Методология системотехнического проектирования электронных и радиоэлектронных средств (в двух частях)
..pdf
подсистемам, существуют риски неверной интеграции расходящихся индивидуальных конструкций подсистем по интерфейсам. Необходимы регулярные междисциплинарные обзоры и проверки проекта, чтобы убедиться, что интерфейсы, определённые ранее, по-прежнему достижимы с точки зрения функциональности и производительности системы.
На рисунке 3.15 показаны некоторые распространённые типы стандартных интерфейсов.
а |
б |
Рисунок 3.15 – Примеры интерфейсов: а – механический; б – шины данных
3.2.5 Типология задач «черного ящика»
Рассмотрим подход к инженерному проектированию, задача которого состоит в том, чтобы найти систему или элемент, дающие определённый выход (результат) при заданном воздействии на их вход (рисунок 3.16). Как показано на рисунке, другие виды деятельности – науку и анализ – также можно описать аналогичным образом. Задача науки состоит в открытии законов природы, а задача анализа – в определении воздействия на входе системы для получения заданного выхода или определения выхода по заданному входному воздействию. Вследствие того что анализ связан главным образом с такими случаями, когда задан выход, процесс нахождения воздействия на входе при требуемом выходе называется инверсным анализом. Это краткое схематическое представление служит иллюстрацией основного различия между инженерным проектированием и другими видами научно-технической деятельности (таблица 3.16) [22].
Таким образом спектр задач системотехники не ограничивается указанным выше инверсным анализом. Полная типология задач «черного ящика» в области системотехники ЭРЭС может быть проиллюстрирована на примере простейшей модели технической системы в виде «черного ящика» с одним входом и одним выходом (таблица 3.17).
290
Рисунок 3.16 – Схема процесса инженерного проектирования в форме модели «черного ящика»
Таблица 3.16 – Составляющие процесса инженерного проектирования
Дано |
Найти |
Процесс |
Воздействие на вход, законы |
Выход |
Анализ (дедукция) |
природы, система или элемент |
|
|
Выход, законы природы, система, |
Воздействие на вход |
Инверсный анализ |
комплекс, устройство, функциональ- |
|
|
ный узел или элемент |
|
|
Воздействие на вход, выход, система |
Законы природы |
Научные исследова- |
или элемент |
|
ния (индукция) |
Воздействие на вход, выход, законы |
Систему, комплекс, |
Инженерное |
природы |
устройство, функциональ- |
проектирование |
|
ный узел или элемент |
|
Наиболее распространена четвертая задача, когда по известному входу и известному выходу системотехнику необходимо найти полное описание ТС согласно иерархии описаний (см. рисунок 1.2): целевую функцию, техническую функцию, функциональную структуру, физический принцип действия, техническое решение, проект.
Таблица 3.17 – Типология задач «черного ящика» для систем с одним входом и одним выходом
Вариант задачи |
Вход |
Система |
Выход |
1 |
Найти |
Найти |
Дано |
2 |
Дано |
Найти |
Найти |
3 |
Найти |
Дано |
Найти |
4 |
Дано |
Найти |
Дано |
5 |
Найти |
Дано |
Дано |
6 |
Дано |
Дано |
Найти |
7 |
Дано |
Дано |
Дано |
8 |
Найти |
Найти |
Найти |
Реальные задачи намного сложнее, так как проектировщик имеет дело с ТС, у которой несколько входов и выходов, а взаимосвязь между ними в общем случае не известна [23].
При постановкеи анализезадач«черногоящика»возникает необходимость привлечения обширных знаний изсамыхразныхнаучно-технических областей. С целью
291
облегченной и наглядной ориентации среди них системного инженера на рисунке 3.17 показано место, занимаемое системотехникой среди наук «слабой» (неформализованных и нестрогих) и «сильной» (формализованных и строгих) версий.
Математика |
Общая теория |
Философия |
|
систем |
|||
|
|
||
Отраслевые |
Системология |
Специальные |
|
теории систем |
теории систем |
||
|
|||
Естественные |
Системотехника |
Специальные теории |
|
и общественные науки |
разных наук |
||
|
Инженерные науки
Рисунок 3.17 – Место системотехники среди наук «слабой» и «сильной» версий
Радиотехника и смежные дисциплины. Системотехника является междисци-
плинарной отраслью. В процессе проектной деятельности системотехник должен уметь самостоятельно ориентироваться в предметных областях смежных наук. Эту работу значительным образом облегчают карты предметных областей смежных наук. В таблице 3.18 приведены сведения о тринадцати главных смежных областях радиотехники [24].
