Сравнительный анализ цифровых и аналоговых радиолиний

Используя данный подход, сравним между собой нехудшие цифровые и дискретно-аналоговые радиолинии с сигналами, например, КИМ_а-ЧМ и АИМ-ЧМ, соответственно. Данные радиолинии наиболее полно отвечают требованиям адекватности модели сравнения:

Дискретный характер сигналов, то есть использование единого метода разделения сигналов – ВРК.

Общий метод модуляции в радиоканале – ЧМ.

Использование сигналов с большей базой (Б = Δ f · Т_k >>1):

Б = а – в многоосновной радиолинии КИМ_а-ЧМ;

Б = Δ f · Т_k = α _fи = 2β· m_f ·α _k – в радиолинии АИМ-ЧМ.

Общие закономерности в характере проявления аномальных погрешностей, а также погрешностей γ_н, γ _k. Тогда правомерность такого сравнения обоснована.

Воспользуемся результатами расчетов удельных расходов энергии и полосы частот для аналоговых радиолиний, представленных в виде графиков зависимостей β² _n = β² _n (γ_н, γ _k) и α _fn = α _fn (γ_н, Р _А), приведенных на рис. 5.1 и построенных в двойном логарифмическом масштабе.

Рис. 5.1. Графики зависимостей β² _n = β² _n (γ _n, γ _k) и α _fn = α _fn (γ _n, Р _А)

Из рис. 5.1 видно, что в широком диапазоне изменения нормальных погрешностей удельный расход полосы частот α _fn обратно пропорционален γ _n и мало зависит от вероятности аномальной погрешности Р_А.

С другой стороны, требуемый расход энергии имеет противоположную тенденцию: в меньшей степени зависит от погрешностей γ _n и в большей степени – от вероятности Р_А.

Полученные с помощью рассмотренного выше алгоритма результаты вы­числения ,  для пяти семейств (М = 4; 16; 64; 256; 1024) цифровых радиолиний с ортогональными сигналами приведены в табл. 5.1 и нанесены на график, показанный на рис. 5.2.

Таблица 5.1.

Параметры	а	n	α	α n
М = 1024	2	10	2	20	95
γ n = 0,0282%	4	5	2	20	54
	32	2	6,4	64	24,6
РА = 10–2	1024	1	102,4	1024	20

 

Таблица 5.1. (Продолжение)

Параметры	а	n	α	α n
М = 256	2	8	2	16	73,0
γ n = 0,113%	4	4	2	16	39,0
	16	2	4	32	22,2
РА = 10–2	256	1	32	256	14,4
	Аналоговая радиолиния 53,7            14,0
Параметры	а	n	α	α n
М = 64	2	6	2	12	51,3
γ n = 0,45%	4	3	2	12	27,9
	64	1	10,7	64	12,3
РА = 10–2	Аналоговая радиолиния 15,06          11,8
М = 16	2	4	2	8	31,6
γ n = 1,8%	4	2	2	8	20,6
	16	1	4	16	10
РА = 10–2	Аналоговая радиолиния 4,5     9,4
М = 4	2	2	2	4	13,2
γ n = 7,2%	4	1	2	4	7,2
РА = 10–2	Аналоговая радиолиния 1,7     7,0

 

Рис. 5.2. Результаты вычисления , для пяти семейств
(М = 4; 16; 64; 256; 1024)

 

Точки, принадлежащие к каждому семейству, соединены сплошными линиями. В каждое семейство входят радиолинии с одинаковыми точностными характеристиками: вероятность аномальной ошибки составляет Р _АЦ = 10^–2, шумы квантования для всех радиолиний каждого семейства одинаковы, поскольку М фиксировано.

На рис. 5.2 в виде точек в кружке нанесены удельные показатели пяти аналоговых радиолиний, имеющих те же точностные характеристики, что и цифровые радиолинии упомянутых пяти семейств:

     Р _А = Р _АЦ = 10^–2.                (5.2)

Анализ приведенных на рис. 5.2 результатов сравнения радиолиний позво­ляет сделать следующие выводы:

Двоичные радиолинии относятся к худшим системам по энергетике и к лучшим по расходу полосы частот при точностях, определяемых
γ_н ≤ 1%. При невысоких требованиях к точности они проигрывают аналоговым радиолиниям в расходе полосы примерно в два раза.

