無(wú)線通信與遙測(cè)

無(wú)線通信新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，推動(dòng)了遙測(cè)技術(shù)的發(fā)展。在國(guó)際遙測(cè)會(huì)議 (ITC)中，關(guān)于 OFDM,MIMO,MIMO-OFDM 的論文逐年增多。2003 年，加拿大太平洋微波研究中心 Durso報(bào)告了他們實(shí)驗(yàn)室的研究成果，他們將 OFDM 技術(shù)應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)遙測(cè)鏈路，采用編碼 OFDM(COFDM)技術(shù)，子載波采用 QPSK 或者16-QAM，信號(hào)帶寬 8 MHz，根據(jù)不同的編碼效率與子載波調(diào)制方式，傳輸速率為 5 Mbps~20 Mbps，該系統(tǒng)可以有效地對(duì)抗多徑干擾，而且可以進(jìn)行非視距通信。2005 年，國(guó)際遙測(cè)會(huì)議專門設(shè)立一個(gè)議題討論提高遙測(cè)頻譜效率(T&E/S&T Spectrum Efficient Technology)，在這個(gè)議題中，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)Darden認(rèn)為在遙測(cè)鏈路中，OFDM 是一種先進(jìn)的技術(shù)。Tian 等人將 OFDM 技術(shù)用于飛行器電力線高速數(shù)據(jù)傳輸，可以節(jié)約飛行器儀器之間電纜的數(shù)量。2008 年，Lu 與 Roach 等人分析了物理層采用 OFDM 的iNET (增強(qiáng)遙測(cè)綜合網(wǎng))性能，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試。2009 年，Ehichioya 與Kamirah研究 OFDM 在航空遙測(cè)信道的性能，說(shuō)明 OFDM 在航空遙測(cè)中具有優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于 MIMO 技術(shù)的關(guān)注，是從 2002 年開始，Jensen 等人研究了空時(shí)編碼，并針對(duì)航空遙測(cè)信道進(jìn)行了分析。在后面的幾年里，越來(lái)越多的遙測(cè)研究人員開始關(guān)注 MIMO。在 2006 年遙測(cè)會(huì)議上，組委會(huì)專門設(shè)計(jì)一個(gè)議題，交流 MIMO 技術(shù)，在 2007 年、2009 年都專門設(shè)置分會(huì)場(chǎng)討論 MIMO 技術(shù)。在 2006 年，美國(guó)密蘇里州科技大學(xué)遙測(cè)學(xué)術(shù)中心 Chris Potter 等人就開始研究 MIMO 技術(shù)，在隨后的幾年中，他與自己導(dǎo)師 Kosbar 每年都在遙測(cè)會(huì)議上展示他們的研究成果。到 2009 年，他們成功地將 MIMO 應(yīng)用于航空遙測(cè)中，開發(fā)了 1 套 2×2 的MIMO 系統(tǒng)，機(jī)上 2 個(gè)天線，地面 2 個(gè)天線。對(duì)于 MIMO，就技術(shù)而言，主要集中在信道估計(jì)、空時(shí)編碼。

從已有的報(bào)道來(lái)看，目前 OFDM、MIMO 技術(shù)在遙測(cè)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用主要集中在航空遙測(cè)。在航空信道下，當(dāng)飛行器距離較遠(yuǎn)時(shí)，受到地球曲率半徑的影響，導(dǎo)致天線仰角很低，此時(shí)，地面與山體等反射都進(jìn)入天線的主波束內(nèi)，形成多徑干擾，而且飛行器需要傳輸大量視頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)率高。另外航空信道下的飛行器能源是可以補(bǔ)給的，可采用功率較大的發(fā)射功率。所以在航空遙測(cè)領(lǐng)域，OFDM 技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。在衛(wèi)星、飛船等遙測(cè)中，OFDM、MIMO 的研究和應(yīng)用還未見報(bào)道。這些飛行器能量由電池提供，發(fā)射功率非常有限，功率放大器為非線性，況且衛(wèi)星、飛船基本上不存在多徑干擾，是一個(gè)理想的加性高斯白噪聲(Additive White Gaussion Noise，AWGN)信道，就目前而言，不宜采用 OFDM 技術(shù)。但是不論是航空遙測(cè)，還是衛(wèi)星遙測(cè)，使用 MIMO 技術(shù)都可以提高信道容量，節(jié)約功率，提高傳輸?shù)目煽啃裕?MIMO 在遙測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有很大潛力。對(duì)于 SC-FDE技術(shù)，在遙測(cè)會(huì)議中未見報(bào)道，但是根據(jù)它的特點(diǎn)以及優(yōu)異的抗多徑性能，在航空遙測(cè)、導(dǎo)彈遙測(cè)等存在嚴(yán)重多徑干擾的信道下，是一種魯棒的遙測(cè)體制，很有必要深入研究。

