Методология системотехнического проектирования электронных и радиоэлектронных средств (в двух частях)

Основные задачи, решаемые радиосистемой при приеме информации:

–обнаружение сигнала на фоне помехи;

–различение сигналов на фоне помехи;

–оценка параметров сигнала;

–воспроизведение сообщения.

К показателям качества РТС, т.е. к совокупности количественных параметров, характеризующих основныесвойства РТС, относят: точность воспроизведения сообщений; помехоустойчивость; помехозащищенность; разрешающую способность; скрытность действия; пропускную способность; электромагнитную совместимость; экологическуюсовместимость; дальностьдействия; надежность; массуи габаритные размеры; эффективность и пр.

Рассмотрим системы радиосвязи и радиолокационные системы (РЛС) более подробно по следующей схеме:

–определение, назначение и область применения;

–классификация;

–основные технические параметры, характеристики и свойства.

Системы связи. Системой связи называется совокупность технических средств для передачи сообщений от источника к потребителю.

Системы связи (радиосвязи) предназначены для передачи сообщений из одной точки пространства (местоположения) в другую через канал связи. При этом канал связи должен обладать определенными свойствами, в частности пропускать лишь заданную полосу частот, иметь одну или несколько несущих и т.д. Для решения задачи связи приходится осуществлять целый ряд преобразований сообщений (информации).

Системы связи содержат все основные устройства, применяемые в большинстве радиотехнических систем передачи информации. Иногда в понятие системы связи включают такие элементы, как источник сообщений и потребитель.

Повидупередаваемыхсообщенийразличаютсистемыпередачи информации (телефония); передачи данных, радиовещание, передачи подвижных изображений (телевидение); передачи текста (телеграфия); передачи неподвижных изображений, рисунков и текста (фототелеграфия); телеизмерения; телеуправления [25].

По назначению телефонные, радиовещательные и телевизионные системы делят на вещательные, отличающиеся высокой степенью качества воспроизведения сообщений, и профессиональные, имеющие специальное применение (служебная связь, промышленное телевидение и т.д.).

В системе телеизмерения физическая величина, подлежащая измерению (напряжение, температура, скорость и т.п.), с помощью датчиков преобразуется в электрический сигнал (этот сигнал называют первичным), поступающий на передающее устройство. На приемном конце переданную физическую величину или ее изменениявыделяют из сигналаи наблюдаютили регистрируют с помощью записывающих приборов. В системе телеуправления осуществляется передача команд для автоматического выполнения определенных действий. Часто эти команды формируют по результатам измерений, переданных телеметрической системой.

300

Повсеместное внедрение высокоэффективных и скоростных компьютеров привело к быстрому развитию систем передачи данных, обеспечивающих обмен информацией между вычислительными средствами и объектами автоматизированных систем управления и измерения. Этот вид связи по сравнению с другими отличается более высокими требованиями к скорости и точности передачи информации.

По общему принципу построения систем радиосвязи (радиоканала) они делятся на симплексные и дуплексные.

Под симплексной связью (simplex – односторонний, связь «один-ко-всем») понимают связь между двумя пунктами, когда в каждом из них передача и прием сообщений ведется поочередно на одной несущей частоте. Часто симплексную связь используют для передачи информации только в одном направлении, например в радиовещании, телевидении, оповещении и т.д.

Дуплексная связь (duplex – двусторонний, связь «один-на-один») – двусторонняя связь между двумя пунктами, когда передача и прием сообщений осуществляется одновременнона разныхнесущихчастотах. Сейчасприменяюттакуюразновидность симплексной радиосвязи, как полудуплексная (half-duplex) связь или двухчастотный симплекс, когда система связи обеспечивает поочередно передачу и прием информации на двух разных несущих частотах с использованием ретрансляторов.

Ретранслятор (от лат. translator – переносчик) – радиотехническое устройство, используемое как промежуточный приемопередающий пункт линии радиосвязи.

По числу используемых каналов различают одноканальные и многоканальные системы связи (системы передачи информации).

Система связи называется многоканальной, если она обеспечивает передачу нескольких сообщений по одной общей линии связи (каналу). Основная задача многоканальных систем связи – одновременная передача сообщений от многих источников, т.е. увеличение пропускной способности (часто используется термин «емкость»). Повышение эффективности использования канала связи достигается путем применения разныхметодов уплотнения каналов связи, за счет сокращения избыточности сообщений и организации так называемого многоканального и многостанци-

онного доступа абонентов.

Для увеличения пропускной способности большинства систем связи применяют временное и частотное уплотнение (multiplexing, от лат. multiplex – сложный, многократный) сигналов.

