1.3. Особенности конструкций радиотехнических систем (ртс). Перспективные конструкции ртс [1]

Развитие радиоэлектроники – это сложный процесс, в котором взаимно связаны принципы действия радиотехнических систем, схемы и конструкции аппаратуры, технология изготовления РТС. Поэтому конструкция РЭС не может рассматриваться изолированно от других факторов, определяющих состояние и развитие радиоэлектроники. В то же время, конструирование является самостоятельной областью радиоэлектроники, имеет свои проблемы, закономерности, трудности и перспективы. Достижения в этой области определяют совершенствование радиотехнических систем и аппаратуры, их технические и эксплуатационные характеристики.

Конструкции аппаратуры радиотехнических систем в значительной степени определяются объектом установки. Такими объектами могут быть космические аппараты, самолеты, корабли, наземные сооружения и т. д. Наиболее высокие требования предъявляют к конструктивному выполнению аппаратуры, устанавливаемой на борту летательных аппаратов и морских судов.

В настоящее время имеет место тенденция возрастания плотности расположения на объектах радиосредств различного назначения: радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоуправления и т. п., что помимо слож-ности обеспечения необходимых массогабаритных характеристик затрудняет выполнение требований электромагнитной совместимости радиосредств, одновременно работающих в непосредственной близости и в широком диапазоне частот. Поэтому разработка современной аппаратуры при необходимости удовлетворения целому ряду взаимно противоречивых требований, как электрических, так и конструкторско-технологических, является весьма сложной задачей.

При проектировании, прежде всего, изучают потребность в данной радиотехнической системе и намечают пути ее создания. Далее определяют основные параметры радиотехнической системы в целом, а также радиоэлектронной аппаратуры, входящей в ее состав. Наконец, выбирают принципы построения конструкции и решают ряд других задач.

При решении задач по проектированию РТС в целом функции разработчика схемы и конструктора тесно переплетаются. Участие конст-руктора в разработке многообразно [1], поэтому здесь рассмотрим только воп-росы взаимосвязи разработки и конструирования в трех основных направ-лениях, обусловленных некоторыми особенностями функционирования радио-технических систем, т. е. связь конструирования с пространственным функцио-нированием и комплексированием радиотехнических систем, с дискретизацией параметров аппаратуры, с методами обнаружения сигналов в радио-технических системах.

Пространственный характер размещения современных радиотех-нических систем. В связи с расширением областей применения радио-технических средств возникает необходимость передачи, выделения и обра-ботки все большего объема полезной информации, источники которой рассре-доточены в производстве.

С увеличением скоростей движения летательных аппаратов, наземных и других объектов возрастают требования к быстродействию и точности работы радиотехнических систем. Прием полезной информации обычно происходит в условиях воздействия внешних и внутренних помех и различных дестаби-лизирующих факторов: температуры, давления, влажности, вибраций и ударов, агрессивных химических средств, проникающих излучений, биологических факторов и т. д. С расширением районов использования радиотехнических систем влияние дестабилизирующих факторов резко возрастает.

Задача значительно осложняется тем, что многие современные радиотехнические системы имеют большие пространственные масштабы, приобретая континентальный, глобальный и даже космический характер [1].

Примерами пространственного размещения радиотехнических систем служат системы управления движением летательных и космических аппаратов, системы передачи телевизионных изображений из космоса и т. д. Как правило, пространственно размещенные системы являются многофункциональными и комбинированными. Они могут одновременно осуществлять преобразование, передачу, извлечение или запоминание информации, используя свойства различных физических полей.

Рассмотрим процесс передачи на Землю телевизионных изображений поверхности других планет. В данном случае видимая картина поверхности планеты с помощью телевизионной системы преобразуется в электрические видеосигналы. Происходит прием информации о ландшафте поверхности с помощью световых волн. Передача информации через космическое прост-ранство производится в другом диапазоне электромагнитных волн. Наконец, на Земле происходит преобразование электрических сигналов в видимое телеви-зионное изображение.

В настоящее время имеются и разрабатываются глобальные системы радиосвязи с использованием радиоэлектронной аппаратуры, размещенной на искусственных спутниках Земли, а также глобальная система радионавигации летательных аппаратов и судов.

Требование высокой точности, как правило, имеет смысл, если одновременно обеспечена высокая помехоустойчивость радиотехнической системы. В связи с пространственным характером размещения современных радиотехнических систем решение проблемы помехоустойчивости резко усложнилось.

Увеличение пространственных масштабов современных радиотех-нических систем оказало большое влияние в первую очередь на развитие и совершенствование бортовой аппаратуры аэрокосмического назначения. В этой аппаратуре используются последние достижения в области конструирования радиотехнических систем, миниатюризации, новых методов оперативного и технического обслуживания и контроля параметров и т. п.

Условно бортовая аппаратура может быть разделена на самолетную, вертолетную, ракетную и космическую. Эти группы разделяются по надежности, размерам и массе, потребляемой мощности, организации обработки и передачи данных, методам испытаний. Поэтому к ним предъявляются различные требования. Например, невозможность или большая трудность ремонта и замены отказавших элементов аппаратуры ракет требует их высокой надежности. При этом основное внимание обращается на надежность радиоэлементов.

Пространственный характер РТС оказал большое влияние также на унификацию узлов и деталей, используемых в современной бортовой аппаратуре. Это позволяет осуществить ее комплексную микроминиа-тюризацию при использовании в качестве элементной базы гибридных и полупроводниковых микросхем с высоким уровнем интеграции. В последнее время различие между самолетной и ракетной радиоаппаратурой становится менее заметным.

Комплексирование аппаратуры радиотехнических систем. Одной из особенностей использования пространственно размещенных радиотехнических систем, предназначенных для определения координат и параметров движения объектов, является комплексирование информации, получаемой от различных как радиотехнических, так и нерадиотехнических измерителей.

Измерители координат целей (азимута, угла, места и дальности) или параметров движения (скорости и ускорения) могут отличаться по физическим принципам действия (здесь находят применение акустическое, электро-магнитное и другие виды излучений). В измерителях используются различные системы координат, в которых определяется тот или иной параметр движения. Они могут отличаться по точности, помехозащищенности, быстродействию, статистическим характеристикам ошибок и т. д.

Для получения наивысшей точности измерения измерители должны быть объединены в единый радиотехнический комплекс. Комплексной называют систему, в процессе работы которой используются сигналы не менее чем двух измерителей. При этом в качестве основного элемента используется измеритель, обеспечивающий наибольшую точность. Остальные измерители применяются либо для устранения неоднозначности измерений, либо как резервные, повышающие достоверность получаемой информации. Так, информация о высоте полета самолета может быть получена или от радиолокационного высотомера, или от барометрического высотомера. В последнем используется зависимость изменения барометрического давления от высоты. Информация о скорости полета может быть получена с помощью доплеровского навигационного радиолокатора и датчика воздушной скорости, регистрирующего давление встречного потока воздуха.

Комплексирование РТС может быть осуществлено, когда все измерители являются радиотехническими. Например, в одной системе могут работать радиолокатор и радиомаяк.

