Радиотехнические системы. Практикум-1

помехи от чистой помехи. Такой анализ позволяет уменьшить число ошибочных решений, но не исключает их полностью.

Характеристики обнаружения. Количественная оценка работы приёмников обнаружения осуществляется с помощью характеристик обнаружения, представляющих собой графики зависимости вероятностей правильного обнаружения Рпо по и ложной тревоги Рлт от удвоенного отношения энергии сигнала Ес к спектральной плотности шума N0 на входе приёмника:

q = √2 Ec .

N0

Этот параметр часто называют отношением сигнал / шум по энергии. Спектральная плотность шума равна

N0 = kш k T 0,

где kш – коэффициент шума приёмника;

k = 1,38-23 Вт / Гц / °К – постоянная Больцмана; Т0 – абсолютная температура по шкале Кельвина.

Стандартной температурой для нормальных условий считается Т0= 290 °К. Таким образом, при увеличении отношения сигнал / шум надёжность

обнаружения возрастает.

1.8 Структурное построение оптимальных приёмников

Обнаружение сигналов с известными параметрами. В этом случае случайным событием является сам факт наличия или отсутствия сигнала на входе приёмника.

Обнаружение сигнала со случайной начальной фазой.

Обнаружение пачки когерентных импульсных сигналов со случайной начальной фазой. Пачку импульсных сигналов называют когерентной, если в пределах всей пачки имеет место определённая функциональная зависимость фазы колебаний от времени. При этом начальная фаза принимаемых сигналов может являться неизвестной случайной величиной, но между начальными фазами отдельных высокочастотных импульсов имеется функциональная связь.

Обнаружение пачки некогерентных импульсных сигналов. Пачку импульсных сигналов называют некогерентной в том случае, если начальные фазы отдельных импульсов в пачке статистически независимы.

Оптимальный приёмник для обнаружения и распознавания сигналов. В реальных условиях, как правило, возникает задача не только фиксировать факт присутствия сигнала на входе приёмного канала, но и определить признаки сигнала. Такая задача называется обнаружением и

11

распознаванием сигналов. Оптимальный приёмник в этом случае становится многоканальным.

1.9 Энергетические характеристики РТС

Одной из основных энергетических характеристик радиотехнической системы является уравнение дальности, связывающее дальность действия РТС с её основными параметрами, параметрами объекта взаимодействия (отражающей способностью, энергетическим потенциалом и т.п.) и свойствами среды распространения радиоволн.

Под дальностью действия радиотехнических систем понимают максимальное расстояние, при котором обеспечиваются заданные показатели качества работы системы, например, заданные точности измерения угловых координат, скорости движения и других навигационных параметров объектов.

При определении дальности действия РТС разделяют на запросные и беззапросные. Среди запросных систем, в свою очередь, различают запросные системы с пассивным ответом и запросные системы с активным ответом.

Беззапросный метод основан на том, что время распространения радиоволн от источника излучения – передатчика П до точки расположения приёмника Пр пропорционально пройденному пути и расстояние определяют, используя известное соотношение

R = c tR,

где R – измеряемое расстояние;

с – скорость распространения радиоволн, равная скорости света;

tR – время прохождения радиоволн от источника излучения до приёмника – измерителя.

Одним из главных достоинств беззапросного метода является отсутствие передатчика в аппаратуре потребителя, что приводит к значительному снижению массогабаритных характеристик аппаратуры и к отсутствию демаскирующего излучения. Кроме того, такой метод позволяет обеспечивать неограниченную пропускную способности.

По способам формирования ответного сигнала запросные методы разделяются на методы с пассивным ответом, т.е. с отражёнными сигналами, и методы с активным ответом, т.е. с ретранслированными сигналами. В первом случае радиодальномер работает в автономном режиме, излучая сигналы в направлении объектов, расстояния до которых измеряются, и принимая отражённые от них сигналы. Во втором случае используется неавтономный режим работы и измерительная дальномерная система состоит из запросчика ЗП и ответчика ОТ (ретранслятора сигналов),

12

расположенного на объекте, до которого измеряется расстояние. В обоих случаях радиосигнал проходит измеряемое расстояние дважды.

1.10 Методы измерения расстояний

В основе радиотехнических методов измерения расстояний лежат свойства радиоволн распространяться в однородной среде прямолинейно и с постоянной скоростью. Во многих методах используется способность радиоволн отражаться от физических объектов и неоднородностей среды, встречающихся на пути их распространения.

Измерение расстояния производится из одной точки пространства и, в принципе, может быть осуществлено беззапросным или запросным методами.