無(wú)線通信與遙測(cè)OFDM 技術(shù)

OFDM 是一種多載波調(diào)制技術(shù)，它把一個(gè)寬帶的頻率選擇性信道劃分為 N 個(gè)窄帶平坦衰落信道，從而具有很強(qiáng)的抗多徑衰落和抗脈沖干擾的能力。另外，OFDM 子載波間相互重疊并保持正交，所以頻譜利用率高。在 20 世紀(jì)五十年代，美國(guó)軍方創(chuàng)建了第 1 個(gè)多載波系統(tǒng)，它是 OFDM 的雛形。由于受到技術(shù)和器件的制約，在接下來(lái)的十幾年中，OFDM 的實(shí)踐之路走得比較艱難。1971 年，Weinstein 和 Ebert 提出采用離散傅立葉變換(Discrete Fourier Transform，DFT)和離散傅里葉逆變換(Inverse DFT，IDFT)對(duì) OFDM 進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，1980 年P(guān)eled 和 Ruiz 提出采用循環(huán)保護(hù)前綴消除符號(hào)間干擾的思路，隨著數(shù)字器件的飛速發(fā)展，快速傅里葉變換(FastFourier Transform，F(xiàn)FT)的實(shí)現(xiàn)已變得非常容易，其他一些在實(shí)現(xiàn)中難以克服的困難也得到了相應(yīng)的解決，至此，OFDM 走上無(wú)線通信的舞臺(tái)。到 20 世紀(jì) 90 年代，OFDM 開始被歐洲和澳大利亞應(yīng)用于數(shù)字音頻廣播(Digital AudioBroadcasting，DAB)、高清晰度數(shù)字電視(High-Definition TV，HDTV)和無(wú)線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network，WLAN)。目前，OFDM 已廣泛應(yīng)用于 WiFi,WiMAX，并作為第 4 代無(wú)線寬帶多媒體通信系統(tǒng)的主流技術(shù)。OFDM 由于其子載波的正交性，導(dǎo)致對(duì)于頻偏非常敏感。所以頻偏估計(jì)成為 OFDM 的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)這一問(wèn)題，研究人員進(jìn)行了大量的研究，提出了許多解決方案。從文獻(xiàn)中可以看出，已有的頻偏估計(jì)算法可以分為兩大類，一類是數(shù)據(jù)輔助的估計(jì)算法，利用導(dǎo)頻或單獨(dú)的訓(xùn)練符號(hào)估計(jì)頻偏，這類估計(jì)算法性能良好且計(jì)算量較小，但是會(huì)浪費(fèi)寶貴的帶寬資源。這類算法的研究已經(jīng)比較完善，不論是算法性能，還是計(jì)算復(fù)雜度，都足以滿足工程應(yīng)用的要求。目前關(guān)于這類算法的研究大多屬于錦上添花或者只追求學(xué)術(shù)價(jià)值；另一類是盲估計(jì)算法，這類算法一般性能較差且計(jì)算量大，但是它們具有帶寬利用率高，信號(hào)不容易被截獲的優(yōu)點(diǎn)。這類算法的研究還不是很完善，尋找可以與數(shù)據(jù)輔助類算法相比擬的盲估計(jì)算法是研究人員奮斗的目標(biāo)。另外，由于 OFDM 信號(hào)是由許多獨(dú)立調(diào)制的子載波疊加而成，這就有可能在某個(gè)時(shí)刻出現(xiàn)一個(gè)很大的峰值功率，導(dǎo)致峰均功率比問(wèn)題，即 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)，這是 OFDM 的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。由于峰值功率過(guò)高，對(duì)功率放大器動(dòng)態(tài)范圍要求很高，提高了整個(gè)系統(tǒng)的成本。若峰值功率超過(guò)功放的線性放大范圍，就會(huì)引起線性失真。目前，已有大量 PAPR 抑制算法，具有代表性的方法有剪波法，壓擴(kuò)變換法，加擾方法以及編碼的方法。剪波法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，能將 PAPR 壓得很低，但是會(huì)帶來(lái)非線性失真，導(dǎo)致性能惡化；壓擴(kuò)變換法抑制效果好，且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但也會(huì)帶來(lái)非線性失真，導(dǎo)致性能惡化；加擾是一種無(wú)失真 PAPR 抑制方法，但是計(jì)算量大，PAPR 改善有限；編碼的方法可以很好地抑制 PARR，但是隨著子載波個(gè)數(shù)的增加，計(jì)算量呈指數(shù)增長(zhǎng)，所以只適合子載波數(shù)較小的情況?？傊?，目前還沒有一個(gè)既簡(jiǎn)單而且性能良好的 PAPR 算法，為了解決這一問(wèn)題，研究人員把注意力集中到功放的線性化——數(shù)字預(yù)失真技術(shù)(Digital Pre-Distortion，DPD)上來(lái)，將 PAPR 抑制與 DPD 綜合考慮，這一思路應(yīng)該是解決 PAPR 問(wèn)題的最好途徑。

