一種高速轉(zhuǎn)臺無線遙測系統(tǒng)

馬文姬

【摘要】高速轉(zhuǎn)臺是研究模擬彈體運(yùn)行環(huán)境的測試設(shè)備。解決在高速旋轉(zhuǎn)條件下被測參量的可靠傳輸問題，是高速轉(zhuǎn)臺設(shè)計的一個技術(shù)關(guān)鍵。針對這一問題，提出了一種高速轉(zhuǎn)臺無線遙測系統(tǒng)，采用多通道采集、多種編碼方式、多模式調(diào)制，整體集成度高，真正解決了在高速轉(zhuǎn)臺中非接觸式信號傳輸存在的問題，為模擬高旋彈、導(dǎo)彈、火箭等在高速高旋條件下的參數(shù)測量提供了技術(shù)手段。

【關(guān)鍵詞】高速轉(zhuǎn)臺；多通道；多種編碼；多模式調(diào)制

彈體飛行運(yùn)動過程中彈載設(shè)備參數(shù)的實(shí)時精確測量是一項(xiàng)直接關(guān)系到彈體運(yùn)行精度性能的關(guān)鍵技術(shù)。但是，彈藥本身的耗資巨大，尤其是當(dāng)今的高旋彈，使得研究模擬彈體運(yùn)行環(huán)境的測試設(shè)備逐漸發(fā)展起來。如今，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，高速轉(zhuǎn)臺已經(jīng)能夠滿足其要求。高速轉(zhuǎn)臺是用來模擬高速旋轉(zhuǎn)工況，檢測產(chǎn)品在真實(shí)工作條件下的工作狀況及其性能指標(biāo)的關(guān)鍵設(shè)備，也是研究模擬彈體運(yùn)行環(huán)境的測試設(shè)備。針對傳輸存在的問題，研究遙測系統(tǒng)的基本構(gòu)成及其關(guān)鍵技術(shù)，擬設(shè)計一種高速轉(zhuǎn)臺無線近程遙測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在高速轉(zhuǎn)臺上多路被測參數(shù)遙測系統(tǒng)的一套系列化動作，從采集編碼到調(diào)制發(fā)射，再到接收解調(diào)解碼數(shù)據(jù)管理。

一、關(guān)鍵技術(shù)的研究

1、編解碼技術(shù)

由于高速轉(zhuǎn)臺這種特殊的環(huán)境，需要多路采集完成對轉(zhuǎn)臺各個方面的測試，這樣得到的采樣數(shù)據(jù)的類型也是各種各樣，為了將這些不同類型的采樣數(shù)據(jù)高速存儲同時在后期處理數(shù)據(jù)時更好的分類處理，系統(tǒng)采用混合編幀的處理方法。這正如在數(shù)字通信中，載有消息的數(shù)字流總是用若干碼元組成一個“字”，又用若干“字”組成一“句”。在接收這些數(shù)字流時，同樣也必須知道這些“字”、“句”的起止時刻，這就需要本系統(tǒng)中用到的幀同步編碼來解決。

此外，數(shù)字信號在傳輸過程中，由于受到干擾的影響，碼元波形將變壞。接收端可能產(chǎn)生錯誤判斷。考慮差錯控制編碼技術(shù)，即本系統(tǒng)中設(shè)計的糾錯編碼模塊。具體地講，糾錯編碼就是在發(fā)送端的信息碼元序列中，以某種確定的編碼規(guī)則，加入監(jiān)督碼元，在接收端再利用該規(guī)則進(jìn)行檢查識別，從而發(fā)現(xiàn)錯誤，糾正錯誤。從理論上講，差錯控制是以降低信息傳輸效率為代價換取提高傳輸可靠性。本系統(tǒng)中采用的是常見的線性分組碼中的漢明碼編碼方式。對于非分組碼來說比較簡單，算法易實(shí)現(xiàn)。而漢明碼是一種能夠糾正錯碼且編碼效率較高的線性分組碼。

2、調(diào)制解調(diào)技術(shù)

BPSK即二進(jìn)制相移鍵控，利用載波的相位變化傳遞數(shù)字信息，信號的振幅、頻率保持恒定。本系統(tǒng)中傳統(tǒng)的遙測調(diào)制方式采用的就是BPSK。目前，實(shí)現(xiàn)BPSK調(diào)制器的方法有很多，大致可以分為兩類。一類是完全采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，但模擬器件的非線性易受溫度的影響且模擬調(diào)制器的體積大、系統(tǒng)調(diào)試和生產(chǎn)的難度也較大。另一類是基于FPGA實(shí)現(xiàn)的，基于FPGA實(shí)現(xiàn)的BPSK數(shù)字調(diào)制器更具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：靈活的接口和控制方式、較短的轉(zhuǎn)換時間、較寬的帶寬、相位連續(xù)變化和頻率分辨率較高等。本系統(tǒng)正是利用第二種方法實(shí)現(xiàn)。XC6SLX25-FTG258。通過仿真表明，該設(shè)計電路簡單，使用靈活方便。

