[科普中国]-自适应遥测系统

系统简介

遥测系统是指具有对一定距离的被测对象的某些参数进行测量、传输和处理功能的系统，即是将对象参量的近距离测量值传输至远距离的测量站来实现远距离测量的系统。而自适应遥测系统应能实现诸信源频率特性与信道容量的匹配，并根据诸信源的信息活跃性和诸信源消息对用户的价值，重新在诸信源之间分配信道容量。

为了提高系统的有效性和可靠性，可设计成自适应遥测系统。自适应遥测系统对信源特性的自适应集中在发送端来实现。例如，发送端可根据有无信号使发信机断续工作，根据信号频带的变化而改变采样率，根据信噪比的变化而自动调整量化分层数。自适应遥测系统对噪声源特性的自适应则集中在接收端来解决，即调整接收机匹配滤波器，使输出信噪比最大。在具有双向通道的遥测系统中，接收机对信道噪声的检测结果可以通过反向通道通知发信机改变编码方式和调制度。因此，自适应遥测系统在工作原理上也可以看作是一种具有多重反馈的遥测系统。利用大规模集成电路和微处理机可以制成高精度高可靠性的自适应遥测系统。

一种可能的自适应遥测系统的功能示意框图示于图。

在图中，调节器采用了零阶固定窗口预测器以实现数据压缩，ξ1(t)、ξ2(t)、…、ξn(t)为诸信源输出的随机消息，λ1，λ2，。。。λn为预测器输出的诸样值流的强度。由随机过程理论分析可知，输出样值流强度λ的一般表达式为:

式中，Δ为预测器的窗口值；σ为输入随机过程的均方值；ωI为随机过程角频率的均方值且

其中，G(ω)为随机过程的功率谱密度。这里假定若:ξ1(t)、ξ2(t)、…、ξn(t)是正态分布的随机过程。

图中所示的自适应服务器由输入装置、缓存器和时间标志产生器组成。它的功能是将数据压缩后的n个消息流λ1，λ2，。。。λn变换为一个和消息流后送到信道。由群服务理论可知，它有一定的服务原则和服务机制。假定这里所讨论的自适应服务器采用的服务原则是优先权服务原则，而服务机制是每次同时只输出一个消息，每个消息的服务时间是固定的且等于T(和消息流中各消息之间的时间间隔为T)。实现优先权服原则的方法可以是由输入装置按其输入端诸消息流的优先权形成和消息流λn:，然后送入缓存器，与时标一起输出至信道，也可以是由输入装置按其输出端消息流进入的顺序输出至缓存器，然后由缓存器按优先权原则输出一个和消息流。描述自适应服务器的参数有缓存器的容量N、缓存器的载荷p和传输一个消息的时间T。

在自适应服务器工作过程中，可能产生消息延时现象和消息丢失现象。当某个消息进入缓存器后，在它以前进入缓存器的消息可能尚未从缓存器输出，则刚进入缓存器的消息要等待自己的传送时刻，而且，到达缓存器输入端的消息流是个随机消息流，所以有随机延时存在。当某个消息到达缓存器输入端时，若缓存器容量已被占满，则该消息不能被写入缓存器，从而产生消息丢失。由于这两个现象的存在，在恢复被传输的消息时会产生误差。

图中的时标产生器产生重复周期为TM的序列，它的用途是给传输的消息以时间标记，目的是与系统的时统相匹配。

此外，由于信道上各消息之间的顺序是随机的，所以每个消息结构中应该有地址码。1

系统主要误差上图所示的自适应遥测系统的主要误差有（假定自适应遥测系统的码同步系统是理想的，不产生误差）

1)零阶预测器窗口误差；

2)消息的时间采样误差；

3)消息中信息元部在信道传输中产生差错所造成的误差；

4)消息中地址码元在信道传输中产生差错所造成的误差；

5)自适应服务器产生的消息丢失误差；

6)自适应服务器产生的消息延时误差；

图表示了没有消息丢失情况下和有消息丢失情况下信息恢复后的波形以及消息丢失所造成的误差的波形。

由图可见，在t2、t4、t6、t7，等时刻上发生了消息样值丢失，一般，每个丢失事件是独立事件.若在所观察的时间间隔始端，消息样值没有丢失，则在该时间间隔内Z5(t)=0，这一事件发生的概率为1-PT，PT为任一消息样值的丢失概率；若在所观察时间间隔始端，消息样值丢失，但在该时刻的前一个徉值没有丢失，则在该时间间隔内|Z5|取值为Δ，这一事件发生的概率为1-PT。

自适应遥测基本原理一般时分制遥测的采样顺序不能随意改动，即遥测的波道被预先分配好，在每次或每批飞行试验时都固定不变。要更动这类系统的测量波道或参数，就必须改焊接点或更动测量电缆网。