Однако область интересов инженера-системотехника этими дисциплинами не ограничивается. Среди других многочисленных и не менее важных отраслей науки и техники, с которыми должен быть знаком системотехник, находятся системная логика, теория вероятностей, математическая статистика, теория моделирования, линейное и динамическое программирование, теория массового обслуживания, теория игр, техническая психология и т.д. [9, 17].
292
Таблица 3.18 – Карта смежных дисциплин радиотехники и их краткая характеристика [24]
Дисци- |
Характеристика |
Разделы |
Характеристика разделов |
|
плина |
дисциплины |
дисциплины |
||
|
||||
Акустика |
Наука о звуке |
Физическая |
Изучает особенности распространения акустических волн в жидкой, твердой и газообраз- |
|
|
и колебаниях |
|
ной средах, их взаимодействие с веществом |
|
|
упругих сред |
Физиологи- |
Изучает устройство и работу звуковоспринимающих и звукообразующих органов у чело- |
|
|
|
ческая |
века и животных |
|
|
|
Архитектурная |
Изучает законы распространения звуковых волн в закрытых (полуоткрытых, открытых) |
|
|
|
|
помещениях, отражение и поглощение звука поверхностями, влияние отражённых волн |
|
|
|
|
на слышимость речи и музыки, методы управления структурой звукового поля, шумо- |
|
|
|
|
выми характеристиками интерьеров и т. п. |
|
|
|
Акустоэлектро- |
Область функциональной электроники, в которой используются акустические и электро- |
|
|
|
ника |
акустические явления в пьезоэлектриках (прямой и обратный пьезоэффекты, магнито- |
|
|
|
|
стрикция) для создания функциональных элементов радиоэлектронных систем |
|
|
|
Акустооптика |
Область акустоэлектроники, связанная с дифракционными решетками, образованными |
|
|
|
|
акустическими колебаниями и волнами в оптически прозрачных средах |
|
|
|
Электро- |
Изучает вопросы формирования звука с помощью электронных технических средств; |
|
|
|
акустика |
ультразвук, который используется в промышленности для обработки материалов |
|
|
|
|
и контроля качества продукции, в медицине для лечения и диагностики внутренних |
|
|
|
|
органов и тканей |
|
|
|
|
На основе электроакустики создана прикладная отрасль – звукотехника, связанная |
|
|
|
|
с разработкой аппаратуры для передачи, записи, воспроизведения речевых и музыкаль- |
|
|
|
|
ных программ |
|
|
|
Гидро- |
Исследует излучение, прием, генерирование и распространение акустических волн |
|
|
|
акустика |
в водном пространстве |
|
|
|
Биоакустика |
Изучает звукоизлучение и звукорецепцию органов человека и животных, проблемы |
|
|
|
|
передачи и приема речи, действие акустических волн на биологические объекты |
293
Продолжение таблицы 3.18
Дисци- |
Характеристика |
Разделы |
Характеристика разделов |
|
плина |
дисциплины |
дисциплины |
||
|
||||
Бионика |
Наука, которая решает инженерно-технические задачи (в том числе радиотехнические) на основе анализа жизнедеятельности |
|||
|
живых организмов. Прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, |
|||
|
функций и структур живой природы, то есть о формах живого в природе и их промышленных аналогах. Различают биологи- |
|||
|
ческую, теоретическую и техническую бионику. В переводной литературе чаще употребляется термин «биомиметика» |
|||
Кибер- |
Наука об общих |
Техническая |
Изучает технические системы управления. Областью технической кибернетики явля- |
|
нетика |
законах управления |
|
ется радиоавтоматика. Её основой является теория автоматического управления, изу- |
|
|
информацией, её по- |
|
чающая способы построения автоматических систем и качество их функционирования |
|
|
лучения и обработки. |
|
|
|
|
Теоретическое ядро |
Экономи- |
Научное направление кибернетики, которое занимается приложением ее идей и мето- |
|
|
кибернетики состав- |
