппаратуру этого диапазона.

Таблица № 2.4.1.

Поскольку телеметрическая станция может быть подвижной, ограничиваемся теми частотами, которые находятся в диапазоне, принадлежащим наземной подвижной радиосвязи (30? 500МГц) УКВ и ДМВ диапазоны.

Так как передаче подлежит телеметрическая информация, и она может быть метеорологической, то регламент радиосвязи ограничивает такого вида сигналы диапазоном частот 420? 460 МГц [1], значит, наша частота находится в дециметровом диапазоне и длина волны находится в интервале от 10…100см.

Примем для дальнейших расчетов частоту f = 430 МГц, при которой длина волны

Следовательно

2.5 Системотехнический расчет

2.5.1 Выбор и расчет высоты установки антенны

· Выбор антенны:

На этом этапе необходимо выбрать тип антенны ЦП и КП. Поскольку центральный пункт должен принимать информацию со всех КП то необходимо выбрать такую антенну, чтобы она обеспечивала эти требования.

Выбираем всенаправленную в горизонтальной плоскости штыревую антенну — вертикальный несимметричный вибратор.

Для эффективного излучения длина вибратора должна быть равна половине длине волны или ее четверти. Примем в качестве антенн ЦП и КП полуволновый вибратор, геометрическая длина которого, а действующая длина. Волновое сопротивление такой антенны .

Антенна, устанавливаемая на мачте для увеличения эффективности излучения и сохранения электрических характеристик, снабжается зонтичными противовесами.

· Расчет высоты установки антенны:

Радиус действия систем передачи, работающих в дециметровом диапазоне длин волн, ограничен в основном пределами прямой видимости между передающей и приемной антеннами Рис. 2.5.1

Рис. 2.5.1

Незначительная дифракция радиоволн, (огибание сферической поверхности Земли у горизонта) и слабая рефракция (отклонение направления распространения радиоволн от прямолинейного) обеспечивает загоризонтное распространение радиоволн.

В нижних слоях тропосферы нормальная рефракция несколько увеличивает расстояние радиовидимости (примерно на 15%), которое определяется по формуле:

, (1)

Из вышесказанного следует, что высоты установки антенн примем, одинаковыми H1 = H2. Из формулы (1) следует, что подгоризонтная часть высоты установки антенн

где h1 и h2 — приведенные высоты передающей и приемной антенн. В нашем случае h1= h2= h1,2. В соответствии с тем, что H1 = H2 выбираем их равными 10 м.

2.5.2 Расчет разрядности аналого-цифрового преобразователя АЦП

АЦП предназначен для преобразования сигналов, поступающих с выходов преобразователей физических параметров в напряжение ПФПН и от него в цифровую кодовую комбинацию, как это представлено на рис. 2.5.2.

Рис. 2.5.2

По техническому заданию определена погрешность преоброзования измеряемых величин, да = 0,1%.

Будем считать что, это означает максимальное значение погрешности относительно диапазона измерения. Тогда при измерении «а» от аmin до аmax.

Откуда получаем дискрет преобразования величины «а»

В техническом задании не неопределенно интервал измерения заданных величин, поэтому будет выполняться преобразования для всех возможных погодных условий, поэтому примем следующие диапазоны измерения:

1. температура от -50Со до +50 Со;

2. влажность от 10% до 100%;

3. давление от 340ГПа до 1066ГПа;

4. освещенность от 0.0003 до 100 000 Лк;

5. скорость ветра от 0м/с до 100м/с;

6. направление ветра ;

Итак при преобразовании температуры в двоичный код

Со.

Число дискретных значений двоичного представления температуры при этом

.

При измерении влажности

%.

Число дискретных значений двоичного представления влажности при этом

.

При измерении давления

Число дискретных значений двоичного представления влажности при этом

.

При измерении и преобразовании освещенности и скорости ветра это решение следует из:

Число дискретных значений двоичного представления любого параметра

Следовательно

Примем число градаций измеряемого параметра

Na = 1024 = 210, тогда

nАЦП = log2Na = 10.

