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

в секунду (млн оп/с) или в MIPS (million instruction per second). Пиковую мощность часто называют быстродействием компьютера.

Рисунок 3.19 – Основные характеристики компьютеров

Номинальная производительность – среднее число смеси команд с учётом их статистического веса (частоты повторения), которые выполняет ядро компьютера в выбранном классе задач (зависит от скорости ОП):

Vc 1 Pt1 1 P2t2 Pti i Pntn ,

где Pi и ti – соответственно весовой коэффициент каждой i-й команды и время её выполнения; n – число команд.

Номинальную производительность часто называют быстродействием компьютера на смеси команд. Производительность мощных машин измеряют в мегафлопсах (MFLOPS) – миллион операций в секунду над операндами с плавающей запятой.

Системную производительность измеряют с помощью типовых оценочных программ (бенчмарков), реализованных на языках высокого уровня. Результаты оценки системной производительности компьютера конкретной архитектуры представлены в числовых таблицах.

Эксплуатационную производительность оценивают данными о реальной рабо-

чей нагрузке в основных областях применения; при этом учитывают необходимую площадь размещения машины, механические и климатические условия эксплуатации, потребляемую мощность и т.д.

К характеристикам компьютеров также относят:

–разрядность машинного слова, которое хранится, пересылается и обрабатывается как единое целое; измеряется в битах, байтах;

–объём оперативной памяти в битах, байтах, килобайтах, мегабайтах, гигабайтах;

–надежность, которая характеризует среднюю наработку на отказ – не менее 15 тыс. ч; время восстановления работоспособности, срок службы (не менее 10 лет).

320

Автоматические системы управления

Автоматическая система управления (АСУ) – совокупность объекта управления (ОУ) или контроля (ОК) и управляющего устройства (УУ), которые под внешними воздействиями взаимодействуют друг с другом [24]. АСУ предназначена:

а) для формирования такого закона изменения управляющих воздействий, при котором достигается желаемое поведение объекта независимо от наличия возмуще-

ний (задача управления);

б) поддержания выходных величин объекта равными (или пропорциональными) некоторым эталонным функциям времени – задающим воздействиям (более узкая задача регулирования). Воздействия могут быть постоянными или изменяющимися как по заданному, так и по заранее неизвестному закону.

Признаки классификации АСУ:

–структура или принцип управления (разомкнутые, замкнутые, комбинирован-

ные);

–точность установившегося состояния (статические и астатические);

–функциональное назначение (стабилизаторы, следящие и программные);

–вид обрабатываемых сигналов (аналоговые и дискретные);

–статические характеристики (линейные и нелинейные);

–количество регулируемых величин (одномерные, многомерные);

–характер параметров (стационарные, нестационарные, с распределёнными параметрами).

Также АСУ разделяют на оптимальные и обыкновенные, адаптивные (экстремальные, самонастраивающиеся, самоорганизующиеся, самообучающиеся) и неадаптивные.

Основные технические характеристики АСУ: устойчивость; показатели качества в статическом режиме – регулировочная статическая характеристика, внешние статическиехарактеристики, статическая ошибка системы (основной точностной параметр АСУ), абсолютная и относительная величина отклонения выходного параметра, статизм внешней характеристики, порядок астатизма; в динамическом режиме – время переходного процесса, перерегулирование, колебательность, период собственных колебаний; косвенные показатели – частотные, корневые и интегральные критерии оценки качества [37].

321

происхождения, например работа электрических генераторов, излучение от линий электропередач, индустриальногоэлектротехническогооборудованияи т. п.)и преднамеренные (процессы, формируемые целенаправленно для решения задач радиоэлектронной борьбы).

По назначению полезные процессы подразделяются на процессы управления и регулирования, которые также называются сигналами управления и регулирования; информационные процессы, которые по определению называются сигналами, переносящими разнообразную информацию (телевизионные сигналы, сигналы радиовещания и т.п.); энергетические процессы, используемые для электропитания электронных и радиотехнических систем и устройств. По степени выраженности информационные процессы подразделяются на явные, для обнаружения и идентификации которых не требуется специальных процедур обработки сигналов, и неявные, о существовании которых известно априори, но они, как правило, замаскированы в смеси других естественных или искусственных процессов так, что для их обнаружения и идентификации требуется специальная обработка смеси сигналов.

В условиях реальной помеховой обстановки информационные процессы представляют собой смесь полезных и вредных процессов. Однако соотношение их энергий позволяет разграничивать информационные процессы на явные и неявные.