Порасположениюэлементоврадиотрактасистемырадиосвязи принятоделить на наземные и спутнико-космические.

В наземных системах радиосвязи радиоволны распространяются в пределах земной атмосферы. Такие системы служат для обеспечения связи с самолетами, кораблями, наземным транспортом и другими объектами. Они осуществляют персональную радиосвязь в рамках сотовой, транкинговой и других видов связи.

Особенностью спутнико-космических систем радиосвязи является наличие в их составе искусственных спутников Земли (ИСЗ), на которых располагают ретрансляторы радиосигналов. В целом система состоит из двух частей, или сегментов: наземного и космического. С помощью систем космической радиосвязи, работающих, как

301

правило, в диапазоне СВЧ, передают огромные объемы сообщений: множество телевизионных каналов, компьютерных данных, телефонных, телефаксных и иных сообщений.

По типу сигналов, с которыми работает система радиосвязи, различают аналоговые и цифровые системы радиосвязи.

Работа любой системы связи оценивается прежде всего точностью и скоростью передачи информации. Точность определяет качество передачи, скорость – количество. В целом работу системы связи характеризуют следующие параметры [25].

1.Помехоустойчивость, т.е. степень соответствия принятого сообщения переданному. Эта величина характеризуется общим термином – верность, которая определяется отношением средних мощностей сигнала и помехи (чаще отношение сигнал/шум; signal-to-noise ratio (SNR) или S/N).

2.Скорость передачи информации. Напомним, что в системах передачи дискретных сообщений скорость передачи измеряется числом передаваемых символов

вединицу времени, т.е. в бодах (или бит/с).

3.Пропускная способность канала С (channel capacity). В реальной системе связи средняя скорость передачи информации всегда меньше пропускной способности.

4.Избыточность сообщений – бесполезная, лишняя при приемечасть информации, которой невозможно воспользоваться и она не нужна потребителю.

5.Информационная эффективность, характеризующая использование системой пропускной способности канала.

6.Динамический диапазон канала – отношение допустимой мощности передаваемого сигнала к мощности неизбежно присутствующей в канале помехи.

7.Время, в течение которого по каналу возможна передача информации.

8.Полоса пропускания канала.

Радиоприемные устройства. Радиоприемным устройством (РПрУ) в широком смысле называют систему узлов и блоков, которые осуществляют следующие операции [25]:

–преобразование с помощью приемной антенны электромагнитного поля сигнала (помех) в радиосигнал и обеспечение пространственной и поляризационной избирательности полезного радиосигнала;

–выделение(фильтрациюпочастоте) полезных радиосигналов из совокупности других (мешающих) сигналов и помех, действующих на выходе приемной антенны

ине совпадающих по частоте с полезным сигналом;

–усиление радиосигнала;

–преобразование и усиление принимаемых сигналов для обеспечения качественной работы детектора, декодера, схем защиты приемника от помех;

–демодуляцию (детектирование) принятого сигнала для выделения информации (модулирующей функции), содержащейся в полезном радиосигнале;

–усиление демодулированного сигнала;

–декодирование принятого сигнала;

302

– обработку принимаемых сигналов с целью ослабления мешающего воздействия помех искусственного и естественного происхождения.

Последняя операция предусматривает введение в приемник средств помехозащиты и эффективную обработку сигналов и помех, при которой достигается наилучшее обнаружение сигналов или оценка принятой информации (сообщения) по какому-либо критерию оптимальности приемника в соответствии с целевым содержанием решаемой задачи.

Радиоприемные устройства предназначены для приема радиосигналов и преобразования их к виду, позволяющему использовать содержащуюся в них полезную информацию. Любое радиоприемное устройство состоит из приемной антенны и

собственно радиоприемника.

Практически вовсех РТС полезная информация заложена в параметрах радисигнала на входе радиоприемного устройства. Поэтому все основные операции, связанные с пространственной и частотной избирательностью радиосигнала, его усилением, демодуляцией и обработкой, могут решаться на основе единой теории анализа и синтеза трактов приемника и одинаковых принципов их схемотехнической реализации.

Приемники классифицируют по назначению, диапазону принимаемых волн (частот), виду модуляции передаваемых сигналов и условиям эксплуатации. Качественные показатели радиоприемных устройств определяются электрическими, конструктивно-эксплуатационными и экономическими характеристиками.

По назначению приемники делят на профессиональные и вещательные (бытовые). К профессиональным относятся приемники связные, радиолокационные, радионавигационные, радио-, телеуправления и др. Бытовые приемники обеспечивают прием программ звукового и телевизионного вещания.

