Передатчик телеметрической информации с частотной модуляцией и высокой стабильностью частоты

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО  ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

«Санкт-Петербургский государственный  электротехнический университет 

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»

(СПбГЭТУ)

____________________________________________________________

 

Направление Радиотехника

 

Кафедра Теоретических Основ Радиотехники

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К защите допустить:

Руководитель  направления 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВЫПУСКНАЯ

КВАЛИФИКАЦИОННАЯ  РАБОТА

БАКАЛАВРА

 

 

 

 

 

Тема: Передатчик телеметрической информации с частотной модуляцией и высокой стабильностью частоты

 

 

 

Студент   Овчинникова Ольга Альбертовна

 

Руководитель   Гаранин Андрей Федорович

 

Зав. Кафедрой Ушаков Виктор Николаевич

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург 2011 г.

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Передача информации по проводам берёт своё начало в 19-м  столетии. Одна из первых линий передачи была создана в 1845 между Зимним дворцом российского императора и штабами армий. В 1874 французские инженеры установили систему датчиков определения погоды и глубины снега на Монблане, передающей информацию в режиме реального времени в Париж.

Беспроводная телеметрия начала применяться в радиозондах, разработанных независимо друг от друга  Робертом Бюро во Франции и Павлом Молчановым в России. Система Молчанова  измеряла температуру и давления и преобразовывала результаты в  беспроводной код Морзе. В ранних советских телеметрических системах (ракетных и космических), разработанных в конце 1940-х использовалась как импульсно-позиционная модуляция (например, в телеметрической системе Трал, разработанной в ОКБ МЭИ) или полосно-импульсная модуляция (например, в системе RTS-5 разработанной в НИИ-885). В ранних американских разработках также использовались подобные системы, но позднее они были заменены на системы с импульсно-кодовой модуляцией (например, в космическом аппарате для исследования Марса «Маринер-4»). В поздних советских межпланетных аппаратах использовались избыточные радиосистемы, осуществляющие телеметрическую передачу с импульсно-кодовой модуляцией в дециметровом диапазоне и с импульсно-позиционной модуляцией в сантиметровом диапазоне.

 В настоящее время  существует большое количество телеметрических систем, которые нашли свое применение в следующих областях:

• Узлы магистральных линий связи
• Сельское хозяйство: Большинство видов деятельности, связанных с благополучным состоянием сельскохозяйственных культур и получения хороших урожаев зависит от своевременного предоставления данных о состоянии погоды и почвы. Таким образом, беспроводные метеостанции играют важную роль в профилактике заболеваний и соразмерном орошении. Эти метеостанции передают на базовую станцию информацию о важных параметрах, необходимых для принятия решений: о температуре и относительной влажности воздуха, выпадении осадков и влажности листвы, солнечной радиации скорости ветра (для расчёта испарения) и для увлажнённости почвы, посредством чего оценивается проникание воды в почву к корням растений, что необходимо для принятия решений об орошении.
• Водоснабжение и водоотведение: Телеметрия стала существенным подспорьем в водопользовании, она применяется при оценке качества воды и измерения показателей потока. Телеметрия в основном применяется в автоматических водосчётчиках, мониторинге подводных вод, определении утечек в распределительных трубопроводах. Данные получаются практически в реальном времени и позволяют незамедлительно реагировать на происшествия.
• Медицина: Телеметрия (биотелеметрия) также используется для наблюдения за пациентами, находящимися под угрозой возникновения патологической сердечной деятельности, в основном пребывающих в кардиологических диспансерах. К таким пациентам подключаются измерительные, записывающие и передающие устройства. Зарегистрированные данные могут быть использованы врачами в диагностике состояния пациента. Благодаря функциям сигнала тревоги медицинские сёстры могут быть оповещены при возникновении резких обострений или опасных состояний для пациента.
• Оборона и космос: Телеметрия — доступная технология для больших сложных систем, таких как ракеты, реакторы (Reactor pressure vessel), космические аппараты, нефтяные платформы и химические заводы, поскольку она позволяет автоматическое наблюдение, тревожную сигнализацию, запись и сохранение данных, необходимых для безопасных, эффективных действий. Такие космические агентства как НАСА, ЕКА и другие используют телеметрические/ телеуправляемые системы для сбора данных с действующих космических аппаратов и спутников. 
  Телеметрия жизненно важна в развитии ракет, спутников и авиации, поскольку данные системы могут быть уничтожены после или во время проведения испытаний. Инженерам нужна информация о критичных параметрах для анализа (и улучшения). Без применения телеметрии такого рода данные часто оказываются недоступными.
• Разведка.
• Ракетная техника: В ракетной технике телеметрическое оборудование становится неотъемлемой частью оборудования ракет, использующихся при наблюдении за процессом ракетного запуска, для получения информации о параметрах внешней среды (температуры, ускорений, вибраций) о энергоснабжении, точном выравнивании антенны и (на длинных дистанциях, например при космическом полёте) о времени распространения сигнала.
• Системы глобального позиционирования.
• Энергетика.
• Системы безопасности (сигнализации, видеонаблюдение).
• Умные дома.
• Правоохранительная деятельность.

