Радиотехнические системы. Учебное пособие

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

С.Г. ФИЛАТОВА

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ

СИСТЕМЫ

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК

2022

1

УДК 621.396.2(075.8) Ф 517

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор А. Г. Вострецов д-р техн. наук, профессор А. А. Спектор

Филатова С. Г.

Ф 517 Радиотехнические системы: учебное пособие / С. Г. Филатова. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2022. – 68 с.

ISBN 978-5-7782-4631-7

Учебное пособие предназначено для самостоятельной работы студентов по курсу «Радиотехнический системы» для студентов IV курса факультета радиотехники и электроники, обучающихся по направлению подготовки 11.03.01 «Радиотехника» очной и заочной формы обучения. Пособие в основном направлено на индивидуальное решение задач студентами, что способствует более прочному усвоению базовых знаний в области радиотехники.

Вучебном пособии приводятся краткие теоретические сведения

орадиотехнических системах и необходимые справочные данные.

2

ло импульсов в последовательности, расстояние между ними). В цифровых РТС сигналы предварительно преобразуются в цифровой вид (квантуются по уровню и дискретизируются во времени).

Для создания РТС используется практически весь диапазон длин радиоволн (от 100 км до одного миллиметра). Лазерные системы, работающие в инфракрасном и видимом диапазоне электромагнитных волн, по принципу действия и назначению тесно примыкают к РТС.

Ключевая особенность РТС в том, что их основные параметры имеют вероятностный характер. Это обусловлено наличием шумов электронных компонентов РТС, случайных искажений сигнала в канале передачи, непредсказуемых техногенных, атмосферных и иных факторов. Все это обусловливает необходимость статистического подхода к анализу и синтезу РТС и их компонентов.

При построении РТС стремятся обеспечить их наибольшую эффективность. К сожалению, общепринятого определения понятия эффективности РТС до сих пор нет, поэтому в зависимости от назначения наибольшее внимание уделяют тем или иным параметрам РТС (энергетическим, информационным, экономическим). Что же касается так- тико-технических характеристик РТС, то здесь ситуация вполне определенная: отнесенные к ним понятия (зона действия, точность, достоверность, разрешающая способность, надежность, пропускная способность, быстродействие, помехоустойчивость) имеют четкие количественные значения. В настоящем учебном пособии задачи, предлагаемые к решению, касаются именно этих характеристик.

Учебное пособие состоит из четырех разделов и содержит задачи по расчету параметров радиотехнических сигналов, основных параметров радиотехнических систем передачи информации и радиолокации. Каждый раздел начинается с краткого теоретического материала, необходимого для решения задач. Особое внимание уделяется формированию индивидуальных заданий для студентов, что позволяет им развить навыки самостоятельной работы, закрепить теоретические знания, овладеть методикой расчетов основных параметров радиотехнических систем. В последнем разделе приведены примеры решения задач.

4

1.2. ВИДЫ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Простые сигналы

Широкое применение в РТС находят так называемые простые сигналы, т. е сигналы, для которых произведение их длительности и и ширины частотного спектра f, называемое базой сигнала B, близко к единице, B = f и 1. К таким сигналам относятся, в частности, импульсные сигналы различной формы.

Известно, что информацию для передачи по каналам связи необходимо преобразовать к виду, пригодному для передачи. В радиотехнических системах информационное сообщение передается посредством электрических сигналов. При этом первоначально сигналы занимают полосу в диапазоне низких частот, например, большая часть энергии речевого сообщения сосредоточена в интервале 300…3400 Гц.

Для передачи низкочастотных сообщений по радиоканалу необходимо перенести спектр сигнала на несущую частоту. Для этого используются различные виды модуляции: амплитудная, частотная или фазовая модуляция (для непрерывных сигналов).

При амплитудной модуляции (АМ) в зависимости от значения информационного сигнала изменяется амплитуда высокочастотного сиг- нала-переносчика. Ширина полосы частот fАМ, занимаемой ампли- тудно-модулированным сигналом, равна удвоенной ширине спектра модулирующего сигнала Fв (рис. 1, а): fАМ = 2Fв.

Для более эффективного использования частотного и энергетического ресурса часто применяют модификацию АМ – однополосную модуляцию (ОБП), при которой сохраняется либо верхняя, либо нижняя боковые полосы амплитудно-модулированного сигнала (рис. 1 б, в). При передаче может быть исключена (подавлена) несущая частота (рис. 1, г), которая затем восстанавливается в приемнике. Таким образом, ширина спектра сигнала при ОБП fОБП в два раза ýже спектра амплитудно-мо- дулированного сигнала: fОБП = Fв.