Наиболее широко комплексирование применяют в системах радио-навигации, где необходимы совместная обработка и фильтрация всей навигационной информации, для чего используются ЭВМ.

Комплексирование радионавигационных систем дает следующие основные преимущества: возможность использования информации от различных навигационных датчиков; независимость момента коррекции ошибки системы с помощью одного из датчиков от показаний остальных датчиков; работа в режимах резервирования (в случае отказа одного или нескольких датчиков система остается работоспособной); возможность выдачи более точной навигационной информации, чем при использовании системы с одним датчиком.

Использование принципов комплексирования накладывает определенные требования на конструкцию радиотехнических систем. В частности, должны быть решены задачи обеспечения совместимости информации, получаемой от различных датчиков, устранения паразитных влияний между ними; разработан алгоритм резервирования датчиков, вышедших из строя; исследован допусти-мый разброс конструктивных параметров при воздействии климатических механических дестабилизирующих факторов.

Важно отметить, что развитие принципов комплексирования радиотех-нических систем тесно связано с прогрессом в конструировании радио-электронной аппаратуры. Использование новейших принципов миниатю-ризации, применение высоконадежных узлов и блоков позволяют широко распространять принцип комплексирования в радиотехнических системах.

Проблема сложности и особенности конструирования радиотех-нических систем. Проблема сложности. Работа современных радио-технических систем происходит, как правило, в условиях воздействия естественных помех. Воздействие помех на полезный сигнал происходит на фоне одновременного и независимого изменения параметров окружающей среды, т. е. климатических (температуры, влажности, давления и т. д.) и механических факторов (вибрационных и ударных нагрузок). Это приводит к изменению параметров аппаратуры и снижению точности и помехозащищенности радиотехнических систем в целом.

Чисто схемные решения повышения точности и помехозащищенности состоят в комплексировании различных радиосредств и использовании устройств оптимальной обработки радиосигналов. Выполнение требований точности и помехозащищенности, как правило, приводит к усложнению схем, увеличению числа каскадов, повышению мощности передающих устройств, использованию малошумящих усилителей, росту габаритов антенных уст-ройств, усложнению схем контроля и т. д.

Следует отметить, что эффективность использования схемных решений для повышения точности и помехозащищенности аппаратуры в реальных условиях эксплуатации всецело определяется возможностями практической их реализации в конструкциях радиотехнических систем.

Таким образом, существует объективная тенденция непрерывного усложнения аппаратуры, что в первую очередь ведет к ухудшению массо-габаритных характеристик, снижению надежности и увеличению стоимости.

Проблема сложности и надежности. Основным требованием, предъ-являемым к современным радиотехническим системам, является обеспечение надежности работы радиоэлектронной аппаратуры при заданных массе и габаритах. Надежность аппаратуры определяется качеством отдельных узлов и деталей, интенсивностью электрической нагрузки радиоэлементов и влиянием внешних климатических и механических воздействий [1]. Она также зависит от условий производства, эксплуатации и ремонта.

По степени эксплуатационной надежности современную радиоэлект-ронную аппаратуру подразделяют на три основных класса:

1. Аппаратура с чрезвычайно высокой степенью надежности. Ее техническое обслуживание или замена в ней блоков либо совсем невозможны, либо крайне затруднительны. Высокая степень надежности в этом классе аппаратуры определяется также требованиями высокой степени ее готовности к использованию. Аппаратура с чрезвычайно высокой надежностью применяя-ется в космической технике.

2. Аппаратура с высокой степенью надежности. Ее техническое обслужи-вание или замена в ней блоков хотя и возможны, но сложны и требуют больших затрат. Аппаратура применяется в самолетной и судовой технике.

3. Аппаратура, в которой техническое обслуживание и замена блоков не представляют затруднений. Аппаратура применяется в наземных комплексах и бытовой технике.

Таким образом, требуемая степень эксплуатационной надежности возрас-тает с увеличением пространственных размеров радиосистем и является важ-нейшим фактором, который должен учитываться конструктором при проекти-ровании аппаратуры.

Первым и основным этапом обеспечения требуемой надежности радиоаппаратуры является проектирование. Поэтому в первую очередь надежность зависит от конструктора, осуществляющего выбор типов радиоэлементов и режимов их работы, материалов, компоновки аппаратуры, учета психофизических возможностей оператора, удобства оперативного и технического обслуживания. В целом, конструктивное решение аппаратуры должно предусматривать обеспечение требуемых выходных параметров при воздействии различных дестабилизирующих климатических и механических факторов.

Высокая надежность достигается использованием современной элемент-ной базы, обеспечением высокой эффективности и качества сборки и монтажа, применением методов неразрушающего контроля и т. п. В большинстве слу-чаев повышение уровня надежности приводит к увеличению затрат на изготовление аппаратуры. Значительный выигрыш в повышении надежности дает применение резервирования, принципов дискретизации параметров аппаратуры, использование микроЭВМ и микропроцессоров.

Таким образом, существуют противоречия между требованиями высокой точности и помехозащищенности, с одной стороны, и необходимостью уменьшения массогабаритных показателей аппаратуры с одновременным повышением ее надежности – с другой. Особенно заметны эти противоречия в радиотехнических системах, устанавливаемых на движущихся объектах с ограниченной грузоподъемностью и вместимостью.

Существуют три основных метода разрешения указанных противоречий:

а) упрощение электрических схем, которое приводит к уменьшению функциональных возможностей систем;

б) уменьшение массы и объема бортовой аппаратуры, размещенной на движущихся объектах, с переносом центра тяжести на наземную аппаратуру, где не существует жестких ограничений в массе и габаритах;

в) совершенствование конструкций аппаратуры радиотехнических систем в сочетании с новыми методами их конструирования.

Упрощение электрических схем. На структуру радиотехнических систем сильное влияние оказывают схемное построение радиоэлектронной аппаратуры и организация его технического обслуживания. Достаточно отметить, что расходы на эксплуатацию аппаратуры могут во много раз превышать расходы на изготовление. Поэтому самое серьезное внимание нужно уделять поискам оптимальных вариантов построения радиосистем.

Задача может быть решена радиоинженером-схемотехником путем создания точных математических моделей проектируемых систем и исполь-зования современных критериев оптимальности. Все это позволяет оценить объем необходимых запасных частей для разрабатываемой аппаратуры и уровень эксплуатационных расходов при изменении тактики работы аппаратуры, условий окружающей среды, помеховой ситуации и т. д.

Упрощение электрической схемы является наиболее естественным и очевидным направлением решения проблемы. Однако возможности его использования ограничены. На практике электрические схемы постоянно усложняются, что связано с ужесточением требований, предъявляемых к современным радиотехническим системам.

Уменьшение массы и объема бортовой аппаратуры. Габариты и масса бортовой аппаратуры, как правило, должны быть на несколько порядков меньше наземной. Для уменьшения массы и габаритов бортовой аппаратуры используют различные методы. При этом стараются максимально уменьшить мощность передающих устройств, размеры антенн, предельно упростить антенно-фидерные тракты, использовать по возможности простейшие методы обработки и кодирования сигналов.