Таким образам преобразователи измеряемых величин в двоичный код должны обеспечивать их представление не менее чем 10 двоичными разрядами

2.5.3 Расчет длительности элемента и скорости манипуляции

Учитывая ранее принятое решение относительно выделенной полосы частот Дf = 12 кГц для передачи ЧМн сигнала, определим длительность двоичного элемента tэ, считая значение Дfчм равным 1/tЭ. (рисунок 2.5.3)

Рис. 2.5.3. Амплитудный спектр ЧМн — радиосигнала.

Эффективная ширина спектра ЧМн — радиосигнала

где — размах частотной манипуляции. Чем больше, тем надежнее разделяются при демодуляции двоичные символы.

Минимальное значение, при котором элемент радиосигнала, соответствующие «1» и «0», остаются ортогональными

Это сигналы так называемого минимального сдвига, демодуляция таких сигналов сложно.

Увеличение более чем на

Незначительно улучает разделение символов при демодуляции, но существенно расширит спектр сигнала. Примем

,

тогда

2.5.4 Энергетический расчет трассы

Определим пороговую напряженность полезного сигнала у приемной антенны.

Используя уравнение радиосвязи (уравнение Введенского), находим напряженность.

(2)

где: rmax — дальность радиосвязи, [км];

h1, h2 — приведенные высоты антенны, [м];

Pпермощность передатчика, [кВт];

Gпер — коэффициент усиления передающей антенны,

л — длина волны, [м];

Епор — пороговое эффективное значение напряженности, [мВ/м]

Коэффициент направленного действия полуволнового вибратора. Коэффициент усиления может быть найден с учетом ослабления энергии излучении в фидерном тракте з, который зависит от длины фидера и степени его согласования с антенной,

(3)

Поскольку заранее невозможно определить достижимую степень согласования и длину фидера примем, зпер~ 0.6,

тогда .

Теперь формула (2) принимает вид

. (4)

Плотность потока мощности, создаваемая приемником у приемной антенны

,

а мощность на входе приемника может быть определенна, как

,

где эффективная площадь раскрыва вибратора определяемая соотношением

,

где lд действующая длина антенны, [м]

а F (Ь, в) — нормированная диаграмма направленности антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Т.к максимум излучения в вертикальной плоскости совпадает с горизонтальным направлением то в = 0. а всенаправленность в горизонтальном направлении позволяет считать

поэтому

Для дальнейшего расчета определим чувствительность приемника

где k — постоянная Больцмана 1,38.10−23 Дж/К,

kр — коэффициент различимости,

kш — коэффициент шума,

Дfш — шумовая полоса пропускания приемника,

Т — температура при нормальных условиях К0.

Коэффициент различимости

Коэффициент различимости определяется соотношением

где qпор пороговое отношение сигнал шум.

Пороговое отношение сигнал шум при когерентном приеме связано с вероятностью ошибки приема на бит

где — функция Крампа

r — коэффициент взаимной корреляции двоичных символов сигнала, при ЧМн r = 0. Отсюда следует, что

Функция Крампа вычисляется интегралом

Поскольку функция Крампа является сложной функцией, для которой невозможно получить аналитическое выражение для определения qпор, поэтому необходимо строить зависимость функции Крампа от qпор, для определения qпор. График строится с помощью MathCad 2001i. Он изображен на Рис. 2.5.4.

Рис. 2.5.4. График зависимости функции Крампа вероятности ошибки от qпор

По графику при Pош =0.001 находим следовательно qпор =19,22.

Коэффициент потерь отношения сигнал/шум.

где — коэффициент потерь отношения сигнал/шум в i — м функциональном узле.

Наиболее часто встречающиеся коэффициенты потери, которыми можно характеризоваться узлы в приемнике следующие:

· - потери в высокочастотном тракте

· - потери в детекторе, среднее значение которых определяются по графику [6 стр. 45 Рис.19].

· - потери, вызванные заменой оптимального фильтра в приемнике фильтром, согласованным по полосе [6 стр. 42, таб. 4].

· - потери в видеоусилителе.

