机载遥测发射系统的设计与实现

戴卫兵，田宝泉，朱 攀

（中航工业飞行试验研究院，陕西 西安 710089）

0 引 言

遥测是将信号的近距离测量值传输到远距离测量站以实现远距离测量，它是利用传感技术、通信技术和计算机技术的一门综合性技术。随着科学技术的发展，遥测在各行业都得到广泛的应用，特别是在航空航天领域。

我国目前广泛使用的是IRIG106标准。该文以PCM遥测来分析遥测系统的构建及工作原理。PCM遥测的依据是采样定理，它将连续的时间信号用一个序列离散的采样点来代替，经过采样后得出的信号为一串时间上排序的幅值高低不等的脉冲序列信号即PAM信号，在PAM的基础上增加AD和DA及复杂的数字同步技术而形成数字化遥测技术即PCM遥测。在PCM信号传输时，不管脉冲的形状和幅值发生了怎样的变化，只要能重现出原来的码组，就能无失真地再现被测信号。因此，PCM传输的抗干扰能力比其他传输方式都强，PCM方式也有更高的精度（没有累计误差），更大的动态范围，而且当数据最终要求输入数字计算机时，用PCM格式传输和储存都有许多优点。因此，该文主要采用的是PCM遥测方式[1-3]。

1 遥测发射系统的设计要求及参数计算

一般情况下，遥测发射系统包括PCM信号源、滤波器、遥测发射机、分配器、功率放大器、遥测天线及传输电缆。PCM信号经过滤波器处理后传输到遥测发射机，遥测发射机接收到经过滤波的平滑遥测信号后，对输入信号进行高频调制，再传输至功放进行功率放大，最后通过天线把遥测信号以电磁波形式发送到空间，基本的配置见图1[4-5]。

图1 基本的遥测配置图

1.1 PCM信号源

1.1.1 PCM的码型[6]

IRIG106标准中推荐遥测采用的PCM码型是NRZ-L和BIФ-L码，NRZ-L码是不归零电平码，BIФ-L码是双相电平码。图2给出了NRZ-L码和BIФ-L码的波形，图3给出了随机数据下NRZ-L码和BIФ-L码的功率谱密度。

从图3可以看出，NRZ-L码能量的90%以上集中在0.7倍频以下的低频部分，而BIФ-L码的能量基本集中在0.2～1.4倍位频的范围内，它的最高频率成分比NRZ-L码高出近一倍。因而，在遥测系统传输中，为了使占用的频带尽量窄，信号源多采用PCM格式的NRZ码。

1.1.2 PCM信号帧结构的设计

PCM信号源中每个参数都被采样1次并数字化后再加上同步字和识别字等勤务参数，称为基带信号，其排列的图形称为帧。一个完整的帧结构包括若干子帧，每个子帧都包含有同步字、识别字及若干数据字。

图2 NRZ-L码和BIФ-L码的波形

图3 NRZ-L码和BIФ-L码的功率谱密度

同步字设计太短，容易错误地把随机数据字识别为同步字；反之，可能造成同步探测器鉴别不出真正的同步字，浪费资源。子帧长度的设计原理与同步字相同。目前通用的采集系统，都是用两个字长作为同步字，一般帧长在40～200个字的范围内。

1.2 PCM滤波器[7-8]

遥测时如果采用呈方波形NRZ-L码直接去调制遥测发射机，在突变处产生的高频分量在系统中会引起不可接收的寄生辐射，它对邻近频段的其他用户会产生干扰，为避免出现这些辐射，需要把NRZ-L码信号输入到前置滤波器进行滤波。PCM滤波器的作用就是对PCM信号进行滤波，其目的是为了限制射频的频谱。PCM滤波器接收到PCM信号后，经过滤波、偏置调节、电平调整后，输出0～5 V Up-p的单端信号。