Для уменьшения объема бортовой аппаратуры используют, например, метод полуактивной радиолокации при наведении ракеты класса «земля-воздух» на цель. При этом на ракете имеется только приемная аппаратура, обладающая минимальной массой и габаритами и потребляющая минимальную мощность. Отраженный от цели сигнал, принимаемый аппаратурой наведения ракеты, формируется путем облучения цели мощной наземной радио-локационной станцией или станцией, расположенной на самолете-носителе большой грузоподъемности. Поэтому основная часть аппаратуры системы, содержащая мощное передающее устройство и антенны больших габаритов, не входит в состав бортовой аппаратуры, расположенной на ракете. Малые габариты бортовой аппаратуры в данном случае позволяют удовлетворять требованиям высокой надежности работы в тяжелых условиях перегрузок, вибраций и тепловых воздействий.

Другим примером упрощения бортовой радиоэлектронной аппаратуры могут служить бортовые системы ретрансляции телевизионных и фотогра-фических изображений через искусственные спутники Земли. На борту в этом случае устанавливают маломощные малогабаритные ретрансляторы. Основная весьма громоздкая и сложная аппаратура, включающая мощное передающее устройство, антенные устройства со следящими приводами и высоко-чувствительное приемное устройство с устройствами приемки информации, размещается в стационарных наземных условиях.

Однако тенденция упрощения бортовых устройств с целью преодоления противоречия между требованиями уменьшения массы и габаритов и сохранения высоких тактико-технических параметров аппаратуры зачастую не дает желаемого результата. Возникает необходимость усложнения радиотехнических систем, в том числе и бортовой аппаратуры. Увеличение объема наземной аппаратур, в принципе, также ограничено требованиями обеспечения заданной надежности, массы и габаритов. Кроме того, в ряде случаев сами радиотехнические системы должны быть установлены целиком на борту летательного аппарата. Примерами такой радиоэлектронной аппаратуры могут служить панорамные станции обзора земной поверхности, доплеровские измерители скорости, различные самолетные радиолокаторы (радиовысотомеры, радиоприцелы и т. п.).

Новые принципы конструирования. Совершенствование методов конст-руирования радиотехнических систем должно быть направлено на уменьшение массы и габаритов аппаратуры; повышение ее надежности при сохранении высокой стабильности конструктивных параметров в условиях весьма жестких внешних воздействий; обеспечение высокой ремонтопригодности; удобства работы с аппаратурой и технического обслуживания.

Только микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры без использования новых принципов конструирования не позволяет успешно решить поставленную задачу. При микроминиатюризации возникают трудности, связанные с производством аппаратуры, снижается надежность, растет стоимость, ухудшаются точность и стабильность параметров, затрудняются отвод тепла и устранение паразитных электрических, магнитных и гальванических связей. Решение проблемы состоит в разработке новых принципов конструирования с широким использованием тонкопленочной и полупроводниковой технологии, многослойных печатных плат, современных материалов; во внедрении модульного метода проектирования, новых высокопроизводительных методов производства, стандартизации и унифи-кации.

Особое место в составе ЭРЭ, перспективных для осуществления комплексной миниатюризации, занимают интегральные схемы высоких степе-ней интеграции в составе так называемых комплектов интегральных схем – цифровых микропроцессорных и аналоговых функциональных комплектов. Комплектом интегральных схем будем называть группу из нескольких взаимосвязанных интегральных схем высокой степени интеграции, согл-сованных друг с другом по питанию, параметрам входа и выхода, функции-онированию и обеспечивающих при совместном включении в различных сочетаниях широкий набор сложных функциональных характеристик.

Дальнейшая микроминиатюризация интегральной микроэлектроники имеет теоретический предел, обусловленный электрическими ограничениями, пропускной способностью, надежностью, конструкторской сложностью.

Проблема преодолений этих ограничений решается также широким использованием функциональной микроэлектроники. В функциональной микроэлектронике носителем информации служит многомерный сигнал, параметрами которого управляют динамические неоднородности среды, возникающие в нужный момент под воздействием управляющего сигнала. Особенностью элементов функциональной микроэлектроники является использование сред с распределенными параметрами. В них часто нельзя выделить области, выполняющие определенные специализированные функции, способные обрабатывать многомерную функцию. Использование этих сред значительно повышает производительность систем обработки информации, расширяет функциональные возможности приборов, что эквивалентно резкому возрастанию степени интеграции по сравнению с классическими интеграль-ными схемами [1].

Микропроцессорный комплект выполняет функции основной части специализированной микроЭВМ. Аналоговые функциональные комплекты осуществляют преобразования в реальном времени и строятся на исполь-зовании акустооптических, оптоэлектронных и других устройств функции-ональной электроники в сочетании с традиционными устройствами для усиления, выделения, разделения, преобразования электромагнитных сигналов. Входящие в такой комплект интегральные схемы и функциональные устройства обеспечивают полную аналоговую обработку сигналов в соответствии с выбранным вариантом сочетания в пределах комплекта.

Развитие аналоговых функциональных комплектов как элементной базы для комплексной миниатюризации РТС происходит в сбалансированном сочетании с цифровыми микропроцессорными комплектами [1].

Высокий уровень стандартизации обусловлен применением в комплекте ограниченного набора интегральных схем. Они обеспечивают получение множества характеристик без доработки или введения согласующих дополнительных устройств. Неизбежная в этом случае функциональная избыточность не снижает показателей, так как она достигнута за счет высокой степени интеграции, заложенной в элементную базу.

Достижения в области конструирования привели к снижению объема аппаратуры и числа ее элементов; снижению интенсивности отказов, потребляемой мощности, стоимости. За каждое десятилетие объем, занимаемый аппаратурой, уменьшается примерно на порядок [1]. Но хотя радиоэлементы и уменьшаются в размерах, общий объем, занимаемый радиоаппаратурой, остается примерно постоянным. Это объясняется повышением сложности, причем сложность цифровой аппаратуры растет быстрее, чем аналоговой.

Известен ряд новых принципов построения РТС, обладающих высокой точностью и помехоустойчивостью, большой оперативной гибкостью, способностью к переработке большого объема полезной информации. Однако их внедрение зависит от возможности конструирования аппаратуры со стабильными конструктивными параметрами в условиях дестабилизирующих воздействий.

Одним из примеров аппаратуры, изготовление которой сопровождается большими конструктивными трудностями, являются РТС с фазированными антенными решетками.

Такие системы обеспечивают безынерционное сканирование диаграммы направленности в пространстве. Принцип формирования диаграммы направ-ленности в этом случае состоит в использовании большого количества миниа-тюрных приемопередатчиков, каждый из которых соединен с излучателем антенной системы. Амплитуда и фаза сигнала каждого приемопередатчика могут изменяться по любому закону с помощью управляемых аттенюаторов и фазовращателей.

Радиолокационная станция, построенная по этому принципу управления диаграммой, обладает высокой «живучестью». Даже при выходе из строя до 30 % приемопередатчиков, расположенных в антенной решетке по случайному закону, система продолжает функционировать. Преимуществом системы является возможность получения большой мощности излучения. Существенно, что сложение мощностей происходит в пространстве, которое устраняет пробои в трактах, рентгеновское излучение в передатчиках и т. д. При необходимости может быть сформирована диаграмма направленности практически любой формы. Кроме того, отпадает необходимость в громоздком механическом приводе управления антенной, потребляющем значительную мощность от источников питания.