К примеру, сигнал мощного передатчика, принимаемый приёмником в условиях их относительной близости, является явным. Сигнал того же передатчика, удалённого на большое расстояние от приёмника, может быть неотличим от внутренних шумов приёмника. Априори известно, что этот сильно ослабленный сигнал существует в данной точке приёма, однако его энергия меньше энергии смеси собственных шумов приёмника и помех, поступающих на его вход, так что сигнал оказывается неявным, неразличимым в данных условиях.

Из классификационной схемы видно, что к сигналам искусственного происхождения относятся не все полезные процессы, поэтому в дальнейшем вместо понятия «сигнал» будем использовать более широкое понятие «процесс», если отдельно не оговорено иное или нет конкретных уточнений по тексту.

Раздел теоретической радиотехники,посвящённыйизучению идей, методов анализа и принципов реализации основных радиотехнических процессов, т.е. процессов преобразования сигналов и помех в радиотехнических цепях, устройствах и систе-

мах, называют «Радиотехнические цепи и сигналы» [24].

Различают:

–линейные процессы (линейное усиление и фильтрация, дифференцирование, интегрирование, задержка сигнала), не сопровождающиеся трансформацией спектров (появлением на выходе цепи гармонических составляющих сигнала с частотами, отсутствующими на входе) и реализуемые в линейных цепях;

–нелинейные процессы (модуляция, детектирование, преобразование, умножение и деление частоты, нелинейное усиление, ограничение, генерирование

323

колебаний и т.п.), сопровождающиеся трансформацией спектров и реализуемые лишь в нелинейных или параметрических цепях.

Основные понятия, термины и определения в области радиотехнических сигналов (РТС) устанавливает национальный стандарт «Сигналы радиотехнические. Термины и определения». Классификация РТС по ряду основных признаков приведена на рисунке 3.21 [25].

Рисунок 3.21 – Классификация радиотехнических сигналов

Радиотехнические сигналы удобно рассматривать в виде математических функций, заданных во времени и в физических координатах. С этой точки зрения сигнал описывается одной (одномерный сигнал, n 1), двумя(двумерный сигнал, n 2)или более (многомерный сигнал, n > 2) независимыми переменными. Одномерные сигналы являются функциями только времени, а многомерные, кроме того, отражают положение в n-мерном пространстве. Многомерный сигнал – упорядоченная совокупность одномерных сигналов.

В телевизионных системах сигнал черно-белого изображения можно рассматривать как функцию f(x, y, t), т.е. двух пространственных координат и времени, представляющую интенсивность излучения в точке (x, y) в момент времени t на катоде. При передаче цветного телевизионного сигнала имеем три функции: f(x, y, t), g(x, y, t), h(x, y, t), определённые на трёхмерном множестве (можно рассматривать эти три функции как компоненты трёхмерного векторного поля). Кроме того, различные виды телевизионных сигналов могут возникать при передаче телевизионного изображения совместно со звуком.

По особенностям структуры временного представления (рисунок 3.22) все РТС делятся на аналоговые (analog), дискретные (discrete-time; от лат. discretus – разделённый, прерывистый) и цифровые (digital).

Если физический процесс, порождающий одномерный сигнал, можно представить непрерывной функцией времени u(t) (рисунок 3.22,а), то его называют аналоговым (непрерывным) или более обобщённоконтинуальным (continuos – многоступенчатый), если он имеет скачки, разрывы по оси амплитуд. Заметим, что традиционно

324

термин «аналоговый» используют для описания сигналов, которые непрерывны во времени. Непрерывный сигнал можно трактовать как действительное или комплексное колебание во времени u(t), являющееся функцией непрерывной действительной временной переменной t. Понятие «аналоговый»сигналсвязанос тем, что еголюбое мгновенное значение аналогично закону изменения соответствующей физической величины во времени.

Рисунок 3.22 – Радиотехнические сигналы:

а– аналоговый; б – дискретный; в – квантованный; г – цифровой

Врадиоэлектронике и технике связи широко применяются импульсные системы, устройства и цепи, действиекоторых основанона использовании дискретных сигналов.

Например, электрический сигнал, отражающий речь, является непрерывным как по уровню, так и по времени, а датчик температуры, выдающий её значения через каждые 10 мин, служит источником сигналов, непрерывных по значению, но дискретных по времени.

