Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование радиотехнических устройств и систем. Конспект лекций
.pdf
Рис.6.2. Иерархия РТС
cos sinU t U t t jU t t
система
входы
выходы
окружающая среда
Σ
К1 К
2
x y
Модели: статические и динамические (функциональные).
Приближенность моделей и адекватность.
Рис.6.3. Модель черного ящика
Взаимосвязь моделирования и проектирования
Точность моделирования. Модель – поиск конечного в бесконечном
(Менделеев Д.И.).
Циклическое (спиральное) развитие модели – предел усложнения
модели.
Алгоритм и модель отличны, алгоритм – последовательность шагов
решения задачи. Модель – совокупность потенциальных свойств объекта.
Модели обладают свойством изоморфизма и гомоморфизма (взаимно
однозначное соответствие).
Математическое моделирование: аналитическое, численное с
использованием ЭВМ, качественное.
Рис.6.4. Математическая модель системы регулирования
или
6.2. Моделирование сигналов, помех и канала
Моделирование сигналов и помех [ 16, 17 ]
При использовании метода несущий сигнал представляется выборками
мгновенных значений.
При использовании метода комплексной огибающей – выборки
огибающей.
Параметры сигнала (амплитуда, фаза) могут быть
детерминированными и случайными.
Моделирование производится с использованием пакета
Matlab+Simulink [ 18 ].
Моделирование отсчетов случайного процесса с заданным
Пакеты моделирования
Специализованные
пакеты
Универсальные
пакеты
Математические
пакеты
Пакеты компонентного
моделирования
распределением также реализуется с помощью пакета Matlab+Simulink [ 21,
22 ].
Пакеты прикладных программ
(Комплекс взаимосвязанных программ).
Статистические и динамические этапы: построение прикладной
программы, затем проведение расчетов и графический вывод. В случае
динамического пакета все этапы идут параллельно.
Системы автоматического проектирования (САПР) – пример AutoCAD.
Пакет компонентного моделирования – использует готовые библиотеки
программ.
Рис.6.5. Системы искусственного интеллекта (пакеты)
Математические пакеты – MathCad, Matlab и др. – содержат в себе
математическое описание моделируемой системы.
Особенности РТС как объекта изучения методами моделирования на
ЭВМ [ 20 ]
Классы РТС – РСПИ, РЛС, РНС, РТСУ, Р/р, Р/п. Особенности РТС – учет
ЭМС.
1. Многомерность связей и большое число элементов
2. Работа при наличии шумов и помех
3. Быстрое преобразование сигналов и медленные информационные
процессы.
Для оптимизации проектирования нужны:
1. Разработка математических моделей невысокой сложности
2. Разработка алгоритмов и программ
3. Создание САПР
X
F
2
Сравнение
Измерение
параметров
Фиксирование
параметров
Продолжать
моделирование
Да
Нет
(требуемые оценки (ТЗ))
Выходные параметры
Рис. 6.6. Формальное описание радиосистем
Описание РТС должно привести к составлению функциональной
схемы, на основе которой формируется математическая модель. Первый шаг
– определение множества параметров и базиса
операторов .
Параметры РТС – 4 подмножества:
где – фазовые переменные (описывают состояние системы в любой
момент времени),
- внешние параметры,
- внутренние параметры,
- выходные параметры.
– входные воздействия (сигналы).
– внутренние фазовые переменные. Множество операторов .
Рис.6.7. Формальная схема моделирования
Имитационная модель представляет собой статистическую
комплексную компьютерную программу, которая описывает структуру и
поведение реальной системы во времени. Имитационная модель позволяет
получить статистику функционирования РТС в зависимости от входных
данных с учетом взаимодействия с окружающей средой. К достоинствам
модели относятся невысокая стоимость, относительно небольшое время
6.3. Имитационные модели
моделирования, повторяемость эксперимента, высокую точность
вычислений, наглядность и универсальность модели. Важны временные
графики работы модели.
Порядок имитационного моделирования:
1. Разработка модели РТС с использованием частных имитационных
моделей устройств, объединенных с учетом их взаимодействия в целое.
