Радиотехнические системы. Практикум-1

Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (СибГУТИ)

И. И. Резван Т. Н. Шайгараева

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Практикум

Новосибирск

2023

УДК 621.396(076.5)

Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ

Рецензент к.т.н., доцент В.М. Деревяшкин

Резван, И. И. Радиотехнические системы : практикум / И. И. Резван, Т. Н. Шайгараева ; Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, кафедра радиотехнических систем. – Новосибирск,

2023. – 41 с.

Приводятся задания предварительных расчётов и вопросов для самостоятельной подготовки, требования к оформлению отчета. Имеются краткие теоретические материалы соответствующих разделов курса. Практикум предназначен для выполнения лабораторных работ.

Практикум предназначен для студентов очной и заочной форм обучения направлений 11.05.01 «Радиотехнические системы и комплексы», 11.05.02 «Радиотехнические системы специального назначения», 11.03.01 «Радиотехника».

©Резван И.И., Шайгараева Т.Н., 2023

©Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2023

2

Правила выполнения лабораторных работ

1 Выполнению каждой лабораторной работы предшествует самостоятельная предварительная подготовка студента путём изучения по литературе необходимых разделов курса, а также задания и порядка выполнения лабораторной работы.

2 В процессе выполнения работы результаты в виде графиков аккуратно оформляются в любом графическом редакторе или на бумаге формата А4, числовые данные сводятся в соответствующие таблицы. Все рисунки и таблицы должны быть подписаны.

3 По окончании работы студент (бригада) представляет результаты эксперимента преподавателю для проверки и отметки о выполнении в журнале.

4 По результатам лабораторной работы каждый студент оформляет отчёт и на следующем занятии защищает ее.

5 Питание оборудования, применяющегося в лабораторной работе, включается и выключается студентами только с разрешения преподавателя.

6 Студенты, пропустившие лабораторное занятие, выполняют работу в дополнительное время.

7 При выполнении лабораторных работ необходимо соблюдать правила техники безопасности.

Оформление отчётов

Отчёт по лабораторной работе должен содержать:

−фамилию и инициалы студента;

−номер группы;

−наименование и номер лабораторной работы;

−цель работы;

−результаты измерений в виде таблиц, графиков и расчётов;

−выводы.

5

1 Теоретические сведения

1.1 Общие сведения о радиотехнических системах

Радиотехнической системой (РТС) называется совокупность средств и приборов, соединённых между собой и предназначенных для целенаправленного выполнения единой задачи или ряда задач, связанных с передачей, извлечением и преобразованием информации.

Основным отличием радиотехнических систем от других систем, связанных с передачей, приёмом и преобразованием информации, является то, что носителем информации в РТС являются радиосигналы. В аппаратурной части РТС эти сигналы проявляются в виде токов и напряжений, а в атмосфере, космическом пространстве, в направляющих искусственных линиях – в виде электромагнитных волн.

Устройство, преобразующее информационное сообщение в радиосигнал, называют передающим, а устройство, преобразующее принятый радиосигнал в информационное сообщение, – приёмным. Совокупность аппаратных средств и физической среды, в которой распространяются электромагнитные волны от передатчика к приёмнику, называется линией связи. Наиболее широко РТС используются в авиации и космонавтике, поэтому в качестве примера рассмотрим задачи, решаемые бортовыми системами летательных аппаратов (JIA).

Управление движением современных летательных аппаратов осуществляется с помощью пилотажно-навигационных комплексов (ПНК). Основу информационного обеспечения ПНК составляет набор бортовых радиотехнических систем различного назначения, которые решают следующие основные задачи:

1.Определение с высокой точностью текущих навигационных параметров полёта ЛА, к которым относятся: пространственное местоположение ЛА, высота полёта, курс, скорость, время полёта и др.

2.Осуществление управлением полёта.

3.Осуществление радиосвязи экипажа с диспетчерскими службами управления воздушным движением (УВД) и экипажами других ЛА, между членами своего экипажа и пассажирами, радиосвязи в аварийных ситуациях.