Из найденных коэффициентов потерь находим

Теперь можно вычислить коэффициент различимости системы

коэффициент шума приемника определяется выражением

Рис. 3.5.5 Структура воздействий внешних шумов на приемник

где Tэкв — эквивалентная эффективная шумовая температура шумовая температура внешних источников у облучателя антенны

;

Где TЗ — шумовая температура Земли,

Lатм = 2 затухание в атмосфере. [2],

Ттм шумовая температура атмосферы,

Эта температура передается на вход приемника по фидеру с затуханием з, поэтому эквивалентная эффективная шумовая температура на входе приемника складывается из:

где шумовая температура фидерной составляющей

Входной каскад приемника является усилителем радиочастоты, поскольку результирующий коэффициент шума усилителя определяется в основном коэффициентом шума его первого каскада

Для снижения шумовой температуры усилителя стремятся обеспечить в первом усилительном каскаде мало ее значение и большой коэффициент усиления по мощности. [7. стр. 347]

Примем в качестве первого каскада усилитель радиочастоты транзисторный усилитель, у которого в среднем, что соответствует шумовой температуре

Таким образом, на входе приемника действует

Отсюда следует

Шумовая полоса пропускания

Шумовая полоса частот в приемнике определяется приближенным равенством

где реальная полоса пропускания приемника (его линейного тракта)

Необходимая полоса пропускания линейного тракта определяется реальной шириной спектра принимаемого сигнала с запасом, учитывающим нестабильности частоты сигнала и гетеродина, а также неточности настроек частотно — избирательных элементов приемника.

Полоса пропускания линейного тракта приемника определяется по формуле

;

Максимальная нестабильность частоты:

Примем стационарное значение промежуточной частоты,

Частота настройки гетеродина нижняя:

Нестабильность частоты сигнала и гетеродина соответственно равны:

Тогда, с учетом вышеприведенных формул полоса пропускания должна быть равной

Найдем полосу пропускания шума в приемнике

кГц.

Находим чувствительность приемника

Определим напряженность поля

Выходное напряжение антенны

Пороговая напряженность поля

И на конец пороговая мощность передачи сигнала

3. Функциональные схемы ЦП и КП

3.1 функциональная схема центрального пункта ЦП

Приемо-передающее устройство центрального пункта (Рис. 3.1.1) подключено к одному антенно-фидерному узлу с электронным антенным переключателем, который разделяет приемную часть от передающей части.

На предающей стороне запрос задаются с помощью пульта управления на компьютер для формирования и передачи запросного пакета на последовательный интерфейс RS-232.

Для подключения компьютера к интерфейсу необходима плата связанного контролера преобразующего параллельный код в последовательный при передаче данных с компьютера, на вход контроллера, управляющего индикатором режима работ. С выхода контроллера управляемый индикатором режима работы с выхода контроллера сигнал поступает на модуляционный усилитель (МУ). Модуляционный усилитель предназначен для формирования модулирующего напряжения согласованного с характеристикой модулятора. для получения высокостабильного несущего колебания используется кварцевый генератор частотно-модулированное колебание получается путем применение фазового модулятора на который модулирующее напряжение подается через интегратор. Для получения достаточной девиации частоты ЧМ колебания частоту кварцевого генератора берут невысокой, а после его модуляции частота колебании умножается до необходимого значения. При этом пропорционально возрастает девиация частоты. Усиление сигнала по мощности, до уровня необходимого для излучения антенной.

В режиме приема на вход центрального пункта поступает ответный сигнал с контрольного пункта, который через антенно-фидерный узел и антенный переключатель поступает на усилитель радиочастоты (УРЧ). Усилитель радиочастоты обеспечивает усиление на частоте принимаемого сигнала. Кроме усиления должна обеспечиваться и частотная избирательность. Для этого усилитель содержит резонансные элементы межкаскадной связи, настраиваемые на частоту сигнала fc Часть приемника, предшествующая смесителю (СМ), называют преселектором, так как это устройство обеспечивает предварительную селекцию. Смеситель нелинейный элемент, преобразующий частоту. Для этого используется гетеродин (Г), генерирующий вспомогательное колебание Uг с частотой fг. Частота гетеродинного напряжения fг определяется настройкой контура гетеродина. Смеситель вместе с гетеродином называют преобразователем частоты (ПЧ). Часто функции гетеродина и смесителя выполняет один и тот же нелинейный усилительный прибор. С выхода смесителя сигнал подается на вход усилителя промежуточной частоты (УПЧ). В этом усилителе резонансные устройства настроены на промежуточную частоту fп. При прохождении модулированного ЧМ сигнала через усилитель промежуточной частоты (УПЧ), а также при наличии в канале помех, появляются нежелательные изменения амплитуды сигнала. Устранение нежелательной амплитудной модуляции осуществляется с помощью амплитудного ограничителя. К частотному демодулятору подводится напряжение преобразованной частоты с неизменной амплитудой. Результат демодуляции в виде посылок постоянного тока полярность которых определяется значением и принятого элемента («0» или «1») усиливается в усилителе низких частот ФНЧ и подается на регенератор, функции которого заключаются в восстановляемый, амплитудно-временных соотношении принятого сигнала и приведение их к стандартизованным значениям той серии цифровых интегральных микросхем, которое используется цифровой части аппаратуры .

