PCM遥测

PCM系统相对于其他调制系统的优越性在于：首先，PCM系统有较高的能量效率和较强的灵活性。较高的能量效率使得可以在一定的发射功率下，传输更多的数据；较强的灵活性可以适应各种存储手段和可编程遥测系统。其次，PCM系统有较好的噪声性能和较高的通信可靠性，具有同时处理模拟信号和数字信号的能力。PCM系统的编码可以很方便地加入检错码或纠错码来提高系统的抗干扰性，而且对系统电路的非线性失真要求较低。另外，再入遥测中广泛使用的PCM系统应称为PCM/FM系统。因此系统就具有了抗干扰性强和发射机效率高等优点。

在PCM/FM遥测体系中，发射端由信息采集器、PCM编码器和调频发射机组成。信息采集器将各种模拟信号转化为数字信号，PCM编码器按照一定的准则将数字信号转化为二进制非归零码。调频信号的调制是将经过码型变换和插值的PCM信号通过预调滤波器后对载波进行频率调制。发射端将己调制信号由天线发射，经过无线遥测信道传输后到达接收天线，接收端对接收到的遥测信号进行解调并采样后输出二进制PCM信号，然后将PCM信号输送到数据恢复模块。数据恢复系统包括PCM解调器和信息处理，经数据处理即可获得原始发送信号。如图2所示为一个PCM/FM遥测系统的结构框图。

从19世纪末期开始，PCM/FM成为了应用最为广泛的一种遥测技术。进入20世纪以后，随着航空航天科技的不断发展，载人航天、洲际导弹、卫星回收等全新技术开始不断涌现。PCM/FM遥测技术开始全面应用到这些领域，航天器遥测开始崭露头角，并逐渐成为了PCM/FM遥测技术最主要的一种应用。

经过数代人努力和近一个世纪发展，遥测技术尤其是PCM/FM遥测技术己经成为了一项成熟的技术。除了航空航天领域之外，在影响人们日常生活的民用领域也有了长足的发展一一欧洲、美国等西方国家都形成了各自相对独立的遥测体系。

由于存在航天领域“黑障问题”和民用领域发展滞后等问题，遥测技术还有很多需要改进的地方，形成了一些发展趋势，主要包括：第一，采用频带利用率更高，滚降特性更好的CPFSK, SOQPSK-TG, FQPSK-JR, CPM等新型调制体制；第二，采用多符号检测(MSD)技术、Turbo乘积码(TPC)和LDPC码等新技术；第三，在遥测技术研究中应用微波仿真软件、微波多芯片组装(MW MCM工艺和微波集成电路(MIC)技术。这些新技术及软硬件设备的出现和应用将使遥测技术的发展进入一个全新时期。

在国际测控领域，相关研究己经展开，主要包括：多目标遥测系统；CCSDS标准推广；数据融合技术(Data Fusion)；可重组技术；卷积码、多址扩频以及GPS结合等技术和GPS外测技术。

虽然，对新遥测技术的相关探索己经展开，但是PCM/FM遥测体制在相当长的时间内仍将是遥测领域内应用最广泛的体制。

脉冲编码调制就是利用脉冲的有无组合来传递信息。其设想是：首先，每隔适当的时间间隔对信号抽样，抽取其瞬时幅度；然后将各抽样点的幅度以适当的精细度划分为若干区间，并量出其区间数；最后将此区间数变换为相应的脉冲有无的组合。上述三个过程分别称为：采样、量化和编码。

对模拟信号进行采集、抽样、量化、编码，变为数字信号是进行数字处理前提。参数的数据采集及PCM编码的完成都通过数据采集系统来实现，典型的PCM遥测数据采集系统的基本组成如图1所示。

多路模拟信号经过信号匹配器馈送到多路交换子。信号匹配器的主要作用是防止或减轻各种噪声对交换子输入的影响、调节信号电平、限制信号频带，当输入信号不正常时提供保护措施。交换子的作用是按顺序对输入到遥测系统的信号进行采样，实现多路复用。

采样保持电路使正在取样的模拟值在采样期间保持为一个固定的电平。接收信号被送到模/数(A/D)转换器，其后变成二进制数字序列输入到控制相加电路。

在控制相加电路里，二进制数字序列与同步码发生器产生的特殊码组，以及直接输入的、被测数字信号按一定规律排列成PCM数据序列。

PCM程序器提供数据采集系统所有的定时和控制信号。它由时钟、及时逻辑、译码逻辑等部分组成。它输出的定时控制信号被送入到多路交换子、采样保持电路、A/D转换器、控制相加电路等，使它们按规定程序工作。

同步码发生器提供一组用于数据同步的特殊码组，称为帧同步码，它在控制相加电路与输入数据一起被安排在确定的位置上。

上述数据经过信道编码和数据加密等进一步变化，形成经过加密的抗干扰能力强的PCM遥测信号。最后，码型变换器将这些PCM遥测信号变化成适合传输的形式输入到射频传输系统。

在PCM/FM系统组成中简单的分为几部分：信息采集、PCM编码器、调频发射机、接收机、PCM解调器、信息处理。各模块功能简单说明如下：

发射设备是用来获得待测参数，在发射端，先由传感器测量被测对象的各种系数，然后转换成适合采集的信号。用信号调节器把信号变换成适于多路复用的规范化信号，再使用多路复用器将信号按一定体制组合起来去调制发射端载波后，将群信号送入PCM编码器，通过天线向空中辐射。