4.Своевременное обнаружение различных препятствий и опасных зон на пути полёта: возвышенностей, высотных сооружений, других ЛА, метеообразований, предупреждение об опасном сближении с подстилающей поверхностью и т.п.

5.Обеспечение автоматической передачи в контрольные диспетчерские службы телеметрической информации о состоянии ЛА. В эту информацию, как правило, входят бортовой номер ЛА, координаты его местоположения, высота полёта, остаток топлива, сведения об аварийной ситуации на борту ЛА.

6

6.Обеспечение взлёта и посадки ЛА.

7.Для ЛА военного назначения дополнительно осуществление наведения управляемого оружия на цели, обеспечение радиоэлектронной защиты ЛА от систем наведения различных видов управляемого оружия и решение многих других задач.

Требования к РТС следующие:

−радиосигналы в однородной среде распространяются прямолинейно;

−скорость распространения радиосигналов в свободном пространстве постоянна и известна с достаточной на сегодняшний день точностью;

−радиосигналы способны отражаться от физических объектов и неоднородностей среды, встречающихся на пути их распространения;

−частота радиосигналов, принимаемых измерителем, изменяется в зависимости от скорости перемещения источника сигналов и измерителя друг относительно друга.

В основу работы любой РТС положена функциональная связь информационных параметров с одним или несколькими электрическими параметрами радиосигналов.

К информационным параметрам относят текстовые сообщения (радиосвязь), навигационные элементы полёта (местоположение, скорость полёта, угловые координаты и др.), командные сигналы для управления объектами и т.п.

Основные электрические параметры радиосигналов – амплитуда, частота, фаза.

Важнейшим информативным параметром сигнала является его удельная содержательность, которая показывает, насколько эффективно используется сигнал данного объёма для передачи информации.

Сигнал может быть передан, принят или запомнен информационной системой только в том случае, если её параметры согласованы с параметрами сигнала.

Согласование заключается в следующем:

−ширина полосы пропускания системы F должна быть не меньше ширины спектра сигнала f , т.е. F > f;

−время действия системы Т должно быть не меньше длительности сигнала , т.е. Т ;

−превышение средней мощности сигнала над средней мощностью помех gc в системе должно быть не менее необходимого превышения G, т.е.

gc G.

Произведение Т* F*G=Vис называют ёмкостью информационной системы.

7

1.2 Классификация РТС

Основным критерием, по которому осуществляют классификацию РТС, является назначение системы.

По этому признаку РТС разделяют на следующие виды:

−системы передачи информации. К таким системам относят системы радиосвязи, радиовещания, телевидения, телеметрии;

−системы извлечения информации. Это системы радиолокации, радионавигации, радиоастрономии, радиоразведки;

−системы радиоуправления, осуществляющие управление различными летательными аппаратами (самолётами, вертолётами, ракетами, космическими аппаратами); наземными механизмами (роботами для обследования взрывоопасных объектов); дистанционными взрывателями; различными технологическими процессами и т.д.;

−системы разрушения информации, к которым относят системы радиоэлектронной защиты объектов от радиоуправляемого оружия.

Обобщенная структурная схема РТС состоит из передатчика и приёмника. Задача выделения полезной информации, которую доставляет радиосигнал, усложняется наличием на входе приёмника радиосистемы естественных или искусственно создаваемых помех.

По своему происхождению помехи могут быть в виде атмосферного или космического шума, собственных (внутренних) шумов приёмника, помеховых воздействий от других работающих систем, в виде отражений от местных предметов и т.д.

Такие помехи накладываются на полезный сигнал, и поэтому их называют аддитивными (от addition – добавление, сложение).

Другой вид помех обусловлен тем, что параметры полезного сигнала могут флуктуировать из-за неоднородности среды, в которой распространяются радиосигналы, из-за случайных изменений параметров преобразующих устройств аппаратурной части системы и т.д. Такие помехи называют мультипликативными (от multiplication – умножение). Помехи маскируют полезный сигнал, вызывают его искажения, могут привести к его пропуску при приёме или к образованию ложного сигнала.

Эти обстоятельства необходимо учитывать при разработке и эксплуатации РТС.