При частотной модуляции (ЧМ) изменяется частота сигналапереносчика в зависимости от значения информационного сигнала. Ширина спектра сигнала с частотной модуляцией fЧМ определяется

6

верхней частотой спектра модулирующего сигнала Fв и индексом

индекс частотной модуляции; f – девиация частоты (максимальное отклонение частоты переносчика (в одну сторону) от исходного значения).

Рис. 1. Виды амплитудной модуляции:

а – АМ; б, в – ОБП; г – ОБП с подавленной несущей

При фазовой модуляции (ФМ) в зависимости от значения информационного сигнала изменяется фаза высокочастотного сигнала.

Спектр фазомодулированного сигнала fФМ определяется верхней частотой спектра модулирующего сигнала Fв и индексом фазовой моду-

7

ляции mФМ: fФМ 2Fв mФМ 1 , при этом индекс фазовой модуляции mФМ численно равен девиации фазы (максимальному от-

клонению фазы от начального значения).

Для импульсных сигналов применяется амплитудно-импульсная (АИМ), времяимпульсная (ВИМ), широтно-импульсная (ШИМ) модуляция [3]. Времяимпульсную модуляцию называют также фазо-импульсной модуляцией (ФИМ). При АИМ каждый отсчет передается в виде импульса с фиксированным расположением и длительностью, управляемым параметром является амплитуда (рис. 2, а). При ВИМ в зависимости от амплитуды модулирующего сигнала изменяется временное положение (фаза) импульса (рис. 2, б). При широтно-импульсной модуляции меняется длительность (ширина) импульса в зависимости от мгновенных значений модулирующего сигнала (рис. 2, в).

а

б

в

Рис. 2. Виды импульсной модуляции:

а – АИМ; б – ВИМ; в – ШИМ

Для цифровых сигналов используется амплитудная, частотная и фазовая манипуляция. Цифровой сигнал может быть получен на передающей стороне от цифрового источника, например, компьютера, или

8

цифровым кодированием аналогового сигнала, включающего в себя процедуры дискретизации и квантования. Манипуляция представляет собой скачкообразное изменение какого-либо параметра непрерывного сигнала (амплитуды, частоты, фазы) в соответствии с передаваемым сообщением, при этом множество допустимых значений параметров будет строго фиксированным (конечным и заранее определенным) (рис. 3).

Рис. 3. Виды манипуляции:

а– информационный сигнал; б – амплитудная манипуляция;

в– частотная манипуляция; г – фазовая манипуляция

Поскольку обычно в РТС организован корреляционный прием сигналов, в том числе с помощью согласованных фильтров, существенное значение имеют корреляционные свойства сигналов. Для целей надежного обнаружения сигналов, определения их временного положения необходимо, чтобы автокорреляционная функция (АКФ) сигнала имела узкий главный лепесток, а уровень боковых лепестков был минимален. Преимущество простых импульсных сигналов в том, что их АКФ имеет только один лепесток (боковые лепестки отсутствуют). Для сужения их АКФ используют импульсы очень малой длительности, при этом ширина спектра сигнала приблизительно равна 1 / τи .

9

Существенный недостаток применения простых импульсных сигналов заключается в том, что для обеспечения заданной помехоустойчивости, определяемой энергией импульса, приходится использовать импульсы с большой пиковой мощностью, что далеко не всегда возможно и трудно реализуемо на практике. Поэтому нужны сигналы, обеспечивающие при той же ширине спектра и меньшей пиковой мощности требуемое разрешение и помехоустойчивость.

Сложные сигналы

С целью повышения помехоустойчивости сигналов применяют так называемые сложные, или широкополосные сигналы. База таких сигналов, определяемая как произведение длительности сигнала на зани-

маемую им полосу частот B и f , много больше единицы. Дости-

гается это изменением не одного, а двух параметров сигнала.

К сложным сигналам относятся импульсные сигналы с линейной частотной модуляцией, а также цифровые сигналы, сформированные с использованием кодов Баркера, кодов Голда и М-последовательностей и пр. Цифровой сложный сигнал представляет собой импульсы, следующие непосредственно друг за другом, без временного зазора, в соответствии с формирующей их последовательностью элементарных импульсов, в качестве которых может быть использован любой из рассмотренных ранее импульсов.

ЛЧМ-сигналы

ЛЧМ-сигналы – это сигналы с линейным изменением частоты внутри импульса:

рая определяет ширину спектра радиосигнала.

При оптимальной обработке ЛЧМ-импульса сигнал после согласованного фильтра, который представляет собой АКФ, имеет длительность, меньшую в B раз, чем у входного сигнала, уровень главного лепестка АКФ значительно превосходит уровень боковых лепестков,

10