Использование для измерения дальности информации об изменении амплитуды сигнала, обусловленное естественным затуханием энергии электромагнитных волн при их распространении в свободном пространстве, принципиально возможно, но в настоящее время не находит практического применения ввиду того, что амплитуда принимаемых сигналов в сильной степени будет зависеть от изменения условий распространения радиоволн, от характеристик объектов отражения и ряда других факторов.

Частотные методы измерения расстояний применяются в системах с непрерывным излучением и частотной модуляцией несущих колебаний.

Фазовые методы измерения расстояний основаны на измерении разности фаз излучаемых радиоволн и принимаемых отражённых или ретранслированных сигналов.

1.11 Системы радиолокации

Радиолокационные системы (РЛС) – это системы, которые служат для обнаружения объектов в пространстве, измерения их координат и параметров движения с помощью радиотехнических средств. Получение информации в РЛС сопряжено с наблюдением некоторой области пространства при помощи радиолокационных станций или радиолокаторов. Наблюдаемые объекты называются радиолокационными целями. Типичными целями являются самолеты, ракеты, корабли, наземные инженерные сооружения и пр.

Информационными параметрами в радиолокации являются:

−дальность между целью и радиолокатором R

−угловые координаты объекта:

−азимут α – угол между направлением на цель и северным направлением, измеренный в горизонтальной плоскости;

−угол места – угол между вектором наклонной дальности и его проекцией на горизонтальную плоскость;

13

− радиальная (относительно радиолокатора) составляющая скорости движения объекта V.

В задачу радиолокационного наблюдения иногда входит также задача распознавания целей. Высота цели определяется по формуле:

h = R sin .

Координаты цели на горизонтальной поверхности земли находятся из соотношений:

x = R cos sin , y = R co s cos .

Тактические характеристики РЛС:

−зона действия – это область пространства, в которой РЛС выполняет свое назначение. Обычно это максимальная дальность действия системы;

−измеряемые координаты и точность их измерения определяются назначением РЛС, существуют одно-, двух- и трехкоординатные РЛС. Погрешности измерения координат ограничивают возможности использования РЛС. Обычно увеличение точности ведет к усложнению конструкции системы;

−разрешающая способность характеризует возможность раздельного наблюдения нескольких целей и измерения их параметров. Различают разрешающую способность по дальности, по направлению и по скорости. Цели, не разрешаемые ни по дальности, ни по направлению, ни по скорости, воспринимаются радиолокатором как одна цель;

−помехозащищенность характеризует способность РЛС выполнять свои функции при воздействии помех;

−пропускная способность определяется плотностью потока обрабатываемых с заданной точностью целей;

−время развертывания – время приведения РЛС в рабочее состояние;

−надежность определяется вероятностью выхода РЛС из строя или длительностью безотказной работы.

Тактические характеристики определяются техническими характеристиками РЛС:

−способом обзора пространства;

−формой и шириной диаграммы направленности антенны;

−видом модуляции зондирующих сигналов;

−способом обработки сигналов в приемнике;

−методом измерения координат;

−несущей частотой излучаемых колебаний;

14

−мощностью передатчика;

−чувствительностью приемника;

−габаритами,

−массой аппаратуры;

−потребляемой энергией.

Сигналы, используемые в РЛС. Большое значение для обеспечения заданной помехоустойчивости и разрешающей способности имеют структура зондирующего сигнала и способ модуляции. В РЛС применяются непрерывные (квазинепрерывные) сигналы:

−высокое разрешение по скорости;

−трудность развязки приемного и передающего тракта, необходимость отдельных антенн передатчика и приемника.

Область применения: доплеровские измерительные системы и высотомеры.

Импульсные:

−большая мощность импульса;

−хорошая помехозащищенность;

−высокое разрешение по дальности;

−работа на одну антенну.

Область применения: РЛС обзорного и координатного типа. Комбинированные и ЛЧМ2 сигналы:

−высокое разрешение по дальности и скорости;

−возможность использования согласованных фильтров, позволяющих выделять сигналы на фоне сильных помех.

Область применения: РЛС с большой дальностью обнаружения. Последовательности (пачки) импульсов:

−возможность использования фильтров-накопителей и гребенчатых узкополосных фильтров, выявляющих сигналы на фоне сильных помех. Область применения: РЛС с большой дальностью обнаружения.

1.12 Описание протокола NMEA

Национальная Ассоциация Морской Электроники (National Marine Electronics Association – NMEA) разработала специальный протокол для поддержания совместимости морского навигационного оборудования различных производителей.

