Цифровая командная радиолиния КИМм-ОФМ-ФМ

Размещено на http://www.allbest.ru/

«Цифровая командная радиолиния КИМм-ОФМ-ФМ»

Содержание.

1. Введение

2. Общая характеристика системы управления

3. Расчет и выбор основных технических характеристик системы

3.1 Определение частоты дискретизации

3.2 Определение разрядности квантования

3.3 Выбор несущей частоты передатчика

4. Структура группового сигнала и расчет его параметров

5. Спектр сигнала

6. Расчет энергетического потенциала радиолинии

7. Контур управления и его анализ

8. Разработка функциональной схемы радиолинии

8.1 Прием простых ФМ сигналов

8.2 Формирование опорного напряжения в приемниках ФМ сигналов

8.3 Передача цифровой информации с помощью ОФМ

8.4 Когерентный метод приема сигналов с ОФМ

8.5 Некогерентный метод приема сигналов с ОФМ

8.6 Сравнение корреляционного и автокорреляционного методов приема

8.7 Описание функциональной схемы передатчика

8.8 Описание функциональной схемы приемника

8.9 Система тактовой синхронизации

Заключение

Список литературы

1. Введение

Системы, обеспечивающие передачу дискретной информации, часто называют цифровыми, так как передаваемая этими системами информация может рассматриваться как последовательность чисел, выраженных в удобной для практического применения форме. Цифровые системы передачи информации называют кодовыми системами или системами с кодово-импульсной модуляцией.

Передача информации в цифровой (дискретной) форме имеет ряд достоинств по сравнению с передачей в аналоговой (непрерывной) форме. Наиболее существенными являются:

· возможность автоматизации обработки информации;

· универсальная форма представления сообщений различной физической природы и, как результат этого, гибкость систем, позволяющая, заменив программу работы, применять одно и то же оборудование для разных целей;

· высокие качественные показатели работы систем;

· возможность объединения отдельных систем в более крупные системы и комплексы.

Достоинства систем передачи цифровой информации связаны со значительным усложнением схем и технологии изготовления аппаратуры, а также с необходимостью использования более широкой полосы частот по сравнению с аналоговыми системами. Однако в настоящее время усложнение аппаратуры не является принципиальным препятствием. Развитие теории и техники «сжатия информации» позволяет в ряде случаев существенно повысить эффективность использования отводимой полосы частот для цифровых систем.

В настоящее время передача информации в цифровой форме находит широкое применение в решении самых различных задач связи, телеметрии и управления. Особенно важное значение системы передачи цифровой информации приобрели в таких областях, как передача данных, космическая связь и управление.

Бурное развитие ракетно-космической техники поставило перед техникой радиосвязи ряд совершенно новых задач. К их числу относятся:

· обеспечение устойчивой и надёжной связи на различных дальностях;

· передача с борта управляемых объектов на пункты приёма большого количества разнообразной информации о состоянии и работе систем и агрегатов этих объектов, а также о различных процессах, происходящих в окружающем пространстве;

· управление режимом работы объектов путём передачи командной информации с Земли на борт объекта.

Как правило, большинство систем связи являются совмещёнными, то есть представляют собой сложные комплексы, позволяющие одновременно решать задачи связи, телеметрии, измерения параметров движения (траекторные измерения) и управления. К таким системам связи предъявляются жёсткие требования к надёжности работы, высокой точности передачи информации, массогабаритным показателям и т.д. Реализовать такие требования можно только методами и средствами цифровой техники.

Необходимость достоверного приёма информации при больших дальностях и жёстких ограничениях на габаритные размеры и массу радиоаппаратуры в значительной мере определяет всю структуру радиолинии. Как правило, приёмный тракт должен проектироваться таким образом, чтобы в нём практически отсутствовало подавление сигнала шумом. Этого можно достичь, например, если на входе нелинейных элементов (детекторов) обеспечить значительное превышение мощности сигнала над шумом. В реальных радиолиниях такие условия сравнительно просто создаются при импульсных методах модуляции сигнала, например при ВИМ-АМ. Однако в ряде случаев импульсные сигналы оказываются неудобными для применения. Прежде всего необходимость получения большой мощности создаёт дополнительные трудности при проектировании бортовых передатчиков. Кроме того, импульсный режим затрудняет совмещение линий передачи информации с траекторными измерениями, поскольку он малопригоден для точного измерения скорости по доплеровскому смещению частоты. По этим причинам широкое применение находят непрерывные радиосигналы со сравнительно небольшой мощностью на входе приёмного устройства. Чтобы такой сигнал не подавлялся шумом, для его демодуляции применяют линейные параметрические схемы - синхронные (или фазовые) детекторы.

В большинстве случаев непрерывный радиосигнал используется для передачи цифровой информации. Поэтому на первой ступени чаще всего имеет место кодово-импульсная модуляция (КИМ). Сигнал КИМ представляет собой последовательность импульсов (и пауз), сгруппированных в кодовые слова, каждое из которых соответствует передаваемому числу. Каждый разряд этого числа связан с определённой временной позицией в кодовом слове. Значение символа задаётся амплитудой видеоимпульса. Применяются сигналы с двумя ступенями модуляции (КИМ-ФМ, КИМ-ЧМ), при которых последовательность символов (КИМ) непосредственно модулирует несущую. Существуют также трёхступенчатые методы модуляции с поднесущими (КИМ-ЧМ-ФМ, КИМ-ФМ-ФМ). Непосредственная модуляция несущей позволяет более экономно расходовать полосу частот, отведённую для радиолинии. Такие сигналы более пригодны для высоких скоростей передачи информации, что наиболее характерно для линий сравнительно малой протяжённости (до нескольких тысяч километров). На таких линиях при реальных мощностях и размерах антенн достигается скорость передачи информации порядка миллиона двоичных символов в секунду. Наличие в сигнале поднесущих соответственно расширяет полосу занимаемых частот. Однако такая структура сигнала оказывается более удобной для построения демодуляторов, особенно в совмещённых радиолиниях. На поднесущих может быть создана ещё дополнительная частотная селекция, защищающая радиолинию от сосредоточенных помех. Сигналы с поднесущими наиболее характерны для радиолиний дальнего космоса с протяжённостью в сотни миллионов километров. На таких дальностях может быть достигнута скорость передачи информации порядка тысяч двоичных символов в секунду.