Подсистема тактовой синхронизации предназначена для выделения тактовой частоты из принятого сигнала и формирование тактовой последовательности импульсов синхронной и синфазной с последовательностью принимаемых двоичных элементов сигнала и используемой синхронизации работы работы всех цифровых узлов аппаратуры.

Восстановленный пакет поступает в блок согласования, где осуществляется его предварительная обработка, первым этапам который является обнаружение факта приема пакета по регулярном преамбуле.

Сигнал обнаружения переводит контроллер в режим поиска маркера и декодирования принятого пакета. Контроллер соединяется с компьютером по средством интерфейса RS-232 обеспечивающего согласование компьютера с цифровой аппаратурой.

Компьютер управляет всеми режимами работы системы связи, принимает и накапливает результаты информационного объема с КП и анализирует их, прогнозирует их изменение и принимает решения. Вся необходимая пользователю системы информации сторожатся на экране дисплея.

3.2 Структурная схема контрольного пункта КП Функциональная схема приемо-передающего устройства контрольного пункта (Рис. 3.1.2) мало отличается от функциональной схемы центрального пункта. Поэтому мы ограничимся описанием этой схемы.

Приемник контрольного пункта работает в режиме дежурного приема. При поступлении на его вход запросного пакета, он обнаруживается в блоке согласования, в результате чего вырабатывается сигнал обнаружения, который побуждает контроллер к работе по подпрограмме поиска маркера и декодирования команд, следующих в пакете за маркером. Выполнение этих команд в частности заключается в считывании результатов измерения с датчиков и формировании ответного информационного пакета, после чего система датчиков переводится вновь в режим циклического опроса результатов измерения и их сохранения до следующего сеанса связи.

Сформированный контроллер информационный, его структурой описанной выше, подается в передатчик для его излучения на центральный пункт.

4. Принципиальная электрическая схема и расчет усилителя радиочастоты Среди однотранзисторных схем с биполярными транзисторами в УРЧ на умеренно высоких частотах распространение получила схема с общим эмиттером, позволяющая получить максимальное усиление номинальной мощности при небольшом уровне собственных шумов Рис. 4.1 Схема усилителя радиочастоты с общим эмиттером на дискретных элементах с последовательным питанием В схеме однокаскадного УРЧ на дискретных элементах (Рис. 4.1) параллельный колебательный контур L2, C3 служат резонансной нагрузкой УРЧ, емкости С1, С4 разделяют по постоянному току рассматриваемый каскад от предыдущего и последующего. Резистор R4 осуществляет термостабилизацию каскада, создавая отрицательную последовательную обратную связь по постоянному току. Резистор R3 и конденсатор С6 образуют развязывающий фильтр. Делитель R1 и R2 обеспечивают подачу прямого смешения на эмиттерный переход транзистора, т. е. обеспечивает выбранный режим УРЧ по постоянному току. Через блокировочный конденсатор С5 напряжение сигнала подается непосредственно на эмиттерный переход транзистора, минуя делитель R1 и R2.

· Выбор активных элементов УРЧ Для однотранзисторных каскадов УРЧ надо выбрать транзистор при таких условиях чтобы где — граничная частота крутизны характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером, при которой падает до 0,7 от своего низкочастотного значения, а — максимальная частота принимаемых сигналов. При выполнении этого неравенства большинство параметров транзистора мало зависит от частоты, благодаря чему удается получить хорошее постоянство характеристики УРЧ в диапазоне частот.