Дискретный сигнал получают из аналогового путём специального преобразования. Процесс преобразования аналогового сигнала в последовательность отсчетов называется дискретизацией (sampling), а результат такого преобразования – дис-

кретным сигналом или дискретным рядом (discreteseries). Простейшая математиче-

ская модель дискретногосигнала uT(t) –последовательность точек на временной оси, взятых, как правило, через равные промежутки времени T t , называемые перио-

дом дискретизации (интервалом, шагом дискретизации; sample time), в каждой из

325

которых заданы значения соответствующего непрерывного сигнала (см. рисунок 3.22,б). Величина, обратная периоду дискретизации, называется частотой дис-

кретизации (sampling frequency): fд 1/T (другое обозначение fд 1 t ).

Разновидностью дискретных сигналов является цифровой сигнал (digital signal). В процессе преобразования дискретных отсчетов сигнала в цифровую форму (обычно в двоичные числа) производится его квантование по уровню (quantization) напряжения . При этом значения уровней сигнала можно пронумеровать двоичными числами с конечным числом разрядов. Сигнал, дискретный во времени и квантованный поуровню, называютцифровымсигналом. Вцифровомсигналедис-

кретные значения uT t вначале квантуют по уровню (рисунок 3.22, в) и затем кван-

тованные отсчеты дискретного сигнала заменяют числами uц t , чаще всего реали-

зованными в двоичном коде, который представляют высоким (единица) и низким (нуль) уровнями напряжения – короткими импульсами длительностью (рисунок 3.22, г). Такой код называют униполярным.

Поскольку отсчёты могут принимать конечное множество значений уровней напряжения, то при представлении сигнала неизбежно происходит его округление. Возникающие при этом ошибки округления называются ошибками (или шумами)

квантования (quantizationerror, quantizationnoise).Последовательность чисел, пред-

ставляющая сигнал при цифровой обработке, является дискретным рядом (discrete series). Числа, составляющие последовательность, являются значениями сигнала в отдельные (дискретные) моменты времени и называются цифровыми отсчетами сигнала (samples). Далее квантованное значение сигнала представляется в виде набора импульсов, характеризующихнули («0»)и единицы(«1»)в двоичной системе счисления (см. рисунок 3.22,г). Набор импульсов используют для амплитудной модуляции несущего колебания и получения кодово-импульсного радиосигнала.

В результате цифровой обработки получаются цифры – абстракция, способ описания информации, содержащейся в сообщении. Следовательно, необходимо иметь что-то физическое, что будет представлять цифры или являться «носителем» цифр. Итак, сущность цифровой обработки состоит в том, что физический сигнал (напряжение, ток и т.д.) преобразуется в последовательность чисел, которая затем подвергается математическим преобразованиямв вычислительном устройстве. Трансформированный цифровой сигнал (последовательность чисел) при необходимости может быть преобразован обратно, т.е. в напряжение или ток.

Одним из основных признаков, по которым различаются сигналы, является предсказуемость сигнала (его значений) во времени.

По математическому представлению (по степени наличия априорной, от лат. a priori – из предшествующего, т.е. доопытной информации) все радиотехнические сигналы принято делить на две основные группы: детерминированные (регулярные; determined) и случайные (casual) сигналы (рисунок 3.23).

Детерминированными называют радиотехнические сигналы, мгновенные значения которых в любой момент времени достоверно известны, т.е. предсказуемы

326

с вероятностью, равной единице. Детерминированные сигналы описываются заранее заданными функциями времени.

Рисунок 3.23 – Сигналы:

а – детерминированный; б – случайный

Простейшими примерами детерминированного сигнала являются гармоническое колебание с известной начальной фазой, высокочастотные колебания, модулированные по известному закону, последовательность или пачка импульсов, форма, амплитуда и временное положение которых заранее известны.

Детерминированные сигналы разделяют на периодические и непериодические (импульсные). Сигнал конечной энергии, существенно отличный от нуля в течение ограниченного интервала времени, соизмеримого со временем завершения переходного процесса в системе, для воздействия на которую он предназначен, называют

импульсным сигналом.

Случайными называют сигналы, мгновенные значения которых в любой момент времени неизвестны и не могут быть предсказаны с вероятностью, равной единице. Фактически, для случайных сигналов можно знать только вероятность того, что он примет какое-либо значение. Сигналом, несущим полезную информацию, может быть только случайный сигнал. Информация заложена во множестве амплитудных, частотных (фазовых) или кодовых изменений передаваемого сигнала. Сигналы связи во времени меняют мгновенные значения, причём эти изменения могут быть предсказаны лишь с некоторой вероятностью, меньшей единицы. Таким образом, сигналы связи являются в некотором роде случайными процессами, поэтому их описаниеосуществляетсяпосредствомметодов, аналогичныхметодамописанияслучайных процессов.