Диапазон рабочих частот, т.е. область частот настройки, в пределах которой обеспечиваются вседругиеэлектрическиехарактеристики приемника. Современные радиоприемные устройства обеспечивают уверенный прием радиосигналов в большом частотном диапазоне, где возможна работа радиосистем.

По виду модуляции сигнала радиоприемники, как и радиопередатчики, делят на устройства с амплитудной, амплитудной балансной и однополосной, частотной, фазовой, импульсной, импульсно-кодовой (цифровой) и другими видами модуляции.

Поусловиямэксплуатацииприёмники бываютстационарными,бортовыми (космическими, корабельными, самолетными, автомобильными) и переносными (портативными) или мобильными.

К основным характеристикам приемника относятся диапазон рабочих частот, чувствительность, избирательность (селективность), помехоустойчивость, нелинейные искажения в отсутствие помех и динамический диапазон.

Радиопередающие устройства. Радиопередающим называют устройство, служащее для генерирования, модуляции ВЧ- и СВЧ-колебаний и усиления мощности подводимых к антеннеи излучаемых в пространствосигналов (или передаваемых по линиям связи). Генерацию, модуляцию и усиление объединяет общее понятие «формированиесигнала», подкоторымподразумеваютколебание(радиосигнал), несущее

303

информацию. Радиопередатчик частоприменяют вместес радиоприемником и питающим устройством; весь этот комплекс называют радиостанцией. Самостоятельно радиопередатчики используются в областях, где не нужен прием информации в месте её передачи: сигналы точного времени, разнообразные навигационные радиомаяки для определения местоположения объектов, многопозиционная радиолокация, радиовещание и т.д.

Передатчики классифицируют поназначению, диапазонурабочих волн (частот), излучаемой мощности, виду модуляции сигналов, типу излучения и условиям эксплуатации [25].

Назначение передатчика определяется радиосистемой, в которой он используется, что связано с видом передаваемой информации. По назначению передатчики бывают связными, вещательными, телевизионными, радиолокационными, телеметрическими, навигационными и т.д.

По диапазону рабочих волн современные передатчики делятся в соответствии с классификацией диапазонов радиоволн и частот.

По средней излучаемой мощности передаваемых радиосигналов различают передатчики очень малой (менее 3 Вт), малой (3–10 Вт), средней (10–500 Вт), большой (0,5–10 кВт) и сверхбольшой (более 10 кВт) мощности. Обычно мощность передатчика определяют как максимальную мощность ВЧ-колебаний, поступающую в антенну, при отсутствии модуляции и непрерывном излучении.

По виду модуляции сигнала передатчики (и приемники) делятся на устройства с амплитудной, балансной и однополосной, частотной, фазовой, импульсной, квадратурной, импульсно-кодовой и другими видами модуляции.

По виду излучения различают передатчики, работающие в непрерывном и импульсном режимах. В первом случае при передаче сообщения сигнал излучается непрерывно, во втором – в виде радиоимпульсов.

По условиям эксплуатации бывают стационарные, бортовые (космические, корабельные, самолетные, автомобильные) и переносные (портативные) передатчики.

К основным параметрам передатчиков относятся коэффициент полезного действия (КПД), диапазон частот, шаг сетки рабочих частот, выделенная полоса частот излучения, нестабильность частоты несущего колебания, побочные и внеполосные излучения, коэффициент нелинейных искажений сигнала, степень электромагнитной совместимости и т.д.

Нормы на надежность и долговечность, массу и габаритные размеры радиопередатчика устанавливаются в соответствии с общими нормами для радиотехнической аппаратуры. Для радиопередатчиков повышенной мощности действуют специаль-

ные нормы, связанные с техникой безопасности.

Конструкции, габаритные размеры и масса передатчиков в основном определяются средней излучаемой мощностью. Стабильность и устойчивость работы передатчика оценивают по его способности сохранять свои электрические характеристики в допустимых пределах при воздействии окружающей среды (температуры, влажности, атмосферного давления, механических нагрузок, климатических условий) и изменении параметров источника питания.

304

Радиолокационные системы. Радиолокация (от лат. locatio – расположение,

размещение) означает определение местоположения объекта по сигналам, излучаемым самим объектом (пассивная локация) или по отраженным от него сигналам, излучаемым радиолокационной станцией (активнаялокация). Этообласть науки и техники, предметом которой является наблюдение различных объектов (целей) радиотехническими методами: их обнаружение, определение пространственных координат и направления движения, измерение дальности и скорости движения, разрешение, распознавание и др. Радиолокационные системы – это технические средства, решающие задачи радиолокации [25].