究其原因，主要是控制多路模拟门启闭与否的信号取自计数器或环形计数器。在外加时钟脉冲的推动下，这些控制信号周而复始地循环看，并使模拟门的启闭也依先后次序周而复始地打开或关闭。

要使多路模拟门的采样次序由顺序变为非顺序即随意采样，必须把控制信号由顺序码组(顺址)变为非顺序码组(变址)。在计数器和译码篡序与三级计数器的对应关系矩阵之间插入一个顺址/变址转换电路，即带译码器的存贮器就可以满足这个要求。

字线受顺序计数器的输出和三一八变换译码矩阵所控制，它的切换即字线上出现正电位的次序仍然是按先后并周而复始循环的。由于存贮器的各位线输出电位与相应字线上的三个晶体管的射极接地与否有关，因此其输出电位是随意可变的。如计数器输出状态为“000”时，零号线输出为“010”，1号线输出为“101”等。如果用某种方法使零号字线上第一个管子的射极接地熔丝断开，那么其输出就变成“110”，由此完成了“改写”工序。存贮器的输出既然是变址，则用变址去控制多路模拟门，它的采样顺序也必定是随意的了。这种最简单的存贮器通常称为“熔断式只读存贮器”。

可以认为用“改写”或“掉换”存贮器来改变遥测的采样次序就是变程序遥测数据采集部分的基本工作原理和独有的工作特点。图所示的存贮器和采样门在结构上就近放置构成了整件式变程序遥测系统。此类系统只适用于完成小范围或小体积内的测试任务，作为基本和标准状态，仍以分散按装、远控采样较为实用和常用。2

标准框图变程序遥测的数据采集部分通常由三个特有单元即控制器、总线和标准终端所组成。如图为其框图。

标准终端可以放置在各测量点附近，并能通过复用的视频信道即总线将变换后的讯息回送给控制器，再经发射机送往接收端，因此弹上电缆网的连接显著简化，重量也大为减轻。

在测量低电平参数时，也不必采用象现有遥测那样的长电缆或加接专用放大器。还应看到，这种远置终端、复用总线的测量将直接影响惯用的传感器一变换放大器布局，并使它们和标准终端发生更密切的电路和结构方面的联系。从某种意义上说，标准终端与多路传感器的结合可以看作是一种新型的多路数字式传感器，它们将物理量直接变为脉码调制的数字量，并经总线与控制器及信道相联接，藉此完成讯息的控制与传递。2

标准终端标准终端亦可称之为远置测量单元，它的功能与一般脉码调制遥测调制器以前各单元的作用相当。其组成如图所示。

标准终端的主要功能是对大量的模拟或数字信号按所需要的顺序加以采集和变换。标准终端主要的组成有：

1.合路器:亦称交换子或时分开关，它完成数据的采集任务。较理想的合路器应能传递毫伏级低电平及6伏高电平之间的信号，能适应单端或双端输入。

2.可控(增益)放大器:其增益应能按程序要求而变。高电平时为1，低电平时为200倍。中间分若干档，以适应不同的输入电平。高、低电平合路器在配用增益可控的放大器后，可以省却大量的单个专用低电平放大器，既节省了硬设备，也降低了耗电量。

3.编码器:大致有四种编码方式如锯齿波、逐次反馈、折叠级联及反馈和级联混合等可供选用。

4.逻解线路:它对整个终端实施控制。通常包括若干门电路、移位寄存器、计数器等数字电路。它接受调了懈器送出的串行变址码组及定时脉冲完成串并变换，控制采样，控制群信号放大器的增益及输入端接线方式，控制编码器工作并按规定字长在规定时间向调/解器送出串行讯息码等。此外，逻辑线路还可控制电源供电，使之只在标准终端采样时才接通电源并使该终端处于讯息发送状态。

5.调(制)/解(调)器:完成信道或总线编码及定时提取任务。它将PCM变址码转换成适合总线或信道传送的波形或进行反变换。设计时应考虑到突发工作、码型变换、波形变换、基带限制及定时提取等间题，并应兼顾所用总线的工作特性。2

控制器控制器直接决定了变程序遥测系统的数据采集性能、适应能力、通用性及可控性等。各标准终端按控制器送出的指令完成数据采集、处理及分配任务。标准终端基本上是归一化的功能块，因此控制器就应按使用对象及要求结合软硬件情况综合考虑。2

总线1.选型:在变程序遥测系统中，数据和控制信号的传送均通过复用的传输线进行。

2.控制方式:控制器与标准终端间的总线数量。主要与控制方式有关。

3.布局:控制器与标准终端ST间的布局大致有三种。即:(1)直接并联控制(2)通过总线并联控制(3)通过总线串联控制2