При выполнении этих условиях можно выбрать из ряда следующих транзисторов (ГТ313А, ГТ341А, ГТ311Е и т. д.). Выберем транзистор с характеристиками более удовлетворяющий условию заданных параметров транзистора ГТ313А: Еп = 9 В, Uкэ = 5 В, Ik = 5 мА, IКБО= 2мкА, температурный диапазон (-40+60)о, f0 = 430МГц.

· Расчет элементов, обеспечивающих режим УРЧ При схеме питания от одного источника, показанной на Рис. 5.1, которая обеспечивает термостабилизацию режима по постоянному току и параметров транзистора в приделах от -40 Со до +60 Со, расчет ведется следующей последовательности.

1. определим изменение обратного тока коллектора при заданных параметров транзистора ГТ313А Еп = 9 В, Uкэ = 5 В, Ik = 5 мА, IКБО= 2мкА, диапазон (-40+60)о,

f0 = 430МГц.

где — обратный ток коллектора при температуре Т0= 293Ко

2. Находим тепловое смешение напряжения базы

3. Рассчитываем необходимую нестабильность коллекторного тока

4. Вычисляем сопротивления резисторов

· Сопротивление эмиттера

· Сопротивление развязывающего фильтра где — напряжение на коллекторе в рабочей точке

5. Находим сопротивления делителя

6. Подсчитываем емкости конденсаторов

· Расчет блокировочной емкости

· Расчет развязывающей емкости

7. Примем эквивалентную емкость контуров С01 = С02 = С0=5пФ[10]

8. характеристическое сопротивление контуров

9. Эквивалентные затухания контуров определяем из условия найденной полосы пропускания приемника. Принимаем при этом следовательно где — параметр связи принимаем равным 1.1

10. Эквивалентная проводимость контура

11. Коэффициент включения контуров где , — проводимости из характеристики транзистора,

12. Коэффициент усиления УРЧ

13. Коэффициент устойчивого усиления при = 0,8

и =0,86.10−3+(0,125.10−6 +0,57.10−6 .1,12)/0,22 = 2,89.10−3См

14. Для реализации коэффициентов включения контуров m1 и m2 определяем расстояние от замкнутого конца линии до точек подключения транзистора

15. Избирательность УРЧ по зеркальному каналу

16. Коэффициент усиления по номинальной мощности При выборе типа резисторов остановимся у УЛД (углеродные лакированные) с тонкослойными характеристиками с номинальной мощностью до 2Вт в приделах номинального сопротивления от 56до 0,510МОм с допустимым отклонением сопротивления от номинального до 5% в интервале рабочих температур от -60 до +50 Co. У этих типов резисторов температурный коэффициент сопротивления ТКС = (0,012…0,025)%/Co

5. Принцип работы амплитудного ограничителя При прохождении ЧМ сигналов через резонансные усилители передатчика и приемника, а также при наличии в канале помех появляются нежелательные изменения амплитуды сигнала. Устранение нежелательной амплитудной модуляции осуществляется с помощью амплитудных ограничителей, включаемых до частотного детектора. В некоторых схемах ЧД функции частотного детектирования и ограничения совмещаются. Подавление амплитудной модуляции сигнала с помощью амплитудных ограничителей является одним из важнейших факторов, обуславливающих более высокую помехоустойчивость радиоприема ЧМ колебаний.

Ограничитель амплитуды (АО) представляет собой нелинейный четырехполюсник, на выходе которого амплитуда сигнала практически не изменяется при значительных изменениях амплитуды входного сигнала. Постоянство амплитуды выходного напряжения при изменениях входного является основным требованием ограничения. Другим требованием является отсутствие фазовых сдвигов между входным и выходным напряжением. Порогом ограничения называют такое значение амплитуды сигнала на входе.

Рис. 5.1. Характеристики амплитудного ограничителя Рис. 5.2 Схема амплитудного ограничителя с двумя встречно включенными шунтирующими диодами

Umпор, при Повышении, которой увеличение амплитуды напряжения на выходе практически прекращается На рис. 5.1 показана реальная 1 и идеальная 2 характеристики ограничителя.