2. Выбор информационных параметров объекта, способов их получения и
анализа.
3. Построения модели помех и взаимодействия с внешней средой
(каналом).
4. Выбор метода планирования эксперимента и способа исследования.
5. Проведение моделирования и оценка результатов.
Пример. Имитационное моделирование РСПИ с использованием
технологии OFDM. Устройства: формирователь выборки первичной
модуляии (КАМ), вычислитель ОБПФ, формирователь префикса,
формирователь квадратур и перенос на несущую.
6.4. Моделирование РТУ с использованием пакета MATLAB
+SIMULINK [ 21, 22 ]
Эффективным методом проектирования устройств является
применение пакета MATLAB + SIMULINK. Ниже приведен пример
моделирования устройств РЛС.
Этапы и особенности моделирования и реализации РЛС в Matlab и Simulink
1. Совмещение работы двух инженеров до реализации
2. Разработка сложных систем
3. Модельно-ориентированное проектирование
4. Разработка РЛС
5. Демонстрация, системная модель
6. Моделирование ФАР
7. Моделирование радиочастотных схем
8. Генерация и верификация HDL кода.
Лекция 7
Методы оптимизации радиотехнических систем
Характеристика проблемы оптимизации в радиотехнике
Большинство задач оптимизации в радиотехнике сводится к поиску
экстремума функции одного или нескольких переменных. Ниже указаны
основные методы оптимизации [ 24 ] :
1. Линейное программирование.
2. Условия экстремума функции в задачах математического
программирования.
3. Численные методы поиска безусловного экстремума.
4. Задачи вариационного исчисления (минимизации функционала).
5. Динамическое программирование. Применение принципа Беллмана.
6. Задачи оптимального управления.
Под оптимизацией РТС понимается синтез оптимальной структуры
путем расчета оптимальных характеристик устройств, входящих в РТС. Под
оптимизацией РТУ понимается нахождение структуры РТУ при выборе
оптимальных характеристик устройств, входящих в состав РТС. Учитывается
опыт проектирования, результаты моделирования и экспертных оценок.
Необходим учет стоимостного критерия. В РТС ищется структура
оптимального передатчика и приемника, оптимизируется мощность
передатчика и чувствительность приемника при обеспечении и
ограничению по стоимости.
Постановка задачи оптимизации:
1. Анализ структуры, выбор критерия оценки качества
2. Формулировка цели оптимизации задачи
3. Определение ограничений ( , размер антенны)
4. Формулировка задачи в виде математической модели.
Качество функционирования РЛС оценивается критерием:
,
где - частные критерии эффективности,
- определяется состоянием окружающей среды – канал и помеха.
Частными критериями могут быть критерий Неймана-Пирсона и
минимального времени обзора заданного сектора (последовательного
обнаружения). В последнем случае при заданных и и числе ячеек
пространства оптимизация заключается в выборе порогов и минимизации
периода обзора.
Существенна адаптация РТС к помеховой обстановке и каналу:
изменение мощности излучения, параметров сигнала, АРУ и АПУ в РПрУ.
[ 27 ].
Пример
Оптимизация РЛС обзора: выбор отношения и чувствительности
приемника при заданной .
Из формул дальности действия РЛС можно записать отношение :
где – максимальная дальность,
коэффициент усиления антенны,
– ЭПР объекта,
- длина волны.
Учет стоимости: , для РПрУ : .
СФ
ДО
ПУ
x(t)
γ
1
γ
0 Zп
Общая стоимость РЛС: .
Далее максимизируется , если задано или при заданном .
Решение задачи поиска экстремума сводится к дифференцированию
уравнения.
7.2. Оптимизация обнаружителя сигнала по двум или трем показателям
качества [3]
На входе обнаружителя
, .
- релеевское распределение амплитуды,
- равномерное.
Задача – найти оптимальную структуру.
Показатели качества , и .
- нормальный белый шум.
, и .
Сначала производится синтез обнаружителя по и .