Широкому внедрению таких систем, несмотря на их очевидные преимущества, препятствуют высокая стоимость и большая конструктивная сложность аппаратуры. Особенно это проявляется при двумерном сканировании в плоскостях азимута и угла места одновременно.

Производится разработка полупроводниковых малогабаритных приемо-передающих модулей с использованием полупроводниковых генераторов энергии и дискретно-коммутационных фазовращателей. Стоимость модулей может быть значительно снижена при массовом производстве. Из таких стандартных высоконадежных элементов могут собираться управляемые антенные решетки любой степени сложности.

Использование новых достижений схемотехники, обеспечивающих высокие тактико-технические параметры радиотехнических систем, дает мощный толчок развитию новых методов конструирования и технологии производства.

В свою очередь появление новых методов конструирования и технологии изготовления радиоаппаратуры оказывает влияние на схемные решения, принимаемые разработчиками. Таким образом, осуществляется тесная связь между конструированием и схемотехникой.

Дискретизация радиотехнических систем. В процессе передачи, приема и преобразования радиосигналов их информационные параметры подвергаются ряду случайных изменений, затрудняющих прием и выделение полезной информации. Причинами указанных изменений являются флук-туационные шумы, пассивные и активные помехи, нестабильность амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик приемной и пере-дающей радиоаппаратуры, нестабильность условий распространения радио-волн.

Нестабильность амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик радиоэлектронной аппаратуры обусловлена, прежде всего, начальным разбросом параметров узлов и деталей, вызванным производственными погрешностями, влиянием условий внешней среды (температуры, влажности, давления, наличия химических примесей, воздействий вибраций и ударов), а также изменением физико-химических свойств материалов во времени (старением). В результате снижается точность и уменьшается помехо-защищенность радиотехнических систем.

С целью обеспечения высокой стабильности параметров узлов и деталей в аналоговых системах принимают ряд специальных мер, например применение для изготовления узлов и деталей материалов со стабильными свойствами, с малыми коэффициентами линейного расширения и малыми диэлектрическими потерями; использование термокомпенсации и термо-статирования для уменьшения влияния температуры. Для снижения влияния влажности используют негигроскопичные материалы, влагопоглотители, различные защитные покрытия (гальванические, лакокрасочные, химические); герметизацию и технологические методы влагозащиты (заливку, обволакивание). Создаются специальные вибро- и ударопрочные конструкции, аппаратура снабжается амортизаторами, что позволяет свести к минимуму воздействия вибраций и ударов на ее электрические параметры. Наряду с конструкторско-технологическими мерами используют схемные методы обеспечения стабильности: различные схемы автоподстройки частоты, автоматической регулировки усиления, стабилизации питающих напряжений. Это в первую очередь касается узлов и блоков, выполняющих функции модуляции, демодуляции и выделения сигналов на фоне мешающих сигналов и помех.

Несмотря на применяемые меры, стабильность параметров аналоговых систем, работающих в непрерывном режиме, имеет определенный предел аппаратурной точности, обусловленный современным уровнем развития техники, составляющей 10^-2...10^-4. Дальнейшее повышение точности работы аналоговых систем связано со значительными трудностями.

Дискретные радиотехнические системы могут обеспечивать точность передачи информации, практически недостижимую для аналоговых систем.

Общая оценка дискретных систем. Как отмечалось, переход на дискретную технику позволяет в известной степени преодолеть противоречие между требованиями уменьшения массы и габаритов аппаратуры, с одной стороны, и обеспечения ее высокой надежности и точности – с другой.

Ограниченность номенклатуры цифровых схем дает возможность сосредоточить их производство на специализированных предприятиях, унифи-цировать параметры, в значительной степени повысить технологичность их производства путем применения современных высокопроизводительных методов изготовления, обеспечить их взаимозаменяемость в аппаратуре без специальной подгонки и регулировки параметров.

Цифровой принцип построения радиоэлектронной аппаратуры позволяет обойти еще одну трудность, связанную с использованием микроэлектронных схем, для которых весьма сложно изготовить индуктивные и емкостные элементы. Применение узлов и блоков, построенных на цифровом принципе и содержащих активные полупроводниковые элементы и резисторы, дает возможность избежать применения индуктивных и емкостных элементов.

Использование цифрового принципа особенно целесообразно при конструировании узлов обработки информации, состоящих из большого числа повторяющихся логических элементов. Он позволяет получить высокую точность, возможность накопления и хранения огромного объема информации; создать весьма сложные устройства преобразования с помощью достаточно простых, малогабаритных, надежных и высокотехнологичных элементов и узлов. Обеспечивается также возможность сопряжения радиотехнических блоков с универсальными и специализированными цифровыми ЭВМ.

Однако следует иметь в виду, что дискретным устройствам присущ ряд ограничений и недостатков. Во-первых, некоторые радиотехнические системы, например системы извлечения информации, не могут быть выполнены целиком на принципе дискретизации. Радиолокационные и радионавигационные системы получают полезную информацию, как правило, в аналоговом виде. Изменение информационных параметров сигнала происходит в них в процессе распространения и переотражения зондирующих сигналов в соответствии с характером движения цели, ее координатами, скоростью, размерами и т. п. Учитывая, что полезный сигнал искажен различными помехами, условием правильной работы такой системы является необходимость предварительной селекции и демодуляции применяемого сигнала. Однако после демодуляции и селекции сигнал целесообразно перевести в цифровую форму, чтобы использовать преимущества построения схем на дискретном принципе.

Высокие требования точности и стабильности параметров предъявляются также в устройствах преобразования аналоговой информации в дискретную и наоборот. Хотя ошибка дискретности может быть исчезающе малой, аппаратурные ошибки могут внести существенные искажения в полезную информацию.

Наиболее важным является увеличение числа каскадов дискретной аппаратуры по сравнению с аналоговой, что обусловливает особые требования к конструкции. С другой стороны, с переходом на дискретную технику появляется возможность при конструировании РТС широко использоватьиячем разница в УГО Элементовиведите их шифры.применяются? из этапов?00000000000000000000000000000000000000 микросхемы, полупроводниковые и тонкопленочные радиоэлементы и т. п. Несмотря на увеличение числа каскадов, это позволяет значительно уменьшить массу и габариты аппаратуры с одновременным повышением ее надежности. Невысокая точность и стабильность параметров микросхем не приводят в данном случае к ухудшению качества обработки информации.

В качестве примера рассмотрим конструктивные параметры блока слежения за временным положением импульса. Если блок слежения выполняют в электромеханическом варианте, содержащем следящий привод с двигателем и электромеханическим фазовращателем, то схема устройства получается сравнительно простой. Точность ее работы, определяемая в основном погрешностью фазовращателя, может быть достаточно высокой. Однако устройство в этом случае приобретает большую массу и габариты при значительном потреблении мощности.