ческая |
дов к экономическим системам. В расширенном смысле под экономической киберне- |
|
|
ляют теории инфор- |
|
тикой понимают область науки, возникшую на стыке математики и кибернетики с |
|
|
мации, алгоритмов, |
|
экономикой, включая математическое программирование, исследование операций, |
|
|
оптимального управ- |
|
экономико-математические модели, эконометрику и математическую экономику. |
|
|
ления, распознавания |
|
Экономическая кибернетика рассматривает экономику, а также её структурные |
|
|
образов. Основные |
|
и функциональные части как сложные системы, в которых протекают процессы регу- |
|
|
объекты исследова- |
|
лирования и управления, реализуемые движением и преобразованием информации |
|
|
ния – кибернетиче- |
Биологи- |
Научная дисциплина, в которой идеи и методы кибернетики применяются для изуче- |
|
|
ские системы, пред- |
ческая |
ния процессов саморегуляции в биологии и физиологии. Биологическая кибернетика |
|
|
ставляющие |
|
изучает закономерности управления, хранения, переработки и передачи информации в |
|
|
множество информа- |
|
живых системах |
|
|
ционно взаимосвя- |
Военная |
Научная дисциплина, в которой идеи и методы кибернетики применяются для реше- |
|
|
занных элементов |
|
ния военных задач |
|
294
Продолжение таблицы 3.18
Дисци- |
Характеристика |
Разделы |
Характеристика разделов |
|
плина |
дисциплины |
дисциплины |
||
|
||||
|
|
|
|
|
Радио- |
Раздел астрономии, |
Солнечная |
Исследование физических параметров небесных тел или их скоплений, таких как |
|
астроно- |
в котором изуча- |
|
Солнце, планеты, астероиды, радиогалактики, пульсары, квазары и т.д. |
|
мия |
ются космические |
|
Поиск сигналов внеземных цивилизаций (SETI – Search Extraterrestrial Intelligence) |
|
Планетарная |
||||
|
объекты на основе |
|
|
|
|
наблюдения их ра- |
|
|
|
|
Галактиче- |
|
||
|
диоизлучения или |
|
||
|
ская |
|
||
|
поглощения, а |
|
||
|
|
|
||
|
также с помощью |
Внегалакти- |
|
|
|
радиозондирования |
ческая |
|
|
Радио- |
Наука о действии |
Радиология |
Поиск различных способов защиты организма от излучений, разработка путей |
|
биоло- |
всех видов ионизи- |
|
использования ионизирующих излучений в медицине для диагностики и лечения |
|
гия |
рующих излучений |
|
|
|
Фотобиоло- |
Разработка путей использования ионизирующих излучений в генетике и сельском |
|||
|
на живые орга- |
|||
|
гия, радиаци- |
хозяйстве |
||
|
низмы, в том числе |
|||
|
электромагнитных |
онная селек- |
|
|
|
ция |
|
||
|
волн сантиметро- |
|
||
|
|
|
||
|
вого, миллиметро- |
|
|
|
|
вого, инфракрас- |
|
|
|
|
ного и |
|
|
|
|
ультрафиолетового |
|
|
|
|
диапазонов |
|
|
|
Радио- |
Раздел прикладной геофизики, совокупность методов разведки полезных ископаемых, которые базируются на изучении |
|||
геофи- |
аномалий электромагнитных полей, определяющихся геоэлектрическим строением горных пород |
|||
зика |
|
|
|
|
295
Продолжение таблицы 3.18
Дисци- |
Характеристика |
Разделы |
Характеристика разделов |
|
плина |
дисциплины |
дисциплины |
||
|
||||
|
|
|
|
|
Радио- |
Наука, которая изучает, с одной стороны, влияние метеоусловий в тропосфере и стратосфере на распространение радиоволн, |
|||
метеоро- |
а с другой – метеорологические явления в атмосфере по характеристикам радиосигналов, в том числе и от собственного излу- |
|||
логия |
чения атмосферы, как теплового, так и обусловленного электрическими разрядами |
|||
Радио- |
Наука, изучающая строение вещества, а также физико-химические процессы в нем |
|||
спектро- |
|
|
|
|
скопия |
|
|
|
|
Радио- |
Раздел физики, в котором изучаются физические основы радиотехники и электротехники, в том числе физические процессы, |
|||
физика |
связанные с электромагнитными колебаниями в радиодиапазоне: их возбуждение, излучение, распространение, прием, преоб- |