滤波器在使用前必须进行滤波频率的选择和输出电平的计算。图4给出了一个经滤波后的PCM信号，可以看出突变部分已经被滤掉。

图4 PCM信号滤波

1.2.1 滤波频率的选择

根据输入PCM的码速率选择滤波器的截止频率，一般选择滤波器的标称截止频率是NRZ码速率的0.7倍左右。并不是说PCM数据流1Mb/s，滤波平台就要选1MHz以上，这样会使大量的干扰信号进来，实际上选0.8MHz就够了。

1.2.2 输出电平的计算

偏置调节的范围±500mV，输出电平可调的范围0～5V，具体应该调多少需要通过式（1）计算

式中：Vout——输出电压；

ν——PCM位速率；

k——发射机调制灵敏度。

另外，需要考虑滤波器的输出阻抗，当接入具有一定输入阻抗的发射机时，输出电平会有所下降。因此，输出电平的最终调节应该在接入发射机时进行，或者使输出电平调得稍大一点。

1.3 遥测发射机

发射机是遥测发射系统的核心，它是用输入信号对高频振荡进行调制，从而得到携带有输入信息的高频振荡信号，调制方式采用FM调制，即高频振荡的频率随输入信号的大小而变化。在遥测发射机里有两个关键参数，一个是载波频偏，即发射机在其中心频率下的频率偏移；一个是调制灵敏度，系单位电压下其中心频率的频偏量。

为了区别调制信号，需要不同的载波频率，可以通过对频率编程插头进行编程来设定发射机的载波频率点或特殊设备（点频控制器）直接调整频点位置即可。

1.4 分配器

分配器的作用是将电功率分成两部分，同时能保持两个输出通道之间的隔离，一般有同相分配器和反相分配器两种。同相分配器以相同的相位、1/4（3/4）的功率输出；反相分配器以相反的相位、1/2的功率输出。

1.5 功率放大器

功率放大器是对发射机输出的高频信号进行放大，以使发射天线能够得到足够的功率辐射到空间，保证遥测一定的作用距离。若发射机输出的功率能够满足要求，可不再使用单独的功率放大器。

1.6 遥测电缆

遥测射频所采用的频段为微波的S波段，所以遥测电缆都是采用长线来传输信号。描述长线性能的主要指标是特性阻抗和衰减常数。首先，当长线终端接的负载与长线的特性阻抗相等时能全部吸收入射波的能量而不产生反射，否则就要产生反射波；其次，电波在空间传播时，其衰减与距离的平方及频率的平方成正比，即载波频率越高，空间传播时的衰减就越大，因此选择遥测的载频时应尽量低一点[9]。

遥测电缆线的衰减一般是用分贝来标定的，现在经常使用的有两种国产电缆，一种比较粗，是SYV-50-7；另一种比较细，是SYV-50-3。前一种损耗为0.5 dB/m，后一种损耗为1 dB/m（工作频率以2 200MHz计算）。

计算电缆长度时，在已知衰减常数的前提下，根据式（2）

只要知道信号的输入输出功率即可。对于输出功率为10W的发射机，以遥测载频2200MHz计算，为了满足功放的功率输入范围（0.05～4 W），计算所需电缆的长度范围。

衰减量为

电缆长度为

采用SYV-50-3细电缆4～23m，采用SYV-50-7粗电缆8～46m。

1.7 遥测发射天线

1.7.1 天线及其配置

天线是一种能量转换器，它把电能转换为电磁波能量辐射到空间。

选择天线时要考虑其频率范围、方向图、极化方式、增益、特性阻抗等；配置天线时需考虑飞机的飞行状态、飞机外形、是否有外挂物以及飞行的区域等因素。

1.7.2 电波在空间的传播距离

要对遥测传播距离进行计算，必须要知道电波的传播损耗。无线电波在空间传播时的损耗定义为：假定大气为理想传播条件，即电波在空间传播时其能量既不会被障碍物吸收，也不会产生反射或散射。机载遥测信号传输100～300km的能量值计算公式为