無(wú)線通信與遙測(cè)SC/FDE 技術(shù)

為了解決 OFDM 的 PAPR 以及頻偏敏感的問(wèn)題，研究人員提出 SC/FDE 技術(shù)，然而開始并未受到重視。直到1995 年，Sari 等人對(duì) SC/FDE 技術(shù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn) OFDM 與 SC/FDE 之間具有驚人的相似性，從此 SC/FDE技術(shù)漸漸受到關(guān)注。它的原理是在發(fā)射端，它省去了 IFFT 處理，簡(jiǎn)化了發(fā)射端結(jié)構(gòu)，也避免了產(chǎn)生大 PAPR 的問(wèn)題；在接收端，通過(guò) FFT 將信號(hào)變換到頻域，進(jìn)行簡(jiǎn)單的頻域均衡(因?yàn)轭l域均衡可以省去卷積運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單)，然后再通過(guò) IFFT 變換到時(shí)域。與 OFDM系統(tǒng)相比，它不但降低了 PAPR 和功放的線性要求，而其對(duì)頻率偏移和相位噪聲的敏感程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 OFDM 系統(tǒng)。此外，它依然具有和 OFDM 系統(tǒng)相同的頻域均衡性能，而且它也可以與 MIMO 技術(shù)結(jié)合，組成 MIMO-SC/FDE 系統(tǒng)。由于它具有優(yōu)良的性能，而且處理方式和 OFDM 非常相似，2003 年 4 月出臺(tái)的 IEEE 802.16a 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 OFDM 系統(tǒng)和 SC/FDE 系統(tǒng)兩種傳輸模式。在 B3G/4G 的上行鏈路中，也準(zhǔn)備采用此項(xiàng)技術(shù)。對(duì)于 SC/FDE 的研究，主要集中在 MIMO-SC/FDE 上。

無(wú)線通信與遙測(cè)MIMO 技術(shù)

MIMO 技術(shù)是指使用多個(gè)相關(guān)或者不相關(guān)的發(fā)送天線或者接收天線的技術(shù)，通常有單發(fā)多收(SIMO)、多發(fā)單收(MISO)和多發(fā)多收(MIMO)等幾種形式，它是繼時(shí)域、頻域之后，人們從空域開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)。MIMO 最早是由 Marconi 于 1908 年提出。到 20 世紀(jì) 90 年代中后期，Bell 實(shí)驗(yàn)室取得了一系列的研究成果，主要包括：Foshinia 與 Telatar 等人從理論上證明了收發(fā)兩端均使用多個(gè)天線，可以使通信鏈路容量成倍增加。即在 Nt發(fā)射天線，Nr 接收天線的 MIMO 系統(tǒng)中，信道容量隨 min[Nt, Nr]線性增加。Foshinia于 1996 年首先提出了分層空時(shí)編碼技術(shù)，頻譜效率可達(dá)到 40 bps/Hz 以上。1998 年，Tarokh 等人提出了空時(shí)分組編碼技術(shù)。這些研究成果對(duì) MIMO 的研究起了很大的推動(dòng)作用，開創(chuàng)了無(wú)線通信的一場(chǎng)新的技術(shù)革命。之后，全世界許多學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、大公司對(duì) MIMO 都給予了極大的關(guān)注，并投入大量人力財(cái)力去研究，使得 MIMO 得到了飛速發(fā)展。目前，3GPP 在標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)加入了 MIMO 技術(shù)，在無(wú)線寬帶接入領(lǐng)域，如 802.16e,802.11n,802.20 等都采用了 MIMO 技術(shù)。人們普遍認(rèn)為，在 4G 中 MIMO 是一項(xiàng)必選技術(shù)。對(duì)于 MIMO 的研究，主要集中在發(fā)射分集和空間復(fù)用、數(shù)字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)、空時(shí)編碼(Space-Time Coding，STC)、信道估計(jì)、自適應(yīng)編碼調(diào)制(Adaptive Modulation and Coding，AMC)以及多用戶 MIMO 系統(tǒng)等方面。

