Принцип работы телеметрии

Для беспроводной передачи нескольких аналоговых сигналов необходимы несколько различных частот передачи, а также множество  приемников, работающих на разных частотах. Такая организация системы является невероятной сложной, дорогой и ее габариты не позволят разместить ее на валу. Для решения этой проблемы при передаче данных с нескольких измерительных каналов сигнал необходимо обрабатывать таким образом, чтобы его передача была возможна на одной частоте с очень высокой скоростью.

Технология цифровой передачи данных решает эту проблему. Передача сигнала реализуется путем оцифровки, мультиплексирования и кодирования сигналов со всех каналов. Такой тип цифровой передачи называется PCM (импульсно-кодовая модуляция) и используется в течение многих лет в коммуникационных технологиях (например, сотовая связь).

Генерация PCM сигнала

Рисунок 1

Частота дискретизации (fS) должна превышать вдвое наибольшую частоту, содержащуюся в аналоговом сигнале (fg):

fs> 2 x fg

На практике от 4 до 5 выборок принимается на полосу пропускания ГГц. Эффект импульсной амплитудной модуляции становится более ясным, если смотреть на сигналы во временной и частотной области. Во время сканирования создается последовательность импульсов, которая после анализа Фурье может быть представлена ​​компонентом постоянного тока и суммой синусоидальных напряжений, которые являются целыми и кратны основной частоте. В частотной области импульсы выборки систематически генерируют спектральные линии fS друг от друга. Справа и слева от этих несущих частот появляются боковые полосы модуляции - аналогичные амплитудной модуляции - с верхними и нижними боковыми полосами в fs-fg, fs + fg, 2fs + fg, 2fs-fg и т.д. Информация находится в каждой боковой полосе, но для дальнейшей передачи используется только  базовая полоса. Из частотной области также становится очевидным, что по мере увеличения частоты отсечки сигнала боковые полосы модуляции будут расширяться и разрушаться. В этот момент возникает так называемое «псевдоснижение», которое может быть предотвращено только более высокой частотой дискретизации. На практике эта проблема не возникает, потому что сигнал уже ограничен полосой на входе через фильтр сглаживания.

Импульсно-модулированный сигнал на рис. 1 по-прежнему является аналоговой формой входного сигнала. Тем не менее, лучше всего сигнал передается и обрабатывается в цифровом формате. Для окончательного преобразования и кодирования сигнал PAM подается на 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь. АЦП преобразует отдельные импульсы PAM в 12-битные слова в соответствии с их амплитудой тока, цифровое разрешение составляет 1024 точки. Таким образом, импульс PAM с амплитудой 1 вольт оцифровывается с разрешением <1 мВ. Оцифрованный сигнал PAM называется PCM-сигналом. За 12-разрядным аналого-цифровым преобразователем следует параллельный/последовательный преобразователь, который преобразует 12-разрядные слова в последовательный битовый поток данных и позволяет передавать сигнал по проводам, оптическому волокну или по радиочастотной линии связи. Для того, чтобы приемник мог синхронизироваться с потоком последовательных данных, так называемые биты синхронизации передаются перед каждым словом данных.

Рисунок 2

На принимающей стороне происходит то же самое, только в обратной последовательности. После последовательного/параллельного преобразования 12-разрядные слова преобразуются в сигналы PAM с использованием D/A-преобразователей и сглаживаются низкочастотным фильтром дискретного времени до амплитудно-непрерывных сигналов. Каждое отдельное значение сигнала равно среднему значению соответствующего интервала квантования. После усиления и регулировки уровня появляется исходный сигнал измерения a(t).

Мультиплексирование и демультиплексирование

Рисунок 3

Мультиплексирование позволяет осуществлять многоканальную синхронную передачу каналов ИКМ. Как можно видеть из рисунках 1 и 2, импульсы выборки каждого канала занимают ограниченный период времени и между ними существуют относительно большие промежутки свободного времени. В соответствии с методом мультиплексирования с временным разделением 12-битные кодовые слова множества сигналов, подлежащих передаче, могут быть переданы последовательно во времени, так что они не влияют друг на друга, а заполняют только свободные промежутки. Это создает мультиплексированный сигнал PCM. Основной принцип временного чередования нескольких сообщений (кодовых слов) реализуется таким образом, что они могут передаваться по одному радиоканалу, как показано на рисунке 3.

Процессы мультиплексирования обрабатываются полностью в электронном виде. Чтобы объяснить этот принцип, на рисунке 3 показаны четыре блока данных, которые циклически сканируются вращающимся переключателем A. Синхронизируя последовательность входящих кодовых слов, переключатель A переключается на следующий вход. На выходе переключателя A имеется доступный сигнал PCM. Период времени, в течение которого передается кодовое слово, называется временным интервалом. Битовая последовательность, содержащая кодовое слово каждого входного сигнала, называется импульсным кадром. В примере, показанном на рис. 3, импульсный кадр состоит из четырех кодовых слов входных сигналов K1 ... K4, расположенных рядом друг с другом.

Необходимая частота дискретизации мультиплексора для полной передачи цифровой информации.

fS> 2 x fg x количество каналов

На принимающей стороне отдельные сигналы ИКМ восстанавливаются из мультиплексированного сигнала с временным разделением, т.е. 12-битные кодовые слова распределяются на соответствующие выходы. Циркуляционный переключатель B распределяет кодовые слова на четыре выхода в синхронном режиме. Как и в случае мультиплексирования с временным разделением на стороне передатчика, процессы демультиплексирования полностью идентичны.