Четверичные радиолинии, не уступая двоичным радиолиниям в расходе полосы частот, выигрывают в энергетике примерно в два раза, что составляет 3 дБ.

Наилучшей в энергетическом плане среди цифровых радиолиний в каждом семействе является радиолиния с высоким основанием кода

Аналоговые радиолинии экономичнее цифровых радиолиний своих семейств примерно в m раз, то есть при т = 1 (независимо от основания a) они не имеют преимуществ в расходе энергии перед радиолиниями с одноразрядными словами. В то же время аналоговые радиолинии экономичнее одноразрядных цифровых радиолиний по использованию полосы частот. Выигрыш колеблется от 3 до 5 раз.

При высоких точностях измерений (М = 256, 1024) аналоговые радиолинии во всех случаях, кроме а = М, проигрывают цифровым в использовании полосы частот.

При средних точностях (М = 64) аналоговые радиолинии сравнимы с цифровыми радиолиниями по расходу полосы частот (кроме случаев
а = М).

При низких требованиях к точности измерений (М = 4, 16) аналоговые радиолинии превосходят цифровые как по энергетическому, так и по частотному показателю (кроме случаев а = М). Применение при этом цифровых радиолиний нецелесообразно.

Таким образом, в теоретическом плане аналоговые радиолинии, в частности дискретные, не уступают цифровым по энергетической и частотной эффек­тности, даже при высоких требованиях к точности измерений. Однако, из-за технических трудностей реализации оптимального приема широкополосных аналоговых сигналов они не нашли широкого применения в высокоточных радиолиниях.

 

6. Телеметрические датчики и их классификация

Устройство, преобразующее физический (телеметрируемый) параметр (ТМП) в первичный электрический сигнал s (обычно напряжение, ток или импеданс), называется датчиком. Датчик, в свою очередь, называют также измерительным преобразователем, поскольку он представляет собой средство измерений для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и/или хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателя. Таким образом, здесь сигнал измерительной информации – это сигнал, функционально связанный с измеряемой физической величиной или ТМП.

Совокупность операций, направленных на установление численного значения ТМП, составляет процесс телеизмерения. Если при измерении используются электронные средства обработки сигнала, необходимо сначала преобразовать измеряемый параметр λ в эквивалентную электрическую величину s (первичный сигнал), причем как можно точнее. Это значит, что полученная электрическая величина должна содержать всю информацию об измеряемом параметре s = f (λ).

Для всех датчиков характеристика преобразования – соотношение s = f (λ) – в численной форме определяется экспериментально в результате градуировки, при проведении которой для ряда точно известных значений λ измеряют соответствующие значения s, что позволяет построить градуировочную кривую s = f (λ). Из этой кривой для всех полученных в результате измерений значений s можно найти соответствующие значения искомой величины λ.

Изменение условий функционирования датчика (температуры, давления, перегрузки и т. д.) приводите изменению f (λ). Это отражается в паспортных данных, где приводятся характеристики с учетом условий работы датчика.

Различают характеристики датчиков для статического и динамического режимов их работы.

Статическими характеристиками датчика являются:

s = f (λ), имеющая вид графика или таблицы. Эта характеристика называется градуировочной или тарировочной;

коэффициент преобразования или чувствительность,

где Δ s и Δλ – приращение сигнала и параметра соответственно;

порог чувствительности (разрешающая способность) датчика, под которым понимается минимальное изменение параметра λ, вызывающее изменение выходного сигнала и превышающее уровень собственных шумов датчика.

Для удобства измерений датчик стараются построить или, по крайней мере, использовать таким образом, чтобы существовала линейная зависимость между малыми приращениями выходной Δ s и входной Δλ величин. Δ s = k Δλ.

Большое значение имеют динамические свойства датчика, которые характеризуются инерционностью. Для экспериментального определения динамических свойств датчика применяются стандартные типовые входные воздействия. По реакции на выходе датчика судят о его инерционных свойствах. Чаще всего применяются входные воздействия типа функций включения или гармонические сигналы. Важными параметрами датчика являются амплитудно-частотная А(ω) и фазочастотная φ(ω) характеристики.

Характеристиками датчиков являются также диапазон измерений, надежность, габариты и масса, потребляемая мощность и др. Выбирая тип датчика, нельзя забывать об условиях его работы; диапазоне изменений окружающей температуры, механических воздействиях (вибрациях, перегрузках), действии электрических и магнитных полей и радиации, диапазоне изменений атмосферного давления и др.