2. Общая характеристика системы управления

Управление означает совокупность действий для целенаправленного изменения состояния некоторого объекта, называемого управляемый объект. Цель управления можно определить как желаемый результат, который должен быть достигнут в процессе управления, а систему управления как совокупность средств, предназначенных для осуществления управления. Часто различные элементы системы управления находятся на значительном расстоянии друг от друга и передача управляющих воздействий производится с помощью радио. Радиосредства в системе, в свою очередь, образуют радиосистемы, в задачу которых входит передача, извлечение и обработка различной информации. В тех случаях, когда радиосредства участвуют в выполнении основных функций управления, можно говорить о системах радиоуправления.

Наличие радиосредств в системах управления приводит к необходимости учитывать возможность воздействия на процесс управления специфических радиопомех. Следовательно, при разработке систем радиоуправления одной из центральных задач является обеспечение их помехозащищённости.

Одной из главных задач радиоуправления является управление движением различных объектов. В свою очередь управление движением летательного аппарата разделяется на управление полётом и управление ориентацией в пространстве. Другая задача заключается в управлении работой бортовых приборов и агрегатов. Системы, предназначенные для этой цели, носят название радиотелемеханических систем.

Системы радиоуправления различаются по способу получения информации о состоянии объекта и способу использования её для воздействия на объект. С этих позиций можно выделить четыре основных способа радиоуправления: командное радиоуправление, радиотеленаведение, самонаведение и автономное радиоуправление. Первый и четвёртый способы могут применяться как для систем управления движением, так и в радиотелемеханических системах. Второй и третий - только для управления движением.

Остановимся на командном радиоуправлении. Командное радиоуправление применяется для широкого класса летательных аппаратов. В таких системах команды вырабатываются на пункте управления и передаются на летательный аппарат по командной радиолинии. При формировании команд управления траекторией полёта летательного аппарата используются данные, полученные с помощью визиров (средств наблюдения за летательным аппаратом и целями). Различают следующие системы командного радиоуправления: КРУ-I, КРУ-II, КРУ-III. В системах КРУ-I визир цели размещается на пункте управления, в системах КРУ-II - на борту летательного аппарата. Радиоуправление типа КРУ-III является частным случаем КРУ-I, когда цель совмещена с местоположением радиовизира управляемого объекта.

Рисунок 1. Обобщенная структура цифровой линии связи

Командные радиолинии представляют собой многоканальные радиолинии, которые обеспечивают передачу команд, адресованных тем или иным получателям (исполнителям) команд. Рассмотрим обобщённую структурную схему командной радиолинии.

Передающая часть представлена на Рис. 2.

Рисунок 2. передающая часть

ИК - источник команд; на его выходе образуются совокупность командных сообщений.

КУ - кодирующее устройство.

ГСС - генератор синхросигналов; предназначен для управления работой кодирующего устройства и для декодирования бортовой аппаратуры

КУСС - кодирующее устройство синхросигналов.

УУК - устройство уплотнения каналов. На его выходе формируется групповой НЧ сигнал.

ГНК - генератор несущего колебания

М - модулятор с усилителем мощности.

Приёмная часть предназначена для приёма сигнала, который в общем случае имеет вид:

.

- мультипликативная помеха, - полезный сигнал, - белый шум. Приёмник должен выделить полезный сигнал на фоне шумов, и передать сообщения соответствующим получателям (исполнителям) команд.

Приёмная часть представлена на Рис. 3.



Рисунок 3. Приемная часть

ВЧП - приёмник ВЧ колебания.

ДМ - демодулятор несущего колебания; на его выходе формируется групповой НЧ сигнал, который содержит синхросигнал и индивидуальные сообщения.

ДКУ - декодирующее устройство командных сигналов.

ДКУС - декодирующее устройство синхросигналов.

ФСС - формирователь синхросигналов; синхросигналами управляется работа всего приёмного устройства.

РК - распределитель каналов; распределяет сообщения по получателям.

Также как и в других многоканальных системах, в командной радиолинии для передачи каждого независимого сообщения выделяется отдельный канал. Известны следующие линейные методы разделения каналов: временное, частотное и структурное.

управление радиолиния сигнал

3. Расчёт и выбор основных технических характеристик системы

Для передачи по цифровому каналу связи каждый отсчет квантуется до конечного множества значений.

Этапы процесса представления сообщений:

Дискретизация

Квантование

Кодирование

3.1 Определение частоты дискретизации

Под дискретизацией понимается процесс представления непрерывного сообщения , заданного на интервале , совокупностью его значений (отсчетов) в дискретные моменты (моменты дискретизации). При равномерной дискретизации отсчеты формируются через равные промежутки времени - интервалы дискретизации. Величина, обратная интервалу, называется частотой дискретизации.

Условия, при которых аналоговый сигнал с ограниченным спектром может быть точно представлен своими отсчетами в дискретные моменты, вытекают из широко известной теоремы В. А. Котельникова, которая для равномерной дискретизации выражается формулой:

(1)

При этом условии аналоговый сигнал может быть восстановлен без искажений на выходе идеального фильтра низких частот, на вход которого подают отсчеты сигнала.

На приемной стороне восстановление исходного сообщения осуществляется с помощью оператора восстановления

(2) ,

где - выборки или отсчеты сигнала;

- оценки исходного сообщения ;

- координатные (интерполирующие) функции.

Операция восстановление непрерывной функции по ее выборке называется интерполяцией. Эта операция должна быть основана на знании особенностей поведения функции между отдельными выборками, утерянной в результате дискретизации процесса по времени.

Опросом по Котельникову называют формирование выборок с частотой

Для практических расчетов пользуются формулой:

где - коэффициент запаса, который при интерполяции по Лагранжу выбирают в зависимости от модели сигнала и порядка интерполирующего полинома.