1.3 Радиопередающие устройства

Известно, что антенна эффективно излучает только в том случае, когда длина волны подводимых к ней колебаний соизмерима с геометрическими размерами антенны. Поэтому одной из основных задач передатчика является создание колебаний высокой частоты с помощью задающего автогенератора. Сформированные в передатчике радиосигналы

8

через фидерный тракт поступают в антенну и излучаются в пространство в виде электромагнитных волн.

Основными параметрами, характеризующими передатчик, являются несущая частота (длина волны) или диапазон несущих частот (длин волн), уровень выходной мощности, коэффициент полезного действия, стабильность частоты несущих колебаний. Во многих передатчиках возможна перестройка в пределах заданного диапазона частот (длин волн). Перестройка может быть плавной или дискретной. При плавной перестройке передатчик может работать на любой частоте (волне) заданного диапазона. При дискретной перестройке передатчик работает только на определённых фиксированных частотах (волнах). В этом случае в технических характеристиках указывают шаг частотной сетки.

Выходная мощность – это мощность высокочастотных колебаний передатчика, направляемых в антенну. Она может быть от долей ватта до десятков мегаватт. У передатчиков, работающих в импульсном режиме, различают мощность в импульсе и среднюю мощность за период повторения импульсов. Импульсная мощность, как правило, превышает среднюю мощность в сотни и тысячи раз.

1.4 Радиоприёмные устройства

Приёмная антенна извлекает из окружающего пространства очень небольшую часть энергии приходящих радиоволн, преобразует электромагнитную энергию волны в высокочастотный электрический сигнал и направляет его в радиоприёмник. В приёмнике осуществляется выделение информационной составляющей принятого сигнала и преобразование её к такому виду, который необходим для работы оконечного устройства.

К основным характеристикам радиоприёмного устройства относят чувствительность, избирательность, диапазон рабочих частот (длин волн), динамический диапазон входных сигналов, стабильность и устойчивость работы.

Под чувствительностью понимают способность радиоприёмника принимать слабые сигналы. Количественно чувствительность определяют минимально необходимой мощностью сигнала на входе приёмника, при которой обеспечивается нормальное функционирование оконечного устройства при заданном отношении мощности сигнала к мощности помех на выходе приёмника.

Избирательностью называют способность радиоприёмного устройства выделять полезную информационную составляющую принятого сигнала и ослаблять действие помеховых сигналов с помощью различных видов избирательности: частотной, временной, пространственной, поляризационной.

9

1.5 Эксплуатационно-тактические характеристики РТС

Любую РТС можно охарактеризовать большим числом тактических и эксплуатационных параметров. Количество и вид этих параметров в основном зависит от назначения системы и её практического использования. Однако среди этих параметров можно выделить ряд основных характеристик, которые могут быть отнесены к большинству радиотехнических систем:

−рабочая зона действия системы;

−точность принимаемой информации;

−разрешающая способность;

−пропускная способность;

−быстродействие;

−помехоустойчивость;

−скрытность работы;

−эксплуатационная надёжность;

−экономическая эффективность;

−эргономичность.

1.6 Технические характеристики РТС

Совокупность технических характеристик обеспечивает установленные эксплуатационно-тактические требования, предъявляемые к системе. Основные технические характеристики РТС:

−частота (диапазон частот) несущих колебаний;

−мощность излучаемых колебаний;

−чувствительность приёмных устройств;

−вид излучения и параметры модуляции излучаемых сигналов;

−характеристики антенных устройств;

−параметры первичных источников питания;

−массогабаритные характеристики аппаратуры.

1.7 Элементы теории оптимального обнаружения радиосигналов

Критерии оптимального обнаружения. Первая задача, возникающая при приёме сигналов радиотехническими системами, заключается в установлении факта наличия сигнала в принятом колебании. Эта задача называется задачей обнаружения. Задача обнаружения сводится к отысканию определённой системы правил, позволяющих решить, содержит ли принятое колебание полезный сигнал или нет. Для этого необходимо провести анализ принятого колебания, который по совокупности признаков дал бы возможность отличить аддитивную смесь полезного сигнала и

10