Все NMEA-сообщения состоят из последовательного набора данных, разделенных запятыми. Каждое отдельное сообщение не зависит от других и является полностью «завершенным». NMEA-cообщение включает заголовок, набор данных, представленных ASCII символами, и поле «чексуммы» для проверки достоверности переданной информации.

NMEA-протокол поддерживает не только исходящие, но и входящие сообщения, с помощью которых, например, можно обновить или добавить

15

путевые точки маршрута. Эти сообщения должны быть сформированы в строгом соответствии с форматом NMEA, в противном случае они будут просто проигнорированы GPS-приемником.

NMEA-протокол описывает большой список различных сообщений, из которых можно выделить два десятка сообщений, активно использующихся в навигационной аппаратуре.

В связи с большой популярностью и простотой представления данных NMEA-протокол нашел применение не только в морской аппаратуре, но и в геодезических, бытовых и авиационных GPS-приемниках.

Сокращения:

−AAM – Прибытие в путевую точку;

−ALM – Данные альманаха;

−АPA – Данные автопилота «А»;

−APB – Данные автопилота «В»;

−BOD – Азимут на пункт назначения;

−DTM – Используемый датум;

−GGA – Информация о фиксированном решении;

−GLL – Данные широты и долготы;

−GSA – Общая информация о спутниках;

−GSV – Детальная информация о спутниках;

−MSK – Передача управлению базовому приемнику;

−MSS – Статус базового приемника;

−RMA – Рекомендованный набор данных системы «Loran»;

−RMB – Рекомендованный набор навигационных GPS-данных;

−RMC – Рекомендованный минимальный набор GPS-данных;

−RTE – Маршрутная информация;

−VTG – Вектор движения и скорости;

−WCV – Данные скорости вблизи путевой точки;

−WPL – Данные путевой точки;

−XTC – Ошибка отклонения от трека;

−XTE – Измеренная ошибка отклонения от трека;

−ZTG – UTC время и оставшееся время до прибытия в точку назначения;

−ZDA – Дата и время.

Некоторые из NMEA-сообщений могут содержать одинаковые поля данных либо полностью содержать данные других, меньших по размеру, NMEA-сообщений.

Содержание некоторых сообщений протокола NMEA:

− $GPGGA Сообщение содержит GPS-данные о местоположении, времени местоопределения, качестве данных, количестве использованных спутников, HDOP (Фактор Ухудшения Точности Плановых Координат), информацию о дифференциальных поправках и их возраст;

16

−$GPGLL Сообщение содержит GPS-данные о географической широте, долготе и времени определения координат;

−$GPGSA В этом сообщении отображается режим работы GPSприёмника, параметры спутников, используемых при решении навигационной задачи, результаты которой отображены в сообщении $GPGGA и значения факторов точности определения координат;

−$GPGSV В сообщении указывается количество видимых спутников, их номера, возвышение, азимут и значение отношения сигнал/шум для каждого из них;

−$GPRMC Сообщение RMC содержит данные о времени, местоположении, курсе и скорости, передаваемые навигационным GPSприёмником. Контрольная сумма обязательна для этого сообщения, интервалы передачи не должны превышать 2 секунды. Все поля данных должны быть подготовлены, пока ещё нет самих данных. Недействительные поля могут быть использованы, пока данные временно не готовы;

−$GPVTG Сообщение VTG передает текущее истинное направление курса (COG) и скорость относительно земли (SOG);

$GPZDA Сообщение ZDA содержит информацию о времени по UTC, календарный день, месяц, год и локальный часовой пояс.

17

Лабораторная работа № 1 ОБНАРУЖЕНИЕ И РАЗЛИЧЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ

СИГНАЛОВ

1 Цель работы

Исследование помехоустойчивости обнаружения и различения импульсных сигналов при однократном приеме и накоплении, а также её зависимость от уровня порога в решающем устройстве.

2 Предварительная подготовка

2.1 Ознакомиться с описанием работы и изучить по указанной ниже литературе следующие вопросы:

−правила решения при обнаружении и различении сигналов;

−функция правдоподобия и отношение правдоподобия;

−показатели качества решения и их оптимизация;

−сущность метода однократного отсчета и метода накопления, практическая реализация методов накопления;

−отношение сигнал/шум при накоплении;

−зависимость вероятностей пропуска сигнала, ложной тревоги, среднего риска и средней вероятности ошибки от уровня порога в решающем устройстве;

2.2 Ответить (устно) на вопросы, поставленные в разделе 4 данной ра-

боты.