Мы зададимся 4-ой моделью сигнала (сигнал с колоколообразной формой спектра), полиномом второго порядка и приведенным показателем верности , тогда:

(5)

Отсюда частота дискретизации:

Гц (6)

3.2 Определение разрядности квантователя

Пусть в результате дискретизации получена непрерывная последовательность отсчетов Обычно для кодирования квантованных отсчетов используется двоичная последовательность. С помощью В - разрядного кодового слова можно представить уровней.

Вероятность ошибочного приема символов в командной радиолинии Ким(м)-ФМ, определяется формулой:

,

Где Ф - интеграл вероятности.

Пусть , следовательно ош , отсюда Ф(z)=0,99998

поскольку Ф(z) - табличный интеграл, z = 4,4, т.е.

,

возьмем девиацию фазы ф=, из соображений компромисса между энергетической выгодой и фазовой погрешностью, (фазовая нестабильность должна быть малой).

Отсюда =20

Тогда или 10lg(40) = 16 (дБ)

Поскольку шум квантования должен быть в 3-4 раза меньше шумов на входе приемника, то

4*=4*16=64

Т.к. добавление одного разряда кодового слова увеличивает с/ш на 6 дБ, то

=10.6667

Таким образом, разрядность квантователя В=10 разрядов

3.3 Выбор несущей частоты передатчика

Диапазон выбираемых частот определяется, прежде всего, условиями распространения радиоволн и возможностью обеспечения необходимых точностных характеристик и требуемых полос пропускания радиолиний. Выберем несущую частоту передатчика исходя из частотно-избирательных свойств атмосферы. В диапазоне частот от 100 МГц до (6…10) ГГц существует “радиоокно”, в пределах которого и целесообразно выбирать рабочие частоты командных радиолиний.

Выберем ГГц. При этом длина волны см.

4. Структура группового сигнала и расчет его параметров

На основании расчетов, приведенных в пункте определение частоты дискретизации, определим длительность интервала времени, в течение которого необходимо передать информацию о текущем отсчете входного сигнала. Выберем асинхронный метод передачи с тактовой синхронизацией. Чтобы на приемной стороне мы могли обработать информацию требуется знать момент времени ее появления. Для этого перед каждым информационным сигналом размещается так называемый синхросигнал, который отличается от информационного сигнала.

Количество элементарных передаваемых символов в каждом канале равно разрядности информационного слова В=7, и, поскольку, разрабатывается командная радиолиния КИМ(м)-ОФМ-ФМ, то каждый элементарный символ будет уплотнен 7-разрядной (n=7), М-последовательностью, количество элементарных символов в информационном сигнале одного канала: Nи = В*n = 10*7 = 70.

В качестве синхрослова выберем сложный сигнал (составной), в этом случае для уменьшения вероятности ложного срабатывания системы необходимо выбрать количество разрядов синхрослова не менее 50% от разрядности информационной части сигнала Nи. Другими словами, Nи=70, т.е. выберем в качестве синхрослова Nс 63-разрядную М-последовательность.

Количество элементарных символов в кадре :

N =Nс + Nи = 70+63 =133 (символов)

Длительность элементарного символа определяется частотой дискретизации Tпер.слова = = 6,77 (мс)

Т.к.6 каналов, тогда длительность передаваемого слова равна:

Nпер. слова= (6*63 бит(синхронизация)+6*10 бит(информация))*7(разрядность М-последовательности)=798 бит

Длительность элементарного символа

= =8.48 мкс

Тактовая частота:

Вид группового сигнала:

синхрслово	Информацион.Слово	Синхр слово	Информацион.Слово	…	Синхр слово	Информацион. Слово

5. Спектр сигнала

При создании современных систем передачи используются как сложные сигналы (шумоподобные и др.), так и сигналы с многоступенчатой модуляцией. На первой ступени используется, как правило, кодово-импульсная модуляция (КИМ, КИМ(м)), на последующих - амплитудная модуляция (АМ), частотная (ЧМ), частотно- импульсная (ЧИМ), фазовая (ФМ).

Характер спектра сигнала с многоступенчатой модуляцией в значительной степени определяется спектром сигнала КИМ(м). С учетом того, что длительность элементарного символа _О равна периоду их повторения, символ «1» передается импульсом с амплитудой а, символ «0» - нулевым уровнем, отдельные разряды независимы, символы «1» и «0» передаются с вероятностями Р₁ и Р₀ соответственно, энергетический спектр сигнала с КИМ(м) запишется следующим образом:

Из формулы следует, что спектр сигнала КИМ(м) при сделанных предположениях о характере сигнала совпадает со спектром одиночного импульса длительностью ₀ .

В том случае, когда в сигнале КИМ(м) символ «0» передается отрицательным импульсом с амплитудой а, а вероятности Р₁ =Р₀, вид энергетического спектра будет также с точностью до коэффициента пропорциональности совпадать со спектром одиночного импульса. В то же время необходимо иметь в виду, что в зависимости от свойств сигнала КИМ(м) форма его спектра может изменяться.

Детектируя сигнал КИМ(м)-ОФМ-ФМ с помощью ФД на его выходе получаем модулированные по фазе четные гармоники поднесущей частоты при опорном напряжении, синфазном с несущей. Если опорное напряжение сдвинуто по фазе на /2 относительно несущей, на выходе ФД будем иметь модулированные по фазе нечетные гармоники поднесущей. Сигнал КИМ(м) выделяется после второй ступени модуляции также с помощью ФД.

Ширина спектра КИМ(м)-ОФМ-ФМ определяется шириной главного лепестка:

Общий вид амплитудного спектра сигнала КИМ-ОФМ-ФМ показан на рисунке:

6. Расчет энергетического потенциала

В задании курсового проектирования расстояние между приемником и излучателем l = 100 км, допустимая вероятность ошибки принятой команды составляет 10^-5. Длина волны =3 см.

Пусть приём на Земле осуществляется зеркальной антенной с диаметром раскрыва Dз = 1м. Передающая бортовая антенна - должна быть всенаправленной, выберем полуволновый симметричный вибратор.