Ищем минимум при фиксированном (по рабочим характеристикам),
используя критерий Неймана-Пирсона:
Рис. 7.1. Схема обнаружителя
Оптимальным по трем параметрам является обнаружитель с
минимальным при допустимых (заданных) и .
Структурно-параметрический синтез:
Этап 1 – Формирование множества структур
Этап 2 – Формирование матрицы совместимости
Этап3 – Формирование множества допустимых вариантов
Этап 4 – Поиск Парето оптимальных решений
Этап 5 – Выбор варианта оптимальности по скалярному критерию.
7.3. Оптимизация по множеству Парето [ 25, 26 ]
'xS
xS
'
ii
f x f x
'
ii
f x f x
2
' F y F y
0
x
min f x x
1
,... min
k
f x f x x
s
Ω
x
1
x
2
пространство параметров
пространстве целевых
функций
P
f
1
f
2
Парето-фронт
В задачах проектирования РТС необходима оптимизация –
одновременно по нескольким критериям качества. Критерии противоречивы.
Скалярным критерием оптимизации называется частные критерии
оптимизации. Совокупность частных критериев называется векторным
критерием. Решение, оптимальное по векторному критерию, не будет
лучшим по отдельным скалярным критериям.
Производится нормировка критериев к разнице максимальных и
минимальных значений. Пространство критериев, область достижимости
параметров, пространство варьируемых параметров.
Метод весовых коэффициентов: ,
Порядок структурно-параметрического синтеза:
Этап 1. Формирование множества структур.
Этап 2. Формирование матрицы совместимости.
Этап 3. Формирование множества допустимых вариантов.
Этап 4. Поиск по множеству Парето оптимальных вариантов.
Этап 5. Выбор варианта оптимального по скалярному критерию.
Критерий Парето. Решение задачи многокритериальной
оптимизации
Вектор решения
называется оптимальным по Парето, если не
существует
бы одного i.
Векторную функцию оптимизации сводят к одной скалярной целевой
функции
Решение
Метод исследования пространства параметров основан на построении
допустимого и Парето-оптимального решения – проектирования.
Следует различать однократную и многократную оптимизацию.
такого, что
для всех i = 1,…k и
хотя
.
, что минимизирует F по Х, является решением по Парето.
– однокритериальная оптимизация,
– многокритериальная оптимизация
Рис. 7.2. Парето-множество и Парето-фронт
начальная точка
f
1
f
2
оптим. решение
начальная точка
f
1
f
2
множество оптим.
решений
S-Парето – множество допустимых точек Парето множеству S, которое
соответствует Парето-фронту P = f(S) (образ Парето-множества в
пространстве целевых функций). Ответом является не одна точка, а
множество точек. Все решения равноценны.
рис.7.3а рис.7.3б
Рис. 7.3. Формулировка многокритериальной задачи
Оптимизированные алгоритмы интерактивны. Алгоритм формирует
последовательность точек до тех пор пока не будет выполнено условие
остановки. Множество Парето-решений дает бесконечное число точек.
Три формулировки:
1. Локальная – одно решение (рис.7.3а);
2. Глобальная – множество Парето оптимальное решение (рис.7.3б),
описывающее фронт;
3. Интерактивная – одно решение удовлетворяющее предпочтению
эксперта.
Примеры оптимизации по совокупности показателей качества
приведены в [28]. Оптимизация параметров двух координатной РЛС по
совокупности технико-экономических показателей рассмотрена в работе [29].
Литература
1. Сперанский В.С.. Радиолокация, радиолокационные системы и
устройства - М.: Брис 2011, 252с.
2. Кузьменко Н.В. Радиоэлектронная разведка и радиоэлектронная
защита. –Учебное пособие. Воронеж, 2012, 128с.
3. Гуткин Л.С. Проектирование радиотехнических систем и
радиоустройств – М: Радио и связь, 1986. 288С.
4. Апорович А.Ф. Проектирование радиотехнических систем – Минск,
Высшая школа, 1988.