2.3 Для подготовки к работе рекомендуется следующая литература:

−Теория передачи сигналов: Учебник для вузов / А.Г. Зюко, Д.Д. Кловский, М.В. Назаров и др.; – М.: Радио и связь, 1986.

−Радиотехнические системы: Учебник для вузов / Ю.П. Гришин, В.П. Игнатов, Ю.М. Казаринов и др.; под ред. Казаринова. – М.: Высш. шк.,

1990.

−Основы теории помехоустойчивости дискретных сигналов: Учебное пособие / А.А. Макаров, Л.А. Чиненков. – Новосибирск: СибГУТИ, 1997.

−Конспект лекций.

2.4 Для заданного варианта характеристик сигналов и помех рассчитать и построить зависимости средней вероятности ошибки pср, вероятностей ложной тревоги pлт= p(x1/S0) и пропуска сигнала pпс= p(x0/S1) от уровня порога при однократном отсчёте и накоплении 10 отсчётов; дисперсия флуктуационной помехи при однократном отсчете D = 2п =2 Вт., сигнал двоичный, вероятность передачи P(S1) и амплитуда сигнала S1 заданы в таблице 1.1, сигнал S0=0.

18

Таблица 1.1 – Исходные данные

3.1 Краткое описание структурной схемы исследуемого решающего устройства (РУ) представлена на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 – Структурная схема решающего устройства

На вход решающего устройства подается смесь импульсов постоянного тока Si(t) и флуктуационной помехи n(t) с гауссовским законом распределения мгновенных значений и дисперсией 2п .

При обнаружении сигнала: S1(t) = А,

S0(t) = 0, 0 t T;

при различении сигналов: S1(t) = А,

S0(t) = -А, 0 t T,

где T – длительность сигнала, достаточная для получения k отсчётов (или измерений сигнала) x(t) на расстоянии t 0 ( 0 – интервал корреляции помехи).

Правило решения заключается в следующем. Если отсчет сигнала x1(t0) при k =1 или сумма отсчётов x (t1... tk) при k = 10 превышает пороговый уровень Uп, решение выносится в пользу сигнала S1(t), иначе в пользу сигнала S0(t).

Условия оптимизации правила решения зависят от значений априорных вероятностей появления сигналов на входе РУ: P(S1) и P(S0), значения которых задаются вариантом таблицы 1.1.

Отношение сигнал/шум на входе РУ может изменяться соответствующим выбором амплитуды сигнала A, которая при выполнении работы задаётся таблицей вариантов.

19

Модель решающего устройства, используемая в лабораторной работе, позволяет наблюдать на экране дисплея процессы формирования функций правдоподобия и исследуемых вероятностей как функций порогового уровня.

4 Вопросы для самостоятельной подготовки

4.1Дайте определение помехоустойчивости приемника.

4.2Как определить помехоустойчивость количественно?

4.3Что общего и в чём отличие алгоритмов работы приемника при решении задач обнаружения и различения сигналов?

4.4Дайте определение правил решения при однократном отсчёте и накоплении отсчётов.

4.5Почему и при каких условиях дискретное накопление отсчётов позволяет увеличить отношение сигнал/шум?

4.6Что такое отношение сигнал/шум и как оно определяется математически в данном решающем устройстве?

4.7Дайте определение функции и отношения правдоподобия. Как они используются в правиле решения?

4.8Как влияет на правило решения изменение априорных вероятностей появления сигналов S0 и S1 ?

4.9Дайте определение вероятностей пропуска сигнала, ложной тревоги и средней вероятности ошибки.

4.10Дайте определение оптимального порогового уровня и оптимального правила решения.

4.11Нарисуйте в вероятностном пространстве функции правдоподобия и покажите вероятности пропуска сигнала и ложной тревоги при обнаружении сигнала. Как определить отношение правдоподобия на этом рисунке?

4.12Нарисуйте в вероятностном пространстве функции правдоподобия и покажите вероятности пропуска сигнала и ложной тревоги при различении сигналов. Как определить отношение правдоподобия на этом рисунке?

5 Лабораторное задание

5.1Ознакомиться с особенностями исследования помехоустойчивости метода однократного отсчета и метода накопления

5.2Исследовать зависимость вероятностей пропуска сигнала pпс, ложной тревоги pлт и средней вероятности ошибки pср от уровня порога при однократном приеме (отсчёте), когда сигналы S0 = 0.

5.3Исследовать зависимость вероятностей пропуска сигнала pпс, ложной тревоги pлт и средней вероятности ошибки pср от уровня порога при многократном приеме (накоплении отсчётов сигнала), когда сигналы S0 = 0.

20