Основными классификационными признаками РЛС являются назначение; характер принимаемого сигнала; вид измеряемого элемента, характеризующего положение и параметры движения объектов (целей), иногда степень автономности [26].

По назначению РЛС подразделяют на обзорные и следящие.

Обзорные РЛС применяют для обнаружения и измерения координат всех целей в данной области пространства или земной поверхности, а также для управления движением средств противовоздушной (противоракетной) обороны, разведки, получения метеорологической информации и т.п.

По расположению(или местубазирования) различают наземные, морские(в том числе речные), воздушные, космические, подповерхностные и ряд других РЛС.

Следящие РЛС выполняют функцию точного и непрерывного определения координат одной или ряда целей. Полученная РЛС информация используется, например, для наведения оружия на цель или для управления объектом.

По степени независимости функционирования от вспомогательных систем раз-

личают автономные и неавтономные РЛС. Автономные РЛС работают самостоятельно, без помощи других РЭС и не используют радиолинии, связывающие бортовую аппаратуру данного объекта с внешними по отношению к нему системами и устройствами. В таких радиосистемах реализуется принцип однопозиционной радиолокации, т.е. информация об элементах разрешения извлекается из отраженного от земной поверхности или цели сигнала.

Неавтономные РЛС имеют в своем составе как бортовую аппаратуру, установленную на объекте, так и не связанную с ней радиолинией аппаратуру специальных радиоустройств, размещаемых в наземных пунктах или на других объектах, т.е. реализуется принцип многопозиционной радиолокации.

По виду измеряемого элемента W различают угломерные, дальномерные и разностно-дальномерные устройства, а также устройства измерения скорости.

Угломерные устройства радиолокаторов определяют угол между опорным направлением и направлением на объекты радиолокации в горизонтальной

W или вертикальной W плоскости (измеряют пеленг) в соответствую-

щей системе координат. К этим устройствам (радиопеленгаторам) относят средства, которыепозволяют найти угловыекоординаты источника излучения электромагнитных колебаний по результатам измерения направления прихода радиоволн.

305

Дальномерные устройства (радиодальномеры) предназначены для измерения расстояния до объекта W R . Обычно радиодальномеры измеряют запаздывание отраженного целью сигнала относительно собственного излученного (зондирующего) сигнала. Дальномеры – часть большинства РЛС, они также применяются самостоятельно, например для нахождения высоты полета воздушного аппарата (радиовысотомеры). Дальномеры могут реализовать принцип «запрос-ответ», когда дальность измеряется по ретранслируемому сигналу.

Разностно-дальномерные устройства позволяют найти элемент W R

R1 R2 , где R1 и R2 – расстояние до объекта от двух излучающих (переизлучаю-

щих) устройств в многопозиционной РЛС, определяемое путем сравнения информативных параметров сигналов.

Тактические параметры определяют значение и возможности системы, основными из которых являются: область обзора (рабочая область), разрешающая способность, точность, помехоустойчивость, пропускная способность, надежность и эксплуатационная эффективность.

Технические параметры РЛС характеризуют технические средства, необходимые для обеспечения заданных тактических параметров. К ним относятся значение и стабильность несущей частоты, вид и параметры модуляции излучаемых колебаний, диаграммы направленности антенных устройств, мощность передатчика, чувствительность приемника, надежность устройств системы, ее массогабаритные характеристики и др. Отклонение любого технического параметра от заданного значения влияет на определенный тактический параметр (или группу параметров), что может вызвать выход тактических параметров радиолокационного устройства за установленные пределы, т.е. отказ системы.

Электроакустические и звуковещательные системы

Вещанием называют организацию и распространение через системы, сети и средства электрической связи различныхсообщений, предназначенныхдля широких слоев населения и служащих целям их информирования, идеологического воздействия, образования, культурного воспитания и отдыха. Наряду с печатью вещание – одно из средств массовой информации (СМИ). Оно имеет большое общественнополитическое значение как мощное средство воздействия на ум и чувства людей

[27].

Электроакустические системы – это средства радиовещательной или проводной связи, обработки разнообразной звуковой информации, записи и воспроизведения звуковых сообщений [24].

Звуковещательные (или звукотехнические) системы – средства озвучивания помещений и открытых пространств, звукоусиления и формирования акустических свойств помещений и студий, приборы для озвучивания кинофильмов и т.п.

Начальные звенья тракта передачи звуковых сообщений – это совокупность источников звука (музыкальные инструменты, голоса певцов, дикторов, актеров и др.),

306

воздушная среда студии, зала, микрофоны. Оконечное звено – электроакустический преобразователь: телефон, наушники, громкоговоритель. Последний в быту называют акустической системой (АС), но целесообразно так называть минимум два громкоговорителя, представляющих собой стереофоническую базу для воспроизведения звука.