Техническим показателем АО в области напряжений, превышающих порог ограничения, является отношение коэффициентов амплитудной модуляции на входе и выходе, называемое коэффициентом подавления AM.

Высокую степень подавления AM можно получить двухполупериодным АО, выполненным на диодах (рис. 5.2), в котором два; встречно включенных диода запираются одинаковыми напряжениями задержки. По высокой частоте эти диоды подключены параллельно контуру, нагружающему резонансный усилитель. При напряжении на контуре UKE3=UKпор), через диоды протекает ток, амплитуда основной частоты которого Im1 определяет входное сопротивление RBx= UK/ Im1 Чем больше превышение амплитуды напряжения на контуре над пороговым, тем больше Im1 и меньше эквивалентное резонансное сопротивление контура. При этом амплитуда выходного напряжения возрастает в значительно меньшей мере, чем входного.

6. РАЗДЕЛ БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

6.1 Анализ возможных причин и последствий отказа Отказы носят стохастический характер, то есть они могут проявиться или не проявиться. Поэтому в качестве адекватной оценки риска можно применять вероятность наступления нежелательного события, определяемую статистически Отказы появляются при определенных условиях, которые называются причинами. Причины возникновения отказов можно определить и как совокупность условий, отсутствие которых исключает появление отказа. Знать причины не менее важно, чем сами отказы.

Для повышения безопасности и безотказности работы системы необходимо эффективным образом проанализировать возможные аварийные ситуации и причины их вызывающие. И, как следствие, принять меры по предотвращению таковых.

Необходимо определить возможные причины невыполнения той или иной функции. Во избежание громоздкости получаемой модели необходимо классифицировать вышеупомянутые причины в порядке их важности и подвергать дальнейшей проработке лишь наиболее весомые и вероятные причины неисправности. Каждая причина может быть вызвана комбинацией причин и т. д. Таким образом, будет определена древовидная структура опасностей .

Цель проводимого анализа состоит в выделении причин, влияющих на появление нежелательных событий при производстве и эксплуатации проектируемой системы, и разработке мероприятий, уменьшающих вероятность появления таких событий. Необходимо определение возможных причин невыполнения устройством той или иной функции. Во избежание громоздкости получаемой модели необходимо осуществление классификации причин в порядке их важности и подтверждение дальнейшей проработке лишь наиболее весомых и вероятных причин неисправности.

Выход устройства из строя (отказ) или неправильное его функционирование приводит к отсутствию связи или потере информации, поэтому к устройству предъявляются особые требования в плане надежности. Причины отказов образуют так называемую иерархическую структуру, при которой одна причина подчинена другой, переходит в другую или в несколько других причин.

6.2 Воздействие системы на окружающую среду Экологичность проекта оценивается с использованием понятия экологическая совместимость проекта. Под этим термином понимается возможность создания, функционирования и утилизации системы без нанесения недопустимого ущерба среде обитания людей и непосредственно, самим людям.

При производстве системы важное место занимает механическая обработка металлов на металлорежущих станках. При обработке металлов, пластмасс и других материалов резанием возникает ряд опасных и вредных производственных факторов, которые могут тем или иным образом влиять на окружающую среду: высокая температура обрабатываемой поверхности, стружка, пыль и вредные аэрозоли обрабатываемых материалов. Также важен этап термической, электрохимической и электрофизической обработки. Основными опасными и вредными производственными факторами, которые могут возникать при указанных способах обработки могут быть следующие: повышенная запылённость и загазованность воздуха рабочей зоны; повышенный уровень инфракрасного излучения, повышенный уровень электромагнитного излучения. Особую опасность при рассматриваемых методах обработки представляют различные токсичные газы и химические вещества, применяемые в качестве электролитов и очищающих растворов.

Электролиты, применяемые при электрохимической обработке, представляют собой растворы сильных кислот (серной, фосфорной, соляной, плавиковой, азотной и д.р.), их смеси в различных пропорциях, а также расплавы и растворы едких щелочей. Некоторые применяемые соли (цианистое серебро, цианистый калий) являются сильными ядами. В присутствии влаги, кислот, а также углекислоты, содержащейся в воздухе, цианистые соли выделяют цианистый водород, вызывающий сильное удушье вследствие паралича тканей дыхательных органов.