二、系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)擬設(shè)計一種高速轉(zhuǎn)臺無線遙測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在高速轉(zhuǎn)臺上多路被測參數(shù)遙測系統(tǒng)的一套系列化動作，從采集編碼到調(diào)制發(fā)射，再到接收解調(diào)解碼數(shù)據(jù)管理。

多路I/O端口采集包括8路模擬信號和8路數(shù)字信號；8路模擬信號要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后得到的8路數(shù)字信號與原來的8路數(shù)字信號進(jìn)入信源編碼模塊完成編碼；調(diào)制模式選擇器中提供了傳統(tǒng)遙測調(diào)制和新型擴(kuò)頻調(diào)制，完成初步調(diào)制；經(jīng)過DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換之后連接上混頻器，通過變頻把信號的頻譜搬至更高的載波頻率上，然后連接射頻功率放大模塊使已調(diào)信號以較短的發(fā)射天線輻射電磁波。

三、編解碼實(shí)現(xiàn)

1、同步編碼實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中的同步編碼是針對高速轉(zhuǎn)臺這種特殊的環(huán)境選擇的一種編碼。由于需要多路采集完成對轉(zhuǎn)臺各個方面的測試，為了將不同通道的采樣數(shù)據(jù)高速存儲以及后期處理，系統(tǒng)采用了同步編碼，采用巴克碼進(jìn)行同步編碼，巴克碼是一種具有特殊規(guī)律的二進(jìn)制碼組，它是一種非周期序列。在系統(tǒng)中采用了在數(shù)據(jù)中插入長度為4位和16位的巴克碼序列（轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制）的打包編幀方式完成同步編碼。

2、同步編碼測試

數(shù)據(jù)編碼模塊輸入的數(shù)字信號包括由8通道模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸出的12bit數(shù)字信號和原有的8bit數(shù)字信號。FPGA按照編幀格式要求，控制采集各個數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)的時序，將各類數(shù)字信號進(jìn)行處理，再進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換，并形成串行數(shù)據(jù)流輸出。

設(shè)計實(shí)現(xiàn)了采集八通道模擬信號和數(shù)字量之后進(jìn)行一次編碼，編碼之后輸出樣式為ee16-00000000-8-0001-1002-2003-3004-4005-5006-6007-7008-401符合了編幀的格式要求，總位數(shù)192bit。

四、調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)

BPSK技術(shù)已經(jīng)在高速數(shù)據(jù)傳輸中得到了十分廣泛的應(yīng)用，本系統(tǒng)采用BPSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)作為首次調(diào)制，然后再通過FM再次調(diào)制。在BPSK的仿真設(shè)計中，當(dāng)要傳輸?shù)臄?shù)字碼元為“0”時，輸出相位為0相位的載波；為“1”時，輸出相位為π相位的載波。通過數(shù)字碼元的變化，來控制輸出正弦波形0、π相位之間變換。通過通信仿真軟件System view對整個系統(tǒng)中的調(diào)制解調(diào)部分進(jìn)行仿真，包括BPSK和FM調(diào)頻技術(shù)。

在仿真中，由于BPSK調(diào)制之后要達(dá)到中頻，選定為60M，由于頻率比較大，看不明顯，所以在仿真設(shè)計是，選定0相位的載波幅度為1，π相位的載波幅度為2（增益為2）。

五、結(jié)束語

把已經(jīng)設(shè)計好的系統(tǒng)發(fā)送端安裝在高速轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)部，預(yù)先設(shè)置轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速等參數(shù)，首先設(shè)置一個預(yù)發(fā)數(shù)用以發(fā)送，加電后工作，轉(zhuǎn)臺開始工作并發(fā)射信號，同時安裝在轉(zhuǎn)臺控制站的接收端接收信號。轉(zhuǎn)臺停止后，在控制站搭建的上位機(jī)平臺上比對這個預(yù)發(fā)數(shù)的誤碼率，測試其性能良好；裝上傳感器采集數(shù)據(jù)，重復(fù)上述操作，驗(yàn)證可完成整套遙測系統(tǒng)功能。此外，本系統(tǒng)為模擬高旋彈、導(dǎo)彈、火箭等在高速高旋條件下的參數(shù)測量提供相關(guān)的技術(shù)手段。

【參考文獻(xiàn)】

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