Энергетический потенциал радиолинии - это отношение средней мощности сигнала к средней плотности шума (мощности шума в полосе 1 Гц), пересчитанное ко входу приемника которое определяется следующей формулой:

Q = , (26) ,

где Pc - средняя мощность принимаемого сигнала

Gш - спектральная плотность шума.

Ранее было посчитано, что для того, чтобы обеспечить требуемую вероятность ошибки при передаче одной двоичной единицы информации, необходимо иметь энергетическое отношение сигнал/шум

Требуемая мощность бортового передающего устройства определяется выражением:

(28)

l - расстояние между приемником и передатчиком

- ширина спектра сигнала

N0 - мощность шумов

G - Коэффициент направленного действия передающей антенны

S - Эквивалентная площадь приемной антенны

L - Коэффициент потерь мощности сигнала в атмосфере земли, за счет потерь в антенно-фидерном тракте приемного устройства, за счет неточности наведения приемной антенны и др.

Шумы на входе приемника складываются из шумов антенны и собственных шумов приемника.

N0= N_Э * К*Т₀ = КТ = К(Т_А +Тпр), где

Т0 = 290° по абсолютной шкале;

Т = N_Э*To -- суммарная шумовая температура антенны и приемника;

Т_А - шумовая температура антенны;

Тпр -- шумовая температура приемника.

Шумы антенны - это шумы, принимаемые антенной из окружающего пространства:шумы космического радиоизлучения, шумы Земли и шумы атмосферы. Будем считать, что внутренние шумы приемника значительно больше шумов антенны.

Предположим, что N_Э =2 (имеем дело с очень хорошим приемником). Тогда

N0 = 2 * К*Т₀ =8*10^-21 Вт/Гц

Эквивалентная площадь приемной антенны S равна площади раскрыва зеркала, умноженной на коэффициент эффективности облучателя антенны а. Величина а зависит от типа и конструкции антенны, для антенн параболического типа а = 0,5 - 0,7, возьмем а=0,55 т.е.

=0,11мІ ⁽²⁹⁾

Коэффициет направленного действия антенны связан с её эффективной площадью равенством

. Тогда G =1535

Для определения КНД симметричного вибратора в направлении максимального излучения (), удобно воспользоваться следующим графиком:

Из графика видно, что для полуволнового вибратора,l=0.25л, G_прд = 1,64, по известному значению КНД, найдем действующую длину вибратора, т.е.

S_прд = 0,637*0,03*0,25 = 0,005

Пусть L=1 . Тогда

Увеличим мощность передатчика до P₀=10Вт, чтобы скомпенсировать неучтенные факторы, такие как неидиальность синхронизации, поглощение в атмосфере земли, неточность наведения приемной антенны на ЛА, возможные помехи противника и другие факторы, снижающие качество канала связи.

Мощность сигнала на входе приёмника радиолинии, работающей в пределах прямой видимости, находится по формуле:

где P₀ - мощность передающего устройства;

G_прд - коэффициент направленного действия передающей антенны;

S_пм - эффективная площадь приёмной антенны;

- коэффициент, учитывающий дополнительное ослабление сигнала в радиолинии (1), пусть =0,95

l - расстояние между передающей и приёмной антеннами.

Таким образом, мощность сигнала на входе приемника:

Эквивалентная шумовая полоса f_эш равна:

Дf=1.1*Дf=1.1*0.235* (МГц)

Мощность шума определяется из выражения:

Gш=No* Дf=8* Вт

Значение энергетического потенциала:

7. Контур управления и его анализ

Радиотелемеханической системой называется совокупность устройств, предназначенных для управления состоянием и работой различных приборов и агрегатов. Такие системы находят широкое применение, как в оборонной технике, так и в народном хозяйстве.

В комплексах летательных аппаратов радиотелемеханические системы используются для управления бортовыми приборами и агрегатами, а также состоянием летательных аппаратов в целом. Такое управление осуществляется подачей на исполнительные устройства приборов и агрегатов (объектов управления) соответствующих команд. Команды формируются на основе контроля (измерения) некоторой в общем случае многомерной величины , которая непосредственно или косвенно характеризует либо условия, в которых находится объект управления, либо текущее состояние объекта. Для осуществления такого контроля в состав радио-телемеханических систем включаются либо те или иные радио-измерительные устройства, либо датчики-преобразователи неэлектрических величин в электрические. Формирование команд осуществляется в решающих устройствах, которые в простейших случаях представляют собой схемы сравнения и реле, а в более сложных - счетно-решающие приборы и системы обработки результатов измерений. Команда поступает на управляемый объект через исполнительное устройство. Исполнительные устройства могут быть самыми разнообразными как по принципу действия, так и по сложности.

Существуют автономные и неавтономные радиотелемеханические системы. Во-первых, команды формируются на борту летательного аппарата, во-вторых - на пункте управления и передаются на борт летательного аппарата по командной радиолинии.

Автономные радиотелемеханические системы обычно осуществляются как системы, предназначенные для выполнения в комплексе летательного аппарата определенных разовых функций. Эти функции выполняются по разовым командам в реальном масштабе времени; они имеют разовый и необратимый характер, т.е. исполняются один раз, в результате чего управляемый объект переходит в такое состояние, из которого не может вернуться к исходному. Обратная связь в подобных радиотелемеханических системах обычно отсутствует. Функциональная схема автономной радиотелемеханической системы приведена на рисунке.

Рисунок 5 - Функциональная схема автономной радиотелемеханической системы

Измеряемая, монотонно нарастающая (или убывающая) величина непрерывно воспринимается бортовым радиоизмерительным устройством. Результат измерения обрабатывается в бортовом решающем устройстве и сравнивается с некоторой пороговой величиной _. В момент совпадения этих величин выдается разовая команда в виде скачка напряжения или в виде импульса, поступающая на исполнительное устройство. С выхода исполнительного устройства осуществляется управляющее воздействие на объект управления.