При выполнении блока слежения в электронном аналоговом варианте основной частью схемы является электронное устройство. Напряжение на его выходе представляет собой функцию временной задержки. Точность работы электронной схемы в рассматриваемом случае зависит от точности и стабильности параметров, входящих в нее элементов. Она определяется начальным, т. е. производственным, разбросом; воздействием дестабилизи-рующих факторов (температуры, влажности, давления, вибраций и ударов и т. п.), а также нестабильностью напряжений источников питания. Схема получается достаточно простой, но точность ее работы невелика.

Увеличение числа каскадов схем, работающих на принципе дискре-тизации, не позволяет использовать стабильные крупногабаритные элементы большой массы, потребляющие большое количество электроэнергии и имеющие большое количество промежуточных соединений и низкую надежность. Высокая точность параметров таких схем не требуется.

В свою очередь, конструкции, выполненные на микросхемах, облада-ющих малыми габаритами и массой и высокой надежностью, имеют низкую точность и стабильность параметров входящих в них радиоэлементов. Поэтому их применение в аналоговой аппаратуре, особенно в каскадах выделения информации, модуляции и демодуляции сигналов, практически невозможно. В устройствах, работающих с дискретными сигналами, не требующих высокой стабильности и точности электрических параметров радиодеталей и узлов, применение микросхем является технически оправданным и целесообразным.

Представление сигналов в двоичном коде. Уменьшение точности аппаратуры, работающей с дискретными сигналами, происходит только при достаточно больших искажениях передаваемых или применяемых сигналов. В качестве примера рассмотрим систему, в которой сигналы представляются в двоичном коде. Условимся, что цифра 1 соответствует положительной, а 0 – отрицательной полярности сигнала.

При наличии различных дестабилизирующих факторов, начального производственного разброса параметров и их изменения при старении цифровая схема может выдать на выходе напряжение отрицательной полярности, когда передается цифра 1, и положительной при передаче цифры 0. Это приведет к искажению передаваемой информации. С учетом возможности нестабильности параметров радиоэлементов для любой реальной схемы можно найти функции распределения напряжения сигнала на выходе схемы, соответствующие 1 и 0: p (и_с /1) и р (и_с /0). Для простоты положим, что законы распределения сигналов на выходе цифровой схемы, соответствующих 1 и 0, нормальные (рис. 31).

Рис. 31. Законы распределения сигналов, соответствующих 1 и 0

Полагая отношение среднеквадратичного отклонения к математическому ожиданию в обоих случаях одинаковым (m_c /σ_c = 3), получим величину вероятности ошибки 6∙10^-4 [1]. Величина ошибки оказывается малой даже при достаточно больших искажениях сигнала. Она во много раз меньше, чем в аналоговых схемах.

Вследствие невысоких требований к стабильности и точности параметров цифровых схем в них в качестве элементной базы могут быть использованы малогабаритные и высоконадежные узлы. Такими узлами являются пленочные и полупроводниковые микросхемы и т. п.

Другим преимуществом использования принципов дискретизации является ограниченность номенклатуры цифровых схем. К последним относятся запоминающие, логические, уси­лительные и формирующие элемен-ты.

При переходе к дискретному принципу в основе схемы лежит двоичное пересчетное устройство. Точность его зависит от числа разрядов и может быть очень высокой. В этом случае, несмотря на увеличение числа каскадов, габариты и масса устройства оказываются много меньше, чем в аналоговом, электронном и электромеханическом вариантах.

Определим необходимую стабильность радиоэлементов схем для обеспечения заданной точности на примере про­стейшего сумматора напряжений на резисторах. Как показывает анализ [1], если необходима, например, точность суммирования напряжений с относительной средне-квадратичной ошибкой 0,1 %, то требуемая стабильность величины сопро-тивлений сумматора должна быть порядка 0,05 %. Однако подобная стабиль-ность не может быть достигнута при использовании микроэлементов и микросхем. Поэтому построение сумматора напряжений, работающего с высокой точностью на аналоговом принципе по рассмотренной схеме с применением микросхем, практически невозможно.

Подобная цель может быть сравнительно просто достигнута при построении сумматора на дискретном принципе, если суммируемые напря-жения имеют вид комбинации двоичного кода. При этом точность опреде-ляется числом разрядов двоичного кода.

Схема сумматора в рассматриваемом случае должна иметь значительно большее число радиоэлементов. Например, для получения относительной среднеквадратичной ошибки порядка 10^-3 необходим сумматор на 10 разрядов, содержащий около 400 элементов. Из этого примера видно, при переходе от аналогового принципа к дискретному необходимое количество элементов увеличивается в 10...20 раз. Однако резко снижаются требования к точности и стабильности параметров элементов схемы.

Перспективы применения дискретной аппаратуры в радиотехни-ческих системах. Наиболее ярким примером использования положительных сторон принципа дискретизации является разработка электронно-цифровых машин, что позволяет уменьшить их габариты, массу, потребление энергии и одновременно увеличить надежность работы.

Весьма перспективным является использование принципов дискре-тизации в бортовой радиоэлектронной аппаратуре, особенно в устройствах обработки информации. В качестве элементной базы аппаратуры используются гибридные полупроводниковые микросхемы со средним и высоким уровнями интеграции. Конструирование выполняется по модульному методу с использованием на борту малогабаритных вычислительных машин, устройств аналого-цифрового преобразования сигналов, оптимальной фильтрации, цифровых схем обработки фазы. В качестве индикаторных устройств находят применение высоконадежные малогабаритные индикаторы на светодиодах и жидких кристаллах.

Промежуточное положение занимают конструкции, выполненные с использованием полупроводниковых приборов, малогабаритных элементов, унифицированных узлов и микромодулей. Использование их в аналоговых устройствах высокой точности связано с большими сложностями в получении требуемой стабильности выходных параметров. При построении схем на дискретном принципе в перспективных разработках миниатюрные радио-элементы значительно уступают пленочным и твердым микросхемам по габа-ритам, массе и надежности. Поэтому их применение в подобных устройствах нецелесообразно.

Совершенствование конструирования дискретной аппаратуры в значи-тельной степени зависит от развития элементной базы. Для цифровых интегральных схем, наряду с повышением точности параметров, следует обеспечить повышение граничной частоты и величины отдаваемой мощности. Для развития радиотехнических систем с электронным сканированием и использованием фазированных антенных решеток, состоящих из дискретных излучающих или приемных элементов, необходимо разработать малога-баритные излучающие сверхвысокочастотные устройства.

В настоящее время наблюдается тенденция дальнейшего увеличения производства интегральных схем повышенной степени интеграции в составе цифровых микропроцессорных комплектов, что существенно улучшает рабо-чие характеристики радиотехнических систем.

Следует отметить, что при использовании принципов дискретизации все большее применение находят дискретные элементы функциональной электро-ники, основанные на использовании достижений оптоэлектроники, акусто-электроники, магнитоэлектроники, квантовой микроэлектроники и т. п.

Появление и развитие оптоэлектроники были обусловлены тем, что возможности обычных электронных приборов и РЭС, основанных на исполь-зовании электронных потоков и колебательных цепей, в ряде случаев не отвечали современным требованиям. Их быстродействие и надежность оказы-вались недостаточными, а габариты и потребляемая энергия были излишне велики.