如圖4所示，分包遙測(cè)基于星載計(jì)算機(jī)能力。由信源即用戶計(jì)算機(jī)將不同傳輸要求的遙測(cè)數(shù)據(jù)打包為不同的遙測(cè)源包。由中心計(jì)算機(jī)利用數(shù)據(jù)緩存建立多個(gè)具有不同優(yōu)先級(jí)虛擬信道和主信道實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)調(diào)度機(jī)制。用戶計(jì)算機(jī)完成包裝層功能。中心計(jì)算機(jī)完成分段層和傳輸層功能。

分包遙測(cè)基于星載計(jì)算機(jī)能力，由信源即用戶計(jì)算機(jī)將不同傳輸要求的遙測(cè)數(shù)據(jù)打包為不同的遙測(cè)源包。由中心計(jì)算機(jī)利用數(shù)據(jù)緩存建立多個(gè)具有不同優(yōu)先級(jí)虛擬信道和主信道實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)調(diào)度機(jī)制。用戶計(jì)算機(jī)完成包裝層功能，中心計(jì)算機(jī)完成分段層和傳輸層功能。

與PCM相比，分包遙測(cè)能更好適應(yīng)具有長(zhǎng)度、速率，信宿、優(yōu)先級(jí)不同的多信源的飛行任務(wù)。但從工程實(shí)際來(lái)看，航天器信源的動(dòng)態(tài)性僅僅存在于設(shè)計(jì)過(guò)程，在軌運(yùn)行的是強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)．各用戶應(yīng)用均按照約定的時(shí)序或者協(xié)議運(yùn)行．遙測(cè)周期基本是固定的。動(dòng)態(tài)性主要是在異常或者故障情況F．由地面或者自主計(jì)算機(jī)主動(dòng)發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求指令來(lái)獲取特殊的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

遙控遙測(cè)產(chǎn)業(yè)雖然占領(lǐng)了經(jīng)濟(jì)、軍事和科研等領(lǐng)域的大量市場(chǎng)，但仍有很多市場(chǎng)等待它去開發(fā)。西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，給遙控遙測(cè)產(chǎn)業(yè)提供了一個(gè)巨大的新市場(chǎng)。西部不少地區(qū)地廣人稀，工作、生活環(huán)境極其惡劣，給經(jīng)濟(jì)開發(fā)帶來(lái)不少困難。利用遙控遙測(cè)技術(shù)就可改善人們的工作條件，減少野外作業(yè)，在有空調(diào)的舒適房間里就可對(duì)相距遙遠(yuǎn)、分散在惡劣環(huán)境中的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。西部有豐富的水利資源和油、氣資源，在這些能源的開發(fā)中，無(wú)人值守水文觀測(cè)系統(tǒng)的建立，各種水利設(shè)施、水電設(shè)施和電力網(wǎng)運(yùn)行狀況的監(jiān)控管理和輸送油、氣管線的監(jiān)控，都是有待遙控遙測(cè)產(chǎn)業(yè)去占領(lǐng)的市場(chǎng)。環(huán)境保護(hù)中環(huán)境污染的監(jiān)測(cè)，交通設(shè)施建設(shè)中高等級(jí)公路的監(jiān)測(cè)管理，新建城鎮(zhèn)中水、電、氣、熱等各種管網(wǎng)的監(jiān)測(cè)管理，新建廠礦中生產(chǎn)線的自動(dòng)化監(jiān)控等等，都是遙控遙測(cè)產(chǎn)業(yè)的廣闊市場(chǎng)。