5. Аджемов С.С., Журавлев В.И. Проектирование радиотехнических
систем и устройств передачи информации. Учебное пособие.-М.:
МЭИС, 1989, 60с.
6. Колесниченко Г.И., Сперанский В.С. Радиотехническ ие системы
передачи информации. Учебное пособие- М.: МЭИС, 1991, 51с.
7. Проектирование радиопередающих устройств. Под ред. В.В.
Шахгильдяна – М.: Радио и связь, 2000
8. Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. А.П. Сиверса –
М.: Советское радио, 1976
9. Сперанский В.С. Семинары по курсу Радиотехнические системы (в
электронном виде) М.: МТУСИ, 2016
10. Сперанский В.С. Методические указания по выполнению курсовой
работы по курсу Радиотехнические системы (в электронном виде)М.;МТУСИ, 2016
11. Сперанский В.С. Проектирование цифровых измерителей
дальности, скорости и углов. Учебное пособие –М.: Изд. МЭИС,
1986, 62с.
12. ГОСТ 30372-95. Совместимость технических средств
электромагнитная. Термины и определения. Принят 12 октября
1995г.
13. Малков Н.А. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных
средств. Учебное пособие – (Н.А. Мальков, А.П. Пудовкин) Тамбов,
Изд. Тамбовского ГТУ 2007, 88с.
14. Управление радиочастотным спектром и электромагнитная
совместимость радиосистем. Под ред. Быховского М.А. – М.:
Экотрендз, 2006,376с.
15. Ярмоленко В.И. Приоров А.Л. Электромагнитная совместимость
радиокоммуникационных систем. Учебное пособие. – Ярославль.
Изд. Яр.ГТУ 2005.
16. Валуев А.А., Обрезков Г.В., Чиликин В.М. Моделирование
радиоустройств на ЭВМ. Учебное пособие – М.: Изд. МЭИ, 1987,
64с.
17. Борисов Ю.П., Чиликин В.М. Моделирование радиосистем методом
информационного параметра. Учебное пособие.-М.: Изд. МЭИ,
1990, 115с.
18. Носов В.И., Тимощук Р.С., Дроздов Н.В. Моделирование систем
связи с среде MATLAB Учебное пособие – Новосибирск, Сиб.ГТУ Т
и И, 2007, 178С.
19. Моделирование и оптимизация радиотехнических систем. Учебное
пособие – СПб. Изд. ЛЭТИ, 2013.
20. Ищик Л.А., Оболонин И.А., Сединин В.И. Проектирование в
инфокоммуникационных технологиях. –Новосибирск, Сиб.ГТУТИ,
2012, 3234с.
21. Цифровая обработка в MATLAB +SIMULINK А.Антипин (в
электронном виде)
22. Моделирование и реализация радиолокационных систем в
MATLAB+SIMULINK - Д. Шидловский (в электронном виде).
23. Семенкин Е.С., Семенкина О.Е., Ильина П.Р. Терсков В.А. Методы
оптимизации. Учебное пособие –Новосибирск, Сиб. Федер. Унив.
2007,90с.
24. Кузькин В.С. Оптимизация радиосистем. Учебное пособие –М.; Изд.
МЭИС.1979, 40с.
25. Григорьев С.А., Павлюченков З.Г., Савельев В.П. Методы
оптимизации в примерах и задачах. Учебное пособие. –
Н.Новгород.; Нижегор. ГУ, 2010.
26. Григорьев А.В., Фефилов И.И., Савинских П.Л., Кащенко Г.А.
Методические основы многокритериального подхода к
проектированию систем связи. –Теория и техника радиосвязи, 2008,
вып.4.
27. Пахолков Г.А. и др. Вариационные методы синтеза сигналов и
фильтров. – М.: Радио и связь, 1981, 232с.
28. Гуткин Л.С. Оптимизация радиоустройств по совокупности
показателей качества. – М.; Сов.радио, 1975, 367с.
29. Губонин Н.С. Оптимизация наземной двухкоординатной РЛС по
совокупности технико-экономических показателей// Радиотехника,
1984, №1.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]