式中：Los——电波传播损耗；

d——传播距离，km；

f——工作频率，MHz。

式中：Rss——接收灵敏度；

Pt——发射功率；

Gt——发射天线增益；

Gr——接收天线增益；

Lm——媒质损耗（一般＜3dB）。

然而在实际情况中，传播距离会大大低于理想状况下的计算值，因为无线电通信要受到外界因素的影响，比如干扰及大气、障碍物、多径等造成的损耗，所以计算时应该将上述损耗值计算在内。

2 遥测发射系统的实现

在实际应用中，需要考虑的情况比较多，遥测方案的设计比较复杂，下面以实际的遥测系统为例，简单介绍一下遥测发射系统的实现。

（1）总的遥测系统框图的设计。一架飞机通常安装两个天线，一个安装在机头下方，另一个安装在机身上部背鳍处，分别覆盖飞机的上部和下部。

（2）PCM帧结构的设计。PCM字长16位，同步字用两个字长，所测参数的最小采样率为32，最大采样率为1024，这样，在总的位速率为1Mb/s时，设计全帧每秒循环32次，每个全帧16个子帧，每个子帧128个字。

（3）滤波器的设计。PCM速率1Mb/s，则滤波截止频率为700kHz，字长16位，所以滤波平台选截止频率为800kHz；通电调节输出电压的幅值，假如发射机的调制灵敏度为±1 MHz/V（RMS），所以在这种情况下，滤波器输出电压应该是1V×0.35=0.35V有效值（峰峰值近似1V）。

（4）遥测发射机的设计。按照给定的载波频率，将点频控制器拨到相应位置即可。

（5）各部分之间电缆的选取。参照图1，C1～C6的选择及长度计算主要依据式（2），滤波器至发射机之间电缆C1由于发射机输入原因，选用细电缆SYV-50-3。安装时尽量将发射机与分配器放在一起，电缆选SYV-50-7，取C2长度为0.5m。

分配器至功率放大器之间电缆的长度计算：假如发射机输出功率5 W，经同相分配器后将功率分为1.25 W和3.75 W两部分，功率放大器输入功率范围0.05～2 W，由此计算电缆C3及C4的长度（都选 SYV-50-7）：

分配器输出的功率分贝数

进入放大器的功率分贝数

经过电缆C3及C4的衰减量

C3，0～14dB，所以电缆长度 0～28m，

C4，3～19dB，所以电缆长度 6～38m

这只是理想情况下的一个例子，实际情况下插头也有一定的衰减量。

为了保证发射出去的信号能量强，放大器到天线之间电缆（选SYV-50-7）C5和C6尽量短，保证信号的发射功率。一般取C5和C6的长度都小于2 m。

（6）遥测信号传输距离。由Los=149 dB，设f=2 200MHz，可得 d＞315km。

3 结束语

随着电子技术及计算机技术的发展，一些新技术逐渐应用于遥测系统，为遥测技术的新发展奠定了基础。新型遥测理念的研究包括码分多址技术及扩频技术、INET空地一体化网络传输技术等；新技术的研究主要指增强遥测系统各设备的功能，例如在遥测设备上增加内置信号调理、信号滤波，生产高增益高抗扰性能的天线等。

[1] 霍培锋.试飞测试技术[M].西安：中国飞行试验研究室，1990.

[2]Strock O J.新一代计算机遥测系统[M].齐连普，译.北京：航空工业出版社，1991.

[3] 霍培锋，郭小兵.国外航空遥测发展[J].遥测遥控，2003，24（6）：1-5.

[4] 张其善，张晓林.遥测技术的发展现状与动向[J].无线电工程，2001（Z1）：4-6.

[5] 姜吕，范晓玲.航天通信跟踪技术导论[M].北京：北京工业出版社，2003.

[6] 攀昌信，曹丽娜.通信原理[M].北京：国防工业出版社，2008.

[7] 丁钟琦.微波传输技术[M].长沙：湖南大学出版社，2000.

[8] 闫晓燕，武锦辉.遥测PCM码流解码系统的设计[J].现代电子技术，2008（15）：135-136，139.

[9]霍培锋，李虎诚.遥测传输质量与射频系统的调整[J].测控技术，2008，27（1）：4-6.