Поскольку АС работает в помещении озвучивания, то свойства помещения существенным образом влияют на качество воспроизведения и восприятия программы. Слушатель воспринимает звуковые колебания барабанной перепонкой органа слуха – анализатора спектра акустических сигналов. Совокупность звеньев тракта передачи звука определяет качество восстановления первичного звукового сообщения, поэтому при расчётах, проектировании и аппаратурной реализации систем обработки звуковых сигналов нужно учитывать свойства и особенности каждого звена.

Путь, покоторомуэлектрическиесигналы вещанияпроходят от источников сигналов (микрофона, магнитофона, проигрывателя компакт-дисков, электронного музыкального инструмента и т.д.) до приёмных устройств, называют электрическим каналом вещания. Отдельные функционально законченные и организационно обособленные части электрического канала называют трактами, а более мелкие членения – звеньями трактов.

Поиспользуемым техническим средствам различают радиовещание и проводное вещание. Поформепередаваемыхэлектрическихсигналов звуковоевещаниеподраз-

деляют на аналоговое и цифровое.

По ГОСТ 11515-91 электрический канал звукового вещания заканчивается на выходе радиопередатчика (в случае радиовещания) или на абонентской розетке (при проводном вещании). Система звукового вещания (рисунок 3.18) включает тракты формирования программ, их первичного (каналы доставки программ к радиовещательным станциям) и вторичного (сети радиовещательных станций и систем проводного вещания) распределения, а также тракты приёма программ радиовещания (радиоприёмные и абонентские устройства слушателей).

Тракт формирования программ включает в себя оборудование студий, а также аппаратных радиодомов (РД) и телевизионных центров (ТЦ), служащее для формирования, преобразования и усиления электрических сигналов.

Тракт первичного распределения программ содержит городские соединительные линии (СЛ) и междугородные каналы звукового вещания, а тракт вторичного распределения – оборудование радиовещательных передающих центров (радиопередатчики) и станций проводного вещания (ПВ) (усилители, передатчики ПВ), а также линии ПВ. Приёмное оборудование (радиовещательные приемники и абонентские устройства ПВ) выделяют в тракты приёма программ (ТПП).

Каждый способ звукового вещания – радиовещание и проводное вещание – имеет свои преимущества и недостатки, проявляющиеся в конкретных условиях. При выборе и построении системы звукового вещания основную роль играют качество воспроизведения, устойчивость, надёжность и экономичность.

307

5)защищённость от внятной переходной помехи, выраженная в децибелах,

взаданном интервале частот;

6)защищённость от взвешенного шума, выраженная в децибелах, в заданной полосе частот.

Параметры качества каналов и трактов звукового вещания устанавливаются национальными стандартами (ГОСТ 11515-91). При их создании руководствуются рекомендациями международных организаций.

Информационно-измерительные системы

Усложнение современного производства, развитие научных исследований привело к необходимости измерений одновременно сотен и тысяч физических величин. Значительно увеличились потоки измерительной информации, возросла сложность ееобработки сцельюпринятиярешений,чтовызвалопоявлениетакоговида средств, как измерительные системы [28]. Сегодня измерительные системы являются одним из основных средств создания «цифровых двойников» [29].

Измерительная система (ИС) – средство, предназначенное для измерения и отображения физических величин; совокупность средств измерения и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи и вырабатывающих сигналы измерительной информации (ИИ) в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в системах автоматического регулирования

[30].

Измерительная установка –совокупность расположенных в одном месте, функционально объединённых средств измерения (СИ) и вспомогательных устройств, вырабатывающих сигналы ИИ в форме, удобной для восприятия наблюдателем (например, установка для поверки вольтметров).

Средства измерения – это технические средства с нормированными метрологическими характеристиками.

Измерительный прибор – СИ, вырабатывающее сигнал ИИ в форме, пригодной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительный преобразователь – СИ, вырабатывающее сигнал ИИ в форме, непосредственно не воспринимаемой наблюдателем, но удобной для передачи, дальнейшего преобразования и (или) хранения.

Мера – СИ, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (значения). Например, кварцевый генератор – мера частоты электрических колебаний.

Радиоизмерительные устройства – этотехническиесредства, предназначенные для измерения параметров радиотехнических сигналов, цепей и устройств при их исследовании, регулировкеи эксплуатации. Каки любыеСИ, эти устройства подразделяют на меры, измерительные преобразователи, приборы, установки и системы.

По назначению ИС делятся на системы, измеряющие физические и технические параметры объектов и процессов; по области (или сфере) использования – на радио-

309