Применение оптических звеньев позволило повысить быстродействие и надежность аппаратуры. Оно открыло новые возможности ее микро-миниатюризации. Внедрение оптоэлектроники приводит к повышению эффек-тивности работы различных РТС.

Наряду с принципами радио- и оптоэлектроники, для построения дискретных элементов современной аппаратуры используют принципы магнитоэлектроники.

Под магнитоэлектроникой понимают область электроники, в которой в качестве носителей информации применяются тонкопленочные магнитные материалы, имеющие доменную структуру. С помощью элементов магнито-электроники могут быть реализованы устройства логики, коммутации и памяти.

При использовании прозрачных для световых волн магнитных материалов можно получать различные элементы магнитооптики. В магнитооптических элементах используется эффект вращения плоскости поляризации проходящего света. Доменная структура прозрачных магнитных материалов (например, редкоземельных ортоферритов) легко изменяется при воздействии относительно слабых магнитных полей. Это позволяет создавать магнитные модуляторы света, голографические и запоминающие устройства.

На основе принципов тонкопленочной технологии и квантовой микро-электроники изготовляют также дискретные элементы, информация в которых сохраняется в виде незатухающих токов сверхпроводимости при температурах, близких к абсолютному нулю. При изменении внешнего магнитного поля такие устройства (криотроны) могут переходить из сверхпроводящего в обычное состояние, что позволяет наряду с памятью осуществлять любые логические операции. Основным преимуществом криотронов является очень высокая надежность.

При конструировании аппаратуры радиотехнических систем используют также элементы акустоэлектроники. Акустоэлектроника связана с явлениями, происходящими в пьезоэлектрических полупроводниковых кристаллах при распространении в них звуковой волны высокой частоты. Характерной чертой распространения упругих волн является их малая скорость, что позволяет использовать их для микроминиатюризации СВЧ (сверхвысокочастотных) устройств: миниатюрных линий задержки, усилителей, генераторов, радио-частотных фильтров и др.

Связь теории оптимального обнаружения сигналов с требованиями стабильности и точности выполнения конструкций. Влияние разброса параметров схем и дестабилизирующих факторов на помехоустойчивость радиотехнических систем. При практической реализации методов оптималь-ного обнаружения принимаемых сигналов при воздействии различного рода помех полученные результаты могут значительно отличаться от теорети-ческих. Основные причины этих отличий заключаются в следующем:

- неидеальное выполнение необходимых преобразований сигнала (перемножение, дифференцирование, интегрирование, суммирование и т. п.);

- наличие паразитных параметров реальных схем (электрических, магнитных и гальванических связей, не предусмотренных схемой и конструкцией аппаратуры, но имеющих место в реальных условиях);

- разброс параметров узлов деталей, обусловленный неточностью изготовления (производственный разброс), влиянием дестабилизирующих факторов (температуры, влажности, давления, вибраций, ударов и т. п.), изменением физико-химических свойств материалов с течением времени (старением).

Для анализа влияния на качество работы РТС отклонений параметров схем используют вероятностно-статические методы. Это влияние на качество получаемой информации удобно характеризовать двумя показателями: потеря-ми достоверности ξ_ош и потерями энергии ξ_Е [1].

Потери достоверности ξ_ош характеризуются отношением вероятности ошибок в реальной схеме Р_{ош р} к вероятности ошибок в идеальной схеме Р_{ош о} при одинаковом отношении сигнал / помеха на входе схемы:

ξ_ош = Р_{ош р} / Р_{ош о} ≤ 1.

Потери энергии характеризуются отношением энергии сигнала на входе реальной схемы Е_{с р} к энергии сигнала на входе идеальной схемы Е_{с о} при условии сохранения той же достоверности:

ξ_Е = Е_{с р} / Е_{с о} ≥ 1.

Обычно потери, обусловленные неидеальностью преобразования сигнала и паразитными параметрами, полагают детерминированными. Потери, обусловленные разбросом параметров узлов и деталей, носят случайный характер и определяются функциями распределения ω (ξ_ош) и ω(ξ_Е). Однако на практике более удобно оценивать потери вероятностью того, что реальные потери не будут превышать ожидаемых ξ_{ош ож} и ξ_{Е ож}, т. е.

Обычно принимают Р (ξ_ош > ξ_{ош ож}) = Р (ξ_Е > ξ_{Е ож}) = 0,003. Потери ξ_ош и ξ_Е оценивают, вычисляя средние потери для партии устройств и усредняя их по функциям распределения ω(ξ_ош) и ω(ξ_Е):

где m(ξ) – математическое ожидание величины ξ.

Количественные оценки потерь достоверности и энергии определяются схемными решениями, количеством отдельных элементов и узлов, а также условиями работы аппаратуры. Для упрощения расчетов сначала определяют условные отклонения интересующего выходного параметра схемы в зависимости от начального (производственного) разброса параметров входящих в нее элементов (узлов и деталей), а также от наличия дестабилизи-рующих факторов (климатических, механических и старения), каждого в отдельности.

Проведенный расчет позволяет оценить необходимость введения в схему элементов настройки, регулировки, калибровки; принять специальные конструктивные меры (термостатирование, герметизацию, амортизацию и т. д.) по уменьшению влияния условий изменения окружающей среды.

В дальнейшем получают усредненные (по характеристикам и условиям работы радиоаппаратуры) функции распределения отклонений выходного параметра схемы при воздействии всей совокупности производственного разброса параметров деталей и дестабилизирующих факторов одновременно. Полученные выражения позволяют определять требуемые величины стабильности конструкторских параметров для конкретных схем построения аппаратуры, выявлять наиболее чувствительные к изменению параметров схемы элементы и принимать соответствующие меры для устранения их влияния на выходные параметры.

Стабильность и точность параметров аппаратуры РТС в зависимости от параметров сигналов. При проектировании аппаратуры радиотехнических систем следует стремиться к тому, чтобы доли потерь энергии и достоверности, вносимые каждым каскадом устройства, были примерно одинаковы. При этом меры повышения точности и стабильности параметров необходимо исполь-зовать в каскадах, доля которых в увеличении потерь наиболее велика.

Для получения конкретных числовых характеристик необходимой стабильности и точности параметров аппаратуры следует предварительно подразделить ее по характеристикам применяемых элементов и условиям работы на три группы [1].

Первая группа включает так называемую «грубую» аппаратуру. Ее изготавливают из типовых (массовых) радиоэлементов, работающих длитель-ное время в широком диапазоне изменения климатических и механических дестабилизирующих факторов.

Ко второй группе относится «точная» радиоаппаратура. Такую аппаратуру изготавливают либо из высокоточных элементов, работающих в широком диапазоне внешних воздействий, либо из стандартных элементов, работающих в условиях стабильной окружающей среды (герметизации, термостатирования, амортизации, кондиционирования и т. п.). Кроме того, эта аппаратура периодически подвергается профилактике, подстройке и регули-ровке.