Неавтономные радиотелемеханические системы осуществляются как без обратной связи, так и с обратной связью. В обоих случаях на пункте управления принимается решение о формировании команды и осуществляется ее формирование. Сформированная команда в реальном масштабе времени или через программно-временное устройство поступает на вход радиоканала разовой команды или командной радиолинии, а затем передается на борт летательного аппарата.

Неавтономные радиотелемеханические системы без обратной связи по выполняемым функциям обычно аналогичны автономным радиотеле-механическим системам. Однако радиоизмерительное устройство, контро-лирующее величину , находится здесь на пункте управления.

Примером неавтономной радиотелемеханической системы без обратной связи может служить радиосистема выключения двигателя баллистической ракеты при ее пуске на заданную дальность. Такая система включает в себя: радиосистему траекторных измерений на активном участке траектории, решающее устройство, радиоканал разовой команды, исполнительное устройство выключения двигателя и объект управления - ракетный двигатель.

Рисунок 6 - Функциональная схема неавтономной радиотелемеханической системы без обратной связи

Рисунок 7 - Функциональная схема неавтономной радиотелемеханической системы с обратной связью

В радиотелемеханических системах с обратной связью информацию о состоянии и работе объектов управления - бортовых приборов и агрегатов - получают с помощью различного рода датчиков, устанавливаемых на борту летательного аппарата и связанных с контролируемыми величинами . Полученные с датчиков и соответствующим образом обработанные величины поступают непосредственно или через запоминающее устройство на вход телеметрической радиолинии и передаются по ней на пункт управления. На пункте управления в устройстве выделения и обработки телеметрической информации получается оценка состояния объектов управления , необходимая для осуществления требуемого управления бортовыми приборами и агрегатами. Формирование команд осуществляется в результате сравнения оценки c величиной , задающей необходимое состояние объектов управления

Сформированные команды по командной радиолинии передаются на борт летательного аппарата и поступают на исполнительное устройство, воздействующее на объекты управления. Контур радиотелемеханического управления оказывается замкнутым.

В зависимости от решаемых задач, такое управление осуществляется либо как следящее, либо как корректирующее.

8. Разработка и описание функциональной схемы радиолинии

8.1 Прием простых ФМ сигналов

Применение фазоманипулированных сигналов с манипуляцией фазы на позволяет передавать цифровую информацию с требуемой достоверностью при меньших затратах полосы и энергии по сравнению с другими двоичными сигналами.

При фазовой манипуляции информация о передаваемой цифровой последовательности заложена в фазе сигнала, которая на интервале времени _о может принимать значения 0 или :

где фаза

При передаче двоичной цифровой последовательности фаза _x является случайной величиной, однозначно связанной со случайной последовательностью передаваемых символов.

Демодуляция фазоманипулированных сигналов производится с помощью фазовых детекторов (рис.6).

Рисунок 8 - Структурная схема фазового детектора

X - перемножитель:

УФОН - устройство формирования опорного напряжения.

Фазовый детектор осуществляет перемножение колебания, поступающего на его вход с опорным напряжением. С помощью интегратора или ФНЧ происходит фильтрация входного напряжения от высокочастотных составляющих. Напряжение на выходе ФД с учетом фильтрации высокочастотных составляющих:

где К_ФД - коэффициент передачи фазового детектора;

Опорное напряжение равно:

Положим, что фаза опорного колебания _ОП=0. Тогда при выполнении условия _O=_ОП при передаче символа «1» на выходе ФД будет напряжение:

а при передаче символа «0»:

т.е. для нормальной работы фазового детектора опорное напряжение должно быть синхронным с сигналом. ФД, опорное напряжение которого удовлетворяет такому условию, часто называют синхронным или когерентным.

Если начальная фаза _ОП изменит свое значение на , то полярность выходного напряжения фазового детектора изменится на противоположную. Это явление называется обратной работой фазового детектора. Такой режим работы ФД недопустим, т.к. момент перескока фазы _ОП неизвестен.

Основная трудность реализации демодулятора противофазных ФМн сигналов состоит в создании синхронного опорного напряжения, имеющего начальную фазу.

8.2 Формирование опорного напряжения в приемниках ФМ сигналов

Наиболее простая схема, предназначенная для получения опорного напряжения, приведена на рисунке.

Удвоение частоты сигнала, манипулированного по фазе на 180⁰ позволяет получать на выходе удвоителя колебание с неизменной начальной фазой. На выходе УРФ будет формироваться напряжение, близкое к синусоидальному. Обычно выполняется условие:

где f_Э - полоса пропускания УПЧ.

f_Ф - полоса пропускания УРФ.

при котором происходит заметное ослабление уровня помех на выходе УРФ по сравнению со входом.

Для выполнения этого условия необходимо повышать требования к стабильности частоты сигнала и налагать ограничения на скорость случайных изменений фазы сигнала в среде распространения. Поэтому при изменениях частоты сигнала, вызванных, например, изменениями за счет эффекта Доплера, пассивный узкополосный фильтр заменяют на активный следящий фильтр.

После деления частоты получаем необходимое опорное напряжение с частотой ₀.

Фазовращатель необходим для компенсации возникающих в схеме дополнительных фазовых сдвигов.

Исследования этой схемы показали, что фаза опорного напряжения может принимать одно из устойчивых состояний, отличающихся друг от друга на 180⁰. Это и приводит к появлению «обратной» работы фазового детектора. Причиной перескока фазы на выходе делителя на два могут быть помехи, переходные процессы в схеме.

Предложено несколько схем, позволяющих формировать опорное напряжение (например, схема Костаса и Сифорова). Эти схемы позволяют уменьшить вероятность перескока фазы, но полностью устранить «обратную» работу детектора не могут.

Рисунок 9 - Схема формирования опорного напряжения

8.3 Передача цифровой информации с помощью ОФМ

Для устранения обратной работы ФД предложено ввести относительную систему отсчета фазы. Фаза сигнала с выхода фазового манипулятора будет определяться значениями предыдущего и передаваемого символов.