|||
|
разование, а также взаимодействие электрических и магнитных полей с носителями зарядов в вакууме, газах и твердых телах |
|||
Радио- |
Область химии, в которой изучаются свойства и физико-химические закономерности поведения радиоактивных изотопов, |
|||
химия |
элементов и веществ, методы их выделения и концентрации |
|||
Радио- |
Совокупность отраслей науки и техники, связанных с передачей, приемом и преобразованием информации с помощью |
|||
электро- |
электромагнитных волн |
|
||
ника |
|
|
|
|
Электро- |
Научно-техническая |
Вакуумная |
Охватывает вопросы, связанные с электронной эмиссией, формированием потоков |
|
ника |
область, связанная |
|
электронов и управлением ими, формированием электромагнитных полей с помощью |
|
|
с исследованиями |
|
резонаторов, замедляющих систем, с физикой и техникой глубокого вакуума. Основ- |
|
|
законов взаимодей- |
|
ное направление развития связано с созданием электровакуумных приборов: элек- |
|
|
ствия электронов |
|
тронных ламп, приборов СВЧ (магнетронов, клистронов и т.д.), электронно-лучевых и |
|
|
и других носителей |
|
фотоэлектронных приборов (кинескопов, видиконов, фотоэлектронных умножителей), |
|
|
зарядов с электро- |
|
газовых приборов, рентгеновских трубок и т.д. |
|
|
магнитными полями |
Твердо- |
Изучает свойства твердотельных материалов (полупроводниковых, диэлектрических, |
|
|
с целью создания |
тельная |
магнитных и т.д.), влияние на них примесей. Твердотельная электроника делится на |
|
|
электронных прибо- |
|
полупроводниковую, связанную с разработкой и изготовлением различных приборов |
|
|
ров, у которых это |
|
(диодов, транзисторов, интегральных схем, полупроводниковых матриц и т.п.); |
|
296
Продолжение таблицы 3.18
Дисци- |
Характеристика |
Разделы |
Характеристика разделов |
|
плина |
дисциплины |
дисциплины |
||
|
||||
|
|
|
|
|
|
взаимодействие |
|
акустоэлектронику; оптоэлектронику, магнитооптику; магнитоэлектронику; электро- |
|
|
используется для |
|
теплоэлектронику; криоэлектронику; пьезоэлектронику; молекулярную электронику; |
|
|
передачи, обработки |
|
моноэлектронику и т.д. |
|
|
и хранения инфор- |
|
|
|
|
мации, автоматиза- |
|
|
|
|
ции производствен- |
|
|
|
|
ных процессов, |
|
|
|
|
создания энергети- |
|
|
|
|
ческих устройств, |
|
|
|
|
контрольно-измери- |
|
|
|
|
тельной аппара- |
|
|
|
|
туры, средств науч- |
|
|
|
|
ного эксперимента |
|
|
|
|
и т.п. |
|
|
|
|
|
Квантовая |
Связана с разработкой способов усиления и генерации электромагнитных колебаний |
|
|
|
|
на основе вынужденного излучения атомов, молекул и твердых тел. Главным направ- |
|
|
|
|
лением её развития является разработка лазеров, квантовых усилителей, молекуляр- |
|
|
|
|
ных генераторов |
|
|
|
|
|
|
|
|
Функцио- |
Область электроники, в которой используется совокупность различных физических |
|
|
|
нальная |
явлений в твердых телах, жидкостях и газах для формирования, хранения и обработки |
|
|
|
|
сигналов |
|
Электро- |
Научно-техническая отрасль, связанная с использованием электрических и магнитных явлений для получения и преобразова- |
|||
техника |
ния электрической энергии |
|
||
297
3.2.6 Типы и характеристики избранных технических систем
Определим основные ТС, работа которых основана на физических принципах электроники, радиоэлектроники и радиотехники, представим их моделью «черного ящика», проведем классификацию и проанализируем их целевые и технические функции, параметры, характеристики и свойства.
К основным ТС относятся:
–радиотехнические системы;
–электроакустические и звуковещательные системы;
–измерительные системы;
–энергообеспечивающие системы;
–вычислительные системы;
–автоматические системы управления.