В процессе передачи полезной информации РТС могут быть подвергнуты тому или иному преобразованию. Это обычно отражают в их названии: модулированные,

демодулированные (детектированные), кодированные (декодированные), усиленные, задержанные, дискретизированные, квантованные и другие сигналы.

Поназначению, сигналы можноразделить на модулирующие (первичный сигнал, который модулирует несущее колебание) и модулированные (несущее колебание).

327

По принадлежности к тому или иному виду радиотехнических систем, в частности систем передачи информации, различаютсвязные, телефонные, телеграфные, радиовещательные, телевизионные, радиолокационные, радионавигационные, измерительные, управляющие, служебные (в том числе пилот-сигналы) и другие сигналы.

Приведенная классификация РТС является краткой и не охватывает всё их разнообразие.

Помеха – стороннее воздействие, которое мешает приёму и обработке сигналов. В радиотехнических системах передачи информации помеха вызывает отклонение принятого сообщения от переданного. При радиовещательном приёме помехи проявляются в тресках и шумах, которые ухудшают качество звучания. При телевизионном приёме помехи искажают изображение, при локации они вызывают пропуск реально существующей или обнаружение несуществующей цели. Классификационная схема помех по происхождению приведена на рисунке 3.24. По принадлежности к РТС помехи подразделяют на внесистемные и внутрисистемные (внутренние шумы, шумы квантования, межканальныепомехи, излучениягетеродинов и др.)[24].

По своей природе помехи подразделяются на детерминированные (помехи мешающих радиостанций)и случайные(космические, атмосферные, внутренниеи др.). Мгновенные значения первых можно определить заранее, поэтому борьба с ними существенно упрощается. Мгновенные значения случайных помех заранее неизвестны и могут быть толькопредсказаны с определённой вероятностью. Эти помехи, в отличие от детерминированных, полностью устранить невозможно, поскольку они определяются дискретным строением материи и статистическим характером многих физических процессов. Вследствие этого их подавление вызывает значительные трудности как при разработке теории, так и при технической реализации. Значительная часть помех имеет гауссовский или производные от него законы распределения (усечённый гауссовский, логарифмический гауссовский, полигауссовский). В числе негауссовских распределений чаще других используются законы Рэлея, Лапласа, Вейбулла.

Рисунок 3.24 – Классификация помех

328

Помеха может влиять на сигнал через электромагнитное, электростатическое, магнитостатическое, акустическое поля, а также кондуктивным путём – через провода, шасси, монтаж и др. В общем случае на вход РЭС поступает смесь сигнала и

Uc Uп – мультипликативной. Обычно первая принадлежит классу активных по-

мех, а вторая – пассивных.

Большинство рассмотренных помех может быть представлено пятью моделями: флуктуационной, импульсной (сосредоточенной во времени), квазиимпульсной, сосредоточенной по спектру и пассивной. Удобной идеализацией реальных помех являются марковские случайные процессы, которые дают возможность охватить рассмотренные модели – стационарные и нестационарные, с гауссовским и негауссовским распределениями.

3.3.2 Способы описания процессов

Параметрическийбазисматематической моделифизическогопроцесса. Для формализации описанияпроцессов необходимознать ихпараметрический базис, т.е. множество тех переменных, которыми описывается любой физический или технический процесс внутри и вне ЭРЭС.

Определить параметрический базис процессов в ЭРЭС можно на основе сведений о демаскирующих признаках этих средств из раздела радиотехники, относящегося к радиоэлектронной борьбе [38].

Многочисленные демаскирующие признаки ЭРЭС можно свести в следующие группы:

частотные – несущая частота, модуляция, количество фиксированных частот, диапазон изменения при частотной модуляции, стабильность несущей модуляции и др.;

временные – длительность импульса, продолжительность излучения и др.; энергетические – мощность излучения, спектральная плотность мощности, ди-

намический диапазон изменения мощности излучения и др.; спектральные – ширина спектра, вид спектра, относительная величина спек-

тральных составляющих и др.; пространственно-энергетические – направление распространения излучения,

направление максимума излучения, параметры диаграммы направленности антенны и др.;

фазовые –видипараметры фазовой модуляции, количестводискретных скачков фазы и др.;

поляризационные – вид поляризации, направление вращения вектора электрического поля.

329