К третьей группе «высокоточной» аппаратуры относятся устройства, изготовленные из высокоточных деталей, работающих в условиях микро-климата. Аппаратуру этой группы обслуживает высококвалифицированный персонал. Она калибруется и подстраивается перед каждым использованием. В указанной аппаратуре применяют схемы автоматической подстройки и поддержания стабильности выходных параметров, устройства встроенного контроля. Если подстройка и регулировка параметров производятся непрерывно в процессе работы аппаратуры, то потери энергии и достоверности определяются только неидеальностью выполнения функций и наличием паразитных параметров. Нестабильность параметров элементов схем в этом случае не играет существенной роли.

Использованные в схемах радиосигналы можно характеризовать вели-чииной базы сигнала:

N_c = F_c ∙ T_c ,

где F_с – ширина спектра сигнала в одну сторону от несущей; Т_с – длительность сигнала.

Для получения высокой помехозащищенности необходимо обеспечить превышение мощности сигнала над мощностью помех на детекторе. Этот метод повышения помехозащищенности является самым простым. Его называют методом «грубой силы». При наличии (помимо флуктуационного шума) импульсных помех простейшим способом выделения сигнала является уменьшение его длительности. Обычно при этом происходит уменьшение энергии сигнала, что затрудняет выделение его на фоне флуктуационных помех с широким спектром. Повышение импульсной мощности передающего устройства имеет определенный предел. Он обусловлен электрической прочностью элементов передающего тракта.

Все сказанное верно для так называемых простых сигналов, для которых N_c=F_cT_c=1. Для современных радиотехнических систем наибольшие возможности дает использование новых видов сигналов, получивших название сложных, или шумоподобных.

За время длительности Т_с сигнал подвергается дополнительной модуляции или манипуляции по частоте или фазе. При этом спектр сигнала при Т_с=const расширяется. База такого сигнала N_c=F_cT_c>>1.

При определенном законе формирования спектр сигнала оказывается равномерным и сплошным в достаточно широкой полосе частот. Он напоминает спектр флуктуационного шума.

Наибольшие возможности открывает использование шумоподобных сигналов в дискретных системах. Такие сигналы можно рассматривать как определенное количество n простых сигналов длительностью τ_с= Т_с /n, вплотную примыкающих друг к другу по времени. Предполагают, что амплитуда и фаза каждого элементарного сигнала длительностью τ_с постоянны.

Наибольший интерес представляют цифровые методы формирования шумоподобных сигналов, позволяющие использовать минимальные объемы радиоэлектронной аппаратуры. Их преимущество состоит в том, что основная часть устройства формирования собирается из типовых, т. е. унифици-рованных, элементов цифровой техники.

Основным преимуществом работы с шумоподобными сигналами явля-ется возможность приема полезного сигнала, уровень которого много ниже уровня помех (при приеме происходят сжатие полезного сигнала и увеличение его амплитуды в число раз, примерно равное базе сигнала). Кроме того, эти сигналы обеспечивают скрытность связи. Они значительно повышают помехоустойчивость при воздействии флуктуационных помех, а также разрешающую способность радиотехнических систем.

Анализ требований к точности и стабильности параметров аппаратуры в зависимости от величины сигнала достаточно сложен. Он приводится в специальной литературе. Остановимся кратко на них.

При приеме радиосигналов используются два основных метода оптимальной обработки принимаемых сигналов – метод оптимальной фильтрации и корреляционный метод. На рис. 32 приведены результаты расчетов средних потерь энергии и достоверности m(ξ _ош, _Е) в зависимости от точности и стабильности параметров радиоэлектронной аппаратуры и величины базы сигнала N_c для корреляционных схем (сплошная линия) и фильтровых схем (пунктирная линия).

Из рис. 32 следует, что нестабильность параметров аппаратуры оказывает значительно большее влияние на параметры фильтровых схем. При использовании обычных контуров с добротностями порядка 100...200 максимальная реализуемая база сигнала N_c составляет 20...30.

При применении кварцевых, электромеханических и активных фильтров с добротностью 10³...10⁵ величина базы N_c ≈ (10²...10⁴). Однако при этом конструкция устройства оказывается сложной и громоздкой. Создание схемы на основе использования «грубой» аппаратуры нецелесообразно: при значительных потерях 20...30 дБ достижимая величина базы сигнала составляет всего 15...20. Для «точной» аппаратуры достижимая величина базы 50...100 при потерях 8...10 дБ, а для «высокоточной» - 500...1000 при потерях того же порядка.

Рис. 32. Потери энергии сигнала в зависимости от точности и

стабильности аппаратуры

При практической реализации корреляционных схем в условиях грубой аппаратуры средние потери составляют 10...20 дБ, а для «точной» - 3...5 дБ. Так как схемы корреляционного приема обладают большой сложностью, целесообразнее применить интегральные схемы, при этом для «высокоточной» аппаратуры средние потери могут быть уменьшены до 2...3 дБ при максимальных потерях 3...5 дБ.

Таким образом, увеличение базы используемого сигнала приводит к необходимости повышения точности и стабильности параметров узлов и деталей и принятия специальных мер по уменьшению влияния дестабили-зирующих факторов (условий внешней среды) и процессов старения. Кроме того, по мере увеличения базы сигнала усложняются и сами схемы. Например, аппаратура для приема шумоподобных сигналов является более сложной, чем для приема простых сигналов. Поэтому задачи конструктора по проек-тированию аппаратуры для приема шумоподобных сигналов трудно-выполнимы, поскольку высокая помехозащищенность сложных сигналов проявляется только при большой базе сигнала.

Требования к конструкционным решениям на основе методов обнару-жения сигналов. При обнаружении полезного сигнала на фоне помех существенное значение имеют его фазовые характеристики. Наилучших результатов обнаружения достигают, если фаза полезного сигнала заранее известна. Оптимальная схема обнаружения в этом случае получается наиболее простой.

На практике задачи обнаружения сигналов с известной фазой встречаются крайне редко. В радиолокационных и радионавигационных системах фаза полезного сигнала обычно заранее не известна. В общем случае она должна рассматриваться как случайная. В системах радиосвязи, в принципе, возможна работа с сигналами с известной фазой. Однако технические трудности при практической реализации таких систем достаточно велики. Требуется либо запомнить фазу, либо непрерывно следить за ней. Это приводит к значительному усложнению аппаратуры, увеличению ее массы и габаритов.

Представляет интерес обнаружение или распознавание сигналов со случайной, но постоянной или изменяющейся по известному закону фазой. В этом случае энергетические потери полезного сигнала по сравнению с сигналом с известной фазой возрастают незначительно. Техническая реализация таких систем проще.

При построении радионавигационных и радиолокационных систем основные ограничения на использование сигналов со случайной, но постоянной по величине фазой накладывают условия распространения радиоволн в пространстве, наличие дополнительных переотражений. Достаточно жесткие требования предъявляются и к конструкции радио-электронной аппаратуры. В этом случае стабильность частот передающего устройства и гетеродинов должна быть достаточно высокой во всем диапазоне климатических и механических воздействий. Последние, в свою очередь, могут вызывать колебания величины питающих напряжений, изменения параметров узлов и деталей, повышения паразитных связей и наводок. Таким образом, при использовании сигналов с известной или постоянной фазой работоспособность РТС в значительной степени определяется конструкцией. Эффективное выделение сигнала на фоне помех возможно в этом случае только при высокой точности и стабильности конструктивных параметров радиотехнической системы.