Радиотехнические системы
По информационному назначению радиотехнические системы делят на четыре основных класса [25]:
–передачи информации (системы радиосвязи, радиовещания, телевидения, ретрансляции);
–извлечения информации (обнаружение и измерение – радиолокация, радионавигация, радиоастрономия, радиоизмерения, радиотехническая разведка и т.д.);
–радиотелеуправления (беспилотные летательные аппараты, ракетно-космиче- ская техника и т.д.);
–разрушения информации (радиопротиводействие, радиоэлектронная борьба
(РЭБ)).
В настоящее время широкое применение находят радиотехнические комплексы, состоящие из нескольких радиосистем, в которых для обработки информации и управления различными объектами используют мощные вычислительные компьютерные системы. К ним относятся системы спутниковой и космической связи, глобальные системы связи, системы контроля и управления воздушным движением, ракетные и космические комплексы и т.д.
Большинство РТС предназначено для доставки получателю определенной информации. Поэтомупрактически всеРТС можноназватьинформационными. Содержание информации, методы ее получения и использования различны, методы же обработки, представления и передачи в значительной степени являются общими. Вовсехслучаяхприходитсяиметьделоссообщениемокаком-либофизическомпро- цессе и принимаемым сигналом, отображающим сообщение, а также с естественной или искусственной помехой, искажающей принимаемый сигнал.
В РТС извлечения информации интересующая получателя информация не содержится в сигнале передатчика, а иногда передатчик в такой системе вообще отсутствует. В этих системах большей частью информация характеризует параметры трассы, по которой распространяются электромагнитные волны. Информациюнесут
298
направление трассы, её длина, а также скорость изменения этих параметров во времени. По их значениям можно получать сведения о положении и характеристиках движения излучающих или отражающих объектов (радиолокационные системы, системы траекторных измерений). В других задачах информацией являются такие параметры трассы, как показатели поглощения и преломления (радиометеорологические системы, радиометрические системы). В некоторых случаях полезная информация заключается в самой структуре принимаемого радиосигнала (радиоастрономические и разведывательные радиосистемы).
Значительного развития достигли системы радиолокации, широко применяемые в комплексах военного и гражданского назначения. Особое место заняли сегодня также километровые (длинноволновые) и метровые (ультракоротковолновые) системы наземной и спутниковой навигации, без которых невозможно осуществлять безопасное мореплавание и полеты самолетов.
Системы радиотелеуправления предназначены для обеспечения движения летательных аппаратов по заданной траектории или в заданном районе. Такие системы широко применяют для решения задач дистанционного управления космическими объектами.
Радиосистемы разрушения информации служат для создания помех нормальной работе конкурирующей радиосистемы путем излучения мешающего сигнала или приёма, умышленного искажения и переизлучения сигнала.
Основной частью практически всех РТС является радиотехнический канал (радиоканал), состоящий из радиопередающего(передающего) и радиоприемного(приемного) устройства и линии связи. Упрощенно передающим называют устройство, преобразующее сообщение в передаваемый сигнал, а приёмным – устройство, преобразующее принятый сигнал в исходное сообщение. В пассивных РТС, например в теплолокаторах (ИК-пеленгаторах, тепловизорах), передающее устройство отсутствует.
Важной частью радиоканала системы связи является линия связи (среда распространения), которая оказывает существенное влияние на достоверность и качество принимаемого сообщения.
Линией связи называют физическую среду (космическое пространство, свободное пространство – воздух в нейтральном или ионизированном состоянии, земную поверхность, морскую воду, волноводы, кабели, волоконно-оптические линии и др.) и совокупность аппаратных средств, используемых для передачи сигналов от передатчика к приёмнику. Простейшая линия связи может представлять собой два провода, соединяющих передатчик и приёмник. В этом случае речь идет о проводной, например телефонной, связи. Сейчас осуществляют связь и без проводов – с помощью электромагнитных или световых волн (через световоды). В системах радиосвязи линией связи является, как правило, область пространства, в которой распространяются электромагнитные волны от передающего устройства к приёмному устройству.
Составными частями практически любой РТС являются также устройства питания, антенно-фидерные, электронно-вычислительные и другие устройства.
299