В данной дипломной работе ставится задача реализовать на дискретных элементах передатчик телеметрической  информации с частотной модуляцией и высокой стабильностью частоты отличительными особенностями которого будет:

• Надежность
• Отсутствие необходимости постоянного обслуживания радиопередатчика техническим персоналом
• Малое энергопотребление
• Возможность широкого использования радиопередатчика в различных областях деятельности.

Маломощному радиопередатчику в быту и на производстве можно найти широкое применение: в системах сбора информации, дистанционного управления, игрушках, устройствах ограничения доступа и в других приложениях. Но при разработке дешевых радиоустройств возникает ряд сложностей, связанных с созданием эффективного и стабильного передатчика. В настоящее время разработано много готовых решений, в том числе и на готовых микросхемах. Но для специализированной задачи: низкое энергопотребление, простота, малая себестоимость, ремонтопригодность, этот передатчик можно реализовать на дискретных элементах, что позволит сделать его более гибким и универсальным, нежели использовать уже готовые существующие решения. К тому же использование MK дает разработчику широкие возможности в выборе протокола передачи данных, позволяя получить оригинальную секретность и контроль целостности кода. Передаваемые данные могут представлять собой не только состояния кнопок, но и информацию от разнообразных датчиков, состояние элемента питания, периодические сигналы контроля работоспособности передатчика.

 

Параметры передатчика:

• частота - 433.920 МГц
• модуляция - частотная манипуляция 60 кГц
• выходная мощность – 20мВт
• ток потребления
• подавление внеполосных излучений - не менее 40 дБ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Выбор типа модуляции.

Основная задача любой системы связи - передача информации от источника сообщения к потребителю наиболее экономичным образом. Поэтому выбирают такой тип модуляции, который сводит к минимуму действие помех и искажений, достигая тем самым максимальной информационной скорости и минимального коэффициента ошибок. Рассматриваемые типы модуляции отбирались по нескольким критериям: устойчивость к многолучевому распространению; интерференция; количество доступных каналов; требования к линейности усилителей мощности; достижимая дальность передачи и сложность реализации. Частотно-манипулированные FSK сигналы одни из самых распространенных в современной цифровой связи. Это обусловлено, прежде всего, простотой их генерирования и приема, ввиду нечувствительности к начальной фазе. Рассмотрим принцип формирования и параметры FSK модуляции.

1.1 FSK модуляция. Индекс FSK модуляции

Для начала рассмотрим двоичную FSK модуляцию, когда исходный модулирующий сигнал b(t) представляет собой двоичную бинарную последовательность нулей и единиц следующую с битовой скоростью Br. Формирователь FSK сигнала и принцип его функционирования можно условно представить, как это показано на рисунке 1.1.

 

 

Рисунок 1.1: Принцип формирования FSK сигнала

 

На рисунке 1 показано два генератора, формирующие колебания s₀(t) и s₁(t) на различных частотах (смотри поясняющие осциллограммы рисунка 1). Также имеется электронный ключ, управляемый цифровым сигналом b(t), таким образом, что при передаче логической «1» на выход подается сигнал s₁(t), а при передаче логического «0» - сигнал s₀(t). Таким образом, частота выходного сигнала «манипулируется» в зависимости от битовой последовательности. Не смотря на простоту приведенной схемы, она на практике не применяется, поскольку требуется очень быстродействующий ключ с минимальным переходным процессом, а также при произвольной начальной фазе генераторов возможны скачки по фазе при смене символа, что в свою очередь приводит к расширению спектра. На практике получила распространение FSK модуляция с непрерывной фазой CPFSK. Рассмотрим данный вид модуляции более подробно. FSK сигналы являются частным случаем сигналов с частотной модуляцией (FM) при модулирующем сигнале в виде двоичной битовой последовательности b(t). Таким образом, для модуляции FSK можно использовать схему FM модулятора на базе универсального квадратурного модулятора, как это показано на рисунке 1.2.