В ряде случаев при работе РТС фаза сигнала флуктуирует. Это может быть обусловлено нестабильностью условий переотражения и распростра-нения радиоволн, изменением электрических и конструктивных параметров передающей и приемной частей и т. д. В качестве оптимальной схемы при этом используют простой избирательный фильтр до детектора. Основная обработка сигнала осуществляется после детектора. Информация о фазе в данном случае уничтожается. При работе с флуктуирующей фазой происходит заметное ухудшение достоверности обнаружения полезного сигнала, особенно для слабых сигналов. Поэтому необходимо всячески увеличивать отношение мощности полезного сигнала к мощности помех до детектора.

С учетом сказанного борьба с помехой ведется в двух основных направлениях. Во-первых, необходимо снижать уровень помех, вносимых самой радиоэлектронной аппаратурой. Для этой цели используют мало-шумящие усилители, тщательную экранировку входных цепей, теплозащиту, виброзащиту и т. п. Во-вторых, необходимо увеличивать мощность передающих устройств, т. е. использовать для борьбы с помехой метод «грубой силы».

В случае использования сигнала с флуктуирующей фазой конструкция аппаратуры может быть значительно упрощена; резко снижены требования к стабильности частот, питающих напряжений, электрических параметров узлов и деталей. Однако следует заметить, что метод «грубой силы» приводит к увеличению габаритов и массы передающих устройств, к возрастанию потребления энергии, хотя при этом требования к точности и стабильности параметров не являются жесткими.

Все сказанное относится к помехам типа «белый шум». Если же РТС работает в присутствии импульсных помех, подобных по форме полезному сигналу, но сдвинутых относительно него по времени, то для обеспечения высокой помехоустойчивости желательно работать с сигналами малой длительности. Как отмечалось, простое сокращение длительности сигнала уменьшает его энергию и ухудшает помехозащищенность системы по отношению к помехам типа «флуктуационный шум». Целесообразно увеличить базу сигнала путем дополнительной частотной модуляции или фазовой манипуляции, т. е. использовать сложные сигналы. Предельным случаем сигнала является шумоподобный сигнал.

Основной трудностью использования шумоподобных сигналов с точки зрения практической реализации радиоаппаратуры является необходимость поддержания с очень высокой точностью фазочастотных характеристик фильтров. Последние используют для формирования и оптимальной обработки шумоподобных сигналов. Как показывает теоретический анализ, стабильность фазы в таких фильтрах должна быть порядка 10^-4...10^-6 . Выполнение этого требования представляет большие трудности, особенно в широком диапазоне внешних воздействий (температуры, давления, влажности, вибраций и ударов, различных помех, нестабильности питающих напряжений, старения материа-лов и т. п.).

Получение столь высокой стабильности требует разработки новых методов конструирования электрических схем. В первую очередь высокая стабильность и прочность параметров должны быть обеспечены у генераторов, фильтров, линий задержки. Усложнение конструкции в данном случае целесообразно из-за больших преимуществ, связанных с использованием шумоподобных сигналов.

В связи с трудностями конструирования радиоэлектронной аппаратуры для приема шумоподобных сигналов с помощью согласованных фильтров рассматривается возможность оптимального приема таких сигналов с помощью корреляционно-фильтровых схем с использованием активных фильтров. В этом случае оптимальная обработка сигналов осуществляется не на высокой частоте, а на видеочастоте. Это позволяет значительно снизить требования к стабильности параметров схем и обеспечить их практическую реализацию. Таким образом, из теории оптимального обнаружения с точки зрения требований к конструкции радиотехнических систем могут быть сделаны следующие основные выводы.

1. В случае сигнала с флуктуирующей фазой конструкция радио-электронной аппаратуры может быть наиболее простой. Требования обеспечения точности и стабильности параметров при этом не являются жесткими и могут быть сравнительно легко удовлетворены; стабильность параметров составляет 10^-2...10^-3 .

2. В случае сигнала, фаза которого заранее известна или постоянна в течение времени существования сигнала (когерентные сигналы), необходимо, чтобы стабильность параметров электрических схем была достаточно высокой, т. е. составляла 10^-3 ...10^-4 . Требования к конструкции являются достаточно жесткими, но практически выполнимыми.

3. При воздействии на радиотехническую систему одновременно помех типа «флуктуационный шум» и импульсных помех, по форме подобных полезному сигналу, но имеющих временную задержку относительно него, для обеспечения требуемой помехозащищенности необходимо усложнять сигнал путем увеличения его базы. Это позволяет при сохранении энергии сигнала получать достаточное разрешение на фоне импульсных помех. Практическая реализация таких систем сопряжена с конструктивными трудностями, так как требуемая стабильность параметров должна составлять 10^-5...10^-6 . Однако, учитывая преимущества использования сложных сигналов с большой базой, т. е. шумоподобных, это направление следует считать наиболее перспективным [1].

Вопросы для самоконтроля

1. Роль стандартизации в технике конструирования ЭС.

2. Из каких разделов состоит техническое задание на разработку ЭС?

3. Чем определяются обратные связи в последовательности выполнения этапов разработки ЭС?

4. Какие стадии разработки ЭС Вы знаете, в чем заключается содержание каждого из этапов?

5. Что такое ЕСКД?

6. Что относится к конструкторским документам (КД)?

7. Какие виды КД Вы знаете, по каким критериям производится их деление на виды?

8. Что называется основным КД, основным комплектом КД, полным комплектом КД?

9. Каким образом производятся обозначения КД?

10. Какие форматы листов КД используются и какие масштабы при этом применяются?

11. Какие конструкторские документы относятся к группе текстовых КД?

12. Какие конструкторские документы относятся к группе графических КД?

13. Дайте определения основным видам чертежей и приведите их шифры.

14. Какие виды и типы схем Вы знаете, какие шифры (коды) они имеют?

15. Как выглядит условное графическое обозначение Л5-триггера с динамическим входом?

16. Что такое «позиционные обозначения», из каких составляющих они состоят, где и каким образом проставляются на схемах?

17. В чем сходство и в чем разница в УГО элементов цифровых и аналоговых элементов схем?

18. Какие факторы входят в группу механических воздействий?

19. Какие факторы входят в группу климатических воздействий?

20. Какие факторы входят в группу радиационных воздействий?

21. Как влияют радиационные факторы на механические свойства конструкционных материалов?

22. Что подразумевает понятие «технологичность»?

23. Какие эргономические и эстетические требования предъявляются к конструкции микрокалькуляторов?

24. Каким требованиям должна отвечать конструкция встраиваемых ЭС?

25. В чем заключается пространственный характер размещения совре-менных РТС?

26. Как осуществляется комплексирование РТС?

27. В чем состоит проблема сложности РТС?

28. Каковы особенности конструирования РТС?

29. Направления применения дискретной аппаратуры в РТС.

30. В чем заключается связь оптимального обнаружения с требованиями стабильности и точности параметров конструкции?