Правило манипуляции несущего (или поднесущего) колебания опреде-ляется следующим образом: при передаче символа «1» фаза сигнала остается без изменения, а при передаче символа «0» фаза сигнала с выхода манипулятора изменяется на 180⁰, т.е. при передаче методом ОФМ одно и то же значение информационного символа может быть передано двумя сигналами с выхода манипулятора с фазами, отличающимися друг от друга на 180⁰. Фаза сигнала будет определяться фазой предыдущего сигнала. В передающем устройстве системы с ОФМ необходимо перед началом каждого сеанса связи передавать вспомогательный сигнал, от фазы которого и начинается отсчет фазы.

8.4 Когерентный метод приема сигналов с ОФМ

В настоящее время известны и находят широкое применение два основных метода приема ОФМ сигналов:

1. Корреляционный (когерентный), основанный на использовании специально сформированного когерентного опорного напряжения;

2. Автокорреляционный (некогерентный), основанный на использовании принимаемых посылок сигнала в качестве опорного напряжения.

Когерентный метод приема производится в соответствии со схемой, приведенной на рис.10.

Рисунок 10 - Схема когерентного приемника с ОФМн

Когерентный приемник сигналов с ОФМ:

УПЧ - усилитель промежуточной частоты;

ФД- фазовый детектор;

УФОН - устройство формирования опорного напряжения;

УС - устройство сравнения;

ЭП - элемент памяти;

РУ - решающее устройство.

Решение о том, какой символ передан, принимается при сравнении полярности огибающей принятой посылки с полярностью предыдущей. Для сравнения полярностей в приемнике предусмотрен элемент памяти, который запоминает полярность предыдущей посылки.

Особенности когерентного приема сигналов с ОФМ поясняются с помощью таблицы 1.

В этой таблице обозначено: X_J - вид символа (0 или 1); S_J - посылки сигнала; U_J - напряжение на выходе фазового детектора; X^*_J - принятый символ. В первом столбце приведены вспомогательные символы и посылки, предшествующие началу передачи информационной последовательности символов. Посылки сигналов S_{J ОФМ} образованы в соответствии с правилом получения ОФМ_Н сигналов.

Перескок фазы опорного напряжения при приеме ОФМ сигналов приводит к появлению только локальных ошибок. Если скачок фазы произойдет точно на границе соседних посылок S_J-1 и S_J, то неправильно будет принят только символ X_J.

Таблица 1

N столбца	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
XJ	1	0	1	0	0	1	1	0	0	0	1	1	1
SJ ОФМ	S1	S2	S2	S1	S2	S2	S2	S1	S2	S1	S2	S1	S2
SОП	S1	S1	S1	S1	S1	S1	S2	S2	S2	S2	S2	S2	S2
Полярность UJ	+	-	-	+	-	-	+	-	+	-	+	-	-
Полярность U(J-1)		+	-	-	+	-	-	+	-	+	-	+	-
X*J	1	0	1	0	0	0	1	0	0	0	0	0	1

В таблице показано, что в момент, соответствующий границе между 5 и 6 посылками, произошел скачок опорного напряжения и его фаза стала соответствовать фазе посылок S₂ (вместо фазы посылки S₁). В рассматриваемом случае произошла однократная ошибка.

При классической ФМн фазовый детектор перешел бы в «обратный» режим работы.

Если скачок фазы опорного напряжения произойдет в момент, находящийся в пределах длительности посылки сигнала, то импульс на выходе ФД «разобьется» на две части с разной полярностью. В результате такого дробления импульса возможен ошибочный прием двух соседних символов.

При приеме двух ОФМн сигналов неизбежны такие ошибки, вызванные непосредственным воздействием шумов на передаваемые посылки. Если под воздействием шумов фаза посылки сигнала изменится настолько, что это приведет к изменению полярности напряжения на выходе ФД, то ошибочным будет не только переданный символ, но и следующий за ним. В таблице 1 это иллюстрируется десятым столбцом. Если под действием помехи фаза посылки S₁ изменится так, что будет воспринята как фаза посылки S₂, то это приведет к изменению полярности U_J и ошибочному приему символов с номерами 10 и 11.

Необходимо отметить, что из-за влияния шумов опорное напряжение, формируемое в схеме, не полностью когерентно с принимаемым сигналом. Поэтому такой метод приема часто называют частично- когерентным.

8.5 Некогерентный метод приема сигналов с ОФМ

Схема некогерентного приемника сигналов с ОФМн изображена на рис.9.



Рисунок 11 - Схема некогерентного приемника с ОФМн

УПЧ - усилитель промежуточной частоты;

ФД - фазовый детектор;

ЭП - элемент памяти;

РУ - решающее устройство;

Этот метод отличается тем, что в качестве опорного напряжения используется предыдущая посылка, которая запоминается на время т.е. на время длительности элементарного символа. В фазовом детекторе происходит сравнение фазы принятой посылки с фазой предыдущей.

Особенности приема ОФМн сигналов некогерентным методом поясняются в таблице 2.

В табл.2 приняты те же обозначения, что и в табл.1.

Так как непосредственно опорное напряжение не формируется, обратная работа ФД принципиально исключена.

Под воздействием помех фаза сигналов может изменяться так, что на выходе ФД полярность напряжения изменится на противоположную. Это приведет к появлению ошибочного символа на выходе решающего устройства. Так как каждая посылка участвует в формировании выходного напряжения два раза (первый раз как сигнал с фазовой манипуляцией, второй раз - как опорный сигнал), то ошибки на выходе, как правило, появляются парами.

Вероятность ошибки при приеме сигналов на фоне белого шума определяется следующей формулой:

где E - энергия сигнала ;

N₀ - спектральная плотность шума ;

Сравнение когерентного и некогерентного методов приема ОФМн сигналов показывает, что при отношении сигнал/шум больше чем 3-4, разница весьма мала.

