機(jī)載遙測發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

戴衛(wèi)兵，田寶泉，朱 攀

（中航工業(yè)飛行試驗研究院，陜西 西安 710089）

0 引 言

遙測是將信號的近距離測量值傳輸?shù)竭h(yuǎn)距離測量站以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量，它是利用傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的一門綜合性技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，遙測在各行業(yè)都得到廣泛的應(yīng)用，特別是在航空航天領(lǐng)域。

我國目前廣泛使用的是IRIG106標(biāo)準(zhǔn)。該文以PCM遙測來分析遙測系統(tǒng)的構(gòu)建及工作原理。PCM遙測的依據(jù)是采樣定理，它將連續(xù)的時間信號用一個序列離散的采樣點來代替，經(jīng)過采樣后得出的信號為一串時間上排序的幅值高低不等的脈沖序列信號即PAM信號，在PAM的基礎(chǔ)上增加AD和DA及復(fù)雜的數(shù)字同步技術(shù)而形成數(shù)字化遙測技術(shù)即PCM遙測。在PCM信號傳輸時，不管脈沖的形狀和幅值發(fā)生了怎樣的變化，只要能重現(xiàn)出原來的碼組，就能無失真地再現(xiàn)被測信號。因此，PCM傳輸?shù)目垢蓴_能力比其他傳輸方式都強，PCM方式也有更高的精度（沒有累計誤差），更大的動態(tài)范圍，而且當(dāng)數(shù)據(jù)最終要求輸入數(shù)字計算機(jī)時，用PCM格式傳輸和儲存都有許多優(yōu)點。因此，該文主要采用的是PCM遙測方式[1-3]。

1 遙測發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計要求及參數(shù)計算

一般情況下，遙測發(fā)射系統(tǒng)包括PCM信號源、濾波器、遙測發(fā)射機(jī)、分配器、功率放大器、遙測天線及傳輸電纜。PCM信號經(jīng)過濾波器處理后傳輸?shù)竭b測發(fā)射機(jī)，遙測發(fā)射機(jī)接收到經(jīng)過濾波的平滑遙測信號后，對輸入信號進(jìn)行高頻調(diào)制，再傳輸至功放進(jìn)行功率放大，最后通過天線把遙測信號以電磁波形式發(fā)送到空間，基本的配置見圖1[4-5]。

圖1 基本的遙測配置圖

1.1 PCM信號源

1.1.1 PCM的碼型[6]

IRIG106標(biāo)準(zhǔn)中推薦遙測采用的PCM碼型是NRZ-L和BIФ-L碼，NRZ-L碼是不歸零電平碼，BIФ-L碼是雙相電平碼。圖2給出了NRZ-L碼和BIФ-L碼的波形，圖3給出了隨機(jī)數(shù)據(jù)下NRZ-L碼和BIФ-L碼的功率譜密度。

從圖3可以看出，NRZ-L碼能量的90%以上集中在0.7倍頻以下的低頻部分，而BIФ-L碼的能量基本集中在0.2～1.4倍位頻的范圍內(nèi)，它的最高頻率成分比NRZ-L碼高出近一倍。因而，在遙測系統(tǒng)傳輸中，為了使占用的頻帶盡量窄，信號源多采用PCM格式的NRZ碼。

1.1.2 PCM信號幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計

PCM信號源中每個參數(shù)都被采樣1次并數(shù)字化后再加上同步字和識別字等勤務(wù)參數(shù)，稱為基帶信號，其排列的圖形稱為幀。一個完整的幀結(jié)構(gòu)包括若干子幀，每個子幀都包含有同步字、識別字及若干數(shù)據(jù)字。

圖2 NRZ-L碼和BIФ-L碼的波形

圖3 NRZ-L碼和BIФ-L碼的功率譜密度

同步字設(shè)計太短，容易錯誤地把隨機(jī)數(shù)據(jù)字識別為同步字；反之，可能造成同步探測器鑒別不出真正的同步字，浪費資源。子幀長度的設(shè)計原理與同步字相同。目前通用的采集系統(tǒng)，都是用兩個字長作為同步字，一般幀長在40～200個字的范圍內(nèi)。

1.2 PCM濾波器[7-8]

遙測時如果采用呈方波形NRZ-L碼直接去調(diào)制遙測發(fā)射機(jī)，在突變處產(chǎn)生的高頻分量在系統(tǒng)中會引起不可接收的寄生輻射，它對鄰近頻段的其他用戶會產(chǎn)生干擾，為避免出現(xiàn)這些輻射，需要把NRZ-L碼信號輸入到前置濾波器進(jìn)行濾波。PCM濾波器的作用就是對PCM信號進(jìn)行濾波，其目的是為了限制射頻的頻譜。PCM濾波器接收到PCM信號后，經(jīng)過濾波、偏置調(diào)節(jié)、電平調(diào)整后，輸出0～5 V Up-p的單端信號。