 

 
Рисунок 1.2: Структурная схема формирования FSK сигнала на базе FM модулятора

 

Поясняющие графики работы приведенной на рисунке 1.2 структурной схемы показаны на рисунке 1.3.

 

 
Рисунок 1.3: Поясняющие графики работы FSK модулятора

 

На верхнем графике  показана исходная битовая последовательность b(t) следующая со скоростью Br бод, т.е. длительность одного бита последовательности T=1/Br. Блок нормировки формирует сигнал b₀(t) с уровнем +/-1 и с нулевым средним, как это показано на среднем графике рисунка 1.3, при этом форма сигнала сохраняется. Далее b₀(t) используется как модулирующий сигнал на входе FM модулятора. Первым блоком FM модулятора стоит интегратор, который интегрирует сигнала b₀(t) в результате получается сигнал b_i(t) в виде «пилы» как это показано на нижнем графике рисунка 1.3. Необходимо отметить, что при интегрировании импульс единичной амплитуды на выходе интегратора будет иметь амплитуду A=T=1/Br. После сигнал на выходе интегратора b_i(t) усиливается в ώ_д раз, где ώ_д — частота девиации FM сигнала. При рассмотрении FM сигналов говорилось, что частота девиации задает полосу сигнала на выходе модулятора. При цифровой модуляции частота девиации задает разнос частот манипуляции. Представим ώ_д в виде произведения:

(1.1)

где m носит название индекса FSK модуляции и определяет во сколько раз разнос частот манипуляции превышает битовую скорость,Ω=2πF_b— циклическая частота модулирующего сигнала, F_b=Br/2— частота повторения бита при чередовании нулей и единиц в цифровом сигнале (в 2 раза ниже скорости передачи информации Br). После усиления и задания девиации частоты производится формирование квадратурных компонент I(t) и Q(t) и модуляция при помощи универсального квадратурного модулятора.

Сделаем замечание. Смысл  сигнала на выходе интегратора ни что иное как мгновенная фаза FSK сигнала. Поскольку на выходе интегратора  фаза не имеет разрывов, то формируемый  таким образом FSK сигнал называется FSK сигнал с непрерывной фазой  или CPFSK. Также в некоторой литературе такой способ модуляции носит название модуляция с памятью, так как интегратор «помнит» значения, полученные ранее, в то время как ключ на рисунке 1.1 « не помнит » свое положение в предыдущие моменты времени (модулятор на рисунке 1 носит название модулятор без памяти).

1.2 Спектр FSK сигнала

Рассмотрим спектр FSK сигнала. Ранее уже говорилось, что спектр сигналов с угловой модуляцией в общем случае не выражается аналитически. Однако в случае с бинарной последовательностью, можно получить оценку спектра FSK сигналов следуя следующим рассуждениям. Представим сигнал b₀(t) на входе FM модулятора в виде суммы двух сигналов:

(1.2)

где

(1.3)

Такое представление графически показано на рисунке 1.4.

 

 
Рисунок 1.4: Представление модулирующего сигнала

 

Тогда FSK сигнал можно  представить в виде суммы сигналов s_L(t) и s_H(t):

(1.4)

Графически это показано на рисунке 1.5.

 

 

Рисунок1. 5: Представление FSK сигнала

 

Таким образом спектр FSK сигнала S(ω) есть сумма спектров S_L(ω)+ S_H(ω) сигналов s_L(t) и s_H(t). Но согласно (4) s_L(t) и s_H(t)— перенесенные на соответствующие частоты сигналы b_L(t) и b_H(t), которые в свою очередь представляют собой последовательность импульсов длительности T=1/Br. Поскольку битовая последовательность случайная, то спектральная плотности B_L(ω) и B_H(ω) сигналов b_L(t) и b_H(t) может быть представлена как это показано на рисунке 6.