Таблица 2

N столбца	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
XJ	1	0	1	0	0	1	1	0	0	0	1	1	1
SJ ОФМ	S1	S2	S2	S1	S2	S2	S2	S1	S2	S1	S1	S1	S2
SОП=S(J-1)		S1	S2	S2	S1	S2	S2	S2	S1	S2	S1	S1	S1
Полярность UJ		-	+	-	-	+	+	-	-	-	+	+	+
X*J		0	1	0	0	1	1	0	0	0	1	1	1

8.6 Сравнение корреляционного и автокорреляционного методов приема

Из приведенного выше рассмотрения следует, что при приеме ОФМн сигналов как при корреляционном, так и автокорреляционном методах используется опорное напряжение, формируемое из принимаемого сигнала, искаженного шумами. Однако степень фильтрации при формировании опорного напряжения в рассмотренных методах различна. При автокорреляционном методе фильтрация помех осуществляется только на интервале, равном длительности посылки. При автокорреляционном методе фильтрация помех осуществляется только на интервале, равном длительности посылки. При корреляционном же методе фильтрация помех в тракте опорного напряжения может выполнятся на значительно большом интервале. В пределе, если параметры канала постоянны, можно обеспечить сколь угодно высокую степень фильтрации помех. Поэтому формулы (44) и (45) можно рассматривать как нижнюю и верхнюю границы вероятности ошибки приема сигналов ОФМн. Нижняя граница относится к идеальному опорному напряжению, а верхняя - к «зашумленному» опорному напряжению.

где P_СП - вероятность ошибки при приеме по методу сравнения полярностей.

Проведем сравнение этих границ при условии, что требования к качеству передачи довольно высоки (Р_ОШ10^-3). В этом случае вероятность ошибки Р_{ОШ Н}, соответствующая нижней границе, определяется выражением (44) и может быть записана в виде:

где h_Н - отношение сигнал / шум для нижней границы.

Вероятность ошибки Р_{ОШ В}, соответствующая верхней границе с учетом выражения (45), может быть записана в виде:

где h_В - отношение сигнал / шум для верхней границы.

Сравнивая (46) и (47) при одинаковых вероятностях ошибок, нетрудно получить выражение, характеризующее различие в энергетических затратах:

При h_Н3 это различие становится незначительным (менее 10). Сравнение (46) и (47) при одинаковых энергетических затратах дает следующий результат:

Результаты сравнения показывают, что при достаточно высоких требованиях к точности передачи информации различие в помехо-устойчивости корреляционного метода приема с идеальным (не «зашумленным») опорным напряжением и автокорреляционного метода с «зашумленным» опорным напряжением невелико. С учетом реальных условий формирования опорного напряжения при когерентном приеме, когда необходимо обеспечивать «отслеживание» медленных случайных изменений фазы сигнала, это различие будет еще меньше.

Основное различие между корреляционным и автокорреляционным методом приема сигналов ОФМн определяется не помехоустойчивостью, а скоростью передачи, которая может быть достигнута при реализации этих методов.

Как указывалось выше при автокорреляционном приеме трудно получить высокую скорость передачи. Для корреляционного приема эти трудности значительно меньше. Указанные особенности определили области применения обоих методов приема ОФМн. Автокорреляционный прием находит широкое применение в системах передачи данных по стандартным телефонным каналам, а корреляционный - в таких системах передачи цифровой информации, где требуются сравнительно высокие скорости передачи (радиотелеметрия, передача изображений и т.п.).

8.7 Описание функциональной схемы передатчика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 12 - Структурная схема передающей части радиолинии

КИМ-ОФМн-ФМ

где АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

ПК - переключатель каналов;

ФМн - фазовый манипулятор;

ФМ - фазовый модулятор;

Передаваемые аналоговые сигналы, снимаемые с датчиков через коммутатор, подаются на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), в котором они преобразуются в цифровой код. Каждому аналоговому сообщению соответствует свое кодовое слово (кодограмма). Все кодовые слова имеют одинаковую разрядность. С помощью преобразователя кода параллельный код с выхода АЦП преобразуется в последовательный двоичный код.

Кодовые слова от всех источников сообщений (от всех датчиков) образуют кадр. Для определения в приемнике начала кадра в него вводится синхронизирующий сигнал или синхрослово. В исследуемой радиолинии в качестве синхрослова выбран код Баркера. Объединение синхрослова и кодовых слов происходит в сумматоре. Последовательность двоичных символов с выхода сумматора, образующих кадр, поступает на фазовый манипулятор, с помощью которого происходит манипуляция на 180^О фазы поднесущего колебания. Манипуляция фазы происходит по правилу: при передаче символа «1» фаза колебаний остается той же, что и у предыдущей посылки, при передаче «0» фаза колебаний меняется на 180^О. Часто в начале сеанса передается один вспомогательный символ для определения фазы первого информационного символа.

Сформированным фазоманипулированным сигналом осуществляется фазовая модуляция несущего колебания. Для обеспечения возможности построения совмещенных радиолиний девиация фазы при модуляции несущей составляет величину, не превышающую 120°. При этом в спектре излучаемого колебания имеется спектральная составляющая на частоте несущего колебания.

С помощью системы синхронизации происходит управление работой передающей части радиолинии. Подключение аналоговых сигналов U₁(t) и U₂(t) к АЦП происходит с периодом, который определяется частотными свойствами процессов U₁ и U₂. Система синхронизации управляет также работой преобразователя кода и вырабатывает запускающий импульс, по которому в формирователе кода Баркера формируется синхрослово. Сигнал ОФМ с выхода фазового манипулятора поступает на фазовый модулятор.

8.8 Описание функциональной схемы приемника

Выделение информационных символов основано на фазовой селекции сигналов, осуществляемой фазовым детектором. ФД реализует операцию перемножения входного колебания и опорного сигнала, а также подавление высокочастотных составляющих с помощью фильтра нижних частот. На выходе ФД формируется фазоманипулированный сигнал на поднесущей частоте f_ПОД, т.е. сигнал с ОФМ.

На выходе ФД1 формируется последовательность импульсов, фронты которых жестко привязаны к моментам времени перескока фазы сигнала ОФМ. В том случае, когда сигнал с КИМ состоит из одних символов «0» , с выхода ФД1 будет сниматься меандр.

Для слежения за тактовой частотой используется система ФАП. Сигнал с выхода ФД2 является синхронизирующим для местного тактового генератора (МТГ), который вырабатывает меандр тактовой синхронизации с периодом 2_О (_О - длительность элементарного символа). Управляющим сигналом для местного тактового генератора является сигнал с выхода ФД2.