从数字通信的调制概念来看，PCM编码过程是将量化模拟信号后的信号电平值调制成一个二进制脉冲序列。调频发射机，如果将PCM码信号从频谱上分析，会得到丰富的谐波分量，这样不利于发射功率的集中和频带的利用率，因此，由预调滤波器在调制之前滤除高频谐波分量。

在接收端，接收天线收到信号后送入接收机，把射频信号混频到某一中频值，对载波进行解调，再经过多路复用解调器恢复出各路原始信号，由终端记录、处理和显示，并且按要求将部分遥测数据及时传送给指挥控制中心。

PCM脉冲编码遥测遥控系统在工作时，首先为了限制频带带宽，要经过一个限带低通滤波器，这样有助于发射功率的集中，再进行载波、副载波的调制，得到相位连续、频率连续变化的调频信号(模拟)[20,21]。采用相干或者非相干检测方法，分析怎样在衰落信道中建立相位检测，如何实现简单，能够对相位失真和幅频衰落有抑制能力，这是遥测遥控系统在选择的时候的重点。

鉴频器输出噪声分为高斯白噪声和Click噪声(或Pop， Spike噪声)两部分，这是限幅一鉴频的非线性作用，由于Click噪声不服从高斯分布，所以接收机性能存在门限效应，对于PCM数字信号来说，存在一个最佳调制频偏。

PCM系统原理如图3所示。

国内航天器实时遥测系统传统设计采用PCM体制，即时分轮巡采集和脉冲编码调制体制，缺点主要为遥测帧格式预先设计。格式种类有限．难以适应卫星在轨运行的动态变化，特别是故障情况。另一个主要缺点是不同卫星平台的遥测帧格式难以统一，这影响行在设备的通用化。

航天器星载PCM遥测系统主要由模拟量信号采集多路开关、A/D转换、数字综合、副载波调制、射频调制和发射天线功能模块组成。PCM遥测常用主副帧格式和浮动格式，在主副帧格式中以固定周期传送固定长度的皇帧，通过倍采样传送变化频率更快的数据，通过轮巡实现复用来传送变化速率更慢的数据。浮动格式仅仅是在丰副帧格式的基础上划出一些数据区用于存放格式浮动变化的数字量遥测。

由于帧格式有限、缺少优先级调度机制和分层策略。PCM有以下缺点：

(1)难以适应在轨运行的动态情况}

(2)难以有效利用信道带宽；

(3)难以实现星载遥测设备软硬件的通用化；

(4)难以适应多各不同速率的信源；

(5)难以减小遥测数据的信息冗余度。

如图4所示，分包遥测基于星载计算机能力。由信源即用户计算机将不同传输要求的遥测数据打包为不同的遥测源包。由中心计算机利用数据缓存建立多个具有不同优先级虚拟信道和主信道实现优先级调度机制。用户计算机完成包装层功能。中心计算机完成分段层和传输层功能。

分包遥测基于星载计算机能力，由信源即用户计算机将不同传输要求的遥测数据打包为不同的遥测源包。由中心计算机利用数据缓存建立多个具有不同优先级虚拟信道和主信道实现优先级调度机制。用户计算机完成包装层功能，中心计算机完成分段层和传输层功能。

与PCM相比，分包遥测能更好适应具有长度、速率，信宿、优先级不同的多信源的飞行任务。但从工程实际来看，航天器信源的动态性仅仅存在于设计过程，在轨运行的是强实时系统．各用户应用均按照约定的时序或者协议运行．遥测周期基本是固定的。动态性主要是在异常或者故障情况F．由地面或者自主计算机主动发出数据请求指令来获取特殊的数据内容。

实时遥测定义及意义

目前，“数据融合”的定义为对来自多信息源的数据和信息进行相关、互连和合并处理，以获得准确的目标信息。这种融合是基于多信息或多传感器的。而本文所要论述的“实时遥测数据融合”基于同一信息源的多路采集数据流，即采用网络技术将多个采集设备连接起来，在接收同一目标发出的PCM数据流时，对多个采集设备所采集到的数据进行实时筛选、择优和融合，从而获得实时最佳数据。

实时遥测数据融合器实质上是一个软件产品。在分布式遥测系统中，它可以任意驻留在采集服务器或者任一客户端上。当PCM数据流的位速率很高、处理负荷很大时，它也可以单独运行在一台数据融合服务器上。

实时遥测数据融合对于外场试验具备两个方面的意义：①有效地提高了靶场遥测地面系统提供的遥测数据的质量，即在多个采集设备中，只要有一个采集设备正常，或者各个采集设备分别在不同时间段内工作正常，就能确保远程指挥大厅显示出准确的遥测数据。②从某种意义上来说，可适度减小遥测地面接收系统的压力，降低遥测成本。接收系统的性能提高到一定程度后，付出的成本将是指数级上升的。实时遥测数据融合的存在让我们可以考虑在要求的可靠度范围内不用过多地增加地面接收设备的数量，在遥测地面接收系统指标已经达到一定水平时不必过分强调指标的提升。

实时遥测结构设计

如图2所示，实时遥测数据融合软件由三个部分组成：

①设备管理模块获得局域网上采集设备服务器的位置信息，将各采集服务器上的数据暂存于相应的缓冲区中。

②数据融合模块根据融合策略对各个设备缓冲区的数据进行判断、选择和融合，并将融合结果送往输出缓冲区。

③效果评估模块对数据融合结果进行评估，并将输出缓冲区的数据接新地址发往网络。