隨著城市公用事業(yè)的蓬勃發(fā)展，要求加強(qiáng)傳感器的開發(fā)，增加其種類并提高精度和質(zhì)量，改善監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和精確性，以提高所監(jiān)控管網(wǎng)的安全性和資源調(diào)度管理的科學(xué)性；要求將城市公用事業(yè)網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，建立區(qū)域辦公網(wǎng)，對(duì)所監(jiān)控管網(wǎng)的資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，合理利用。這些提高城市公用事業(yè)網(wǎng)監(jiān)控水平的需求，給遙控遙測(cè)產(chǎn)業(yè)打開了又一個(gè)市場(chǎng)。

遙測(cè)計(jì)壓差遙測(cè)計(jì)

該遙測(cè)計(jì)用來(lái)在地面上遙測(cè)井下的風(fēng)流壓差。所謂風(fēng)流壓差包括風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的壓差,一個(gè)網(wǎng)絡(luò)支路兩端的壓差,為測(cè)風(fēng)量使用的減壓器件,如皮托管、錐形噴咀等所產(chǎn)生的壓差該礦使用的是哈特曼一布勞恩二氏壓差遙測(cè)計(jì),這種裝置具有對(duì)稱振子的特性,它的特性曲線只是所測(cè)壓差乙p的函數(shù)。有一個(gè)”伏的外接電源,給對(duì)稱振子供電。在靜止?fàn)顟B(tài)下,對(duì)稱振子的電流耗量約4毫安。這樣小的電流就足夠振蕩器了工作用的了。振蕩器J將電流輸給差動(dòng)變壓器。所測(cè)的壓差乙尸轉(zhuǎn)變?yōu)椴顒?dòng)變壓器2鐵芯的位移,然后再變?yōu)殡娦盘?hào)K:刁p。最后,由調(diào)零電位器,往電信號(hào)K,乙P上加一個(gè)指示零位的常數(shù)c,輸往第二級(jí),作為第二級(jí)輸入信號(hào)。差動(dòng)放大器了的第二級(jí)輸入信號(hào),是一個(gè)與第一級(jí)輸入信號(hào)和位相反的電壓,并由和對(duì)稱振子系統(tǒng)串聯(lián)的電阻輸出。這個(gè)電子放大回路非常接近于對(duì)稱振子的特性曲線,函數(shù)關(guān)系式K,乙尸十c一KZI。電源回路中有電流I,則可從與對(duì)稱振子串聯(lián)的電阻器R的兩個(gè)端子,取出測(cè)量信號(hào)(2、10伏)

遙測(cè)計(jì)濕度遙測(cè)計(jì)

濕度遙測(cè)計(jì)為了測(cè)量井下的氣象條件,該礦創(chuàng)制了一種由原始型式改進(jìn)的干濕球濕度遙測(cè)計(jì)。在這種濕度遙測(cè)計(jì)中,由熱敏電阻構(gòu)成干球溫度和濕球溫度的指示器。這些指示器裝在一個(gè)薄塑料套中,以防受到外界影響濕度遙測(cè)計(jì)的電子部分包括:(I)一毫安恒定電流發(fā)生器:借助它可根據(jù)探頭的電壓變化而測(cè)出探頭電阻的變化。_(2)放大器和調(diào)零系統(tǒng):用這個(gè)調(diào)零系統(tǒng),可以將溫度自由地選調(diào)在量程的兩個(gè)極值(一般為20℃和40℃)之一上。(了)輸出級(jí):它將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)從。至1毫安變化的連續(xù)電流。(這個(gè)電流經(jīng)過(guò)一個(gè)加千歐的電阻,并且產(chǎn)生遙測(cè)系統(tǒng)輸入端所要求的O~10伏電流)。(4)校準(zhǔn)裝置:借助這個(gè)裝置,探頭被兩個(gè)固定電阻替換。這兩個(gè)固定電阻的值等于探頭在兩個(gè)已知溫度時(shí)的相應(yīng)電阻值。進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí),將輸出信號(hào)調(diào)到與這兩個(gè)已知溫度相應(yīng)的信號(hào)值上,而不考慮環(huán)境溫度的修正該濕度遙測(cè)計(jì)的樣機(jī)是十分令人滿意的.它的記錄曲線表明,其精確度很高,誤差范圍一般不超過(guò)0.2℃