濾波器在使用前必須進(jìn)行濾波頻率的選擇和輸出電平的計算。圖4給出了一個經(jīng)濾波后的PCM信號，可以看出突變部分已經(jīng)被濾掉。

圖4 PCM信號濾波

1.2.1 濾波頻率的選擇

根據(jù)輸入PCM的碼速率選擇濾波器的截止頻率，一般選擇濾波器的標(biāo)稱截止頻率是NRZ碼速率的0.7倍左右。并不是說PCM數(shù)據(jù)流1Mb/s，濾波平臺就要選1MHz以上，這樣會使大量的干擾信號進(jìn)來，實際上選0.8MHz就夠了。

1.2.2 輸出電平的計算

偏置調(diào)節(jié)的范圍±500mV，輸出電平可調(diào)的范圍0～5V，具體應(yīng)該調(diào)多少需要通過式（1）計算

式中：Vout——輸出電壓；

ν——PCM位速率；

k——發(fā)射機(jī)調(diào)制靈敏度。

另外，需要考慮濾波器的輸出阻抗，當(dāng)接入具有一定輸入阻抗的發(fā)射機(jī)時，輸出電平會有所下降。因此，輸出電平的最終調(diào)節(jié)應(yīng)該在接入發(fā)射機(jī)時進(jìn)行，或者使輸出電平調(diào)得稍大一點。

1.3 遙測發(fā)射機(jī)

發(fā)射機(jī)是遙測發(fā)射系統(tǒng)的核心，它是用輸入信號對高頻振蕩進(jìn)行調(diào)制，從而得到攜帶有輸入信息的高頻振蕩信號，調(diào)制方式采用FM調(diào)制，即高頻振蕩的頻率隨輸入信號的大小而變化。在遙測發(fā)射機(jī)里有兩個關(guān)鍵參數(shù)，一個是載波頻偏，即發(fā)射機(jī)在其中心頻率下的頻率偏移；一個是調(diào)制靈敏度，系單位電壓下其中心頻率的頻偏量。

為了區(qū)別調(diào)制信號，需要不同的載波頻率，可以通過對頻率編程插頭進(jìn)行編程來設(shè)定發(fā)射機(jī)的載波頻率點或特殊設(shè)備（點頻控制器）直接調(diào)整頻點位置即可。

1.4 分配器

分配器的作用是將電功率分成兩部分，同時能保持兩個輸出通道之間的隔離，一般有同相分配器和反相分配器兩種。同相分配器以相同的相位、1/4（3/4）的功率輸出；反相分配器以相反的相位、1/2的功率輸出。

1.5 功率放大器

功率放大器是對發(fā)射機(jī)輸出的高頻信號進(jìn)行放大，以使發(fā)射天線能夠得到足夠的功率輻射到空間，保證遙測一定的作用距離。若發(fā)射機(jī)輸出的功率能夠滿足要求，可不再使用單獨的功率放大器。

1.6 遙測電纜

遙測射頻所采用的頻段為微波的S波段，所以遙測電纜都是采用長線來傳輸信號。描述長線性能的主要指標(biāo)是特性阻抗和衰減常數(shù)。首先，當(dāng)長線終端接的負(fù)載與長線的特性阻抗相等時能全部吸收入射波的能量而不產(chǎn)生反射，否則就要產(chǎn)生反射波；其次，電波在空間傳播時，其衰減與距離的平方及頻率的平方成正比，即載波頻率越高，空間傳播時的衰減就越大，因此選擇遙測的載頻時應(yīng)盡量低一點[9]。

遙測電纜線的衰減一般是用分貝來標(biāo)定的，現(xiàn)在經(jīng)常使用的有兩種國產(chǎn)電纜，一種比較粗，是SYV-50-7；另一種比較細(xì)，是SYV-50-3。前一種損耗為0.5 dB/m，后一種損耗為1 dB/m（工作頻率以2 200MHz計算）。

計算電纜長度時，在已知衰減常數(shù)的前提下，根據(jù)式（2）

只要知道信號的輸入輸出功率即可。對于輸出功率為10W的發(fā)射機(jī)，以遙測載頻2200MHz計算，為了滿足功放的功率輸入范圍（0.05～4 W），計算所需電纜的長度范圍。