При производстве печатных плат большинство материалов являются опасными для окружающей среды. Вдыхание химических веществ в любом агрегатном состоянии (газ, пары, пыль) приводит к поражению верхних дыхательных путей. Многие вредные вещества попадают в организм через кожу, особенно опасны хромовые композиции, концентрированные щелочи, кислоты и растворители.

Для придания поверхностному слою детали некоторых специальных свойств, отличных от свойств основного материала, например электропроводности, электроизоляционных свойств, твёрдости, износоустойчивости, применяют защитные гальванические, химические, и лакокрасочные покрытия (ЛКП). Процессы нанесения гальванических и химических покрытий характеризуются многообразием применяемых химических веществ. Всё это в большей или меньшей степени влияет на состояние окружающей среды.

7. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА

Целью данной работы является разработка радиостанции, обладающей качествами реальной радиостанции, отвечающей всем требованиям, предъявляемым устройствам такого типа.

В настоящее время радиостанции представляют значительную и передовую часть систем связи и передачи информации. Известно множество как импортных, так и отечественных радиостанций. Однако ввиду высокой стоимости систем такого класса, возникла необходимость в разработке радиостанции. При этом расширен круг решаемых задач При технико-экономическом обосновании включены такие этапы изготовления изделия, как проектирование, монтаж и испытание макета радиостанции.

В настоящее время залогом успешной деятельности любого промышленного предприятия, в условиях рыночной экономики, является выпуск высококачественной продукции с наименьшими затратами. Качество продукции и поддержание экономичной деятельности возможно при знании элементарных приемов управления качеством.

Первоначальной задачей на этапе становления производства является анализ рынка сбыта.

Заключение

В данной работе рассмотрена телеметрическая система выбора линии связи и выбрана конфигурация такой системы.

Была разработана структурная схема и рассмотрена структура кадров, Выбрана частота излучения и выбран вид модуляции На основе выбора частоты излучения и, в соответствии с техническим заданием был приведен системотехнический расчет и рассчитана мощность излучения и чувствительность приемника соответствующей дальности радиосвязи Разработаны функциональные схемы приемо-передающих устройств центрального и контрольного пунктов и было приведено требование к ним.

Окончательным образом был приведен расчет усилителя радиочастоты и принцип работы ограничителя Радиолиния телеметрической информации в последнее время нашли применение не только в военных разработках, но и в бытовой технике (пожарная сигнализация и.т.д),

1 Сезонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ, учебник для вузов и специалистов радиотехники. М. Высшая школа, 1988 — 432стр.

2 Антенно-фидерные устройства и РРВ? Учебник для вузов, Г. А. Ерахин, О. В. Чернышев, Н. Д. Козырев и другие. М. Горячая линия — телеком 2004 г. — 491стр.

3 Проектирование радиоприемных устройств под общей редакцией А. П. Сиверса. М. Советское радио 1976 г — 488стр.

4 Системы передачи цифровой информации П. И. Пеннин, Учебник для вузов М. Советское радио 1976 г — 368стр.

5 Методическое указание по курсовому проекту радиовещательных приемников № 28 997 Таганрог 2004 г.

6 Проектирование радиолокационных систем В. А. Алехин, учебное пособие № 427. Таганрог 1990г- 75стр.

7 Усилительные устройства, учебное пособие, Андреев В. В., Геновик Г. А. и другие под редакцией Головина А. — М: радио и связь, 1993 — 353стр.

8 Проектирование транзисторных каскадов передатчиков, учебное пособие для техников, М. С. Шумилин, В. Б Козырев, В. А. Власов. МРадио и связь 1987 г — 320стр.

9 Х. Кухлинг справочник по физике перевод с немейского языка под редакцией Е. М. Лейкина. М — Мир 1982 г — 519стр.

10 Радиоприемные устройства, учебное пособие дл вузов под редакцией А. Г. Зюко. М — Связь — 1975 г — 399стр.

11 Полупроводниковые приемно-усилительные устройства, справочник радиолюбителя, Р. М. Терещук, К. М. Терещук, С. А. Седов. Киев — наукова думка, 1981 — 670стр.