Для демодуляции сигналов с ОФМ используется некогерентный метод приема. Основными элементами демодулятора являются высокодобротные полосовые коммутируемые фильтры, настроенные на частоту f_ПОД. В момент, соответствующий приходу очередного символа КИМ-ОФМ S_J, коммутатор, управляемый сигналом с выхода МТГ, подключает его на время _О к фильтру КФ1. Непосредственно перед этим в КФ1 устанавливаются нулевые начальные условия. Для этого КФ1 через К1 на короткое время подключается к точке нулевого потенциала схемы. Управляющие импульсы, которые обнуляют фильтры с помощью ключей 1 и 2 формируются формирователем импульсов обнуления (ФИО). После окончания символа КИМ-ОФМ на время ₀ в КФ1 сохраняются колебания с фазой посылки S_J. Эти колебания поступают на фазовый детектор и выполняют роль опорного колебания для очередного символа S_J. Сигнала КИМ-ОФМ. В момент прихода символа S_J+1 c помощью коммутатора ко входу ФД3 подключается КФ2, в котором возбуждаются колебания с фазой, соответствующей посылке S_J+1. Перед запоминанием фазы посылки S_J+1 в КФ2 с помощью импульсов, снимаемых с выхода ФИО, устанавливаются нулевые начальные условия. Нетрудно видеть, что КФ1 и КФ2 возбуждаются символами сигнала КИМ-ОФМ поочередно: четные символы возбуждают один фильтр, нечетные - другой.

Таким образом, на КФ1 и КФ2 формируются колебания, имеющие от момента возбуждения до момента срыва длительность 2_{О .} Фаза колебаний в каждом фильтре соответствует фазе символов S_J и S_J+1 в сигнале ОФМ.

Формирователь стробирующих импульсов (ФСИ) вырабатывает последовательность коротких импульсов, совпадающих по времени с задним фронтом информационных символов. С выхода схемы стробирования снимаются импульсы, полярность которых определяется полярностью сигналов с выхода ФД3. С выхода триггера снимается последовательность элементарных символов, состоящая из синхрослова и командных слов.

В момент, соответствующий окончанию синхрослова, с выхода дешифратора снимается импульс, который обнуляет пересчетную схему. На селектор каналов (СК) подается нулевой потенциал и первое командное слово проходит на первый цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП1). При заполнении ПС, счетчики которой подсчитывают число импульсов, поступающих с МТК, на СК выдается потенциал, соответствующий «1» и СК подключает триггер к ЦАП2. Следовательно, в рассматриваемом варианте приемного устройства используется безинерционная система пословной синхронизации.

При работе приемника в реальных условиях прием сигнала КИМ-ОФМ будет происходить на фоне шума, что приведет к ошибкам: вместо символа «1» будет регистрироваться «0» и наоборот. Основные причины этого следующие:

На выходе КФ1 и КФ2 будет не только «сигнальная» составляющая, обусловленная воздействием фазоманипулированного сигнала, но и колебания, вызванные воздействием шума.

Поэтому на выходе схемы стробирования при равенстве фаз символов S_J и S_J+1 может с некоторой вероятностью формироваться отрицательный импульс, а при неравенстве фаз этих символов - положительный.

Из-за влияния шума фаза местного генератора будет флюктуировать около своего среднего значения. Это приведет к флюктуациям момента переключения коммутатора, ключей, формирователя импульсов обнуления и сброса. Также из-за влияния шума может нарушаться работа покадровой синхронизации.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 13 - Структурная схема приемной части радиолинии

КИМ-ОФМ-ФМ

УФОН - устройство формирования опорного напряжения;

ВЧПр - высокочастотная часть приемника;

АРУ - автоматическая регулировка усиления;

ФД - фазовый детектор;

КОМ - коммутатор;

КФ - коммутируемый фильтр;

Кл - ключ;

ФИО - формирователь импульсов обнуления;

СС - схема стробирования;

ФСИ - формирователь стробирующих импульсов;

Дш - дешифратор;

Тр - триггер;

ПС - пересчетная схема;

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь;

/2 - фазовращатель;

Ф - фильтр;

МТГ- местный тактовый генератор;

8.9 Система тактовой синхронизации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Управляет работой приемной части радиолинии система посимвольной синхронизации. Ее назначение - вырабатывать периодическую последовательность импульсов (меандр тактовой синхронизации) с тактовой частотой f_Т. Передний и задний фронты каждого синхронизирующего импульса должны совпадать с началом и концом каждого элементарного символа в сигнале ОФМн. Работает система посимвольной синхронизации следующим образом. Фазоманипулированный сигнал на поднесущей частоте подается на фазовый детектор ФД1 и на устройство формирования опорного напряжения (УФОН). С выхода УФОН снимается синусоидальное напряжение на частоте f_ПОД, но уже без фазовой манипуляции.

На выходе ФД1 формируется последовательность импульсов, фронты которых жестко привязаны к моментам времени перескока фазы сигнала ОФМ. В том случае, когда сигнал с КИМ состоит из одних символов «0» , с выхода ФД1 будет сниматься меандр.

Для слежения за тактовой частотой используется система ФАП. Сигнал с выхода ФД2 является синхронизирующим для местного тактового генератора (МТГ), который вырабатывает меандр тактовой синхронизации с периодом 2_О (_О - длительность элементарного символа). Управляющим сигналом для местного тактового генератора является сигнал с выхода ФД2.

Заключение

В данном курсовом проекте была разработана цифровая командная радиолиния КИМ(м)-ОФМ-ФМ, которая полностью отвечает требованиям технического задания. Были выбраны основные технические характеристики радиолинии, рассчитан энергетический потенциал радиолинии, разработана функциональная схема.

Список литературы

1. Основы радиоуправления. Под ред. В.А. Вейциля и В.Н. Типугина М. : 1973 г.

2. Пенин П.И. Системы передачи цифровой информации. /Москва “Советское радио” 1976.