衰減量為

電纜長度為

采用SYV-50-3細(xì)電纜4～23m，采用SYV-50-7粗電纜8～46m。

1.7 遙測發(fā)射天線

1.7.1 天線及其配置

天線是一種能量轉(zhuǎn)換器，它把電能轉(zhuǎn)換為電磁波能量輻射到空間。

選擇天線時要考慮其頻率范圍、方向圖、極化方式、增益、特性阻抗等；配置天線時需考慮飛機(jī)的飛行狀態(tài)、飛機(jī)外形、是否有外掛物以及飛行的區(qū)域等因素。

1.7.2 電波在空間的傳播距離

要對遙測傳播距離進(jìn)行計算，必須要知道電波的傳播損耗。無線電波在空間傳播時的損耗定義為：假定大氣為理想傳播條件，即電波在空間傳播時其能量既不會被障礙物吸收，也不會產(chǎn)生反射或散射。機(jī)載遙測信號傳輸100～300km的能量值計算公式為

式中：Los——電波傳播損耗；

d——傳播距離，km；

f——工作頻率，MHz。

式中：Rss——接收靈敏度；

Pt——發(fā)射功率；

Gt——發(fā)射天線增益；

Gr——接收天線增益；

Lm——媒質(zhì)損耗（一般＜3dB）。

然而在實際情況中，傳播距離會大大低于理想狀況下的計算值，因為無線電通信要受到外界因素的影響，比如干擾及大氣、障礙物、多徑等造成的損耗，所以計算時應(yīng)該將上述損耗值計算在內(nèi)。

2 遙測發(fā)射系統(tǒng)的實現(xiàn)

在實際應(yīng)用中，需要考慮的情況比較多，遙測方案的設(shè)計比較復(fù)雜，下面以實際的遙測系統(tǒng)為例，簡單介紹一下遙測發(fā)射系統(tǒng)的實現(xiàn)。

（1）總的遙測系統(tǒng)框圖的設(shè)計。一架飛機(jī)通常安裝兩個天線，一個安裝在機(jī)頭下方，另一個安裝在機(jī)身上部背鰭處，分別覆蓋飛機(jī)的上部和下部。

（2）PCM幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計。PCM字長16位，同步字用兩個字長，所測參數(shù)的最小采樣率為32，最大采樣率為1024，這樣，在總的位速率為1Mb/s時，設(shè)計全幀每秒循環(huán)32次，每個全幀16個子幀，每個子幀128個字。

（3）濾波器的設(shè)計。PCM速率1Mb/s，則濾波截止頻率為700kHz，字長16位，所以濾波平臺選截止頻率為800kHz；通電調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值，假如發(fā)射機(jī)的調(diào)制靈敏度為±1 MHz/V（RMS），所以在這種情況下，濾波器輸出電壓應(yīng)該是1V×0.35=0.35V有效值（峰峰值近似1V）。

（4）遙測發(fā)射機(jī)的設(shè)計。按照給定的載波頻率，將點頻控制器撥到相應(yīng)位置即可。

（5）各部分之間電纜的選取。參照圖1，C1～C6的選擇及長度計算主要依據(jù)式（2），濾波器至發(fā)射機(jī)之間電纜C1由于發(fā)射機(jī)輸入原因，選用細(xì)電纜SYV-50-3。安裝時盡量將發(fā)射機(jī)與分配器放在一起，電纜選SYV-50-7，取C2長度為0.5m。

分配器至功率放大器之間電纜的長度計算：假如發(fā)射機(jī)輸出功率5 W，經(jīng)同相分配器后將功率分為1.25 W和3.75 W兩部分，功率放大器輸入功率范圍0.05～2 W，由此計算電纜C3及C4的長度（都選 SYV-50-7）：

分配器輸出的功率分貝數(shù)

進(jìn)入放大器的功率分貝數(shù)

經(jīng)過電纜C3及C4的衰減量

C3，0～14dB，所以電纜長度 0～28m，

C4，3～19dB，所以電纜長度 6～38m

這只是理想情況下的一個例子，實際情況下插頭也有一定的衰減量。

為了保證發(fā)射出去的信號能量強，放大器到天線之間電纜（選SYV-50-7）C5和C6盡量短，保證信號的發(fā)射功率。一般取C5和C6的長度都小于2 m。

（6）遙測信號傳輸距離。由Los=149 dB，設(shè)f=2 200MHz，可得 d＞315km。

3 結(jié)束語

隨著電子技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一些新技術(shù)逐漸應(yīng)用于遙測系統(tǒng)，為遙測技術(shù)的新發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。新型遙測理念的研究包括碼分多址技術(shù)及擴(kuò)頻技術(shù)、INET空地一體化網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等；新技術(shù)的研究主要指增強遙測系統(tǒng)各設(shè)備的功能，例如在遙測設(shè)備上增加內(nèi)置信號調(diào)理、信號濾波，生產(chǎn)高增益高抗擾性能的天線等。

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